Линейный двигатель

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Описание линейного двигателя

Принцип линейного двигателя не нов и, в общем, известен даже школьнику, поскольку прототипом линейного двигателя является простейшая электромагнитная система (рис.1.9). Такая система состоит из металлического сердечника-магнита и статорной обмотки. При подаче тока определенной полярности в обмотку сердечник сместится в ту или иную сторону, причем практически мгновенно. Изменение полярности сигнала на обмотку приведет к обратному ходу сердечника. Как видим, от источника энергии к рабочему органу нет никаких промежуточных элементов, передача энергии осуществляется через воздушный зазор, ничего не надо вращать, сразу возможно осуществление главной задачи - продольного движения рабочего органа. Гениальность решения, естественно, сразу была оценена по достоинству. На рассмотренном принципе уже десятилетия работают все элементы электроавтоматики, системы электротормозов, системы защиты, специальное оборудование ударного типа и т.д. Громадный опыт использования электромагнитных систем четко выявил их потрясающие достоинства: удивительная простота конструкции и применения, почти мгновенная остановка, мгновенный реверс, сверх быстрота срабатывания, большие усилия, простота настройки. Но не было только одного - возможности регулировать скорость рабочего органа в электромагнитной системе и обеспечивать тем самым регулируемое поступательное движение сердечника. А без этой возможности применить электромагнитный привод (несмотря на его гениальность), как движитель в оборудовании, было невозможно.

Рисунок 1.9 Простейший линейный привод

Потребовались многие годы работы ученых и конструкторов в разных странах, прежде чем был достигнут успех. Особенно интенсивно велись работы в Японии, где электромагнитный привод (уже как линейный привод) был впервые успешно использован как движитель для сверхскоростных поездов. Там же были попытки создания линейных приводов для металлообрабатывающих станков, но они имели существенные недостатки: создавали сильные магнитные поля, грелись, а главное не обеспечивали равномерности в движения рабочего органа. Лишь на пороге нового тысячелетия начался серийный выпуск станков с принципиально новыми линейными двигателями, в которых решены все проблемы по обеспечению равномерным движением рабочего органа станков со сверхвысокой точностью, с большим диапазоном регулирования скорости, с громадными ускорениями, мгновенным реверсом, с простотой обслуживания и наладки и др. В принципе, конструкция линейного двигателя изменилась не сильно. Собственно двигатель состоит всего из 2 (!) элементов: электромагнитного статора и плоского ротора, между которыми лишь воздушный зазор. Третий обязательный элемент - оптическая или другая измерительная линейка с высокой дискретностью (0,1 мкм). Без нее система управления станка не может определить текущие координаты. Пример построения электромеханических преобразователей для вращающихся и линейных прямых электроприводов на базе синхронной машины с возбуждением от постоянных магнитов показан на рис. 1.10. За основу принята конструкция синхронной машины с возбуждением от постоянных магнитов, которая разрезается вдоль оси и разворачивается в плоскости. Вращающееся поле машины при этом преобразуется в бегущее, а машина становится линейной - получается линейный синхронный двигатель. И статор, и ротор выполнены в виде плоских, легко снимаемых блоков: статор крепится к станине или колонне станка, ротор - к рабочему органу. Статор элементарно прост: он состоит из ряда прямоугольных сильных (редкоземельных) постоянных магнитов. Закреплены магниты на тонкой плите из специальной высокопрочной керамики, коэффициент температурного расширения которой в два раза меньше чем у гранита. Использование керамики совместно с эффективной системой охлаждения решило многие проблемы линейных приводов, связанные с температурными факторами, с наличием сильных магнитных полей, с жесткостью конструкции и т.п. Если провести топологическое преобразование дальше и свернуть якорь и статор линейной машины вокруг продольной оси, то получится цилиндрический линейный синхронный двигатель, используемый в основном на малых ходах. Если требуются высокий момент и относительно низкая скорость, что типично для прямых прецизионных электроприводов, то удлинив развертку статора и ротора прототипа и снова свернув их, можно получить так называемый моментный двигатель с отношением диаметра к длине, значительно большим единицы.

Рис. 1.10 Пример построения электромеханических преобразователей для вращающихся и линейных прямых прецизионных электроприводов

Основные типы линейных двигателей.

Классический линейный двигатель(Ironcore).

Проект этого двигателя берет начало от прямо от бесколлекторного вращательного двигателя. Как показано на рис. 1.11 он состоит из пластины, покрытой редкоземельными магнитами, и подвижных катушек, уложенных в пазах слоистого железа. На внутренних сторонах обмоток установлены датчики температуры. Датчик Холла расположен в районе обмоток на краю подвижной части.

Рисунок 1.11. Классический линейный двигатель.

Благодаря железному сердечнику обмоток достигается большая плотность магнитного потока, что позволяет достичь высоких осевых усилий при относительно небольших габаритах ротора. Использование слоистого железа в качестве сердечника превосходно для отвода тепла от нагревающихся обмоток. Сквозь сердечник проходят трубки охлаждения, в которых циркулирует охлаждающая жидкость или воздух. Также к преимуществам этого типа линейных двигателей следует отнести то, что здесь используется только одна магнитная направляющая, а это существенно снижает его стоимость.

Недостатком данного типа двигателей является очень большая сила притяжения между магнитами вторичной части и железными компонентами первичной части, т.к. расстояние между ними составляет порядка одного миллиметра. Эта сила может превышать осевое усилие двигателя в 3-8 раз и значительно снижает плавность хода линейного двигателя на низких скоростях. В промышленном исполнении двигатели состоят из первичной и вторичной части с редкоземельными магнитами (рис. 1.12). Первичная часть имеет фиксированные размеры, вторичная часть составляется из отдельных элементов в зависимости от необходимого рабочего хода. Благодаря параллельному режиму работы двигателей можно сверх предлагаемого спектра масштабировать силу и протяженность.

Рисунок 1.12. Промышленное исполнение линейного двигателя.

Благодаря полному заключению в металлический кожух первичной части обеспечивается высокая механическая жесткость, невосприимчивость к загрязнениям, а также устойчивость против агрессивных жидкостей, которые используются в станках. Кроме того, большой воздушный зазор 1,1 мм способствует высоким допускам к монтажу (0,3 мм).

Для обеспечения теплового режима на монтажных поверхностях станка в первичную часть встраивают радиатор (рис.1.13). Для особо точного регулирования температуры между активной частью и особо точным радиатором устанавливается термоизоляция. Большая часть потерь тепловой энергии выводится в силовом радиаторе. Дополнительно в особо точном радиаторе происходит стабилизация температуры, что позволяет обеспечить разницу между температурой окружающей среды и внешних частей двигателя менее 1°С.

Рисунок 1.13. Охлаждение линейного двигателя.

Модульная конструкция двигателя обеспечивает использование только тех компонентов, которые действительно необходимы для конструкции станка.

На рисунке 1.14 изображены имеющиеся компоненты, которыми может быть укомплектован двигатель при его заказе.

Рисунок 1.14 Модульная конструкция.

Добиться непревзойденной точности рабочего хода позволяет решение в области выравнивания пульсации на полюсах двигателей. Выравнивание обеспечивается за счет наклона постоянных магнитов вторичной части и наклона полюсов обмотки первичной части рис.1.15.

Рис.1.15 Выравнивание пульсации на полюсах.

Безжелезные двигатели (Ironless).

Ironless линейный двигатель (рис. 1.16) состоит из U-образного канала, на двух внутренних сторонах которого установлены редкоземельные магниты, и подвижных обмоток, перемещающихся внутри этого канала. Обмотки ротора соединены между собой эпоксидной смолой и крепятся к алюминиевой монтажной плите. Монтажная плита служит для установки груза и для отвода тепла.

Преимуществами этого типа двигателей является отсутствие силы притяжения между ротором и магнитными направляющими, поскольку первичная часть не содержит никакого железа. Малый вес подвижной части, а следовательно и малая инерционность, удобен в тех процессах, где необходимы высокие ускорения и небольшие нагрузки. Этот тип двигателя обычно используется совместно с пневмостатическими опорами, что максимально уменьшает трение и позволяет добиться ультра плавной характеристики.

Рисунок 1.16. Безжелезный линейный двигатель.

Прочность подвижной части таких линейных двигателей значительно меньше, чем у двигателей с железным сердечником. Это ограничивает ее максимальные размеры и осевые усилия. Так же в данном типе двигателей возникают проблемы с отводом тепла. С одной стороны это отвод теплоты непосредственно от обмоток, а с другой отвод тепла из U-образного канала. Через воздушный зазор теплота передается магнитным направляющим, которые имеют высокое тепловое сопротивление, что затрудняет тепловое регулирование двигателя.

Беспазовый (Slotless) линейный двигатель.

Этот вид линейных двигателей (рис. 1.17) является неким гибридом между Irocore и Ironless. Магнитная направляющая такая же как и у классического линейного двигателя, толстолистовая стальная пластина с закрепленными на ней магнитами. Однако конструкция ротора оригинальна. Обмотки, подобные тем, что использовались в безжелезном двигателе, закреплены на железной пластине. Эта конструкция помещена в алюминиевый корпус заполненный эпоксидной смолой. Термодатчики расположены внутри обмоток.

Рисунок 1.17 Беспазовый линейный двигатель.

Благодаря такой конструкции, жесткость подвижной части по сравнению с предыдущим проектом значительно больше. Однако из-за "обратного железа", как и в классическом типе линейных двигателей, возникает сила электромагнитного притяжения. Но т.к. расстояние между постоянными магнитами и "обратным железом" много больше, чем у классического проекта, то и сила притяжения значительно меньше и ее значение составляет порядка 3-7 величины номинального осевого усилия. Это дает возможность более качественного управления на малых скоростях.

Алюминиевый корпус с металлической пластиной внутри, к которой крепятся обмотки, имеет хорошую теплопроводность, и управлять температурным режимом двигателя становится сравнительно просто.

Трубчатый линейный двигатель.

Конструкция данного типа линейных двигателей (рис. 1.18) сама по себе соответствует действию актуатора. Магнитные сердечники привода находятся внутри заключенного в металл поршня, а постоянные магниты двигателя герметично закрыты в цилиндрическом вале. Взаимодействие между переменным магнитным полем поршня и постоянным магнитным полем вала дает магнитное поле, которое перемещает вал.

Интегрированные с подшипниками скребки во время каждого движения очищают вал, продлевая срок службы. Позиционные датчики Холла, встроенные в поршень, дают явное эксплуатационное преимущество по сравнению с внешними энкодерами. Они исключают возможность ухудшения характеристик из-за загрязнения или порчи при физическом контакте - что является важной особенностью при работе в условиях производства.

Рисунок 1.18 Трубчатый линейный двигатель.

Составим простейшую математическую модель линейного двигателя на основе наиболее распространенной конфигурации линейного двигателя, показанной на рисунке 1.19.

Рисунок 1.19 Схема линейного двигателя.

линейный двигатель статорный электропривод

, где

F_д - сила, произведенная линейным двигателем,

F_в - результирующая внешних сил,

B_m - коэффициент трения,

X - линейное перемещение нагрузки,

М - полная масса двигающихся частей.

Динамическая жесткость для данной системы может быть определена как функция частоты. Исходя из того, что максимальная позиционная ошибка (Е) зависит от возмущающей силы, линейное перемещение (х) может быть описано как:

.

Дифференцируя это уравнение, получим скорость и ускорение:

,

.

Если система находится в состоянии покоя (F_д=0);

Следовательно, пренебрегая силой трения (В_m=0), найдем результирующую внешних сил

Определяя динамическую жесткость как отношение приложенной силы к ответу системы на эту силу, величина динамической жесткости

Сравнивая эту величину с динамической жесткостью можно сделать вывод, что динамическая жесткость линейного двигателя значительно превышает жесткость шарико-винтовой передачи.

Линейные приводы превосходят приводы с кинематическими преобразователями по точности и быстродействию. Однако для полной реализации преимуществ прямых приводов требуется решать ряд нетривиальных задач управления. Одна из них - ослабление влияния возмущений, а другая - получение точной информации от датчика положения с существенно нелинейными характеристиками.

Прецизионный электропривод должен обеспечить минимальную ошибку по каналу управления и уменьшение влияния статического момента и внутренних возмущений привода, обусловленных неидеальностью конструкции и технологии изготовления двигателя, неидеальностью инвертора, датчиков положения, датчиков токов, трением в опорах и т. д. Обычно для уменьшения влияния возмущений используются увеличение коэффициента усиления или порядка астатизма системы управления электропривода. Оба эти мероприятия не всегда возможны, т.к. уменьшают запас по устойчивости и ухудшают помехозащищенность электропривода. Более совершенное решение - введение в состав переменных, по которым формируется управление электропривода, эквивалентного возмущающего воздействия. В большинстве случаев это различные компенсаторы внешних и внутренних возмущений.

Главное ограничение высокой точности - устройства обратной связи. Устройства обратной связи для линейных приводов очень точны; измерительные линейки, используемые с линейными приводами, часто имеют разрешающую способность сто нанометров.

Размещено на Allbest.ru