Tutustu erilaisiin saatavilla oleviin lineaarimoottoreihin ja sovellukseesi optimaalisen tyypin valitsemiseen.
Seuraava artikkeli on yleiskatsaus saatavilla oleviin erityyppisiin lineaarimoottoreihin, mukaan lukien niiden toimintaperiaatteet, kestomagneettien kehityshistoria, suunnittelumenetelmät lineaarimoottoreille ja teollisuuden aloille, joissa käytetään kutakin lineaarimoottorityyppiä.
Lineaarimoottoritekniikka voi olla: Lineaariset induktiomoottorit (LIM) tai kestomagneettiset lineaarisynkronimoottorit (PMLSM).PMLSM voi olla rautaydintä tai raudatonta.Kaikki moottorit ovat saatavilla litteinä tai putkimaisina.Hiwin on ollut lineaarimoottorien suunnittelun ja valmistuksen eturintamassa 20 vuoden ajan.
Lineaarimoottorien edut
Lineaarimoottoria käytetään tuottamaan lineaarista liikettä, eli siirtämään tiettyä hyötykuormaa määrätyllä kiihtyvyydellä, nopeudella, matkamatkalla ja tarkkuudella.Kaikki muut liiketekniikat kuin lineaarimoottorikäyttöiset ovat jonkinlainen mekaaninen käyttö, joka muuntaa pyörivän liikkeen lineaariseksi liikkeeksi.Tällaisia liikejärjestelmiä ohjataan kuularuuveilla, hihnoilla tai hammastankolla ja hammaspyörällä.Kaikkien näiden käyttölaitteiden käyttöikä riippuu suuresti niiden mekaanisten komponenttien kulumisesta, joita käytetään kääntämään pyörivä liike lineaariseksi liikkeeksi, ja se on suhteellisen lyhyt.
Lineaarimoottorien tärkein etu on lineaarisen liikkeen aikaansaaminen ilman mekaanista järjestelmää, koska ilma on siirtoväliaine, joten lineaarimoottorit ovat olennaisesti kitkattomia käyttöjä, jotka tarjoavat teoreettisesti rajoittamattoman käyttöiän.Koska lineaarisen liikkeen tuottamiseen ei käytetä mekaanisia osia, erittäin suuret kiihtyvyydet ovat mahdollisia, kun muut käyttölaitteet, kuten kuularuuvit, hihnat tai hammastanko ja hammaspyörä kohtaavat vakavia rajoituksia.
Lineaariset induktiomoottorit
Kuva 1
Lineaarinen induktiomoottori (LIM) keksittiin ensimmäisenä (US-patentti 782312 – Alfred Zehden vuonna 1905).Se koostuu "primäärisestä", joka koostuu pinosta sähköteräslaminaatioita ja useista kuparikäämeistä, joita syötetään kolmivaiheisella jännitteellä, ja "toissijaisesta", joka koostuu yleensä teräslevystä ja kupari- tai alumiinilevystä.
Kun primäärikäämit saavat jännitteen, toisio magnetoituu ja toisiojohtimeen muodostuu pyörrevirtakenttä.Tämä toissijainen kenttä on sitten vuorovaikutuksessa ensisijaisen taka-EMF:n kanssa voiman tuottamiseksi.Liikesuunta noudattaa Flemingin vasemman käden sääntöä eli;liikkeen suunta on kohtisuorassa virran suuntaan ja kentän/vuon suuntaan nähden.
Kuva 2
Lineaarisen induktiomoottorin etuna on erittäin alhainen hinta, koska toisiomoottorissa ei käytetä kestomagneetteja.NdFeB- ja SmCo-kestomagneetit ovat erittäin kalliita.Lineaariset oikosulkumoottorit käyttävät hyvin yleisiä materiaaleja (teräs, alumiini, kupari) toissijaisesti ja poistavat tämän syöttöriskin.
Lineaaristen oikosulkumoottorien käytön haittapuoli on kuitenkin käyttölaitteiden saatavuus tällaisille moottoreille.Vaikka kestomagneettilineaarimoottoreille on erittäin helppoa löytää käyttöjä, on erittäin vaikeaa löytää käyttöjä lineaarisille induktiomoottoreille.
Kuva 3
Lineaariset kestomagneettimoottorit
Kestomagneettisilla lineaarisilla synkronimoottoreilla (PMLSM) on olennaisesti sama ensiömoottori kuin lineaarisilla induktiomoottoreilla (eli sarja keloja, jotka on asennettu sähköteräslaminaattipinoon ja joita ohjaa kolmivaiheinen jännite).Toissijainen eroaa.
Teräslevylle asennetun alumiini- tai kuparilevyn sijaan toissijainen koostuu kestomagneeteista, jotka on asennettu teräslevylle.Kunkin magneetin magnetointisuunta vaihtelee edelliseen nähden kuvan 3 mukaisesti.
Kestomagneettien käytön ilmeinen etu on pysyvän kentän luominen toissijaiseen magneettikenttään.Olemme nähneet, että voima syntyy oikosulkumoottoriin primäärikentän ja toisiokentän vuorovaikutuksesta, joka on käytettävissä vasta sen jälkeen, kun pyörrevirtakenttä on luotu toisiotilaan moottorin ilmavälin kautta.Tämä johtaa viiveeseen, jota kutsutaan "luisuksi", ja toisioyksikön liikettä, joka ei ole tahdissa ensiöjännitteen kanssa.
Tästä syystä induktiolineaarimoottoreita kutsutaan "asynkronisiksi".Kestomagneettilineaarimoottorissa toisioliike on aina tahdissa ensiöjännitteen kanssa, koska toisiokenttä on aina käytettävissä ja ilman viivettä.Tästä syystä pysyviä lineaarimoottoreita kutsutaan "synkronisiksi".
PMLSM:ssä voidaan käyttää erilaisia kestomagneetteja.Viimeisten 120 vuoden aikana kunkin materiaalin suhde on muuttunut.Nykyään PMLSM:t käyttävät joko NdFeB-magneetteja tai SmCo-magneetteja, mutta suurin osa käyttää NdFeB-magneetteja.Kuva 4 esittää kestomagneettien kehityksen historiaa.
Kuva 4
Magneetin lujuudelle on ominaista sen energiatuote Megagauss-Oerstedsissä (MGOe).1980-luvun puoliväliin asti vain Steel, Ferrite ja Alnico olivat saatavilla ja toimittivat erittäin vähän energiaa tuottavia tuotteita.SmCo-magneetit kehitettiin 1960-luvun alussa Karl Strnatin ja Alden Rayn työn pohjalta ja kaupallistettiin myöhemmin 1960-luvun lopulla.
Kuva 5
SmCo-magneettien energiatuote oli alun perin yli kaksinkertainen Alnico-magneettien energiatuotteeseen verrattuna.Vuonna 1984 General Motors ja Sumitomo kehittivät itsenäisesti NdFeB-magneetteja, neodyniumin, raudan ja boorin yhdisteen.SmCo- ja NdFeB-magneettien vertailu on esitetty kuvassa 5.
NdFeB-magneetit kehittävät paljon suuremman voiman kuin SmCo-magneetit, mutta ovat paljon herkempiä korkeille lämpötiloille.SmCo-magneetit kestävät myös paljon korroosiota ja alhaisia lämpötiloja, mutta ovat kalliimpia.Kun käyttölämpötila saavuttaa magneetin maksimilämpötilan, magneetti alkaa demagnetoitua, ja tämä demagnetoituminen on peruuttamaton.Magneetin magnetoinnin menettämisen seurauksena moottori menettää voimansa eikä pysty täyttämään teknisiä tietoja.Jos magneetti toimii alle maksimilämpötilan 100 % ajasta, sen vahvuus säilyy lähes loputtomiin.
SmCo-magneettien kalliimman hinnan vuoksi NdFeB-magneetit ovat oikea valinta useimpiin moottoreihin, etenkin kun otetaan huomioon käytettävissä oleva suurempi voima.Joissakin sovelluksissa, joissa käyttölämpötila voi olla erittäin korkea, on kuitenkin suositeltavaa käyttää SmCo-magneetteja pysyäksesi poissa enimmäiskäyttölämpötilasta.
Lineaarimoottorien suunnittelu
Lineaarimoottori on yleensä suunniteltu äärellisten elementtien sähkömagneettisen simulaation avulla.Luodaan 3D-malli edustamaan laminointipinoa, keloja, magneetteja ja magneetteja tukevaa teräslevyä.Ilmaa mallinnetaan moottorin ympärille sekä ilmaväliin.Sitten syötetään materiaaliominaisuudet kaikille komponenteille: magneeteille, sähköteräkselle, teräkselle, keloille ja ilmalle.Sitten luodaan verkko H- tai P-elementeillä ja malli ratkaistaan.Sitten virta kohdistetaan jokaiseen mallin kelaan.
Kuvassa 6 esitetään simulaation tulos, jossa vuo näkyy tesloissa.Simuloinnin tärkein lähtöarvo on tietysti Moottorivoima ja se on saatavilla.Koska kelojen päätykierrokset eivät tuota voimaa, on myös mahdollista suorittaa 2D-simulaatio käyttämällä moottorin 2D-mallia (DXF tai muu muoto) sisältäen laminaatit, magneetit ja magneetteja tukeva teräslevy.Tällaisen 2D-simuloinnin tulos on hyvin lähellä 3D-simulaatiota ja riittävän tarkka moottorivoiman arvioimiseksi.
Kuva 6
Lineaarinen oikosulkumoottori mallinnetaan samalla tavalla, joko 3D- tai 2D-mallilla, mutta ratkaisu on monimutkaisempi kuin PMLSM:ssä.Tämä johtuu siitä, että PMLSM-sekundaarisen magneettivuo mallinnetaan välittömästi magneettien ominaisuuksien syöttämisen jälkeen, joten tarvitaan vain yksi ratkaisu kaikkien lähtöarvojen saamiseksi, mukaan lukien moottorivoima.
Induktiomoottorin toisiovuo vaatii kuitenkin transienttianalyysin (eli useita ratkaisuja tietyllä aikavälillä), jotta LIM-sekundaarisen magneettivuo voidaan rakentaa ja vasta sitten saadaan voima.Sähkömagneettiseen äärellisten elementtien simulaatioon käytettävän ohjelmiston on kyettävä suorittamaan transienttianalyysi.
Lineaarinen moottorivaihe
Kuva 7
Hiwin Corporation toimittaa lineaarimoottoreita komponenttitasolla.Tässä tapauksessa vain lineaarimoottori ja toisiomoduulit toimitetaan.PMLSM-moottorissa toisiomoduulit koostuvat eripituisista teräslevyistä, joiden päälle kootaan kestomagneetit.Hiwin Corporation toimittaa myös täydelliset vaiheet kuvan 7 mukaisesti.
Tällaiseen vaiheeseen kuuluu runko, lineaarilaakerit, moottorin ensiö, toisiomagneetit, vaunu, jolla asiakas voi kiinnittää hyötykuormansa, kooderi ja kaapelikisko.Lineaarimoottorilava on toimituksen yhteydessä käynnistysvalmis ja helpottaa elämää, koska asiakkaan ei tarvitse suunnitella ja valmistaa vaihetta, mikä vaatii asiantuntemusta.
Lineaarimoottorin vaiheen käyttöikä
Lineaarimoottoriportaan käyttöikä on huomattavasti pidempi kuin hihnalla, kuularuuvilla tai hammastankolla toimivan vaiheen.Epäsuorasti ohjattujen vaiheiden mekaaniset komponentit ovat tyypillisesti ensimmäisiä komponentteja, jotka rikkoutuvat jatkuvasti altistuvan kitkan ja kulumisen vuoksi.Lineaarinen moottorivaihe on suora käyttö, jossa ei ole mekaanista kosketusta tai kulumista, koska väliaineena on ilma.Siksi ainoat komponentit, jotka voivat epäonnistua lineaarimoottorivaiheessa, ovat lineaarilaakerit tai itse moottori.
Lineaarisilla laakereilla on tyypillisesti erittäin pitkä käyttöikä, koska radiaalikuorma on hyvin pieni.Moottorin käyttöikä riippuu keskimääräisestä käyttölämpötilasta.Kuvassa 8 on esitetty moottorin eristyksen käyttöikä lämpötilan funktiona.Sääntönä on, että käyttöikä puolittuu jokaista 10 celsiusastetta kohden, kun käyttölämpötila on yli nimellislämpötilan.Esimerkiksi moottorin eristysluokka F käy 325 000 tuntia keskilämpötilassa 120 °C.
Sen vuoksi lineaarimoottorin käyttöiän ennakoidaan olevan yli 50 vuotta, jos moottori valitaan konservatiivisesti, käyttöikää, jota ei koskaan voida saavuttaa hihna-, kuularuuvi- tai hammastankokäyttöisillä vaiheilla.
Kuva 8
Lineaarimoottoreiden sovellukset
Lineaarisia induktiomoottoreita (LIM) käytetään enimmäkseen sovelluksissa, joissa kulkupituus on pitkä ja joissa vaaditaan erittäin suurta voimaa yhdistettynä erittäin suuriin nopeuksiin.Lineaarisen induktiomoottorin valinta johtuu siitä, että toisiomoottorin hinta on huomattavasti alhaisempi kuin PMLSM:ää käytettäessä ja erittäin suurella nopeudella lineaarisen induktiomoottorin hyötysuhde on erittäin korkea, joten tehoa häviää vähän.
Esimerkiksi EMALS-järjestelmät (Electromagnetic Launch Systems), joita käytetään lentotukialuksissa lentokoneiden laukaisuun, käyttävät lineaarisia induktiomoottoreita.Ensimmäinen tällainen lineaarinen moottorijärjestelmä asennettiin USS Gerald R. Fordin lentotukialukseen.Moottori voi kiihdyttää 45 000 kg painavaa lentokonetta 240 km/h 91 metrin radalla.
Toinen esimerkki huvipuistoajeluista.Joihinkin näistä järjestelmistä asennetut lineaariset induktiomoottorit voivat kiihdyttää erittäin suuria hyötykuormia nollasta 100 km/h 3 sekunnissa.Lineaarisia oikosulkumoottorivaiheita voidaan käyttää myös RTU:issa (Robot Transport Units).Useimmat RTU:t käyttävät hammastanko- ja hammaspyöräkäyttöjä, mutta lineaarinen oikosulkumoottori voi tarjota paremman suorituskyvyn, alhaisemmat kustannukset ja paljon pidemmän käyttöiän.
Kestomagneettisynkroniset moottorit
PMLSM:itä käytetään tyypillisesti sovelluksissa, joissa on paljon pienemmät iskut, pienemmät nopeudet, mutta korkea tai erittäin korkea tarkkuus ja intensiiviset käyttöjaksot.Suurin osa näistä sovelluksista löytyy AOI- (Automated Optical Inspection), puolijohde- ja laserkoneteollisuudesta.
Lineaarimoottorikäyttöisten vaiheiden (suorakäyttö) valikoima tarjoaa merkittäviä suorituskykyetuja verrattuna epäsuoraan käyttöön (vaiheet, joissa lineaarinen liike saadaan muuntamalla pyörivää liikettä) pitkäkestoisiin malleihin ja soveltuvat monille teollisuudenaloille.
Postitusaika: 06.02.2023