Pogled na različite dostupne linearne motore i kako odabrati optimalni tip za svoju primjenu.
Sljedeći članak je pregled različitih vrsta dostupnih linearnih motora, uključujući njihove principe rada, povijest razvoja permanentnih magneta, metode dizajna za linearne motore i industrijske sektore koji koriste svaki tip linearnog motora.
Tehnologija linearnih motora može biti: linearni indukcioni motori (LIM) ili linearni sinhroni motori s trajnim magnetom (PMLSM).PMLSM može biti sa gvozdenim jezgrom ili bez gvožđa.Svi motori su dostupni u ravnoj ili cjevastoj konfiguraciji.Hiwin je bio na čelu dizajna i proizvodnje linearnih motora već 20 godina.
Prednosti linearnih motora
Linearni motor se koristi za obezbeđivanje linearnog kretanja, tj. pomeranje datog korisnog tereta pri diktiranom ubrzanju, brzini, udaljenosti i preciznosti.Sve tehnologije kretanja osim linearnog motora su neka vrsta mehaničkog pogona za pretvaranje rotacijskog kretanja u linearno kretanje.Takvi sistemi kretanja se pokreću kugličnim zavrtnjima, kaiševima ili letvom i zupčanikom.Vijek trajanja svih ovih pogona u velikoj mjeri ovisi o trošenju mehaničkih komponenti koje se koriste za pretvaranje rotacijskog kretanja u linearno kretanje i relativno je kratak.
Glavna prednost linearnih motora je da obezbede linearno kretanje bez ikakvog mehaničkog sistema jer je vazduh prenosni medij, stoga su linearni motori u suštini pogoni bez trenja, obezbeđujući teoretski neograničen radni vek.Budući da se za proizvodnju linearnog kretanja ne koriste nikakvi mehanički dijelovi, moguća su vrlo velika ubrzanja i brzine gdje će drugi pogoni kao što su kuglični vijci, remeni ili letvica i zupčanik naići na ozbiljna ograničenja.
Linearni indukcioni motori
Slika 1
Linearni indukcijski motor (LIM) je prvi izumljen (američki patent 782312 – Alfred Zehden 1905.).Sastoji se od “primarnog” koji se sastoji od gomile električnih čeličnih laminacija i više bakarnih namotaja koji se napajaju trofaznim naponom i “sekundara” koji se uglavnom sastoji od čelične ploče i bakarne ili aluminijske ploče.
Kada su primarni zavojnici pod naponom, sekundarni se magnetiziraju i u sekundarnom vodiču se formira polje vrtložnih struja.Ovo sekundarno polje će tada stupiti u interakciju sa primarnim povratnim EMF-om kako bi stvorilo silu.Smjer kretanja slijedit će Flemingovo pravilo lijeve ruke, tj.smjer kretanja će biti okomit na smjer struje i smjer polja/fluksa.
Slika 2
Linearni asinhroni motori nude prednost vrlo niske cijene jer sekundar ne koristi nikakve trajne magnete.NdFeB i SmCo trajni magneti su veoma skupi.Linearni asinhroni motori koriste vrlo uobičajene materijale, (čelik, aluminij, bakar), za svoje sekundarne i eliminišu ovaj rizik napajanja.
Međutim, loša strana korištenja linearnih asinhronih motora je dostupnost pogona za takve motore.Iako je vrlo lako pronaći pogone za linearne motore s permanentnim magnetima, vrlo je teško pronaći pogone za linearne indukcione motore.
Slika 3
Linearni sinhroni motori s trajnim magnetom
Linearni sinhroni motori s trajnim magnetom (PMLSM) imaju u suštini istu primarnu kao i linearni indukcioni motori (tj. set zavojnica postavljenih na snop ploča od električnog čelika i pokretanih trofaznim naponom).Sekundarni se razlikuje.
Umjesto ploče od aluminija ili bakra postavljene na čeličnu ploču, sekundar se sastoji od trajnih magneta postavljenih na čeličnu ploču.Smjer magnetizacije svakog magneta će se mijenjati u odnosu na prethodni kao što je prikazano na slici 3.
Očigledna prednost upotrebe trajnih magneta je stvaranje stalnog polja u sekundaru.Vidjeli smo da se sila stvara na asinhronom motoru interakcijom primarnog polja i sekundarnog polja koje je dostupno samo nakon što se polje vrtložnih struja stvori u sekundaru kroz zračni razmak motora.Ovo će rezultirati kašnjenjem koje se naziva "klizanje" i kretanjem sekundara koji nije u skladu s primarnim naponom koji se dovodi na primarni.
Zbog toga se indukcijski linearni motori nazivaju "asinhroni".Na linearnom motoru s permanentnim magnetom, sekundarno kretanje će uvijek biti sinkronizirano s primarnim naponom jer je sekundarno polje uvijek dostupno i bez ikakvog odlaganja.Iz tog razloga, trajni linearni motori se nazivaju "sinhroni".
Na PMLSM-u se mogu koristiti različite vrste trajnih magneta.U posljednjih 120 godina, omjer svakog materijala se promijenio.Od danas, PMLSM-ovi koriste ili NdFeB magnete ili SmCo magnete, ali velika većina koristi NdFeB magnete.Slika 4 prikazuje istoriju razvoja permanentnih magneta.
Slika 4
Snagu magneta karakterizira njegov energetski proizvod u Megagauss-Oersteds, (MGOe).Do sredine osamdesetih bili su dostupni samo čelik, ferit i alnico koji su isporučivali vrlo niskoenergetske proizvode.SmCo magneti su razvijeni ranih 1960-ih na osnovu radova Karla Strnata i Aldena Raya, a kasnije su komercijalizirani kasnih šezdesetih.
Slika 5
Energetski proizvod SmCo magneta u početku je bio više nego dvostruko veći od energetskog proizvoda Alnico magneta.1984. General Motors i Sumitomo su nezavisno razvili NdFeB magnete, spoj neodinijuma, gvožđa i bora.Poređenje SmCo i NdFeB magneta je prikazano na slici 5.
NdFeB magneti razvijaju mnogo veću silu od SmCo magneta, ali su mnogo osjetljiviji na visoke temperature.SmCo magneti su također mnogo otporniji na koroziju i niske temperature, ali su skuplji.Kada radna temperatura dostigne maksimalnu temperaturu magneta, magnet počinje da se demagnetizira, a ova demagnetizacija je nepovratna.Magnet koji gubi magnetizam će uzrokovati da motor izgubi snagu i neće moći ispuniti specifikacije.Ako magnet radi ispod maksimalne temperature 100% vremena, njegova snaga će biti očuvana gotovo neograničeno.
Zbog veće cijene SmCo magneta, NdFeB magneti su pravi izbor za većinu motora, posebno s obzirom na veću raspoloživu snagu.Međutim, za neke aplikacije u kojima radna temperatura može biti vrlo visoka, poželjno je koristiti SmCo magnete kako bi se držali podalje od maksimalne radne temperature.
Projektovanje linearnih motora
Linearni motor je općenito dizajniran putem elektromagnetske simulacije konačnih elemenata.3D model će biti kreiran za predstavljanje laminacije, zavojnica, magneta i čelične ploče koja podržava magnete.Zrak će biti modeliran oko motora kao i u zračnom procjepu.Zatim će se uneti svojstva materijala za sve komponente: magnete, električni čelik, čelik, zavojnice i vazduh.Zatim će se kreirati mreža pomoću H ili P elemenata i model će biti riješen.Zatim se struja primjenjuje na svaki kalem u modelu.
Slika 6 prikazuje izlaz simulacije gdje je prikazan fluks u tesli.Glavna izlazna vrijednost od interesa za simulaciju je naravno snaga motora i bit će dostupna.Budući da krajnji zavoji zavojnica ne proizvode nikakvu silu, također je moguće pokrenuti 2D simulaciju korištenjem 2D modela (DXF ili drugi format) motora uključujući laminacije, magnete i čeličnu ploču koja podržava magnete.Rezultat takve 2D simulacije bit će vrlo blizak 3D simulaciji i dovoljno precizan da se procijeni motorna sila.
Slika 6
Linearni asinhroni motor će se modelirati na isti način, bilo putem 3D ili 2D modela, ali će rješenje biti složenije nego za PMLSM.To je zato što će magnetni fluks PMLSM sekundara biti modeliran odmah nakon ulaska u svojstva magneta, stoga će biti potrebno samo jedno rješenje za dobivanje svih izlaznih vrijednosti uključujući snagu motora.
Međutim, sekundarni tok asinhronog motora zahtijevat će analizu prijelaza (što znači nekoliko rješenja u datom vremenskom intervalu) kako bi se mogao izgraditi magnetni tok sekundara LIM-a i tek tada se može dobiti sila.Softver koji se koristi za simulaciju elektromagnetskih konačnih elemenata morat će imati mogućnost pokretanja analize tranzijenta.
Stepen linearnog motora
Slika 7
Hiwin Corporation isporučuje linearne motore na nivou komponenti.U tom slučaju će biti isporučeni samo linearni motor i sekundarni moduli.Za PMLSM motor, sekundarni moduli će se sastojati od čeličnih ploča različitih dužina na kojima će se montirati trajni magneti.Hiwin Corporation takođe isporučuje kompletne faze kao što je prikazano na slici 7.
Takva faza uključuje okvir, linearne ležajeve, primarni motor, sekundarne magnete, kolica za kupca za pričvršćivanje svog tereta, enkoder i kablovsku stazu.Stepen sa linearnim motorom će biti spreman za pokretanje po isporuci i olakšati život jer kupac neće morati dizajnirati i proizvoditi stepen, što zahtijeva stručno znanje.
Radni vijek faze linearnog motora
Vek trajanja stepena linearnog motora je znatno duži od stepena koji se pokreće remenom, kugličnim vijkom ili letvom i zupčanikom.Mehaničke komponente stepena sa indirektnim pogonom su obično prve komponente koje pokvare zbog trenja i habanja kojima su stalno izloženi.Stepen linearnog motora je direktan pogon bez mehaničkog kontakta ili habanja jer je prijenosni medij zrak.Stoga, jedine komponente koje mogu otkazati na stepenu linearnog motora su linearni ležajevi ili sam motor.
Linearni ležajevi obično imaju vrlo dug vijek trajanja jer je radijalno opterećenje vrlo malo.Vijek trajanja motora ovisit će o prosječnoj radnoj temperaturi.Slika 8 prikazuje vijek trajanja izolacije motora u funkciji temperature.Pravilo je da će se radni vijek prepoloviti za svakih 10 stepeni Celzijusa da je radna temperatura iznad nazivne temperature.Na primjer, klasa izolacije motora F će raditi 325.000 sati na prosječnoj temperaturi od 120°C.
Stoga je predviđeno da će stepen linearnog motora imati radni vek od 50+ godina ako je motor odabran konzervativno, životni vek koji se nikada ne može postići stepenicama sa remenom, kugličnim vijkom ili zupčanikom.
Slika 8
Aplikacije za linearne motore
Linearni asinhroni motori (LIM) se uglavnom koriste u aplikacijama s velikom dužinom putovanja i gdje je potrebna vrlo velika sila u kombinaciji s vrlo velikim brzinama.Razlog za odabir linearnog indukcionog motora je taj što će cijena sekundara biti znatno niža nego ako se koristi PMLSM, a pri vrlo velikoj brzini efikasnost linearnog indukcionog motora je vrlo visoka, tako da će se izgubiti malo energije.
Na primjer, EMALS (elektromagnetski sistemi za lansiranje), koji se koriste na nosačima aviona za lansiranje aviona, koriste linearne indukcione motore.Prvi takav sistem linearnih motora ugrađen je na nosač aviona USS Gerald R. Ford.Motor može ubrzati avion od 45.000 kg pri 240 km/h na stazi od 91 metar.
Još jedan primjer vožnje u zabavnom parku.Linearni asinhroni motori instalirani na nekim od ovih sistema mogu ubrzati vrlo velika korisna opterećenja od 0 do 100 km/h za 3 sekunde.Stepeni linearnog indukcionog motora se takođe mogu koristiti na RTU-ovima (Robot Transport Units).Većina RTU-ova koristi pogone sa zupčanikom, ali linearni indukcijski motor može ponuditi veće performanse, nižu cijenu i mnogo duži vijek trajanja.
Sinhroni motori s trajnim magnetom
PMLSM će se obično koristiti u aplikacijama s mnogo manjim hodom, nižim brzinama, ali visoke do vrlo visoke preciznosti i intenzivnim radnim ciklusima.Većina ovih aplikacija nalazi se u industriji AOI (automatizirana optička inspekcija), poluvodičkoj i industriji laserskih mašina.
Izbor stepena sa linearnim motorom (direktan pogon) nudi značajne prednosti u odnosu na indirektne pogone (faze u kojima se linearno kretanje dobija pretvaranjem rotacionog kretanja), za dugotrajne dizajne i pogodni su za mnoge industrije.
Vrijeme objave: Feb-06-2023