Et kig på de forskellige lineære motorer, der er tilgængelige, og hvordan du vælger den optimale type til din applikation.
Den følgende artikel er en oversigt over de forskellige typer lineære motorer, der er tilgængelige, inklusive deres funktionsprincipper, udviklingshistorie for permanente magneter, designmetoder til lineære motorer og industrielle sektorer, der bruger hver type lineær motor.
Lineær motorteknologi kan være: Lineære induktionsmotorer (LIM) eller Permanent Magnet Linear Synchronous Motors (PMLSM).PMLSM kan være jernkerne eller jernfri.Alle motorer fås i flad eller rørformet konfiguration.Hiwin har været på forkant med design og fremstilling af lineære motorer i 20 år.
Fordele ved lineære motorer
En lineær motor bruges til at give lineær bevægelse, dvs. at flytte en given nyttelast med en dikteret acceleration, hastighed, rejseafstand og nøjagtighed.Alle bevægelsesteknologier bortset fra lineær motordrevet er en slags mekanisk drev til at konvertere roterende bevægelse til lineær bevægelse.Sådanne bevægelsessystemer drives af kugleskruer, remme eller tandstang.Levetiden for alle disse drev er meget afhængig af sliddet på de mekaniske komponenter, der bruges til at omdanne roterende bevægelser til lineære bevægelser og er relativt kort.
Den største fordel ved lineære motorer er at give lineær bevægelse uden noget mekanisk system, fordi luft er transmissionsmediet, derfor er lineære motorer i det væsentlige friktionsfrie drev, der giver teoretisk ubegrænset levetid.Fordi der ikke bruges mekaniske dele til at producere lineær bevægelse, er meget høje accelerationer mulige, hvor andre drev såsom kugleskruer, remme eller tandstang vil støde på alvorlige begrænsninger.
Lineære induktionsmotorer
Fig 1
Den lineære induktionsmotor (LIM) var den første opfundet (US patent 782312 – Alfred Zehden i 1905).Den består af en "primær" sammensat af en stak af elektriske stållamineringer og en flerhed af kobberspoler forsynet af en trefaset spænding og en "sekundær" generelt sammensat af en stålplade og en kobber- eller aluminiumsplade.
Når de primære spoler aktiveres, bliver den sekundære magnetiseret, og der dannes et felt af hvirvelstrømme i den sekundære leder.Dette sekundære felt vil derefter interagere med den primære tilbage-EMK for at generere kraft.Bevægelsesretningen vil følge Flemings venstrehåndsregel, dvs.;bevægelsesretningen vil være vinkelret på strømretning og felt/fluxretning.
Fig 2
Lineære induktionsmotorer tilbyder fordelen ved meget lave omkostninger, fordi den sekundære ikke bruger nogen permanente magneter.NdFeB og SmCo permanente magneter er meget dyre.Lineære induktionsmotorer bruger meget almindelige materialer (stål, aluminium, kobber) til deres sekundære og eliminerer denne risiko for forsyning.
Men ulempen ved at bruge lineære induktionsmotorer er tilgængeligheden af drev til sådanne motorer.Selvom det er meget nemt at finde drev til lineære permanentmagnetmotorer, er det meget svært at finde drev til lineære induktionsmotorer.
Fig 3
Permanent magnet lineære synkronmotorer
Permanent magnet lineære synkronmotorer (PMLSM) har i det væsentlige den samme primære som lineære induktionsmotorer (dvs. et sæt spoler monteret på en stak af elektriske stållamineringer og drevet af en trefaset spænding).Det sekundære adskiller sig.
I stedet for en plade af aluminium eller kobber monteret på en plade af stål, er den sekundære sammensat af permanente magneter monteret på en plade af stål.Hver magnets magnetiseringsretning vil veksle i forhold til den foregående som vist i fig. 3.
Den åbenlyse fordel ved at bruge permanente magneter er at skabe et permanent felt i sekundæren.Vi har set, at der genereres kraft på en induktionsmotor ved vekselvirkningen af det primære felt og det sekundære felt, som først er tilgængeligt, efter at der er skabt et felt af hvirvelstrømme i den sekundære gennem motorens luftspalte.Dette vil resultere i en forsinkelse kaldet "slip" og en bevægelse af den sekundære, der ikke er synkroniseret med den primære spænding, der leveres til den primære.
Af denne grund kaldes induktionslineære motorer "asynkrone".På en permanent magnet lineær motor vil den sekundære bevægelse altid være synkroniseret med den primære spænding, fordi sekundærfeltet altid er tilgængeligt og uden nogen forsinkelse.Af denne grund kaldes permanente lineære motorer "synkrone".
Forskellige typer permanente magneter kan bruges på en PMLSM.I løbet af de sidste 120 år har forholdet mellem hvert materiale ændret sig.I dag bruger PMLSM'er enten NdFeB-magneter eller SmCo-magneter, men langt de fleste bruger NdFeB-magneter.Fig. 4 viser historien om udvikling af permanente magneter.
Fig 4
Magnetstyrken er karakteriseret ved dets energiprodukt i Megagauss-Oersteds, (MGOe).Indtil midten af firserne var kun stål, ferrit og Alnico tilgængelige og leverede meget lavenergiprodukter.SmCo-magneter blev udviklet i begyndelsen af 1960'erne baseret på arbejde af Karl Strnat og Alden Ray og senere kommercialiseret i slutningen af tresserne.
Fig 5
Energiproduktet fra SmCo-magneter var oprindeligt mere end det dobbelte af energiproduktet fra Alnico-magneter.I 1984 udviklede General Motors og Sumitomo uafhængigt NdFeB-magneter, en sammensætning af neodynium, jern og bor.En sammenligning af SmCo- og NdFeB-magneter er vist i fig. 5.
NdFeB-magneter udvikler meget højere kraft end SmCo-magneter, men er meget mere følsomme over for høje temperaturer.SmCo-magneter er også meget mere modstandsdygtige over for korrosion og lave temperaturer, men er dyrere.Når driftstemperaturen når magnetens maksimale temperatur, begynder magneten at afmagnetisere, og denne afmagnetisering er irreversibel.Magneten mister magnetiseringen vil få motoren til at miste kraft og være ude af stand til at opfylde specifikationerne.Hvis magneten fungerer under maksimal temperatur 100 % af tiden, vil dens styrke blive bevaret næsten på ubestemt tid.
På grund af de højere omkostninger ved SmCo-magneter er NdFeB-magneter det rigtige valg for de fleste motorer, især i betragtning af den større kraft, der er til rådighed.Til nogle applikationer, hvor driftstemperaturen kan være meget høj, foretrækkes det dog at bruge SmCo-magneter for at holde sig væk fra den maksimale driftstemperatur.
Design af lineære motorer
En lineær motor er generelt designet via Finite Element Electromagnetic Simulation.En 3D-model vil blive skabt til at repræsentere lamineringsstakken, spoler, magneter og stålplade, der understøtter magneterne.Luft vil blive modelleret rundt om motoren såvel som i luftspalten.Derefter indtastes materialeegenskaber for alle komponenter: magneter, elektrisk stål, stål, spoler og luft.Et net vil derefter blive oprettet ved hjælp af H eller P elementer og modellen løst.Derefter tilføres strømmen til hver spole i modellen.
Fig. 6 viser output fra en simulering, hvor flux i tesla vises.Den vigtigste outputværdi af interesse for simuleringen er naturligvis Motorkraft og vil være tilgængelig.Fordi endevindingerne af spolerne ikke producerer nogen kraft, er det også muligt at køre en 2D-simulering ved at bruge en 2D-model (DXF eller andet format) af motoren inklusive lamineringer, magneter og stålplade, der understøtter magneterne.Outputtet af en sådan 2D-simulering vil være meget tæt på 3D-simuleringen og nøjagtig nok til at vurdere motorkraften.
Fig 6
En lineær induktionsmotor vil blive modelleret på samme måde, enten via en 3D- eller 2D-model, men løsningen vil være mere kompliceret end for en PMLSM.Dette skyldes, at den magnetiske flux af PMLSM-sekundæren vil blive modelleret øjeblikkeligt efter indtastning af magnetens egenskaber, derfor kræves der kun én løsning for at opnå alle outputværdier inklusive motorkraft.
Induktionsmotorens sekundære flux vil dog kræve en transient analyse (dvs. flere løsninger på et givet tidsinterval), således at den magnetiske flux af LIM-sekundæren kan bygges, og først derefter kan kraften opnås.Softwaren, der bruges til den elektromagnetiske endelige element-simulering, skal have evnen til at køre en transient analyse.
Lineær Motor Stage
Fig 7
Hiwin Corporation leverer lineære motorer på komponentniveau.I dette tilfælde vil kun lineærmotoren og de sekundære moduler blive leveret.For en PMLSM-motor vil de sekundære moduler bestå af stålplader af forskellig længde, hvorpå der vil blive samlet permanente magneter.Hiwin Corporation leverer også komplette trin som vist i fig. 7.
Et sådant trin inkluderer en ramme, lineære lejer, motorens primære, sekundære magneter, en vogn til kunden til at fastgøre sin nyttelast, encoderen og et kabelspor.Et lineært motortrin vil være klar til at starte ved levering og gøre livet lettere, fordi kunden ikke skal designe og fremstille en scene, hvilket kræver ekspertviden.
Lineær Motor Stage Levetid
Levetiden for et lineærmotortrin er betydeligt længere end et trin drevet af rem, kugleskrue eller tandstang.De mekaniske komponenter i indirekte drevne trin er typisk de første komponenter, der fejler på grund af den friktion og slid, de konstant udsættes for.Et lineært motortrin er et direkte drev uden mekanisk kontakt eller slid, fordi transmissionsmediet er luft.Derfor er de eneste komponenter, der kan fejle på et lineært motortrin, de lineære lejer eller selve motoren.
De lineære lejer har typisk en meget lang levetid, fordi den radiale belastning er meget lav.Motorens levetid vil være afhængig af den gennemsnitlige driftstemperatur.Figur 8 viser motorisoleringens levetid som funktion af temperaturen.Reglen er, at levetiden halveres for hver 10 grader Celsius, at driftstemperaturen er over den nominelle temperatur.For eksempel vil en motorisoleringsklasse F køre 325.000 timer ved en gennemsnitstemperatur på 120°C.
Derfor forudses det, at et lineærmotortrin vil have en levetid på 50+ år, hvis motoren vælges konservativt, en levetid, der aldrig kan opnås med rem, kugleskrue eller tandstangsdrevne trin.
Fig 8
Ansøgninger til lineære motorer
Lineære induktionsmotorer (LIM) bruges mest i applikationer med lang kørelængde, og hvor der kræves meget høj kraft kombineret med meget høje hastigheder.Årsagen til at vælge en lineær induktionsmotor er, at omkostningerne til den sekundære vil være betydeligt lavere, end hvis du bruger en PMLSM, og ved meget høj hastighed er den lineære induktionsmotors effektivitet meget høj, så lidt strøm vil gå tabt.
For eksempel bruger EMALS (Electromagnetic Launch Systems), der bruges på hangarskibe til at opsende fly, lineære induktionsmotorer.Det første sådan lineære motorsystem blev installeret på USS Gerald R. Ford hangarskibet.Motoren kan accelerere et 45.000 kg fly med 240 km/t på en 91 meter lang bane.
Et andet eksempel på forlystelsesparker.De lineære induktionsmotorer installeret på nogle af disse systemer kan accelerere meget høj nyttelast fra 0 til 100 km/t på 3 sekunder.Lineære induktionsmotortrin kan også bruges på RTU'er (Robot Transport Units).De fleste RTU'er bruger tandstangsdrev, men en lineær induktionsmotor kan tilbyde en højere ydeevne, lavere omkostninger og meget længere levetid.
Permanent magnet synkronmotorer
PMLSM'er vil typisk blive brugt på applikationer med meget mindre slag, lavere hastigheder, men høj til meget høj nøjagtighed og intensive arbejdscyklusser.De fleste af disse applikationer findes i AOI (Automated Optical Inspection), halvleder- og lasermaskineindustrien.
Udvalget af lineære motordrevne trin, (direkte drev), giver betydelige ydeevnefordele i forhold til indirekte drev, (trin hvor lineær bevægelse opnås ved at konvertere roterende bevægelse), til langtidsholdbare designs og er velegnede til mange industrier.
Indlægstid: 06-02-2023