Pogledajte različite dostupne linearne motore i kako odabrati optimalnu vrstu za svoju primjenu.
Sljedeći članak je pregled različitih vrsta dostupnih linearnih motora, uključujući njihova načela rada, povijest razvoja trajnih magneta, metode dizajna za linearne motore i industrijske sektore koji koriste svaku vrstu linearnih motora.
Tehnologija linearnih motora može biti: Linearni indukcijski motori (LIM) ili Linearni sinkroni motori s trajnim magnetima (PMLSM).PMLSM može biti sa željeznom jezgrom ili bez željeza.Svi motori dostupni su u ravnoj ili cjevastoj konfiguraciji.Hiwin je već 20 godina na čelu dizajna i proizvodnje linearnih motora.
Prednosti linearnih motora
Linearni motor se koristi za pružanje linearnog gibanja, tj. pomicanje zadanog korisnog tereta pri određenom ubrzanju, brzini, udaljenosti putovanja i točnosti.Sve tehnologije gibanja osim pogona linearnog motora su neka vrsta mehaničkog pogona za pretvaranje rotacijskog gibanja u linearno.Takvi sustavi gibanja pokreću se kuglastim vijcima, remenom ili zupčastom letvom.Životni vijek svih ovih pogona uvelike ovisi o istrošenosti mehaničkih komponenti koje se koriste za pretvaranje rotacijskog gibanja u linearno i relativno je kratak.
Glavna prednost linearnih motora je pružanje linearnog gibanja bez ikakvog mehaničkog sustava jer je zrak prijenosni medij, stoga su linearni motori u biti pogoni bez trenja, te daju teoretski neograničen radni vijek.Budući da se mehanički dijelovi ne koriste za proizvodnju linearnog gibanja, moguća su vrlo velika ubrzanja pri brzinama gdje će drugi pogoni poput kugličnih vijaka, remena ili zupčaste letve i zupčanika naići na ozbiljna ograničenja.
Linearni indukcijski motori
Sl. 1
Prvi je izumljen linearni indukcijski motor (LIM) (američki patent 782312 – Alfred Zehden 1905.).Sastoji se od "primara" koji se sastoji od niza električnih čeličnih ploča i mnoštva bakrenih zavojnica napajanih trofaznim naponom i "sekundara" koji se općenito sastoji od čelične ploče i bakrene ili aluminijske ploče.
Kada su primarne zavojnice pod naponom, sekundar postaje magnetiziran i u sekundarnom vodiču nastaje polje vrtložnih struja.Ovo sekundarno polje tada će djelovati s primarnim povratnim EMF-om kako bi generiralo silu.Smjer kretanja će slijediti Flemingovo pravilo lijeve ruke, tj.;smjer gibanja bit će okomit na smjer struje i smjer polja/fluksa.
Slika 2
Linearni indukcijski motori nude prednost vrlo niske cijene jer sekundar ne koristi nikakve trajne magnete.Trajni magneti NdFeB i SmCo vrlo su skupi.Linearni indukcijski motori koriste vrlo uobičajene materijale (čelik, aluminij, bakar) za svoje sekundarne dijelove i eliminiraju ovaj rizik opskrbe.
Međutim, loša strana korištenja linearnih indukcijskih motora je dostupnost pogona za takve motore.Iako je vrlo lako pronaći pogone za linearne motore s trajnim magnetima, vrlo je teško pronaći pogone za linearne indukcijske motore.
Slika 3
Linearni sinkroni motori s trajnim magnetima
Linearni sinkroni motori s trajnim magnetima (PMLSM) imaju u biti isti primarni dio kao i linearni indukcijski motori (tj. skup zavojnica postavljenih na hrpu električnih čeličnih lamela i pokretanih trofaznim naponom).Sekundarno se razlikuje.
Umjesto aluminijske ili bakrene ploče postavljene na čeličnu ploču, sekundar se sastoji od trajnih magneta postavljenih na čeličnu ploču.Smjer magnetizacije svakog magneta izmjenjivat će se u odnosu na prethodni kao što je prikazano na slici 3.
Očita prednost korištenja permanentnih magneta je stvaranje trajnog polja u sekundaru.Vidjeli smo da se sila stvara na indukcijskom motoru interakcijom primarnog polja i sekundarnog polja koje je dostupno tek nakon što se u sekundaru kroz zračni raspor motora stvori polje vrtložnih struja.To će rezultirati kašnjenjem zvanim "klizanje" i kretanjem sekundara koji nije sinkroniziran s primarnim naponom koji se dovodi u primarni.
Zbog toga se indukcijski linearni motori nazivaju "asinkroni".Na linearnom motoru s permanentnim magnetom, sekundarno gibanje će uvijek biti sinkronizirano s primarnim naponom jer je sekundarno polje uvijek dostupno i bez ikakvog kašnjenja.Zbog toga se trajni linearni motori nazivaju "sinkroni".
Na PMLSM-u se mogu koristiti različite vrste trajnih magneta.Tijekom 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 povijest razvoja permanentnog magneta.
Slika 4
Snaga magneta karakterizirana je njegovim energetskim produktom u Megagauss-Oerstedima (MGOe).Do sredine osamdesetih bili su dostupni samo čelik, ferit i alnico koji su isporučivali proizvode s vrlo niskom potrošnjom energije.SmCo magneti razvijeni su ranih 1960-ih na temelju rada Karla Strnata i Aldena Raya, a kasnije su komercijalizirani u kasnim šezdesetima.
Slika 5
Energetski proizvod SmCo magneta u početku je bio više nego dvostruko veći od energetskog proizvoda Alnico magneta.Godine 1984. General Motors i Sumitomo neovisno su razvili NdFeB magnete, spoj neodinija, željeza i bora.Usporedba magneta SmCo i NdFeB prikazana je na slici 5.
NdFeB magneti razvijaju puno veću silu od SmCo magneta, ali su mnogo osjetljiviji na visoke temperature.SmCo magneti su također puno otporniji na koroziju i niske temperature, ali su skuplji.Kada radna temperatura dosegne maksimalnu temperaturu magneta, magnet se počinje demagnetizirati, a ta demagnetizacija je nepovratna.Magnet koji gubi magnetizaciju uzrokovat će gubitak snage motora i neće moći zadovoljiti specifikacije.Ako magnet radi ispod maksimalne temperature 100% vremena, njegova će se snaga očuvati gotovo neograničeno.
Zbog više cijene SmCo magneta, NdFeB magneti su pravi izbor za većinu motora, posebno s obzirom na veću dostupnu snagu.Međutim, za neke primjene gdje radna temperatura može biti vrlo visoka, poželjno je koristiti SmCo magnete kako bi se izbjegla maksimalna radna temperatura.
Projektiranje linearnih motora
Linearni motor općenito je dizajniran putem elektromagnetske simulacije konačnih elemenata.Izradit će se 3D model koji će predstavljati hrpu laminata, zavojnice, magnete i čeličnu ploču koja podupire magnete.Zrak će se modelirati oko motora kao iu zračnom rasporu.Zatim će se unijeti svojstva materijala za sve komponente: magneti, elektročelik, čelik, zavojnice i zrak.Zatim će se izraditi mreža pomoću H ili P elemenata i riješiti model.Zatim se struja primjenjuje na svaku zavojnicu u modelu.
Slika 6 prikazuje izlaz simulacije gdje je prikazan tok u teslama.Glavna izlazna vrijednost od interesa za simulaciju je naravno Motorna sila i bit će dostupna.Budući da krajnji zavoji zavojnica ne proizvode nikakvu silu, također je moguće pokrenuti 2D simulaciju korištenjem 2D modela (DXF ili drugog formata) motora uključujući lamele, magnete i čeličnu ploču koja podupire magnete.Izlaz takve 2D simulacije bit će vrlo blizak 3D simulaciji i dovoljno točan za procjenu motoričke sile.
Slika 6
Linearni indukcijski motor bit će modeliran na isti način, bilo putem 3D ili 2D modela, ali će rješavanje biti kompliciranije nego za PMLSM.To je zato što će se magnetski tok sekundarnog modula PMLSM modelirati odmah nakon unosa svojstava magneta, stoga će biti potrebno samo jedno rješavanje za dobivanje svih izlaznih vrijednosti uključujući motornu silu.
Međutim, sekundarni tok asinkronog motora zahtijevat će prijelaznu analizu (što znači nekoliko rješavanja u određenom vremenskom intervalu) tako da se može izgraditi magnetski tok LIM sekundara i tek tada se može dobiti sila.Softver koji se koristi za elektromagnetsku simulaciju konačnih elemenata morat će imati mogućnost pokretanja prijelazne analize.
Faza linearnog motora
Slika 7
Hiwin Corporation isporučuje linearne motore na razini komponenti.U tom će slučaju biti isporučeni samo linearni motor i sekundarni moduli.Za PMLSM motor, sekundarni moduli će se sastojati od čeličnih ploča različitih duljina na čijem vrhu će biti montirani trajni magneti.Hiwin Corporation također isporučuje kompletne stupnjeve kao što je prikazano na slici 7.
Takav stupanj uključuje okvir, linearne ležajeve, primarni motor, sekundarne magnete, kolica za kupca da pričvrste svoj teret, enkoder i kabelsku tračnicu.Stupanj linearnog motora bit će spreman za pokretanje nakon isporuke i olakšat će život jer kupac neće morati dizajnirati i proizvesti stupanj, što zahtijeva stručno znanje.
Životni vijek stupnja linearnog motora
Životni vijek stupnja linearnog motora znatno je dulji od stupnja pogonjenog remenom, kuglastim vijkom ili zupčastom letvom.Mehaničke komponente neizravno pokretanih stupnjeva obično su prve komponente koje otkazuju zbog trenja i trošenja kojima su neprestano izložene.Stupanj linearnog motora je izravan pogon bez mehaničkog kontakta ili trošenja jer je prijenosni medij zrak.Stoga, jedine komponente koje mogu otkazati na stupnju linearnog motora su linearni ležajevi ili sam motor.
Linearni ležajevi obično imaju vrlo dug vijek trajanja jer je radijalno opterećenje vrlo malo.Životni vijek motora ovisit će o prosječnoj radnoj temperaturi.Slika 8 prikazuje vijek trajanja izolacije motora kao funkciju temperature.Pravilo je da će se životni vijek prepoloviti za svakih 10 stupnjeva Celzija da je radna temperatura iznad nazivne temperature.Na primjer, motor izolacijske klase F radit će 325 000 sati na prosječnoj temperaturi od 120°C.
Stoga je predviđeno da će stupanj linearnog motora imati radni vijek od 50+ godina ako se motor odabere konzervativno, radni vijek koji se nikada ne može postići remenom, kuglastim vijkom ili stupnjevima pogonjenim zupčastom letvom i zupčanikom.
Slika 8
Prijave za linearne motore
Linearni indukcijski motori (LIM) uglavnom se koriste u primjenama s velikom duljinom putovanja i gdje je potrebna vrlo velika sila u kombinaciji s vrlo velikim brzinama.Razlog odabira linearnog indukcijskog motora je taj što će trošak sekundara biti znatno niži nego ako se koristi PMLSM, a pri vrlo velikoj brzini, učinkovitost linearnog indukcijskog motora je vrlo visoka, tako da će se gubiti malo snage.
Na primjer, EMALS (Electromagnetic Launch Systems), koji se koriste na nosačima zrakoplova za lansiranje zrakoplova, koriste linearne indukcijske motore.Prvi takav linearni motorni sustav ugrađen je na nosač zrakoplova USS Gerald R. Ford.Motor može ubrzati zrakoplov težak 45.000 kg brzinom od 240 km/h na stazi od 91 metra.
Još jedan primjer vožnje u zabavnom parku.Linearni indukcijski motori instalirani na nekim od ovih sustava mogu ubrzati vrlo velika korisna opterećenja od 0 do 100 km/h u 3 sekunde.Stupnjevi linearnog indukcijskog motora također se mogu koristiti na RTU-ovima (Robot Transport Units).Većina RTU-ova koristi pogone sa zupčastom letvom i zupčanikom, ali linearni indukcijski motor može ponuditi veću izvedbu, nižu cijenu i mnogo duži vijek trajanja.
Sinkroni motori s trajnim magnetima
PMLSM-ovi će se obično koristiti na aplikacijama s mnogo manjim hodovima, nižim brzinama, ali visokom do vrlo velikom preciznošću i intenzivnim radnim ciklusima.Većina ovih primjena nalazi se u industriji AOI (Automated Optical Inspection), poluvodiča i laserskih strojeva.
Odabir stupnjeva pogonjenih linearnim motorom, (izravni pogon), nudi značajne prednosti performansi u odnosu na neizravne pogone (stupnjevi gdje se linearno gibanje postiže pretvaranjem rotacijskog gibanja), za dugotrajne dizajne i prikladni su za mnoge industrije.
Vrijeme objave: 6. veljače 2023