Μια ματιά στους διαφορετικούς γραμμικούς κινητήρες που διατίθενται και πώς να επιλέξετε τον βέλτιστο τύπο για την εφαρμογή σας.
Το παρακάτω άρθρο είναι μια επισκόπηση των διαφορετικών τύπων γραμμικών κινητήρων που διατίθενται, συμπεριλαμβανομένων των αρχών λειτουργίας τους, του ιστορικού ανάπτυξης μόνιμων μαγνητών, των μεθόδων σχεδιασμού για γραμμικούς κινητήρες και βιομηχανικούς τομείς που χρησιμοποιούν κάθε τύπο γραμμικού κινητήρα.
Η τεχνολογία γραμμικών κινητήρων μπορεί να είναι: Γραμμικοί κινητήρες επαγωγής (LIM) ή Γραμμικοί Σύγχρονοι Κινητήρες Μόνιμου Μαγνήτη (PMLSM).Το PMLSM μπορεί να είναι πυρήνα σιδήρου ή χωρίς σίδηρο.Όλοι οι κινητήρες διατίθενται σε επίπεδη ή σωληνοειδή διαμόρφωση.Η Hiwin βρίσκεται στην πρώτη γραμμή του γραμμικού σχεδιασμού και κατασκευής κινητήρων για 20 χρόνια.
Πλεονεκτήματα των γραμμικών κινητήρων
Ένας γραμμικός κινητήρας χρησιμοποιείται για την παροχή γραμμικής κίνησης, δηλαδή τη μετακίνηση ενός δεδομένου ωφέλιμου φορτίου με επιτάχυνση, ταχύτητα, απόσταση ταξιδιού και ακρίβεια.Όλες οι τεχνολογίες κίνησης εκτός από τη γραμμική κίνηση με κινητήρα είναι κάποιο είδος μηχανικής κίνησης για τη μετατροπή της περιστροφικής κίνησης σε γραμμική κίνηση.Τέτοια συστήματα κίνησης κινούνται με σφαιρικές βίδες, ιμάντες ή σχάρα και πινιόν.Η διάρκεια ζωής όλων αυτών των ηλεκτροκινητήρων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη φθορά των μηχανικών εξαρτημάτων που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της περιστροφικής κίνησης σε γραμμική κίνηση και είναι σχετικά μικρή.
Το κύριο πλεονέκτημα των γραμμικών κινητήρων είναι ότι παρέχουν γραμμική κίνηση χωρίς μηχανικό σύστημα, επειδή ο αέρας είναι το μέσο μετάδοσης, επομένως οι γραμμικοί κινητήρες είναι ουσιαστικά κινητήρες χωρίς τριβές, παρέχοντας θεωρητικά απεριόριστη διάρκεια ζωής.Επειδή δεν χρησιμοποιούνται μηχανικά μέρη για την παραγωγή γραμμικής κίνησης, είναι δυνατές πολύ υψηλές επιταχύνσεις και ταχύτητες όπου άλλοι μηχανισμοί μετάδοσης κίνησης, όπως σφαιρικές βίδες, ιμάντες ή σχάρα και πινιόν θα αντιμετωπίσουν σοβαρούς περιορισμούς.
Γραμμικοί κινητήρες επαγωγής
Εικ. 1
Ο γραμμικός κινητήρας επαγωγής (LIM) ήταν ο πρώτος που εφευρέθηκε (Δίπλωμα Ευρεσιτεχνίας ΗΠΑ 782312 – Alfred Zehden το 1905).Αποτελείται από ένα «πρωτεύον» που αποτελείται από μια στοίβα ηλεκτρικών ελασμάτων χάλυβα και μια πλειάδα πηνίων χαλκού που τροφοδοτούνται από μια τριφασική τάση και ένα «δευτερεύον» που αποτελείται γενικά από μια χαλύβδινη πλάκα και μια πλάκα χαλκού ή αλουμινίου.
Όταν τα πρωτεύοντα πηνία ενεργοποιούνται, το δευτερεύον μαγνητίζεται και ένα πεδίο δινορευμάτων σχηματίζεται στον δευτερεύοντα αγωγό.Αυτό το δευτερεύον πεδίο θα αλληλεπιδράσει στη συνέχεια με το πρωτεύον πίσω EMF για να δημιουργήσει δύναμη.Η κατεύθυνση της κίνησης θα ακολουθεί τον κανόνα του αριστερού χεριού του Φλέμινγκ π.χ.η κατεύθυνση της κίνησης θα είναι κάθετη προς την κατεύθυνση του ρεύματος και την κατεύθυνση του πεδίου / ροής.
Εικ. 2
Οι γραμμικοί κινητήρες επαγωγής προσφέρουν το πλεονέκτημα του πολύ χαμηλού κόστους επειδή ο δευτερεύων δεν χρησιμοποιεί μόνιμους μαγνήτες.Οι μόνιμοι μαγνήτες NdFeB και SmCo είναι πολύ ακριβοί.Οι γραμμικοί επαγωγικοί κινητήρες χρησιμοποιούν πολύ κοινά υλικά, (χάλυβας, αλουμίνιο, χαλκός), για τη δευτερογενή τους και εξαλείφουν αυτόν τον κίνδυνο τροφοδοσίας.
Ωστόσο, το μειονέκτημα της χρήσης κινητήρων γραμμικής επαγωγής είναι η διαθεσιμότητα κινητήρων για τέτοιους κινητήρες.Ενώ είναι πολύ εύκολο να βρείτε κινητήρες για γραμμικούς κινητήρες μόνιμου μαγνήτη, είναι πολύ δύσκολο να βρείτε μονάδες κίνησης για κινητήρες γραμμικής επαγωγής.
Εικ. 3
Γραμμικοί Σύγχρονοι Κινητήρες Μόνιμου Μαγνήτη
Οι γραμμικοί σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη (PMLSM) έχουν ουσιαστικά τον ίδιο πρωτεύοντα με τους κινητήρες γραμμικής επαγωγής (δηλαδή, ένα σύνολο πηνίων τοποθετημένων σε μια στοίβα ελασμάτων ηλεκτρικού χάλυβα και κινούνται από μια τριφασική τάση).Το δευτερεύον διαφέρει.
Αντί για μια πλάκα από αλουμίνιο ή χαλκό τοποθετημένη σε μια πλάκα από χάλυβα, η δευτερεύουσα αποτελείται από μόνιμους μαγνήτες τοποθετημένους σε μια πλάκα χάλυβα.Η κατεύθυνση μαγνήτισης κάθε μαγνήτη θα εναλλάσσεται σε σχέση με την προηγούμενη όπως φαίνεται στο Σχ. 3.
Το προφανές πλεονέκτημα της χρήσης μόνιμων μαγνητών είναι η δημιουργία μόνιμου πεδίου στο δευτερεύον.Είδαμε ότι η δύναμη δημιουργείται σε έναν επαγωγικό κινητήρα από την αλληλεπίδραση του πρωτεύοντος πεδίου και του δευτερεύοντος πεδίου, το οποίο είναι διαθέσιμο μόνο αφού έχει δημιουργηθεί ένα πεδίο δινορευμάτων στο δευτερεύον μέσω του διακένου του κινητήρα.Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα μια καθυστέρηση που ονομάζεται «ολίσθηση» και μια κίνηση του δευτερεύοντος που δεν συγχρονίζεται με την κύρια τάση που παρέχεται στο πρωτεύον.
Για το λόγο αυτό, οι επαγωγικοί γραμμικοί κινητήρες ονομάζονται «ασύγχρονοι».Σε έναν γραμμικό κινητήρα μόνιμου μαγνήτη, η δευτερεύουσα κίνηση θα είναι πάντα σε συγχρονισμό με την κύρια τάση επειδή το δευτερεύον πεδίο είναι πάντα διαθέσιμο και χωρίς καθυστέρηση.Για το λόγο αυτό, οι μόνιμοι γραμμικοί κινητήρες ονομάζονται «σύγχρονοι».
Διαφορετικοί τύποι μόνιμων μαγνητών μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα PMLSM.Τα τελευταία 120 χρόνια, η αναλογία κάθε υλικού έχει αλλάξει.Από σήμερα, τα PMLSM χρησιμοποιούν είτε μαγνήτες NdFeB είτε μαγνήτες SmCo, αλλά η συντριπτική πλειοψηφία χρησιμοποιεί μαγνήτες NdFeB.Το Σχ. 4 δείχνει την ιστορία της ανάπτυξης μόνιμου μαγνήτη.
Εικ. 4
Η ισχύς του μαγνήτη χαρακτηρίζεται από το ενεργειακό προϊόν του στο Megagauss-Oersteds, (MGOe).Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του ογδόντα μόνο τα Steel, Ferrite και Alnico ήταν διαθέσιμα και παρέδιδαν προϊόντα πολύ χαμηλής ενέργειας.Οι μαγνήτες SmCo αναπτύχθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1960 με βάση τη δουλειά των Karl Strnat και Alden Ray και αργότερα διατέθηκαν στο εμπόριο στα τέλη της δεκαετίας του '60.
Εικ. 5
Το ενεργειακό προϊόν των μαγνητών SmCo ήταν αρχικά υπερδιπλάσιο από το ενεργειακό προϊόν των μαγνητών Alnico.Το 1984 η General Motors και η Sumitomo ανέπτυξαν ανεξάρτητα τους μαγνήτες NdFeB, μια ένωση νεοδυνίου, σιδήρου και βορίου.Μια σύγκριση των μαγνητών SmCo και NdFeB φαίνεται στο Σχ. 5.
Οι μαγνήτες NdFeB αναπτύσσουν πολύ μεγαλύτερη δύναμη από τους μαγνήτες SmCo, αλλά είναι πολύ πιο ευαίσθητοι στις υψηλές θερμοκρασίες.Οι μαγνήτες SmCo είναι επίσης πολύ πιο ανθεκτικοί στη διάβρωση και τις χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά είναι πιο ακριβοί.Όταν η θερμοκρασία λειτουργίας φτάσει στη μέγιστη θερμοκρασία του μαγνήτη, ο μαγνήτης αρχίζει να απομαγνητίζεται και αυτός ο απομαγνητισμός είναι μη αναστρέψιμος.Η απώλεια μαγνήτη μαγνήτη θα κάνει τον κινητήρα να χάσει δύναμη και να μην μπορεί να ανταποκριθεί στις προδιαγραφές.Εάν ο μαγνήτης λειτουργεί κάτω από τη μέγιστη θερμοκρασία 100% του χρόνου, η δύναμή του θα διατηρηθεί σχεδόν επ' αόριστον.
Λόγω του υψηλότερου κόστους των μαγνητών SmCo, οι μαγνήτες NdFeB είναι η σωστή επιλογή για τους περισσότερους κινητήρες, ιδιαίτερα λόγω της μεγαλύτερης διαθέσιμης δύναμης.Ωστόσο, για ορισμένες εφαρμογές όπου η θερμοκρασία λειτουργίας μπορεί να είναι πολύ υψηλή, είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείτε μαγνήτες SmCo για να μείνετε μακριά από τη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας.
Σχεδιασμός Γραμμικών κινητήρων
Ένας γραμμικός κινητήρας σχεδιάζεται γενικά μέσω Ηλεκτρομαγνητικής Προσομοίωσης Πεπερασμένων Στοιχείων.Θα δημιουργηθεί ένα τρισδιάστατο μοντέλο για να αναπαραστήσει τη στοίβα πλαστικοποίησης, τα πηνία, τους μαγνήτες και την ατσάλινη πλάκα που υποστηρίζουν τους μαγνήτες.Ο αέρας θα διαμορφωθεί γύρω από τον κινητήρα καθώς και στο διάκενο.Στη συνέχεια, οι ιδιότητες των υλικών θα εισαχθούν για όλα τα εξαρτήματα: μαγνήτες, ηλεκτρικός χάλυβας, χάλυβας, πηνία και αέρας.Στη συνέχεια θα δημιουργηθεί ένα πλέγμα χρησιμοποιώντας στοιχεία H ή P και το μοντέλο θα λυθεί.Στη συνέχεια, το ρεύμα εφαρμόζεται σε κάθε πηνίο του μοντέλου.
Το Σχ. 6 δείχνει την έξοδο μιας προσομοίωσης όπου εμφανίζεται η ροή στο tesla.Η κύρια τιμή εξόδου που ενδιαφέρει την προσομοίωση είναι φυσικά η δύναμη κινητήρα και θα είναι διαθέσιμη.Επειδή οι ακραίες στροφές των πηνίων δεν παράγουν δύναμη, είναι επίσης δυνατό να εκτελεστεί μια 2D προσομοίωση χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο 2D (DXF ή άλλη μορφή) του κινητήρα που περιλαμβάνει ελάσματα, μαγνήτες και χαλύβδινη πλάκα που υποστηρίζουν τους μαγνήτες.Η έξοδος μιας τέτοιας δισδιάστατης προσομοίωσης θα είναι πολύ κοντά στην τρισδιάστατη προσομοίωση και θα είναι αρκετά ακριβής για την εκτίμηση της δύναμης του κινητήρα.
Εικ. 6
Ένας γραμμικός επαγωγικός κινητήρας θα μοντελοποιηθεί με τον ίδιο τρόπο, είτε μέσω ενός μοντέλου 3D ή 2D, αλλά η επίλυση θα είναι πιο περίπλοκη από ό,τι για ένα PMLSM.Αυτό οφείλεται στο ότι η μαγνητική ροή του δευτερεύοντος PMLSM θα μοντελοποιηθεί αμέσως μετά την εισαγωγή των ιδιοτήτων των μαγνητών, επομένως θα χρειαστεί μόνο μία λύση για να ληφθούν όλες οι τιμές εξόδου, συμπεριλαμβανομένης της δύναμης κινητήρα.
Ωστόσο, η δευτερεύουσα ροή του κινητήρα επαγωγής θα απαιτήσει μια μεταβατική ανάλυση (που σημαίνει πολλές λύσεις σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα) έτσι ώστε να μπορεί να κατασκευαστεί η μαγνητική ροή του δευτερεύοντος LIM και μόνο τότε να επιτευχθεί η δύναμη.Το λογισμικό που χρησιμοποιείται για την Προσομοίωση Ηλεκτρομαγνητικών Πεπερασμένων Στοιχείων θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα εκτέλεσης μιας μεταβατικής ανάλυσης.
Στάδιο γραμμικού κινητήρα
Εικ. 7
Η Hiwin Corporation προμηθεύει γραμμικούς κινητήρες σε επίπεδο εξαρτημάτων.Σε αυτήν την περίπτωση, θα παραδοθούν μόνο ο γραμμικός κινητήρας και οι δευτερεύουσες μονάδες.Για έναν κινητήρα PMLSM, οι δευτερεύουσες μονάδες θα αποτελούνται από χαλύβδινες πλάκες διαφορετικού μήκους πάνω από τις οποίες θα συναρμολογούνται μόνιμοι μαγνήτες.Η Hiwin Corporation παρέχει επίσης πλήρη στάδια όπως φαίνεται στην Εικ. 7.
Ένα τέτοιο στάδιο περιλαμβάνει ένα πλαίσιο, γραμμικά ρουλεμάν, τον πρωτεύοντα κινητήρα, τους δευτερεύοντες μαγνήτες, ένα φορείο για να συνδέσει ο πελάτης το ωφέλιμο φορτίο του, τον κωδικοποιητή και μια καλωδιακή διαδρομή.Μια γραμμική σκηνή κινητήρα θα είναι έτοιμη να ξεκινήσει κατά την παράδοση και θα κάνει τη ζωή ευκολότερη, επειδή ο πελάτης δεν θα χρειαστεί να σχεδιάσει και να κατασκευάσει μια σκηνή, η οποία απαιτεί ειδικές γνώσεις.
Διάρκεια ζωής γραμμικού σταδίου κινητήρα
Η διάρκεια ζωής μιας γραμμικής βαθμίδας κινητήρα είναι σημαντικά μεγαλύτερη από μια βαθμίδα που κινείται με ιμάντα, σφαιρική βίδα ή σχάρα και πινιόν.Τα μηχανικά εξαρτήματα των έμμεσα οδηγούμενων σταδίων είναι συνήθως τα πρώτα εξαρτήματα που αστοχούν λόγω της τριβής και της φθοράς στην οποία εκτίθενται συνεχώς.Μια γραμμική βαθμίδα κινητήρα είναι μια άμεση κίνηση χωρίς μηχανική επαφή ή φθορά επειδή το μέσο μετάδοσης είναι αέρας.Επομένως, τα μόνα εξαρτήματα που μπορούν να αποτύχουν σε μια γραμμική βαθμίδα κινητήρα είναι τα γραμμικά ρουλεμάν ή ο ίδιος ο κινητήρας.
Τα γραμμικά ρουλεμάν έχουν συνήθως πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής επειδή το ακτινικό φορτίο είναι πολύ χαμηλό.Η διάρκεια ζωής του κινητήρα θα εξαρτάται από τη μέση θερμοκρασία λειτουργίας.Το Σχήμα 8 δείχνει τη διάρκεια ζωής της μόνωσης του κινητήρα ως συνάρτηση της θερμοκρασίας.Ο κανόνας είναι ότι η διάρκεια ζωής θα μειώνεται στο μισό για κάθε 10 βαθμούς Κελσίου που η θερμοκρασία λειτουργίας είναι πάνω από την ονομαστική θερμοκρασία.Για παράδειγμα, ένας κινητήρας κατηγορίας μόνωσης F θα λειτουργεί 325.000 ώρες σε μέση θερμοκρασία 120°C.
Επομένως, προβλέπεται ότι μια γραμμική βαθμίδα κινητήρα θα έχει διάρκεια ζωής 50+ έτη εάν ο κινητήρας επιλεγεί συντηρητικά, μια διάρκεια ζωής που δεν μπορεί ποτέ να επιτευχθεί με στάδια κίνησης με ιμάντα, σφαιρική βίδα ή στάδια κίνησης με οδοντωτό τροχό.
Εικ. 8
Εφαρμογές για γραμμικούς κινητήρες
Οι γραμμικοί κινητήρες επαγωγής (LIM) χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές με μεγάλο μήκος διαδρομής και όπου απαιτείται πολύ υψηλή δύναμη σε συνδυασμό με πολύ υψηλές ταχύτητες.Ο λόγος για την επιλογή ενός γραμμικού επαγωγικού κινητήρα είναι επειδή το κόστος του δευτερεύοντος θα είναι σημαντικά χαμηλότερο από ό,τι με τη χρήση ενός PMLSM και σε πολύ υψηλή ταχύτητα, η απόδοση του κινητήρα γραμμικής επαγωγής είναι πολύ υψηλή, επομένως θα χαθεί λίγη ισχύς.
Για παράδειγμα, τα συστήματα EMALS (Ηλεκτρομαγνητικά Συστήματα Εκτόξευσης), που χρησιμοποιούνται σε αεροπλανοφόρα για την εκτόξευση αεροσκαφών, χρησιμοποιούν κινητήρες γραμμικής επαγωγής.Το πρώτο τέτοιο γραμμικό σύστημα κινητήρα εγκαταστάθηκε στο αεροπλανοφόρο USS Gerald R. Ford.Ο κινητήρας μπορεί να επιταχύνει ένα αεροσκάφος 45.000 κιλών με 240 km/h σε τροχιά 91 μέτρων.
Ένα άλλο παράδειγμα βόλτες σε λούνα παρκ.Οι γραμμικοί κινητήρες επαγωγής που είναι εγκατεστημένοι σε ορισμένα από αυτά τα συστήματα μπορούν να επιταχύνουν πολύ υψηλά ωφέλιμα φορτία από 0 έως 100 km/h σε 3 δευτερόλεπτα.Οι βαθμίδες γραμμικού επαγωγικού κινητήρα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε RTU, (Robot Transport Units).Τα περισσότερα RTU χρησιμοποιούν οδοντωτούς τροχούς και πινιόν, αλλά ένας γραμμικός επαγωγικός κινητήρας μπορεί να προσφέρει υψηλότερη απόδοση, χαμηλότερο κόστος και πολύ μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.
Σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη
Τα PMLSM θα χρησιμοποιούνται συνήθως σε εφαρμογές με πολύ μικρότερες διαδρομές, χαμηλότερες ταχύτητες αλλά υψηλή έως πολύ υψηλή ακρίβεια και εντατικούς κύκλους λειτουργίας.Οι περισσότερες από αυτές τις εφαρμογές βρίσκονται στις βιομηχανίες AOI (Automated Optical Inspection), ημιαγωγών και μηχανών λέιζερ.
Η επιλογή γραμμικών σταδίων κίνησης με κινητήρα, (άμεση μετάδοση), προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα απόδοσης έναντι των έμμεσων ηλεκτροκινητήρων, (στάδια όπου η γραμμική κίνηση επιτυγχάνεται με μετατροπή της περιστροφικής κίνησης), για σχέδια μεγάλης διάρκειας και είναι κατάλληλα για πολλές βιομηχανίες.
Ώρα δημοσίευσης: Φεβ-06-2023