En titt på de olika linjärmotorerna som finns tillgängliga och hur du väljer den optimala typen för din applikation.
Följande artikel är en översikt över de olika typerna av linjärmotorer som finns tillgängliga, inklusive deras funktionsprinciper, utvecklingshistorik för permanentmagneter, designmetoder för linjärmotorer och industrisektorer som använder varje typ av linjärmotor.
Linjärmotorteknik kan vara: Linjära induktionsmotorer (LIM) eller Permanent Magnet Linear Synchronous Motors (PMLSM).PMLSM kan vara järnkärna eller järnfri.Alla motorer finns tillgängliga i platt eller rörformad konfiguration.Hiwin har legat i framkanten inom design och tillverkning av linjärmotorer i 20 år.
Fördelar med linjärmotorer
En linjärmotor används för att tillhandahålla linjär rörelse, dvs förflyttning av en given nyttolast med en dikterad acceleration, hastighet, färdsträcka och noggrannhet.Alla andra rörelsetekniker än linjärmotordrivna är någon slags mekanisk drivning för att omvandla roterande rörelse till linjär rörelse.Sådana rörelsesystem drivs av kulskruvar, remmar eller kuggstång.Livslängden för alla dessa drivenheter är starkt beroende av slitaget på de mekaniska komponenterna som används för att omvandla roterande rörelser till linjära rörelser och är relativt kort.
Den största fördelen med linjärmotorer är att de tillhandahåller linjär rörelse utan något mekaniskt system eftersom luft är transmissionsmediet, därför är linjärmotorer i huvudsak friktionsfria drivningar, vilket ger teoretiskt obegränsad livslängd.Eftersom inga mekaniska delar används för att producera linjär rörelse, är mycket höga accelerationer möjliga där andra drivningar som kulskruvar, remmar eller kuggstång kommer att stöta på allvarliga begränsningar.
Linjära induktionsmotorer
Figur 1
Den linjära induktionsmotorn (LIM) var den första som uppfanns (US patent 782312 – Alfred Zehden 1905).Den består av en "primär" som består av en stapel av elektriska stållamineringar och ett flertal kopparspolar som matas av en trefasspänning och en "sekundär" som vanligtvis består av en stålplåt och en koppar- eller aluminiumplåt.
När primärspolarna aktiveras blir sekundären magnetiserad och ett fält av virvelströmmar bildas i den sekundära ledaren.Detta sekundära fält kommer sedan att interagera med den primära bakre EMF för att generera kraft.Rörelseriktningen kommer att följa Flemings vänsterhandsregel, dvs;rörelseriktningen kommer att vara vinkelrät mot strömriktningen och fältets/flödesriktningen.
Fig 2
Linjära induktionsmotorer erbjuder fördelen med mycket låg kostnad eftersom sekundären inte använder några permanentmagneter.NdFeB och SmCo permanentmagneter är mycket dyra.Linjära induktionsmotorer använder mycket vanliga material (stål, aluminium, koppar), för deras sekundära och eliminerar denna risk för leverans.
Men nackdelen med att använda linjära induktionsmotorer är tillgången på frekvensomriktare för sådana motorer.Även om det är mycket lätt att hitta drivenheter för linjära permanentmagnetmotorer, är det mycket svårt att hitta drivenheter för linjära induktionsmotorer.
Fig 3
Permanent magnet linjära synkronmotorer
Permanentmagnetiska linjära synkronmotorer (PMLSM) har i huvudsak samma primära motorer som linjära induktionsmotorer (dvs en uppsättning spolar monterade på en stapel av elektriska stållaminat och drivs av en trefasspänning).Det sekundära skiljer sig.
Istället för en platta av aluminium eller koppar monterad på en platta av stål, består sekundären av permanentmagneter monterade på en platta av stål.Varje magnets magnetiseringsriktning kommer att alternera med avseende på den föregående som visas i Fig. 3.
Den uppenbara fördelen med att använda permanentmagneter är att skapa ett permanent fält i sekundären.Vi har sett att kraft genereras på en induktionsmotor genom samverkan mellan det primära fältet och det sekundära fältet som endast är tillgängligt efter att ett fält av virvelströmmar har skapats i sekundären genom motorluftgapet.Detta kommer att resultera i en fördröjning som kallas "slip" och en rörelse hos sekundären som inte är synkroniserad med den primära spänningen som tillförs den primära.
Av denna anledning kallas linjära induktionsmotorer "asynkrona".På en linjär permanentmagnetmotor kommer den sekundära rörelsen alltid att vara synkroniserad med primärspänningen eftersom sekundärfältet alltid är tillgängligt och utan någon fördröjning.Av denna anledning kallas permanenta linjärmotorer "synkrona".
Olika typer av permanentmagneter kan användas på en PMLSM.Under de senaste 120 åren har förhållandet mellan varje material förändrats.Från och med idag använder PMLSM antingen NdFeB-magneter eller SmCo-magneter, men de allra flesta använder NdFeB-magneter.Fig. 4 visar historien om utvecklingen av permanentmagneter.
Fig 4
Magnetstyrkan kännetecknas av dess energiprodukt i Megagauss-Oersteds, (MGOe).Fram till mitten av åttiotalet var endast stål, ferrit och Alnico tillgängliga och levererade mycket lågenergiprodukter.SmCo-magneter utvecklades i början av 1960-talet baserat på arbete av Karl Strnat och Alden Ray och kommersialiserades senare i slutet av sextiotalet.
Fig 5
Energiprodukten från SmCo-magneter var från början mer än dubbelt så stor som energiprodukten från Alnico-magneter.1984 utvecklade General Motors och Sumitomo oberoende NdFeB-magneter, en förening av neodynium, järn och bor.En jämförelse av SmCo- och NdFeB-magneter visas i fig. 5.
NdFeB-magneter utvecklar mycket högre kraft än SmCo-magneter men är mycket känsligare för höga temperaturer.SmCo-magneter är också mycket mer motståndskraftiga mot korrosion och låga temperaturer men är dyrare.När drifttemperaturen når magnetens maximala temperatur börjar magneten avmagnetisera, och denna avmagnetisering är irreversibel.Magneten som tappar magnetisering gör att motorn tappar kraft och inte kan uppfylla specifikationerna.Om magneten arbetar under maximal temperatur 100 % av tiden kommer dess styrka att bevaras nästan på obestämd tid.
På grund av den högre kostnaden för SmCo-magneter är NdFeB-magneter det rätta valet för de flesta motorer, särskilt med tanke på den högre kraften som finns.För vissa applikationer där driftstemperaturen kan vara mycket hög är det dock att föredra att använda SmCo-magneter för att hålla sig borta från maximal driftstemperatur.
Design av linjärmotorer
En linjär motor är vanligtvis konstruerad via finita element elektromagnetisk simulering.En 3D-modell kommer att skapas för att representera lamineringsstapeln, spolarna, magneterna och stålplåten som stöder magneterna.Luft kommer att modelleras runt motorn såväl som i luftgapet.Då kommer materialegenskaper att anges för alla komponenter: magneter, elstål, stål, spolar och luft.Ett nät kommer sedan att skapas med hjälp av H- eller P-element och modellen löses.Därefter appliceras strömmen på varje spole i modellen.
Fig. 6 visar utsignalen från en simulering där flödet i tesla visas.Huvudutgångsvärdet av intresse för simuleringen är naturligtvis Motorkraft och kommer att finnas tillgängligt.Eftersom spolarnas ändvarv inte producerar någon kraft, är det också möjligt att köra en 2D-simulering genom att använda en 2D-modell (DXF eller annat format) av motorn inklusive lamineringar, magneter och stålplåt som stödjer magneterna.Resultatet av en sådan 2D-simulering kommer att vara mycket nära 3D-simuleringen och tillräckligt exakt för att bedöma motorkraften.
Fig 6
En linjär induktionsmotor kommer att modelleras på samma sätt, antingen via en 3D- eller 2D-modell, men lösningen blir mer komplicerad än för en PMLSM.Detta beror på att det magnetiska flödet av PMLSM-sekundären kommer att modelleras omedelbart efter att magnetens egenskaper har angetts, därför kommer endast en lösning att krävas för att erhålla alla utvärden inklusive motorkraft.
Det sekundära flödet hos induktionsmotorn kommer dock att kräva en transientanalys (vilket innebär flera lösningar vid ett givet tidsintervall) så att det magnetiska flödet hos LIM-sekundären kan byggas och först då kan kraften erhållas.Programvaran som används för den elektromagnetiska finita elementsimuleringen måste ha förmågan att köra en transientanalys.
Linjärmotorsteg
Fig 7
Hiwin Corporation levererar linjärmotorer på komponentnivå.I detta fall kommer endast linjärmotorn och sekundärmodulerna att levereras.För en PMLSM-motor kommer sekundärmodulerna att bestå av stålplåtar av olika längd på vilka permanentmagneter kommer att monteras.Hiwin Corporation levererar även kompletta steg som visas i fig. 7.
Ett sådant steg inkluderar en ram, linjära lager, motorns primära, sekundära magneter, en vagn för kunden att fästa sin nyttolast, kodaren och ett kabelspår.Ett linjärmotorsteg kommer att vara klart att starta vid leverans och göra livet lättare eftersom kunden inte behöver designa och tillverka en scen, vilket kräver expertkunskap.
Linjär motorstegs livslängd
Livslängden för ett linjärmotorsteg är betydligt längre än ett steg som drivs av rem, kulskruv eller kuggstång.De mekaniska komponenterna i indirekt drivna steg är vanligtvis de första komponenterna som misslyckas på grund av den friktion och slitage som de kontinuerligt utsätts för.Ett linjärt motorsteg är en direktdrift utan mekanisk kontakt eller slitage eftersom transmissionsmediet är luft.Därför är de enda komponenterna som kan gå sönder på ett linjärmotorsteg de linjära lagren eller själva motorn.
De linjära lagren har vanligtvis en mycket lång livslängd eftersom den radiella belastningen är mycket låg.Motorns livslängd kommer att vara beroende av den genomsnittliga drifttemperaturen.Figur 8 visar motorns isoleringslivslängd som en funktion av temperaturen.Regeln är att livslängden halveras för varje 10 grader Celsius som drifttemperaturen överstiger märktemperaturen.Till exempel kommer en motorisoleringsklass F att köra 325 000 timmar vid en medeltemperatur på 120°C.
Därför förutses det att ett linjärmotorsteg kommer att ha en livslängd på 50+ år om motorn väljs konservativt, en livslängd som aldrig kan uppnås med rem, kulskruv eller kuggstångsdrivna steg.
Fig 8
Applikationer för linjärmotorer
Linjära induktionsmotorer (LIM) används mest i applikationer med lång färdlängd och där mycket hög kraft krävs i kombination med mycket höga hastigheter.Anledningen till att välja en linjär induktionsmotor är att kostnaden för sekundären kommer att vara avsevärt lägre än om man använder en PMLSM och vid mycket hög hastighet är den linjära induktionsmotorns verkningsgrad mycket hög, så lite effekt kommer att gå förlorad.
Till exempel använder EMALS (Electromagnetic Launch Systems), som används på hangarfartyg för att lansera flygplan, linjära induktionsmotorer.Det första sådana linjära motorsystemet installerades på hangarfartyget USS Gerald R. Ford.Motorn kan accelerera ett 45 000 kg flygplan i 240 km/h på en 91 meter lång bana.
Ett annat exempel på nöjesparksturer.De linjära induktionsmotorerna som är installerade på vissa av dessa system kan accelerera mycket höga nyttolaster från 0 till 100 km/h på 3 sekunder.Linjära induktionsmotorsteg kan också användas på RTU:er (Robot Transport Units).De flesta RTU:er använder kuggstångsdrivningar men en linjär induktionsmotor kan erbjuda högre prestanda, lägre kostnad och mycket längre livslängd.
Permanent magnet synkronmotorer
PMLSM kommer vanligtvis att användas på applikationer med mycket mindre slag, lägre hastigheter men hög till mycket hög noggrannhet och intensiva arbetscykler.De flesta av dessa applikationer finns inom AOI (Automated Optical Inspection), halvledar- och lasermaskinindustrin.
Valet av linjärmotordrivna steg, (direktdrift), erbjuder betydande prestandafördelar jämfört med indirekta drivningar, (steg där linjär rörelse erhålls genom att konvertera roterande rörelse), för långvariga konstruktioner och är lämpliga för många industrier.
Posttid: 2023-06-06