En titt på de forskjellige lineære motorene som er tilgjengelige og hvordan du velger den optimale typen for din applikasjon.
Følgende artikkel er en oversikt over de forskjellige typene lineære motorer som er tilgjengelige, inkludert deres operasjonsprinsipper, historie med utvikling av permanente magneter, designmetoder for lineære motorer og industrisektorer som bruker hver type lineærmotor.
Lineærmotorteknologi kan være: Lineære induksjonsmotorer (LIM) eller Permanent Magnet Linear Synchronous Motors (PMLSM).PMLSM kan være jernkjerne eller jernfri.Alle motorer er tilgjengelige i flat eller rørformet konfigurasjon.Hiwin har vært i forkant av design og produksjon av lineærmotorer i 20 år.
Fordeler med lineære motorer
En lineær motor brukes til å gi lineær bevegelse, dvs. å flytte en gitt nyttelast med en diktert akselerasjon, hastighet, reiseavstand og nøyaktighet.Alle andre bevegelsesteknologier enn lineærmotordrevne er en slags mekanisk drivkraft for å konvertere roterende bevegelse til lineær bevegelse.Slike bevegelsessystemer drives av kuleskruer, belter eller tannstang.Levetiden til alle disse drevene er svært avhengig av slitasjen på de mekaniske komponentene som brukes til å konvertere rotasjonsbevegelser til lineære bevegelser og er relativt kort.
Den største fordelen med lineære motorer er å gi lineær bevegelse uten noe mekanisk system fordi luft er overføringsmediet, derfor er lineære motorer i hovedsak friksjonsfrie stasjoner, som gir teoretisk ubegrenset levetid.Fordi ingen mekaniske deler brukes til å produsere lineær bevegelse, er svært høye akselerasjoner mulige hastigheter der andre drev som kuleskruer, belter eller tannstang vil møte alvorlige begrensninger.
Lineære induksjonsmotorer
Figur 1
Den lineære induksjonsmotoren (LIM) var den første som ble oppfunnet (US patent 782312 – Alfred Zehden i 1905).Den består av en "primær" sammensatt av en stabel av elektriske stållamineringer og en rekke kobberspoler forsynt av en trefasespenning og en "sekundær" vanligvis sammensatt av en stålplate og en kobber- eller aluminiumsplate.
Når primærspolene blir energisert, blir sekundæren magnetisert og et felt av virvelstrømmer dannes i sekundærlederen.Dette sekundære feltet vil da samhandle med den primære bakre EMF for å generere kraft.Bevegelsesretning vil følge Flemings venstrehåndsregel, dvs.;bevegelsesretningen vil være vinkelrett på strømretning og felt/fluksretning.
Fig 2
Lineære induksjonsmotorer tilbyr fordelen med svært lave kostnader fordi sekundæren ikke bruker noen permanente magneter.NdFeB og SmCo permanentmagneter er svært dyre.Lineære induksjonsmotorer bruker svært vanlige materialer (stål, aluminium, kobber), for deres sekundære og eliminerer denne risikoen for forsyning.
Ulempen med å bruke lineære induksjonsmotorer er imidlertid tilgjengeligheten av frekvensomformere for slike motorer.Selv om det er veldig enkelt å finne drev for lineære permanentmagnetmotorer, er det veldig vanskelig å finne drev for lineære induksjonsmotorer.
Fig 3
Permanent magnet lineære synkronmotorer
Permanent magnet lineære synkronmotorer (PMLSM) har i hovedsak den samme primære som lineære induksjonsmotorer (dvs. et sett med spoler montert på en stabel av elektriske stållamineringer og drevet av en trefasespenning).Det sekundære er forskjellig.
I stedet for en plate av aluminium eller kobber montert på en plate av stål, er sekundæren sammensatt av permanente magneter montert på en plate av stål.Hver magnets magnetiseringsretning vil veksle i forhold til den forrige som vist i fig. 3.
Den åpenbare fordelen med å bruke permanente magneter er å skape et permanent felt i sekundæren.Vi har sett at kraft genereres på en induksjonsmotor ved samspillet mellom primærfeltet og sekundærfeltet som kun er tilgjengelig etter at et felt med virvelstrømmer er skapt i sekundæren gjennom motorens luftspalte.Dette vil resultere i en forsinkelse kalt "slip" og en bevegelse av sekundæren som ikke er synkronisert med primærspenningen som leveres til primæren.
Av denne grunn kalles lineære induksjonsmotorer "asynkrone".På en permanent magnet lineær motor vil sekundærbevegelsen alltid være synkronisert med primærspenningen fordi sekundærfeltet alltid er tilgjengelig og uten noen forsinkelse.Av denne grunn kalles permanente lineære motorer "synkrone".
Ulike typer permanentmagneter kan brukes på en PMLSM.I løpet av de siste 120 årene har forholdet mellom hvert materiale endret seg.Per i dag bruker PMLSM-er enten NdFeB-magneter eller SmCo-magneter, men de aller fleste bruker NdFeB-magneter.Fig. 4 viser historien til utviklingen av permanent magnet.
Fig 4
Magnetstyrken er preget av energiproduktet i Megagauss-Oersteds, (MGOe).Fram til midten av åttitallet var det kun stål, ferritt og alnico som var tilgjengelig og leverte produkter med svært lav energi.SmCo-magneter ble utviklet på begynnelsen av 1960-tallet basert på arbeid av Karl Strnat og Alden Ray og senere kommersialisert på slutten av sekstitallet.
Fig 5
Energiproduktet til SmCo-magneter var i utgangspunktet mer enn det dobbelte av energiproduktet til Alnico-magneter.I 1984 utviklet General Motors og Sumitomo uavhengig NdFeB-magneter, en sammensetning av neodynium, jern og bor.En sammenligning av SmCo- og NdFeB-magneter er vist i fig. 5.
NdFeB-magneter utvikler mye høyere kraft enn SmCo-magneter, men er mye mer følsomme for høye temperaturer.SmCo-magneter er også mye mer motstandsdyktige mot korrosjon og lave temperaturer, men er dyrere.Når driftstemperaturen når magnetens maksimale temperatur begynner magneten å avmagnetisere, og denne avmagnetiseringen er irreversibel.Magneten mister magnetiseringen vil føre til at motoren mister kraft og ikke klarer å oppfylle spesifikasjonene.Hvis magneten fungerer under maksimal temperatur 100 % av tiden, vil dens styrke bli bevart nesten på ubestemt tid.
På grunn av de høyere prisene på SmCo-magneter, er NdFeB-magneter det riktige valget for de fleste motorer, spesielt gitt den høyere kraften som er tilgjengelig.For noen applikasjoner hvor driftstemperaturen kan være svært høy, er det imidlertid å foretrekke å bruke SmCo-magneter for å holde seg unna maksimal driftstemperatur.
Design av lineære motorer
En lineær motor er vanligvis utformet via Finite Element elektromagnetisk simulering.En 3D-modell vil bli laget for å representere lamineringsstabelen, spoler, magneter og stålplate som støtter magnetene.Luft vil bli modellert rundt motoren så vel som i luftspalten.Da vil materialegenskaper legges inn for alle komponenter: magneter, elektrisk stål, stål, spoler og luft.Et mesh vil deretter bli opprettet ved hjelp av H- eller P-elementer og modellen løst.Deretter tilføres strømmen til hver spole i modellen.
Fig. 6 viser utgangen av en simulering hvor fluks i tesla vises.Den viktigste utgangsverdien av interesse for simuleringen er selvfølgelig Motorkraft og vil være tilgjengelig.Fordi endevendingene til spolene ikke produserer noen kraft, er det også mulig å kjøre en 2D-simulering ved å bruke en 2D-modell (DXF eller annet format) av motoren inkludert lamineringer, magneter og stålplate som støtter magnetene.Utgangen fra en slik 2D-simulering vil være svært nær 3D-simuleringen og nøyaktig nok til å vurdere motorkraften.
Fig 6
En lineær induksjonsmotor vil bli modellert på samme måte, enten via en 3D- eller 2D-modell, men løsningen vil være mer komplisert enn for en PMLSM.Dette er fordi den magnetiske fluksen til PMLSM-sekundæren vil bli modellert umiddelbart etter å ha gått inn i magnetens egenskaper, derfor vil bare én løsning være nødvendig for å oppnå alle utgangsverdier inkludert motorkraft.
Imidlertid vil sekundærfluksen til induksjonsmotoren kreve en transient analyse (som betyr flere løsninger ved et gitt tidsintervall) slik at den magnetiske fluksen til LIM-sekundæren kan bygges og først da kan kraften oppnås.Programvaren som brukes for den elektromagnetiske endelige elementsimuleringen må ha muligheten til å kjøre en transient analyse.
Lineær motortrinn
Fig 7
Hiwin Corporation leverer lineære motorer på komponentnivå.I dette tilfellet vil kun lineærmotoren og sekundærmodulene leveres.For en PMLSM-motor vil sekundærmodulene bestå av stålplater av forskjellige lengder som permanentmagneter skal monteres på toppen.Hiwin Corporation leverer også komplette trinn som vist i fig. 7.
Et slikt trinn inkluderer en ramme, lineære lagre, motorens primære, sekundære magneter, en vogn som kunden kan feste nyttelasten på, koderen og et kabelspor.Et lineært motortrinn vil være klart til å starte ved levering og gjøre livet enklere fordi kunden ikke trenger å designe og produsere en scene, noe som krever ekspertkunnskap.
Lineær motortrinns levetid
Levetiden til et lineærmotortrinn er betydelig lengre enn et trinn som drives av reim, kuleskrue eller tannstang.De mekaniske komponentene til indirekte drevne trinn er typisk de første komponentene som svikter på grunn av friksjonen og slitasjen de kontinuerlig blir utsatt for.Et lineært motortrinn er en direkte drift uten mekanisk kontakt eller slitasje fordi overføringsmediet er luft.Derfor er de eneste komponentene som kan svikte på et lineært motortrinn de lineære lagrene eller selve motoren.
De lineære lagrene har typisk svært lang levetid fordi den radielle belastningen er svært lav.Levetiden til motoren vil være avhengig av gjennomsnittlig driftstemperatur.Figur 8 viser motorens isolasjonslevetid som funksjon av temperatur.Regelen er at levetiden halveres for hver 10. grader celsius at driftstemperaturen er over nominell temperatur.For eksempel vil en motorisolasjonsklasse F kjøre 325 000 timer ved en gjennomsnittstemperatur på 120°C.
Derfor er det forutsett at et lineært motortrinn vil ha en levetid på 50+ år hvis motoren velges konservativt, en levetid som aldri kan oppnås med reim-, kuleskruer eller tannstangdrevne trinn.
Fig 8
Applikasjoner for lineære motorer
Lineære induksjonsmotorer (LIM) brukes mest i applikasjoner med lang kjørelengde og hvor det kreves svært høy kraft kombinert med svært høye hastigheter.Grunnen til å velge en lineær induksjonsmotor er fordi kostnaden for sekundæren vil være betydelig lavere enn hvis du bruker en PMLSM og ved svært høy hastighet er den lineære induksjonsmotorens effektivitet veldig høy, så lite strøm vil gå tapt.
For eksempel bruker EMALS (Electromagnetic Launch Systems), som brukes på hangarskip for å lansere fly, lineære induksjonsmotorer.Det første slike lineære motorsystemet ble installert på USS Gerald R. Ford hangarskip.Motoren kan akselerere et 45 000 kg fly i 240 km/t på en 91 meter lang bane.
Et annet eksempel på fornøyelsesparkturer.De lineære induksjonsmotorene installert på noen av disse systemene kan akselerere svært høy nyttelast fra 0 til 100 km/t på 3 sekunder.Lineære induksjonsmotortrinn kan også brukes på RTUer (Robot Transport Units).De fleste RTU-er bruker tannstangdrev, men en lineær induksjonsmotor kan tilby høyere ytelse, lavere kostnader og mye lengre levetid.
Permanent magnet synkronmotorer
PMLSM-er vil vanligvis brukes på applikasjoner med mye mindre slag, lavere hastigheter, men høy til svært høy nøyaktighet og intensive arbeidssykluser.De fleste av disse applikasjonene finnes i AOI (Automated Optical Inspection), halvleder- og lasermaskinindustrien.
Valget av lineær motordrevne trinn, (direkte drev), gir betydelige ytelsesfordeler i forhold til indirekte drev, (trinn der lineær bevegelse oppnås ved å konvertere roterende bevegelse), for langvarige design og er egnet for mange bransjer.
Innleggstid: Feb-06-2023