Общий обзор линейных электродвигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Линейные электродвигатели. Общий обзор



На сегодняшний день во многих узлах машин и механизмов возникает потребность в приводах поступательного движения. Реализация таких приводов доступна множеством возможных способов в зависимости от требований технического задания к разрабатываемой конструкции, а также параметрам самого привода. По способу преобразования энергии поступательные приводы можно разделить на 3 большие категории: электрические, пневматические и гидравлические. У каждого вида есть свои преимущества и недостатки, которые будут более подробно рассмотрены далее в этой статье. Общая черта распространённых на сегодняшний день «готовых решений» в области линейного позиционирования - это большое количество узлов и деталей, составляющих конструкцию привода, что в последствии сказывается на эффективности работы, простоте настройки и обслуживания, а также долговечности этого механизма. В связи с этим активно разрабатываются линейные машины непосредственного действия. В конструкции таких машин, как правило, отсутствуют редукторы и механические преобразователи вращательного движения в поступательное. Таким образом, движение приводящего и приводимого элемента осуществляются в одной и той же координате. Именно этим требованиям и отвечает получивший в последнее время широкое распространение такой класс электрических машин, как линейные электродвигатели. Цель данной работы - представить обзор данного класса двигателей в удобном для читателя виде, путём систематизирования информации из различных источников. Также, в статье будет рассмотрен принцип действия линейных электродвигателей, области их применения, их сравнение с иными приводами поступательного движения, и разновидности их конструкций.

Из истории создания линейных электродвигателей

Самое раннее упоминание об электрической машине, взаимодействие электромагнитных полей в которой заставляло один элемент продольно перемещаться относительно другого, связано с именем Чарльза Уитстоуна (Charles Wheatstone), английского учёного и изобретателя. Ещё в 1840-х годах им была описана модель подобного двигателя, правда конструкция его была примитивна и неэффективна [1]. Описание же более приближённой к реальным условиям модели было задокументировано в 1905 году изобретателем Альфредем Зеденом (Alfred Zehden) [2]. Первые функционирующие модели были произведены на 30 лет позже, лишь только в 1935-1940 годах.

С тех пор многое изменилось в конструкции линейных электродвигателей: вошли в применение новые материалы (в том числе постоянные магниты с содержанием редкоземельных металлов), были спроектированы различные модификации приводов для самых разнообразных отраслей применения, а номенклатура номинальных мощностей разрослась в диапазоне от 0.5 (мВт) [3] до 1200 (кВт) [4].

Принцип действия линейного электродвигателя.

Линейный электродвигатель представляет из себя электрическую машину, активные поверхности взаимодействующих элементов магнитной системы которой разомкнуты. Первичный элемент, как правило, называют индуктором [5] или же «forcer», в англоязычной литературе [6]. Первичный элемент является прямым аналогом статора электродвигателя вращательного движения. В индукторе размещаются обмотки возбуждения, подключённые к сети переменного тока. В большинстве случаев индуктор является неподвижным. Хотя, впрочем, в специализированных технических областях встречаются конструкции обращённой линейной машины, например тяговый двигатель составов монорельсовой транспортной системы. К сложности создания двигателя с подвижным индуктором можно отнести необходимость в скользящем контакте для передачи энергии в обмотки двигателя.

Название вторичного элемента, как правило, используется без изменения, хотя в некоторой литературе встречается термин «якорь», в качестве обозначения подвижного элемента линейного двигателя. Вторичный элемент по аналогии можно сравнить с ротором. Технологическое исполнение вторичного элемента зависит от типа проектируемой электрической машины: это может быть металлический лист, покрытый слоем материала высокой электропроводности для случая асинхронной машины или же набор постоянных магнитов, уложенных в плоскости разными полюсами друг за другом в случае синхронной. Применение редкоземельных магнитов в конструкции вторичного элемента привело к значительному увеличению силовых показателей электродвигателей.

Рис. 1. Общая идея конструкции линейного электродвигателя

На рис. 1 изображено общее представление о конструкции линейного электродвигателя. Это есть ничто иное, как развёртка обоих элементов бесколлекторного вращательного двигателя. На данном конкретном примере - развёртка трёхфазной синхронной обращённой машины.

Рассмотрим взаимодействие магнитных полей в двигателе, приводящее к появлению продольной силы на примере двухфазной синхронной машины. На рис. 2 представлена эквивалентная схема, поясняющая принцип работы. Индуктор неподвижно закреплён на основании. Вторичный элемент может перемещаться вдоль прямой, параллельной основанию на опорах скольжения. Обмотки индуктора представлены в виде цилиндрических катушек, подключённых к сети переменного тока. В общем случае, для обеспечения непрерывности сообщаемого вторичному элементу усилия необходимо, чтобы разность фаз коммутации обмоток индуктора удовлетворяла уравнению:

,

где Т_И - расстояние между геометрическими центрами соседних обмоток, м;

Т_ВЭ - расстояние между геометрическими центрами двух ближайших одинаково ориентированных магнитов.

Таким образом, в воздушном зазоре будет формироваться бегущее магнитное поле.

Можно показать, что для машины, изображённой на рис. 2 разность фаз

.

Как известно, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноимённые - притягиваются. Сложив вектора всех действующих сил в системе получим результирующий вектор силы F, направленный вдоль оси вторичного элемента.



Рис. 2. Эквивалентная схема

Принцип действия линейного коаксиального двигателя.

Существует довольно много конструкций и разновидностей линейных электродвигателей. Одной из них является модификация линейной машины из плоского форм-фактора в цилиндрический. Такая конструкция получила название «коаксиальной» (в дословном переводе - соосная). Также, в некоторой литературе встречаются названия «трубчатая», «цилиндрическая» [7], а в английском языке «tubular linear motor» [8]. В данном случае оба элемента имеют форму вытянутых цилиндров, продольные оси которых совпадают. Причём вторичный элемент находится непосредственно внутри индуктора. Цилиндрический форм-фактор может являться более приветственным для некоторых технических задач ввиду его компактности. К примеру, если требуется заменить гидро или пневмоцилиндры в некотором устройстве электрическим приводом.

Существует принципиальная разница между ранее рассмотренной схемой линейного двигателя и его коаксиальной модификацией. Разница эта заключается в способе замыкания магнитного потока двигателя. В первом случае поток замыкается поперечно, относительно вектора действующей силы. В коаксиальном же варианте магнитный поток замыкается продольно. Рассмотрим подробно устройство обеих частей коаксиального двигателя.

Индуктор состоит из магнитопровода, который, как правило, набирается из отдельных стальных шайб. В пазы шайб укладываются дисковые катушки, являющиеся обмотками возбуждения [9]. Контакты для подключения к сети выводятся наружу, за периметр шайбы. Схематический чертёж элемента магнитопровода представлен на рис. 3.

Вторичный элемент коаксиального двигателя может быть выполнен в трёх различных вариантах: стержень, в котором постоянные магниты цилиндрической формы уложены одноимёнными полюсами друг к другу; стержень или же полая труба из ферромагнитного материала. В конструкции корпуса индуктора должны быть предусмотрены подшипники скольжения в торцевых крышках, необходимые для опоры и центрирования вторичного элемента. Также разработчиком должны быть предусмотрены уплотнения подвижного соединения, если того требуют условия эксплуатации. Цилиндрическая форма вторичного элемента удобна для использования его в качестве поршня в различных устройствах, например, компрессорах или даже линейных дизель-генераторах.

Рис. 3. Элемент магнитопровода коаксиального двигателя

Рассмотрим принцип функционирования коаксиального двигателя. На рис. 4 изображена упрощённая схема трёхфазной синхронной машины. Зелёным цветом показаны силовые линии магнитного поля штока. Как видно из рисунка, в плоскости соединения одноимённых полюсов соседних магнитов линии магнитной индукции направленны вертикально вверх. Соответственно пересекать обмотку дисковой катушки они будут перпендикулярно. Значит, подавая в каждую из фаз двигателя требуемое напряжение можно заставить вторичный элемент перемещаться в продольном направлении (в случае, если индуктор неподвижно закреплён).

Рис. 4. Пояснительная схема [6].

Заметим, что каждая фаза двигателя воздействует на «соседний» относительно своей катушки магнит, т.к. на магнит, находящийся непосредственно в месте геометрического центра дисковой катушки не будет действовать продольная сила, а значит сдвинуть его без начального импульса не представляется возможным.

Трубчатый форм-фактор даёт существенные преимущества, т.к. продольное замыкание магнитного потока между обмотками индуктора и магнитным штоком обеспечивает математически идеальную ориентацию магнитного поля.

Области применения линейных двигателей

Автоматические ленты (конвейеры)

В классической схеме конвейера лента должна быть натянута между двумя валиками, которые будут передавать ей движение. Причём передаваемое усилие будет зависеть от натяжения ленты между валиками, что вносит довольно существенные ограничения в конструкцию, а также дополнительные требования к прочности материала самой ленты [10]. Ещё стоит отметить, что при непреднамеренном попадании в пятно контакта валиков и ленты различных рассыпчатых или смазочных материалов сцепление поверхностей существенно снизится. В случае использования линейного электродвигателя сообщаемое усилие не будет зависеть от натяжения ленты и сцепления поверхностей, а валики потребуется использовать только лишь в качестве опор. В этом случае на ленте должна быть закреплена полоса из проводящего материала, которая будет играть роль вторичного элемента двигателя.

Станкостроение

Широкое распространение получили линейные серводвигатели в отечественном и зарубежном станкостроении. Напомним, что сервоприводом называется система, состоящая из электромеханического привода, задачей которой является отслеживание заданного положения. Именно поэтому сервоприводы так востребованы в станкостроении. Во многих современных обрабатывающих комплексах требуется обеспечить поступательное движение рабочего органа по трём осям в пространстве. Работа ведётся именно в декартовых координатах. В качестве примера можно привести такое новое направление в развитии станкостроении как 3D принтеры. Так чем же линейный двигатель лучше традиционных решений в этой области, таких как ременные, реечные передачи, или же передачи типа «винт-гайка»? Подробно этот вопрос будет рассмотрен в следующем разделе данной статьи, а пока что кратко перечислим основные преимущества:

· отсутствие промежуточных узлов между двигателем и рабочем органом;

· увеличенная долговечность привода;

· простота обслуживания;

· повышенная точность позиционирования;

· высокие показатели скорости и ускорения [11].

Немного поясним вопрос точности позиционирования. Абсолютная точность, разрешающая способность, а также повторяемость привода поступательного движения зависит от устройства обратной связи. На сегодняшний день в свободной продаже доступны множества различных датчиков линейного перемещения, скорости и ускорения, а также необходимые для их работы контроллеры. В связи с этим вопрос о точности позиционирования, в основном, упирается в бюджет, закладываемый на разработку и производство привода. Помимо этого, требуется высокая полоса пропускания системы управления линейным приводом, но, опять же, ввиду распространённости высококачественной цифровой электроники, данная проблема вполне решаема.

Упаковочные, раздаточные механизмы на производстве.

Все вышеперечисленные преимущества линейных сервоприводов могут быть полезны в случае использования его не только лишь в составе обрабатывающего комплекса, но также и в качестве основного приводного механизма иного специализированного оборудования на производстве. Рассмотрим, в качестве примера, в составе каких устройств предлагает немецкая компания «Dunkermotoren» использовать свои коаксиальные сервоприводы (Рис. 5) [6].

А) Розлив жидкости по бутылкам;

Б) Транспортировка с одного конвейера на другой;

В) Упаковка продукта в тару;

Г) Толкатели для карусельного буфера.

Делая выводы из вышеперечисленных примеров, можно заключить, что применение линейного двигателя на производстве ограничено лишь разнообразием оснастки, устанавливаемой на подвижный элемент.



Рис. 5. Линейныйе двигатели на производстве [6].

Перспективные виды путевого транспорта

К таким видам транспорта можно отнести маглев (поезд на магнитной подушке), а также монорельсовую транспортную систему. В августе 2001 года в Москве началось строительство первой и единственной в городе ветки монорельсовой транспортной системы. Поскольку подвижный состав такой системы эксплуатируется на подвесной путевой балке, перед разработчиками встал вопрос минимизации массы данного состава. Учитывая, что монорельс эксплуатируется на открытом воздухе, в холодное время года может возникать проблема обледенения опорной балки, а вес лёгкого подвижного состава может оказаться недостаточным для обеспечения надёжного зацепления микровыступов. Кроме того, следует заметить, что маршрут линии проходит через густонаселённую городскую застройку, значит на транспорт накладываются ограничения по уровню издаваемого шума. Анализ этих задач приводит к выводу, что недопустимо на данном виде транспорта использовать классические поворотные тележки со стальными колёсами. Опоры было решено выполнить в виде прорезиненных катков, а в качестве движителя разработчиками инженерно-научного центра «ТЭМП» был спроектирован тяговый линейный асинхронный двигатель [12]. В случае поезда на магнитной подвесной системе дело обстоит, в некотором роде, более однозначно, поскольку в данном случае колёсный движитель исключается по определению. Остаётся несколько возможных вариантов: реактивный двигатель, или же бесконтактный движитель, основанный на силовом взаимодействии электромагнитных полей. Реактивный двигатель отбрасывается по причине большого потребления топлива, а также недопустимо высокого уровня шума. Таким образом, линейный электродвигатель закрепил за собой право называться традиционным решением в качестве элемента, обеспечивающего движение поездов на магнитной подушке. В качестве примера можно привести японскую систему JR-Maglev, экспериментальный состав которой в 2003 году установил абсолютный рекорд скорости для железнодорожного транспорта в 581 км/ч с пассажирами на борту [13]. Конкретно в данной системе, на корпус состава устанавливаются сверхпроводящие постоянные магниты, а благодаря электромагнитам, помещаемым вдоль трассы генерируется бегущее магнитное поле. Иллюстрация принципа действия системы приведена на рис. 6.

Рис. 6. JR-Maglev

Тяжёлая строительная техника

В [5] и [14] авторами рассматривается возможность создания ударного электромолота на базе линейного двигателя. Подобное устройство планируется применять для дробления горных пород, а также при дорожных и строительных работах для забивания свай. Конструкция такого рода установки приведена на рис. 7, где 1 - индуктор линейного двигателя, 2 - стрела молота, 3 - лебёдка, 4 - ударная часть молота. При забивании сваи, ударная часть молота может опускаться как под действием собственной силы тяжести, так и под действием суммы силы тяжести и силы, получаемой от линейного электродвигателя. Стрела молота опускается вниз при помощи лебёдки, по мере заглубления сваи. К преимуществам электромолота перед стандартными решениями, такими как дизельный молот и гидромолот, можно отнести возможность быстрого реверса, а также широкий диапазон регулирования выходного усилия.

Лифты, элеваторы

В 2014 году немецким концерном «ThyssenKrupp» было объявлено о начале работ по проектированию безтросовой лифтовой системы, получившей имя «MULTI» [15]. В рамках данной системы предполагается, что кабина будет оснащена двумя линейными электродвигателями - для вертикального и горизонтального перемещения соответственно. Данный подход может кардинально изменить представления о стандартной архитектуре высотных зданий. Также предполагается движение нескольких кабин внутри одной лифтовой шахты одновременно. Скорость движения кабины, по заявлениям разработчиков, будет составлять 5 (м/с), а линейный двигатель обеспечит его плавность. Идея о вышесказанном концепте звучит довольно авантюристично. Тем не менее, патент на схожую систему (вертикального перемещения) был зарегистрирован в 1993 году [16]. Запатентованный безтросовый лифт имеет в составе своей конструкции один плоский линейный электродвигатель, индуктор которого неподвижно закреплён относительно лифтовой шахты, а вторичный элемент выполнен в виде полосы, закреплённой на кабине лифта. В неподвижном состоянии система не расходует энергию на удержание веса, вместо этого активизируется тормозной механизм. Помимо вышесказанного, известны патенты на стандартные тросовые лифты, в качестве тяговых приводов которых используются линейные двигатели плоского (1992 год) [17] и коаксиального (1994 год) [18] исполнения. В обоих перечисленных случаях вторичный элемент двигателя устанавливается непосредственно на противовесе.

Рис. 7. Линейный двигатель для сваезабивного молота [5].

Магнитогидродинамический (МГД) насос

МГД-насос - это устройство для перекачки электропроводящего вещества в жидком состоянии. Конструктивное исполнение такого устройства существенно отличается от рассмотренных выше схем линейных двигателей, тем не менее, принципиальная схожесть физических процессов, благодаря которым функционируют обе эти машины позволяют косвенным образом классифицировать МГД-насосы как отдельное подразделение линейных электродвигателей. Магнитогидродинамические насосы могут быть как постоянного, так и переменного тока. Кратко поясним принцип работы подобного устройства на примере МГД-насоса постоянного тока. На рис. 8 [5] имеется: 1 - С-образный электромагнит, 2 - трубопровод с жидким металлом, 3 - электроды, приваренные к стенкам трубопровода. Через электроды подаётся постоянный ток, и, в области протекания этого тока формируется сила электромагнитного взаимодействия, проталкивающая металл далее по трубопроводу. Причём направление действия этой силы легко определить по известному правилу «левой руки». Преимуществами МГД-насосов являются: отсутствие вращающихся и трущихся деталей, возможность плавной регулировки расхода в широком диапазоне, простота эксплуатации и обслуживания, надёжность и безопасность в работе ввиду герметизации канала транспортируемой жидкости.

Рис. 8. МГД-насос постоянного тока [5].

Оружие

В следующих двух пунктах будут рассмотрены, так называемые, линейные двигатели больших ускорений. К данному классу двигателей не предъявляется таких стандартных требований как продолжительная работа в номинальном режиме, точность позиционирования, или же широкий диапазон регулировочных характеристик. Главный критерий качества таких машин - это то, какое максимальное ускорение они могут сообщить объекту управления. Несомненно, стрелковое оружие - одна из тех областей, где этот параметр играет немаловажную роль. Если представить линейный коаксиальный двигатель, вторичным элементом которого является кинетический снаряд, то мы получим ничто иное как электромагнитное орудие [19]. Разница лишь в том, что снаряд, в отличие от типового вторичного элемента линейного асинхронного двигателя имеет меньшую длину, чем индуктор. Это накладывает определённые требования к управлению обмотками подобного ускорителя, а именно следующие - ток в дисковой катушке должен падать до нуля именно в тот момент, когда снаряд находится в её геометрическом центре. И в этот же момент должна включаться следующая по ходу движения снаряда катушка. Таким образом снаряд в стволе будет разгоняться непрерывно, а кроме того - центрироваться, благодаря известной форме силовых линий магнитного поля катушки. К преимуществам такого вида оружия можно отнести бесшумность и беспламенность.

Электромагнитное орудие не требует периодичной замены ствола так, как этого требует огнестрельное оружие. Отдача от выстрела меньше, чем у огнестрельного ввиду отсутствия дополнительного импульса, связанного с выходом пороховых газов. При условии герметизации электрических цепей стрельба может вестись практически в любой среде, так как для произведения выстрела не требуется наличие кислорода. Да и сам снаряд стоит дешевле. Но несмотря на все вышеперечисленные преимущества электромагнитное орудие данного типа так никогда и не было выпущено серийно. Основная причина этого - низкий КПД подобной машины, и, как следствие, высокое энергопотребление. Именно отсутствие компактного, но мощного источника электропитания и по сей день является «камнем преткновения» в вопросе применения электродвигателей любых типов на мобильных автономных устройствах. На сегодняшний день известно применение линейного двигателя в качестве разгонного устройства для снарядов только лишь в экспериментальных, любительских установках. Хотя не отрицается перспектива использования подобного оружия в условиях космического пространства.

Стартовые катапульты

Задачей такого устройства является обеспечение максимальной начальной скорости вылета летательного аппарата с направляющей установки. Подобные системы, как правило, используются на авианосцах, а также в качестве переносного устройства запуска БПЛА. Наличие стартовой катапульты для БПЛА снимает необходимость во взлётной полосе, что является существенным преимуществом в плане мобильности аппарата. Как правило, приводы таких катапульт либо пороховые, либо основаны на применение упругих элементов. Недостатком порохового заряда является высокий уровень шума, издаваемого при воспламенении. Сила, сообщаемая от упругого элемента разгоняемому БПЛА, линейно уменьшается по мере прохождения дистанции разгона. Линейный электродвигатель лишён подобных недостатков, хотя его использование требует соответствующего энергоснабжения. Когда подобная система используется в составе авианесущего судна с ядерной силовой установкой указанная проблема энергоснабжения перестаёт быть проблемой.

Начиная с 2010 года ВМФ США проводит успешные испытания электромагнитной катапульты «EMALS» (ElectroMagnetic Aircraft Launch System), установленной в составе авианосца «Gerald R. Ford» [20]. В ходе испытаний, тестовая тележка массой 3,6 тонны была разогнана до скорости в 333 (км/ч). Учитывая длину разгонной полосы в 91 метр, нетрудно посчитать, что сообщаемое ускорение примерно равняется 4,7g. Преимущества электромагнитной катапульты перед традиционной паровой заключаются в её лучших масса-габаритных параметрах, большей надёжности и меньшем энергопотреблении.

Элемент подвески транспортного средства

В 2004 году компания Bose® представила прессе результат своей 24-летней исследовательской работы - систему электромагнитной подвески для автомобиля [21]. Особенность данной системы заключается в том, что функции упругого элемента, демпфера, а также системы обеспечения поперечной жёсткости были возложены на один единственный элемент - линейный электродвигатель (рис. 7).

Рис. 7. Линейный электродвигатель системы Bose® [22].

Благодаря своему форм-фактору, привод удачно интегрируется в конструкцию автомобиля, заменяя собой стандартный телескопическтий амортизатор. Таким образом обеспечивается независимая подвеска каждого колеса, благодаря чему имеется возможность регулировать поворачиваемость транспортного средства. Отработка неровностей дорожного полотна реализуется благодаря управляющим сигналам, сформированным быстродействующем контроллером, но помимо этого имеется возможность устранить продольные «клвеки» автомобиля при разгоне и торможении, а также ограничить боковой крен. Динамическая подвеска не требует точной ручной настройки. Все её рабочие параметры программируются управляющим контроллером. К основным преимуществам электромагнитной подвески перед другими системами адаптивного шасси относятся быстродействие и возможность рекуперации энергии. К примеру, пружинно-гидравлическая система «ABC» (Active Body Control) седанов Mercedes S-класса работает под высоким гидравлическим давлением (около 150 бар), которое поддерживается гидронасосом, отбирающим от двигателя мощность, порядка 20-25 кВт [22]. Заметный перерасход горючего - в конечном счете на обогрев атмосферы.

Электромагнитная подвеска требует примерно такой же мощности, но и возвращает в бортовую сеть порядка 16-20 кВт. Разумеется, есть у данной системы и недостатки - энергия расходуется не только лишь во время движения, но и в статике на поддержание веса автомобиля. Следовательно, применять подобную систему рационально в условиях непрерывной работы амортизаторов, там, где действительно требуется динамика. Пока что серийный выпуск адаптивной подвески не запущен, но компания прогнозирует востребованность подобных систем на автомобилях класса «люкс». линейный двигатель электромеханический привод

Сравнение приводов поступательного движения

Рассмотрим преимущества и недостатки основных типов приводов поступательного движения, таких как: гидравлические, пневматические, линейные электродвигатели и механические передачи, преобразующие вращательное движение электромотора в поступательное. Под последним типом будут подразумеваться: ременная передача, реечная передача, а также шариковинтовая (ШВП) и роликовинтовая (РВП) передачи. Относительное сравнение приводится для механизмов возвратно-поступательного действия.

Для начала чуть подробнее остановимся на механических передачах. Известно, что высокооборотные машины обладают существенно лучшими массогабаритными показателями, чем их аналоги с низкими частотами вращения. Но большинство механизмов, для которых создаётся электропривод как правило требуют много меньших частот вращения или же скоростей перемещения. Механические передачи в составе электроприводов поступательного движения выполняют как минимум 2 функции - редуктора и преобразователя координаты. В свою очередь каждая из этих составляющих вносит негативные факторы в параметры привода. Редуктор значительно сказывается на массогабаритных параметрах привода. Масса редуктора составляет до 80% от общей массы исполнительного механизма. В [23] автор приводит следующий пример: масса двигателя эскалатора метро М_дв = 0.8 (т), редуктора - М_ред = 18 (т). Кроме того, не стоит забывать, что чем сложнее механизм - тем большее количество изнашивающих элементов он в себя включает. Основную составляющую шума и вибраций даёт именно редуктор. Наличие редуктора ухудшает условия переходного процесса (Т_эм). Механические передачи любого рода вносят кинематическую погрешность в систему привода. Несмотря на рассмотренные недостатки поступательные приводы, основанные на механических передачах, остаются распространённым решением в промышленности. Основная причина этого - относительная дешевизна и простота вышеупомянутых конструкций.

Перечисляя ниже преимущества и недостатки конкретных устройств учтём, что сравнение ведётся между системами поступательного движения в целом, а не между отдельными промежуточными элементами, такими как механические передачи. Следовательно, для справедливой оценки КПД такой системы, необходимо учесть в ней наличие движителя. Как правило, движителями механических передач возвратно-поступательного действия является электродвигатель вращения, среднестатистический КПД которого з = 85%. Данное значение перемножается на КПД механической передачи для получения общего значения КПД системы.

Таким образом:

1) Ременная передача. (общий КПД порядка 76%)

Преимущества:

· Высокая скорость;

· Низкая стоимость;

· Плавность и малошумность работы;

· Большой рабочий ход;

· Защита от перегрузок за счёт проскальзывания ремня;

Недостатки:

· Непостоянство передаточного отношения;

· Повышенная изнашиваемость;

· Значительные габариты;

· Необходимость защиты ремня от попадания масла;

2) Реечная передача (общий КПД порядка 82%)

Преимущества:

· Простота изготовления;

· Компактность;

· Большой рабочий ход;

· Надёжность;

Недостатки:

· Не осуществляет редукцию;

· Шум и вибрация;

· Вносит погрешности (кинематическую и мёртвого хода);

3) Шариковинтовая передача (общий КПД порядка 76%)

Преимущества:

· Высокое выходное усилие;

Недостатки:

· Высокая стоимость и сложность изготовления элементов качения;

· Требует смазки;

· Высокий уровень шума;

· Низкие скорости и ускорения;

· Мёртвый ход;

4) Роликовинтовая передача (общий КПД порядка 87%)

Преимущества:

· Высокое выходное усилие;

· Повышенная износостойкость;

· Высокая точность позиционирования;

Недостатки:

· Высокая стоимость и сложность изготовления элементов качения;

· Требует смазки;

5) Пневматический привод (общий КПД порядка 15%)

Преимущества:

· Низкая стоимость систем, работающих в релейном режиме;

· Высокие ускорения;

· Возможность применения в опасных средах;

· Большой срок службы;

Недостатки:

· Мягкая механическая характеристика;

· Малое быстродействие;

· Крайне низкий КПД;

· Высокий уровень шума.

6) Гидравлический привод (общий КПД порядка 81%)

Преимущества:

· Высокая удельная мощность;

· Большие выходные усилия;

· Жёсткие механические характеристики;

· Быстродействие;

Недостатки:

· Утечки рабочей жидкости;

· Требовательность к параметрам рабочей жидкости;

· Высокая стоимость;

· Повышенный износ;

7) Линейный электродвигатель (КПД может достигать 90-95%)

Преимущества:

· Высокие скорости и ускорения;

· Низкий уровень шума и вибраций;

· Высокое быстродействие;

· Не требует обслуживания;

· Всего один подвижный элемент во всей системе;

Недостатки:

· Небольшой рабочий ход;

· Небольшие выходные усилия;

· Требовательность к быстродействию управляющего контроллера.

Все вышесказанные достоинства и недостатки приводов поступательного движения можно свести в таблицу (табл. 1), сравнивая их по одноимённым параметрам. Ещё раз повторимся, что сравнение производится именно среди класса механизмов возвратно-поступательного движения, ибо нет смысла сравнивать между собой привод открытия/закрытия дверей железнодорожного вагона и тяговый двигатель самого состава. Это совершенно разные устройства, к которым предъявляются различные требования. На сегодняшний день производителями разработано огромное количество агрегатов в области линейного перемещения. Номенклатура их параметров крайне широка и в рамках обзорной работы не представляется возможным описать конкретные цифровые диапазоны для всех этих параметров. Кроме того, из года в год разработчики предлагают всё новые серии и модели своих устройств, тем самым расширяя разброс уже существующих параметров. Таким образом, данное в таблице 1 сравнение, базируется на общих преимуществах и недостатках каждого из видов приводов. Автор подчёркивает, что материалы таблицы 1 не являются пособием по выбору типа привода, но, в первую очередь, имеют демонстрационную, ознакомительную цель. Каждый параметр оценивается по шкале от 1 (*) до 5 (*****), где * - наихудшее значение и ***** - наилучшее значение соответственно.

Таблица 1. Сравнение приводов поступательного движения

Параметр	Ременная передача	Реечная передача	ШВП	РВП	Пневмо- цилиндр	Гидро-цилиндр	Линейный двигатель
Скорость	*****	****	*	**	***	****	*****
Ускорение	**	***	**	**	*****	****	*****
Сила	***	****	*****	*****	***	*****	**
Рабочий ход	*****	*****	**	**	****	***	**
Уровень шума	*****	**	***	***	*	***	*****
Требования к обслуживанию	**	****	***	***	***	*	*****
Переходный процесс	**	***	***	***	*	*****	*****
Стоимость	*****	*****	***	**	***	*	**

Классификация линейных электродвигателей

Можно провести классификацию по общим признакам следующим образом:

· Синхронные/асинхронные;

· Малых/больших ускорений;

· Тяговые/позиционные;

· Пассивного/принудительного охлаждения;

· Нерегулируемые/управляемые;

· По конструкции.

В свою очередь, классификация по конструкции включает в себя обширную номенклатуру параметров. Обобщим ранее известные классификации, произведённые в [4, 24, 25], и приведём наиболее основополагающие из них (табл. 2).

Таблица 2. Классификация конструктивных параметров ЛД

Признак	Вариант исполнения
Замыкание магнитного потока	С продольным потоком (аксиальным)
	С поперечным потоком
	С продольно-поперечным потоком
Тип индуктора	С ферромагнитным сердечником
	С воздушным сердечником
	Заполненный эпоксидным компаундом
Тип формы активных элементов	Односторонний
	Двухсторонний
	U-образный
	С-образный
	Дуговой
	Коаксиальный
Система возбуждения	Постоянные магниты
	Сверхпроводящие магниты
	Обмотка возбуждения с магнитопроводом
	Комбинированное возбуждение
Тип обмотки	Плоская
	Барабанного типа
	Кольцевого типа
	Сосредоточенная катушечная
	типа Грамма
Полюсное деление обмотки статора	С постоянным шагом
	С переменным шагом
Вторичный элемент	Диамагнетик
	Ферромагнетик
	С постоянными магнитами
	Комбинированный
Агрегатное состояние вещества вторичного элемента	Твёрдое тело
	Жидкость
	Плазма



Заключение

На сегодняшний день линейные электрические машины, являясь одной из наиболее перспективных ветвей развития приводов поступательного движения, успешно применяются в составе устройств общего и специального назначения. Несмотря на существенно более редкое использование линейных электродвигателей в промышленности по сравнению с двигателями вращательного движения, разновидности линейных машин крайне обширны, а новые модели непрерывно разрабатываются, постепенно вытесняя своих устаревших электромеханических конкурентов. Рассмотрев современные области применения, а также преимущества и недостатки линейных двигателей, можно сделать вывод о целесообразности их использования в нескольких случаях, а именно: в качестве основы для быстродействующего следящего привода малых усилий, или же в качестве тягового двигателя, в случае, когда использование иных движителей невозможно или же не рационально.



Список литературы

1. Козаченко Е.В. Линейные тяговые электродвигатели. М.: Информэлектро, 1984. 72с.

2. Москаленко В.В. Электродвигатели специального назначения. - М.: Энергоиздат, 1981. - 104 с., ил.- (Библиотека электромонтёра. Выпуск 522).

3. Servo Tube - Series ST Technology. Брошюра Dunkermotoren. DIN EN ISO 9001:2008

4. Черных И.В., Сарапулов Ф.Н. Основы теории и моделирование линейного асинхронного двигателя как объекта управления. Екатеринбург: УГТУ, 1999, 229с.

5. R. Luis, J.C.Quadrado. PM tubular synchronous motor modelling. ISEL R. Conselheiro Emнdio Navarro, 1950-072 LISBOA PORTUGAL.

6. Конструкция линейных электродвигателей [Видеозапись]: учебное пособие/режиссёр И.Дубинская; автор сценария Р.Тээметс - М.: Союзфильм, 1985. - .9 мин.

7. Конвейеры: Справочник/Р.А.Волков, А.Н.Гнутов, В.К.Дьячков и др. Под общ. ред. Ю.А.Пертена. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1984. 367с.

8. Серебреницкий П.П. Линейные двигатели нового поколения // Двигатель. 2000. №3(9) май-июнь. С. 46-48.

9. John McBrewster, Frederic P. Miller, Agnes F. Vandome. JR-Maglev. 2011. ID: 1218782, P.124. ISBN: 978-6-1337-1270-6

10. Малахов А.П. Электромолот: патент на полезную модель №54381, НГТУ, 10 янв 2006.

11. Masami Nomura. Ropeless linear motor elevator system: пат. US5234079 A США. 10 авг 1993.

12. Ernest P. Gagnon, Jerome F. Jaminet, Eric G. Olsen. Elevator driven by a flat linear motor: пат. US5086881 A США. 11 фев 1992

13. Yoshinori Nakanishi. Tubular linear motor driven elevator: пат. US5300737 A США. 5 апр 1994.

14. Michael R. Doyle, Douglas J. Samuel, Thomas Conway, Robert R. Klimowsk. Electromagnetic Aircraft Launch System - EMALS. Aircraft Div., Naval Air Warfare Center, Lakehurst, NJ. IEEE Transactions on Magnetics (Impact Factor: 1.39). 02/1995; 31(1):528 - 533. DOI: 10.1109/20.364638. Source: IEEE Xplore.

15. Свечарник Д.В. Электрические машины непосредственного привода: Безредукторный электропривод. - М.: Энергоатомиздат, 1988.- 208 с.:ил.

16. Соколов М.М., Сорокин Л.К. Электропривод с линейными асинхронными двигателями. - М.: «Энергия», 1974 -136 с.: ил.

17. Черногоров Е. Механические передачи. - Челябинск, 2013. - 87с.

18. Пневматические устройства и системы в машиностроении. Справочник. -- Под общ. редакцией Е.В. Герц. -- М.: Машиностроение, 1981. -- 408 с.



Аннотация

В статье представлен обзор линейных электрических машин. Сформулировано определение понятия линейного электродвигателя. Рассмотрены принципы действия плоского и коаксиального линейных двигателей. Перечислены их существующие отрасли применения. Дано сравнение линейных электродвигателей с другими электромеханическими, гидравлическими и пневматическими приводами возвратно-поступательного движения. В результате сравнения выявлены преимущества и недостатки линейных электрических машин. Также, приведена классификация различных типов и конструктивных исполнений линейных электродвигателей. По результатам сравнительного анализа даны рекомендации к использованию машин данного класса в различных областях промышленности.

Ключевые слова: линейные электродвигатели, приводы поступательного движения, бесколлекторные электрические машины.

The paper contains linear electric motors review. The definition of the linear motor concept has been formulated. Principles of action of a flat and tubular linear motors has been considered. Listed their existing usage areas. A comparison of linear electric motors with another electrico-mechanical, hydraulic and pneumatic reciprocating motion mechanisms has been given. In the result of comparison advantages and disadvantages of linear electric machines has been identified. Also, the classification of different types and designs of linear motors has been shown. In the result of comparative analysis recommendations for the use of existing type machines at various industries has been given.

Keywords: Linear electric motors, translational mechanisms, brushless electric machines.

Размещено на Allbest.ru