Oglejte si različne razpoložljive linearne motorje in kako izbrati optimalen tip za vašo aplikacijo.
Naslednji članek je pregled različnih vrst linearnih motorjev, ki so na voljo, vključno z njihovimi principi delovanja, zgodovino razvoja trajnih magnetov, metodami načrtovanja za linearne motorje in industrijskimi sektorji, ki uporabljajo posamezne vrste linearnih motorjev.
Tehnologija linearnih motorjev je lahko: linearni indukcijski motorji (LIM) ali linearni sinhronski motorji s trajnimi magneti (PMLSM).PMLSM je lahko z železnim jedrom ali brez železa.Vsi motorji so na voljo v ravni ali cevasti konfiguraciji.Hiwin je že 20 let v ospredju načrtovanja in proizvodnje linearnih motorjev.
Prednosti linearnih motorjev
Linearni motor se uporablja za zagotavljanje linearnega gibanja, tj. premikanje danega koristnega tovora z narekovanim pospeškom, hitrostjo, potovalno razdaljo in natančnostjo.Vse tehnologije gibanja, razen linearnega motorja, so neke vrste mehanski pogon za pretvorbo rotacijskega gibanja v linearno.Takšne gibalne sisteme poganjajo kroglična vretena, jermeni ali letev in zobnik.Življenjska doba vseh teh pogonov je močno odvisna od obrabe mehanskih komponent, ki se uporabljajo za pretvorbo vrtilnega gibanja v linearno in je relativno kratka.
Glavna prednost linearnih motorjev je zagotavljanje linearnega gibanja brez mehanskega sistema, ker je zrak prenosni medij, zato so linearni motorji v bistvu pogoni brez trenja, ki zagotavljajo teoretično neomejeno življenjsko dobo.Ker se za ustvarjanje linearnega gibanja ne uporabljajo nobeni mehanski deli, so možni zelo visoki pospeški pri hitrostih, kjer bodo drugi pogoni, kot so kroglični vreteni, jermeni ali letev in zobnik, naleteli na resne omejitve.
Linearni indukcijski motorji
Slika 1
Linearni indukcijski motor (LIM) je bil prvi izumljen (ameriški patent 782312 – Alfred Zehden leta 1905).Sestavljen je iz "primara", sestavljenega iz niza električnih jeklenih laminatov in množice bakrenih tuljav, ki jih napaja trifazna napetost, in "sekundara", ki je na splošno sestavljen iz jeklene plošče in bakrene ali aluminijaste plošče.
Ko so primarne tuljave pod napetostjo, se sekundar namagneti in v sekundarnem prevodniku se oblikuje polje vrtinčnih tokov.To sekundarno polje bo nato delovalo s primarnim povratnim elektromagnetnim poljem, da bi ustvarilo silo.Smer gibanja bo sledila Flemingovemu pravilu leve roke, tj.smer gibanja bo pravokotna na smer toka in smer polja/fluksa.
Slika 2
Prednost linearnih indukcijskih motorjev je zelo nizka cena, ker sekundar ne uporablja trajnih magnetov.Trajni magneti NdFeB in SmCo so zelo dragi.Linearni indukcijski motorji uporabljajo zelo običajne materiale (jeklo, aluminij, baker) za svojo sekundarno in odpravljajo to tveganje napajanja.
Vendar pa je slaba stran uporabe linearnih indukcijskih motorjev razpoložljivost pogonov za takšne motorje.Čeprav je zelo enostavno najti pogone za linearne motorje s trajnimi magneti, je zelo težko najti pogone za linearne indukcijske motorje.
Slika 3
Linearni sinhronski motorji s trajnimi magneti
Linearni sinhronski motorji s trajnim magnetom (PMLSM) imajo v bistvu enak primarni kot linearni indukcijski motorji (tj. niz tuljav, nameščenih na nizu plošč iz električnega jekla in jih poganja trifazna napetost).Sekundarni se razlikuje.
Namesto plošče iz aluminija ali bakra, nameščene na jekleno ploščo, je sekundar sestavljen iz trajnih magnetov, nameščenih na jekleno ploščo.Smer magnetizacije vsakega magneta se bo spreminjala glede na prejšnjega, kot je prikazano na sliki 3.
Očitna prednost uporabe trajnih magnetov je ustvarjanje trajnega polja v sekundarni.Videli smo, da nastane sila na indukcijskem motorju z interakcijo primarnega polja in sekundarnega polja, ki je na voljo šele, ko je v sekundaru skozi zračno režo motorja ustvarjeno polje vrtinčnih tokov.To bo povzročilo zakasnitev, imenovano "zdrs", in gibanje sekundarne napeljave, ki ni sinhronizirano s primarno napetostjo, ki se dovaja primarju.
Zaradi tega se indukcijski linearni motorji imenujejo "asinhroni".Pri linearnem motorju s trajnim magnetom bo sekundarno gibanje vedno sinhronizirano s primarno napetostjo, ker je sekundarno polje vedno na voljo in brez zamika.Zaradi tega se trajni linearni motorji imenujejo "sinhroni".
Na PMLSM je mogoče uporabiti različne vrste trajnih magnetov.V zadnjih 120 letih se je razmerje vsakega materiala spremenilo.Od danes PMLSM uporabljajo magnete NdFeB ali magnete SmCo, vendar velika večina uporablja magnete NdFeB.Slika 4 prikazuje zgodovino razvoja trajnega magneta.
Slika 4
Moč magneta je označena z njegovim energijskim produktom v Megagauss-Oerstedih (MGOe).Do sredine osemdesetih so bili na voljo samo jeklo, ferit in alnico, ki so zagotavljali zelo nizkoenergijske izdelke.Magneti SmCo so bili razviti v zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja na podlagi dela Karla Strnata in Aldena Raya ter pozneje komercializirani v poznih šestdesetih letih.
Slika 5
Energijski produkt magnetov SmCo je bil na začetku več kot dvakrat večji od energijskega produkta magnetov Alnico.Leta 1984 sta General Motors in Sumitomo neodvisno razvila magnete NdFeB, spojino neodinija, železa in bora.Primerjava magnetov SmCo in NdFeB je prikazana na sliki 5.
Magneti NdFeB razvijejo veliko večjo silo kot magneti SmCo, vendar so veliko bolj občutljivi na visoke temperature.Magneti SmCo so tudi veliko bolj odporni proti koroziji in nizkim temperaturam, vendar so dražji.Ko delovna temperatura doseže najvišjo temperaturo magneta, se magnet začne razmagnetiti in to razmagnetenje je nepovratno.Zaradi izgube magnetizacije bo motor izgubil moč in ne bo mogel izpolnjevati specifikacij.Če magnet 100 % časa deluje pod najvišjo temperaturo, bo njegova moč ohranjena skoraj za nedoločen čas.
Zaradi višjih stroškov magnetov SmCo so magneti NdFeB prava izbira za večino motorjev, zlasti glede na večjo razpoložljivo silo.Vendar je za nekatere aplikacije, kjer je lahko delovna temperatura zelo visoka, bolje uporabiti magnete SmCo, da se izognete najvišji delovni temperaturi.
Oblikovanje linearnih motorjev
Linearni motor je na splošno zasnovan z elektromagnetno simulacijo končnih elementov.Ustvarjen bo 3D model, ki bo predstavljal sklop laminacije, tuljave, magnete in jekleno ploščo, ki podpira magnete.Zrak bo modeliran okoli motorja in v zračni reži.Nato bodo vnesene lastnosti materialov za vse komponente: magneti, elektro jeklo, jeklo, tuljave in zrak.Nato bo z uporabo elementov H ali P ustvarjena mreža in model bo rešen.Nato se tok uporabi za vsako tuljavo v modelu.
Slika 6 prikazuje izhod simulacije, kjer je prikazan tok v teslah.Glavna izhodna vrednost, ki je zanimiva za simulacijo, je seveda motorna sila in bo na voljo.Ker končni zavoji tuljav ne proizvajajo nobene sile, je mogoče zagnati tudi 2D simulacijo z uporabo 2D modela (DXF ali drug format) motorja, vključno z laminati, magneti in jekleno ploščo, ki podpira magnete.Rezultat takšne 2D simulacije bo zelo blizu 3D simulaciji in dovolj natančen za oceno motorične sile.
Slika 6
Linearni indukcijski motor bo modeliran na enak način, bodisi preko 3D ali 2D modela, vendar bo rešitev bolj zapletena kot pri PMLSM.To je zato, ker bo magnetni pretok sekundarne enote PMLSM modeliran takoj po vnosu lastnosti magnetov, zato bo za pridobitev vseh izhodnih vrednosti, vključno s silo motorja, potrebna samo ena rešitev.
Vendar pa bo sekundarni tok indukcijskega motorja zahteval prehodno analizo (kar pomeni več rešitev v danem časovnem intervalu), tako da bo mogoče zgraditi magnetni pretok sekundarnega elementa LIM in šele nato pridobiti silo.Programska oprema, ki se uporablja za elektromagnetno simulacijo končnih elementov, bo morala imeti možnost izvajanja analize prehodnosti.
Faza linearnega motorja
Slika 7
Hiwin Corporation dobavlja linearne motorje na ravni komponent.V tem primeru bodo dobavljeni samo linearni motor in sekundarni moduli.Za motor PMLSM bodo sekundarni moduli sestavljeni iz jeklenih plošč različnih dolžin, na vrhu katerih bodo sestavljeni trajni magneti.Hiwin Corporation dobavlja tudi celotne stopnje, kot je prikazano na sliki 7.
Takšna stopnja vključuje okvir, linearne ležaje, primarni motor, sekundarne magnete, nosilec za pritrditev tovora, dajalnik in kabelsko progo.Stopnja linearnega motorja bo pripravljena za zagon ob dobavi in bo olajšala življenje, saj stranki ne bo treba oblikovati in izdelati stopnje, kar zahteva strokovno znanje.
Življenjska doba stopnje linearnega motorja
Življenjska doba stopnje linearnega motorja je precej daljša od stopnje, ki jo poganja jermen, kroglični vijak ali zobata letev.Mehanske komponente posredno gnanih stopenj so običajno prve komponente, ki odpovejo zaradi trenja in obrabe, ki so ji nenehno izpostavljene.Stopnja linearnega motorja je neposredni pogon brez mehanskega dotika ali obrabe, ker je prenosni medij zrak.Zato so edine komponente, ki lahko odpovejo na stopnji linearnega motorja, linearni ležaji ali sam motor.
Linearni ležaji imajo običajno zelo dolgo življenjsko dobo, ker je radialna obremenitev zelo majhna.Življenjska doba motorja bo odvisna od povprečne delovne temperature.Slika 8 prikazuje življenjsko dobo izolacije motorja kot funkcijo temperature.Pravilo je, da se življenjska doba prepolovi za vsakih 10 stopinj Celzija, ko je delovna temperatura nad nazivno temperaturo.Na primer, motor izolacijskega razreda F bo deloval 325.000 ur pri povprečni temperaturi 120 °C.
Zato je predvideno, da bo imela stopnja linearnega motorja življenjsko dobo 50+ let, če je motor izbran konzervativno, življenjska doba, ki je nikoli ne morejo doseči stopnje, gnane z jermenom, krogličnim vijakom ali zobato letvijo.
Slika 8
Aplikacije za linearne motorje
Linearni indukcijski motorji (LIM) se večinoma uporabljajo v aplikacijah z veliko potovalno dolžino in kjer je potrebna zelo velika sila v kombinaciji z zelo visokimi hitrostmi.Razlog za izbiro linearnega indukcijskega motorja je v tem, da bodo stroški sekundarne nastavke znatno nižji kot pri uporabi PMLSM, pri zelo visoki hitrosti pa je izkoristek linearnega indukcijskega motorja zelo visok, tako da bo izgubljena malo energije.
Na primer, EMALS (Electromagnetic Launch Systems), ki se uporabljajo na letalonosilkah za izstrelitev letal, uporabljajo linearne indukcijske motorje.Prvi tak linearni motorni sistem je bil nameščen na letalonosilki USS Gerald R. Ford.Motor lahko pospeši 45.000 kg težko letalo pri 240 km/h na 91-metrski progi.
Še en primer vožnje v zabaviščnem parku.Linearni indukcijski motorji, nameščeni na nekaterih od teh sistemov, lahko pospešijo zelo velike tovore od 0 do 100 km/h v 3 sekundah.Stopnje linearnega indukcijskega motorja se lahko uporabljajo tudi na RTU (Robot Transport Units).Večina RTU-jev uporablja pogone z zobato letvijo, vendar lahko linearni indukcijski motor ponudi večjo zmogljivost, nižje stroške in veliko daljšo življenjsko dobo.
Sinhroni motorji s trajnimi magneti
PMLSM se običajno uporabljajo pri aplikacijah z veliko manjšimi gibi, nižjimi hitrostmi, vendar visoko do zelo visoko natančnostjo in intenzivnimi delovnimi cikli.Večino teh aplikacij najdemo v industriji AOI (Automated Optical Inspection), polprevodniških in laserskih strojev.
Izbira stopenj, ki jih poganja linearni motor (neposredni pogon), nudi pomembne prednosti v primerjavi s posrednimi pogoni (stopnje, pri katerih se linearno gibanje doseže s pretvorbo rotacijskega gibanja) za dolgotrajne zasnove in so primerne za številne industrije.
Čas objave: 6. februarja 2023