Магнитный линейный двигатель: Линейные двигатели — статья

цилиндрический линейный двигатель / Хабр

Источник картинки

Мы привыкли к тому, что в различных механических устройствах, требующих для своей работы электродвигатель, преобразование вращательного движения в необходимое рабочее — происходит с использованием множества промежуточных частей, что усложняет конструкцию, и уменьшает надёжность. Однако существует альтернатива и именно об этом мы и поговорим в этой статье.

Научно-технический прогресс, охватывающий одну сферу человеческой жизни за другой, постепенно видоизменял и способ передачи движения от электродвигателя. Если на станках начала прошлого века электродвигатель был один на всех и движение от него передавалась по валу через весь цех, с которого отдельные станки забирали необходимый вращательный момент с помощью ремённой передачи, —

то с ускорением прогресса, двигатель сначала переместился как можно ближе к конкретному станку, а потом и вовсе перешёл на каждый станок.

Претерпевали изменения и передаточные звенья от двигателя к станку. Например, широко распространились шарико-винтовые пары.

Источник: 3d-diy.ru

Причём шарико-винтовые пары только относительно недавно стали широкодоступными, их технология производства была достаточно отработана, а стоимость стала доступной для широкого круга потребителей. В свою очередь, разнообразные зубчатые передачи всегда были относительно доступными и широко применялись в различных схемах передачи движения. У зубчатых передач всегда была одна отрицательная сторона — довольно большой шум в работе и физический износ при трении зубьев друг о друга. Конечно, это можно несколько нивелировать тщательной смазкой, однако она притягивает к себе пыль, соринки, загрязняет рабочий редуктор (особенно если этот редуктор установлен на металлообрабатывающем станке).

Поэтому инженерная мысль искала какие-то другие решения, которые бы позволили избавиться от промежуточных звеньев. И такое решение было найдено — линейный электродвигатель!

Линейный двигатель — это электродвигатель, у которого статор и ротор «развёрнуты», таким образом, что вместо создания крутящего момента (вращения) — он создаёт линейную силу по всей своей длине.

Автор: Schnibbi678 — Own work, CC BY-SA 3.0, Источник

Однако линейные двигатели не обязательно прямые:

Автор: Lutex (talk) — собственная работа, CC BY-SA 3.0, Источник


Характерно, что активная часть линейного двигателя имеет концы, в то время как более традиционные двигатели устроены в виде непрерывного контура.

Было предложено множество конструкций линейных двигателей, которые можно разделить на две основные категории:

• линейные двигатели с малым ускорением;
• линейные двигатели с высоким ускорением.

Линейные двигатели с низким ускорением подходят для поездов на магнитной подвеске и других наземных транспортных средств. Двигатели с низким ускорением, высокой скоростью и большой мощностью обычно представляют собой линейные синхронные двигатели. (LSM) с активной обмоткой на одной стороне воздушного зазора и массивом магнитов с чередующимися полюсами на другой стороне.

Линейные двигатели с высоким ускорением обычно довольно короткие и предназначены для ускорения объекта до очень высокой скорости, например, рельсотрон:

Линейные двигатели с высоким ускорением предлагались для ряда применений. Их рассматривали для использования в качестве оружия, поскольку современные бронебойные боеприпасы, как правило, состоят из небольших снарядов с очень высокой кинетической энергией, для которых подходят именно такие двигатели. Многие американские горки, запущенные в парках развлечений, теперь используют линейные асинхронные двигатели для движения поезда на высокой скорости.

Обычно они имеют конструкцию линейного асинхронного двигателя переменного тока (LIM) с активной трёхфазной обмоткой на одной стороне воздушного зазора и пластиной пассивного проводника на другой стороне. Тем не менее рельсотрон постоянного тока с униполярным линейным двигателем является ещё одной конструкцией линейного двигателя с высоким ускорением.

Высокоскоростные линейные двигатели сложно проектировать по ряду причин. Они требуют большого количества энергии в очень короткие промежутки времени. Одна конструкция ракетной установки требует 300 ГДж для каждого запуска в период менее секунды.

Обычные электрические генераторы не предназначены для такой нагрузки, но можно использовать методы краткосрочного накопления электроэнергии. Конденсаторы громоздки и дороги, но могут быстро поставить большое количество энергии. Униполярные генераторы можно использовать очень быстрого преобразования кинетической энергии маховика в электрическую энергию.

Линейные двигатели с высоким ускорением также требуют очень сильных магнитных полей и магнитные поля часто слишком сильны, чтобы можно было использовать сверхпроводники. Однако при тщательном проектировании это не должно быть серьёзной проблемой.

В данный момент применение линейных электродвигателей ещё не до конца отработано и поэтому их технологии изготовления, и стоимость оставляет желать лучшего. Однако, использование линейного двигателя позволяет реализовать такие заманчивые опции, как движение с высочайшей скоростью ( до 1,8 м/с и более!), практически без механического износа:

Однако не все двигатели так хороши, например, плоские линейные двигатели (схема которого приведена несколько выше).

Кроме сложности изготовления, они отличаются повышенным нагревом, причиной чего являются вихревые токи Фуко, что ещё усугубляется ограниченными возможностями по охлаждению двигателя, потому что, как правило, на них сверху смонтирован рабочий стол обрабатывающего станка. Так как многие промышленные станки, особенно металлообрабатывающие, имеют повышенные требования к жёсткости и точности конструкции (для обеспечения требуемой точности обработки), — такие двигатели вносят искажения в работу из-за температурного расширения конструкции благодаря нагреву в процессе, причём нагрев может достигать даже 100 градусов Цельсия!

Альтернативой плоскими линейным двигателям являются цилиндрические линейные двигатели. Они устроены следующим образом: цилиндрическая обмотка расположена вокруг сердечника, образованного из магнитов. То есть, катушка может перемещаться по этому сердечнику.

В отличие от плоского двигателя линейный двигатель достаточно эффективно охлаждается и поэтому не требует сложных и проблемных конструкций для охлаждения, а так как у него отсутствует сердечник, — отсутствует и потенциальный источник тепла под воздействием вихревых токов.

Благодаря отсутствию сердечника в конструкции цилиндрического двигателя,— он может работать очень плавно, без скачков скорости:

Другими словами, на основе линейных электрических двигателей возможно построение ультрапрецизионного оборудования.

Кроме того, из-за симметричной конструкции происходит более эффективное использование магнитного потока, что позволяет добиться большей эффективности, за счёт использования в 2 раза меньшего количества редкоземельных магнитов.

Как было уже сказано выше, износ двигателя такого типа при работе весьма несущественный, так как непосредственный физический контакт катушки и цилиндра-оси при работе практически отсутствует.

Принцип, на котором базируется работа линейных двигателей, заключается в проявлении силы, которая воздействует на проводник с током в магнитном поле, то есть на законе Ампера (исходя из которого можно сказать, что максимальное усилие, которое может развить двигатель – является произведением силы тока в обмотках на векторное произведение магнитной индукции поля на вектор длины провода в обмотках).

Источник: www.abamet.ru

Другими словами, можно сказать, что у обычного линейного двигателя примерно от 30 до 80% длины обмоток служит для протекания тока под прямым углом к вектору индукции поля, а оставшаяся часть обмоток, по сути, только тормозит движение. Но это касается только плоского двигателя! В отличие от него, устройство цилиндрического линейного двигателя позволяет практически на всей длине обмоток протекать току под оптимальным углом в 90 градусов.

Для тех, кто хочет попробовать собрать подобный двигатель для собственных нужд, — я прикладываю ниже ссылку на диссертацию «Конструкция и сборка прецизионного линейного двигателя и контроллера» (Design and Construction of a Precision Tubular Linear Motor and Controller, — Bryan Craig Murphy), где достаточно подробно разобрана теоретическая база такого двигателя: Ссылка на диссертацию.

Согласно пункту 1.4 этой диссертации «Предлагаемая конструкция» (Proposed Design), автор рассматривает устройство, в котором движется шток, а блок катушек остаётся неподвижным (хотя это не суть, вы понимаете, что при желании можно двигать или то или то, или «всё сразу и много» © 🙂 ): устройство состоит из массива магнитов внутри массива электромагнитных катушек.

Катушки разделены на три фазы: A, B и C. В каждой фазе по три катушки; центральная катушка каждой фазы обращена в направлении, противоположном двум внешним. Таким образом, когда ток проходит через фазу катушек, центральная катушка будет генерировать магнитное поле равное по величине каждой из других катушек в этой фазе, но в противоположном направлении.

Источник картинки: Диссертация «Design and Construction of a Precision Tubular Linear Motor and Controller, — Bryan Craig Murphy»

Как показано на рисунке выше, в двигателе используются цилиндрические постоянные магниты. Пары магнитов ориентированы в том же направлении и расположены напротив соседних пар магнитов. Алюминиевая прокладка помещается между парами противоположных магнитов для облегчения конструкции. Когда ток течёт по трём фазам катушек, катушки генерируют силы на постоянные магниты в соответствии с уравнением силы Лоренца.

Самодельная конструкция, похожая на описанную (только всё наоборот — движется блок катушек) показана тут:

В своём нынешнем состоянии двигатель имеет время нарастания 55 мс, время установления 600 мс и перерегулирование 65 % при вводе с шагом в 1 см. Мотор способен выдержать максимальную осевую нагрузку в 26,4 Н. Эта максимальная сила значительно меньше, чем у коммерческих двигателей сопоставимого размера, однако эта конструкция позволяет более плавное позиционирование без эффекта «зубчатого колеса».

Работа заводского аппарата, примерно аналогичной конструкции, как в этой диссертации — показана на видео ниже:

Подытоживая, можно сказать, что широкое использование линейных двигателей только начинает свою жизнь, и каждый может попробовать собрать свою конструкцию. Тем более что благодаря своей простоте, — такой двигатель собирают даже энтузиасты. Для высокоточного движения в конструкции можно использовать датчики положения.

Как часть сервомеханизма, цилиндрические линейные двигатели могут обеспечить одновременное сочетание высокой тяги, высокой скорости и высокой точности, — далеко за пределами возможностей большинства других типов приводов.

Например, такие двигатели с некоторого времени стали устанавливать на 3d принтеры:

Теоретически, на цилиндрических линейных двигателях можно реализовать FDM 3d принтер, работающий на поразительных скоростях, очень точный, без вносимых стандартным передаточным трактом (зубчатые ремни, ШВП, винт/гайка и т.д) ошибок, если соответствующим образом позаботиться о высокопроизводительном экструдере и экстремально хорошем охлаждении — например, с применением охлаждающего потока воздуха в -50°C (используя трубку Ранка-Хилша).

Цилиндрические линейные двигатели на постоянных магнитах не следует путать с цилиндрическими линейными асинхронными двигателями, которые работают по другому принципу.

Цилиндрический линейный двигатель — новый этап эволюции электроэрозионных станков

Основные изменения, происходившие в приводной части станков за последний век, связаны с постепенным приближением двигателя к рабочему органу. На этом пути были массивные коробки подач с огромным количеством промежуточных элементов кинематической цепи, двух-трех ступенчатые редукторы, ременные передачи, прямые приводы через муфту. Всегда переход к следующему этапу был связан с применением последних научных разработок, получивших тем или иным способом свое приложение в станкостроении, появлением новых технологий либо удешевлением существующих. Изначально крайне дорогими являлись приводы на основе регулируемых электродвигателей и с шарико-винтовыми парами (ШВП), поэтому лишь отдельные производители находили целесообразным их использование. В наши дни уже сложно представить современный станок, который бы обошелся без ШВП или в котором величина подачи регулируется ступенчато, за счет перемещения блоков зубчатых колес.

Характерно то, что на каждом этапе никогда сразу не появлялась конструкция, оптимальная во всех отношениях. Совершенствование всегда происходило путем проб и ошибок, последовательной доработкой и устранением недостатков. В конечном итоге повсеместное распространение получали конфигурации узлов, прошедшие проверку временем, длительной эксплуатацией и доказавшие свою экономическую эффективность.

Рис. 1. ШВП

Такой вот отработанной, давно зарекомендовавшей себя, проверенной конструкцией является на данный момент привод с использованием ШВП, связанной с двигателем напрямую посредством муфты, реже ремня или зубчатой передачи. Производство всех элементов привода уже давно отработано, технологии оптимизированы, поэтому и стоимость вполне конкурентоспособна.

Тем не менее, желание конструкторов максимально сократить кинематическую цепь никуда не исчезло. Последней ступенькой, через которую надо было перешагнуть, стала шарико-винтовая пара. И сделать это позволили линейные двигатели.

Применение линейных двигателей в приводах подач современных станков является тем закономерным результатом, к которому привела их эволюция на протяжении десятков последних лет. Однако сейчас использование линейных приводов находится лишь на начальной стадии. Технология их изготовления до сих пор не до конца автоматизирована, цена высока, а применение далеко не всегда уместно. Линейный двигатель не получил своего «эталонного» воплощения (или ряда таких воплощений, испытанных временем, выбор из которых производится в зависимости от специфики использования) и существуют различные конструктивные исполнения, которые, несмотря на ряд безусловных общих преимуществ, значительно отличаются друг от друга, имея различные сильные и слабые стороны. Это тот этап, который проходит любая инновация. И все больше производителей останавливаются на линейных двигателях для приводов подач, причем как для оборудования специфического, такого, как электроэрозионные станки, так и для фрезерных и токарных станков.

Использование линейных двигателей оправдано для прецизионного оборудования и в том случае, когда большую роль играет динамическая характеристика привода: максимально допустимые ускорения, величины максимально и минимально допустимых скоростей. Тем не менее, даже на оборудование такого класса линейные привода устанавливаются, зачастую, лишь в маркетинговых целях, ведь ультрапрецизионное оборудование по умолчанию должно быть «напичкано» инновациями, позволяющими добиться высочайшей точности, недоступной конкурентам. При этом позабытыми оказываются как экономическая эффективность использования таких приводов, которая приводит к неоправданному повышению стоимости обработки, так и технологическая необходимость такого решения в целом.

В свете вышесказанного обращает на себя внимания стратегия, выбранная компанией Mitsubishi Electric. Более 40 лет назад компания представила свой первый электроэрозионный проволочно-вырезной станок, а уже в 1978 году — серийный высокоскоростной и высокоточный 4-х координатный электроэрозионный проволочно-вырезной обрабатывающий станок.

Рис. 2. Mitsubishi NA1200

Сегодня ноу-хау, накопленное за многие десятилетия в сочетании с интенсивной исследовательской работой, остаются решающим критерием при разработке новых систем электроэрозионной обработки. Являясь одним из ведущих производителей электроэрозионного оборудования и в то же время одним из крупнейших производителей линейных двигателей, японская фирма вплоть до недавнего времени не устанавливала их на свои станки. Лишь в 2009 году на станках серии NA (рис. 2) впервые были применены линейные двигатели (цилиндрические). Возникает вопрос, почему гигантская корпорация отказывается от использования в своем оборудовании своих же собственных компонентов, несмотря на то, что эти компоненты (линейные двигатели) успешно продаются по всему миру?

Стоит внимательно присмотреться к конкретным конструкциям, чтобы получить ответ на этот вопрос.

На сегодняшний день наиболее распространенными в металлообрабатывающих станках являются плоские линейные двигатели. Принципиальная схема такого двигателя приведена на рис. 3.

Рис. 3. Плоский линейный двигатель: принципиальная схема

Двигатель состоит из двух основных частей: ползуна, представляющего собой сердечник 1 с обмотками 2 и неподвижной частью с постоянными магнитами 3.

Как раз наличие сердечника и является основным источником характерных данному типу двигателей недостатков:

1. Значительное тепловыделение при работе.

   При функционировании линейного двигателя через обмотки проходит электрический ток и, согласно закону Джоуля-Ленца, происходит их нагрев. Это не является особенностью данной конкретной конструкции и свойственно любому проводнику с током. Однако не для любого проводника с током тепловые деформации играют столь существенную роль, как в металлообработке, особенно когда речь идет о прецизионном оборудовании!

   Кроме того дополнительным источником тепла является сердечник, в котором при движении ползуна появляются вихревые токи Фуко, способствующие его дополнительному нагреву.

   Усугубляет ситуацию то, что отвод излишнего тепла в окружающую среду крайне затруднен. Сверху на ползуне смонтирован стол, снизу на минимальном расстоянии находится плита с постоянными магнитами. Таким образом, практически все тепло, выделяющееся при работе двигателя, передается на стол станка, вызывая тепловые деформации, ведущие к перекосам рабочего органа и, как следствие, недопустимым погрешностям обработки, чрезмерному износу направляющих.

   Рис. 4. Тепловыделение в плоском линейном двигателе

   Максимальная температура может превышать 100°С! Безусловно, ни о какой высокой точности говорить при таких значениях температуры нельзя. Поэтому использование плоского линейного двигателя абсолютно нецелесообразно без мощной системы охлаждения.

   Оснащение конструкции охлаждающим контуром практически полностью решает проблему чрезмерного тепловыделения, но очевидно, что такая мощная система охлаждения значительно увеличивает стоимость двигателя, расходы на эксплуатацию станка и напрямую отражается на себестоимости обработки.

2. Наличие постоянной силы магнитного притяжения.

   На сердечник плоского линейного двигателя постоянно воздействует сила притяжения со стороны магнитов.

   Рис. 5. Сила притяжения, воздействующая на сердечник

   Эта сила воздействует постоянно и не изменяет своего значения при работе двигателя. Согласно данным каталога фирмы Mitsubishi Electric величина силы магнитного притяжения колеблется в пределах 500–7000Н в зависимости от типоразмера линейного двигателя. Таким образом, возрастает нагрузка на направляющие станка, что усиливает их износ, кроме того увеличиваются и потери на трение в направляющих, и, как следствие, снижается КПД привода.

   Кроме того очень важно, что сила магнитного взаимодействия напрямую зависит от зазора Δ между частями плоского линейного двигателя. При отклонении зазора от номинального сила может увеличиваться или уменьшаться в пределах 30%.

   Рис. 6. Зависимость силы притяжения от зазора в двигателе

   Рассмотренная зависимость позволяет говорить о высокой чувствительности плоского линейного двигателя к изменению величины воздушного зазора между его частями. Практически это влечет к появлению дополнительных сложностей, возникающих при сборке и монтаже приводов с плоскими линейными двигателями.

   Кроме нормальной составляющей силового взаимодействия магнитов и сердечника, существует также воздействие, направленное параллельного вектору перемещения двигателя. Подробнее об этом, а также о последствиях расписано в следующем пункте.

3. Ограничения по плавности движения.

   Общее поле, создаваемое постоянными магнитам (что видно и из рис. 7), будет являться неоднородным: в каких-то местах плотность потока индукции будет выше, чем в других. Силовое взаимодействие между сердечником плоского линейного двигателя и магнитами имеет составляющую, параллельную направлению перемещения ползуна. Конструктивно эти явления вызваны в первую очередь наличием расстояния между магнитами, которое приводит к неоднородности магнитного поля.

   Рис. 7. Поле постоянных магнитов

   Горизонтальная составляющая силового воздействия изменяется соответственно изменению вектора и плотности потока магнитной индукции: в каких-то местах она достигает своего максимума, в каких-то практически равна нулю. Следствием этого является наличие так называемых «предпочтительных положений» у плоского линейного двигателя. Т.е. на всей величине хода присутствуют положения, которые соответствуют минимуму потенциальной энергии. Ползун сам стремится занять такое положение, а для вывода из него требуется приложить усилие.

   Экспериментально полученные данные, отражающие колебания выходного усилия привода, приведены на рис. 8.

   Рис. 8. Колебания выходного усилия

   Характеристика на рисунке была получена следующим образом: при перемещении двигателя с постоянной скоростью с усилителя снимаются данные об изменении тока. Таким образом, при известной скорости двигателя и его силовой постоянной, получается зависимость, приведенная на рисунке.

   Такие колебания силы накладывают определенные ограничения на плавность движения двигателя, на качество получаемой поверхности, если речь идет о приводе металлообрабатывающего станка, и на точность обработки. Основные методы борьбы: установка магнитов под углом, использование программных средств и прочее, позволяют значительно снизить амплитуду колебания, но не устраняют его полностью, к тому же способствуют удорожанию изготовления двигателя и станка в целом.

   На рис. 9 наглядно показаны изменения поля, создаваемого постоянными магнитами после их установки под углом.

   Рис. 9. Изменение пространственного распределения плотности магнитного потока при использовании конструкции с повернутыми магнитами

   На рис. 10 приведено уменьшение колебаний силы при использовании измененной конструкции.

   Рис. 10. Уменьшение колебаний силы при установке магнитов под углом

4. Общая неэффективность конструкции.

   Конструкция плоского линейного двигателя изначально геометрически неэффективна. Как видно из рис. 11, для совершения работы по перемещению задействована лишь «верхняя» часть магнитного потока. Таким образом, крайне дорогостоящие редкоземельные магниты, которые применяются во всех типах линейных двигателей, используются менее чем на 50%.

   Рис. 11. Распределение магнитного потока

Рассмотрим теперь линейный двигатель, использованный компанией Mitsubishi Electric. В ультрапрецизионном станке Mitsubishi NA 1200 в качестве приводов по осям X, Y, U, V использованы цилиндрические линейные двигатели

Принципиальная схема цилиндрического линейного двигателя представлена на рис. 12. Особенность его конструкции заключается в том, что обмотки 2 расположены вокруг сформированных в виде цилиндра постоянных магнитов 1, а сердечника нет в принципе!

Рис. 12. Цилиндрический линейный двигатель: принципиальная схема

Цилиндрический линейный двигатель, благодаря своей конструкции, лишен всех рассмотренных выше недостатков плоского линейного двигателя. Остановимся подробнее на каждом из них.

1. Тепловыделение.

   Цилиндрический линейный двигатель не требует специальной отдельной системы охлаждения. То тепло, которое неизбежно выделяется в обмотках, эффективно отводится окружающей средой и непосредственно на стол станка передается незначительная его часть. Плюс в конструкции нет сердечника — источника дополнительного нагрева под действием вихревых токов.

   Рис. 13. Схема отвода тепла в цилиндрическом линейном двигателе

   В результате испытаний (перемещение стола на длину 200 мм со скоростью 1 м/с, ускорением 1 G, задержкой 1 с в каждом из концов хода) было установлено, что повышение температуры стола не превышает 5°С. Графически результаты представлены на рис. 14.

   Рис. 14. Прирост температуры стола станка с цилиндрическим линейным двигателем

   В принципе, при более тяжелых режимах работы температура стола может подниматься и выше оговоренных 5°С, но в любом случае значительно меньше, чем у плоского линейного двигателя.

   Несмотря на это, в станках серии NA предусмотрен контур охлаждения линейных двигателей, интегрированный в общую систему термической стабилизации и динамической термической компенсации станка. Он позволяет практически ликвидировать нагрев стола, связанный с тепловыделением в обмотках линейного двигателя. И как следствие — избавиться от тех минимальных погрешностей, которые он вызывает и которые способны оказывать воздействие на работу столь точного оборудования. При этом необходимая мощность системы охлаждения значительно меньше, а контур значительно проще, чем у плоского линейного двигателя.

2. Нет ограничений по плавности движения.

   В связи с тем, что в конструкции цилиндрического линейного двигателя нет сердечника, ему не свойственны недостатки, связанные с его наличием.

   Между цилиндром и обмотками ползуна не возникает дополнительных силовых воздействий (ни в радиальном, ни в осевом направлении), поэтому движение при работе происходит плавно, без скачков нагрузки или скорости. На рис. 15 и 16 соответственно представлены графики изменения скорости при движении на высоких и низких скоростях.

   Благодаря симметричной конструкции и отсутствию сердечника, колебания величины зазора принципиально не влияют на работу цилиндрического линейного двигателя, что облегчает его сборку и изготовление.

   Рис. 15. Погрешность скорости (область высоких скоростей)

   Рис. 16. Погрешность скорости (область низких скоростей)

3. Эффективное использование всего магнитного потока.

   Рис. 17. Эффективное использование всего магнитного потока

   Благодаря симметричности конструкции, в цилиндрическом линейном двигателе используется весь магнитный поток. Это дает дополнительное экономическое преимущество перед плоской конфигурацией, ведь для достижения того же результата требуется практически в 2 раза меньше редкоземельных магнитов, либо в 2 раза менее сильные магниты. Это весьма существенное преимущество, так как стоимость постоянных редкоземельных магнитов составляет немалую долю от общей стоимости линейного двигателя.

4. Ремонтопригодность.

   Благодаря отсутствию механического контакта, отпадает необходимость в смазке, двигатель работает абсолютно бесшумно и не подвергается износу. Однако в случае необходимости демонтаж и монтаж цилиндрического линейного двигателя, по сравнению даже с ШПВ, осуществляется значительно проще и быстрее и не требует дополнительной юстировки, что существенно повышает его ремонтопригодность.

Вернемся к вопросу, который прозвучал в начале: почему же лишь сравнительно недавно линейные двигатели появились в станках Mitsubishi? Теперь ответить на него значительно проще.

Рис. 18. Mitsubishi MV1200R

Очевидно, что специалисты компании, в угоду желанию быть на гребне волны технического прогресса, не стали отдавать предпочтение плоским линейным двигателям, которые не устраивали их в первую очередь по экономическим показателям: высокая собственная стоимость, высокая стоимость эксплуатации и ремонта, которые неминуемо переносятся на стоимость получаемой на станке детали. До тех пор, пока использование классических приводов с ШВП было оправданно экономически и при этом позволяло добиваться высочайшей точности обработки, инженеры компании лишь присматривались к тому, как покажут себя линейные двигатели применительно к электроэрозионным станкам. В результате решение нашлось. На рынке появился относительно новый тип линейных двигателей — цилиндрический линейный двигатель (ЦЛД), который обладает рядом преимуществ по сравнению с аналогами и весьма эффективен с экономической точки зрения: низкое потребление энергии, простота производства и сборки. Все те недостатки плоских линейных двигателей, рассмотренные выше, не свойственны цилиндрическим.

В 2009 году в производство была запущена серия ультрапрецизионных станков NA с ЦЛД. Эти станки великолепно зарекомендовали себя и заставили задуматься японских специалистов о модернизации и остальных станков, производимых фирмой. В марте 2012 года компания Mitsubishi Electric объявила о начале производства новой серии MV с ЦЛД и продемонстрировала эти станки на выставке «INTERMOLD 2012» в Осаке (Япония). Серия MV призвана заменить прекрасно себя зарекомендовавшие серии FA и BA. Притом, что новые станки обладают великолепными технологическими возможностями и превосходной точностью, главное их преимущество — в экономичности и чрезвычайно низких текущих издержках. Во многом благодаря использованию ЦЛД, станки серии MV потребляют на 69% меньше энергии, чем их предшественники и на 42% позволяют снизить стоимость обработки при 30% сокращении времени! Это действительно потрясающий результат, который позволяет утверждать, что ЦЛД будут и дальше успешно использоваться в станках компании Mitsubishi Electric.

Применение ЦЛД потребовало разработки и применения самой передовой технологии управления с использованием сверхскоростной оптоволоконной связи и системной коммуникацией в режиме реального времени. Безусловно, нас ждет дальнейшее совершенствование конструкции и системы управления, но уже сейчас можно достаточно уверенно утверждать, что применение ЦЛД в электроэрозионных станках — это инновационное решение, которое ознаменовало собой новый этап эволюции в станкостроении.

Линейные двигатели | HIWIN

Линейные двигатели HIWIN Corporation представляют собой решения с прямым приводом и технологией plug and play. Линейные двигатели способны к быстрому ускорению и высокой скорости, обеспечивая при этом непревзойденную точность и аккуратность. Hiwin предлагает стандартные конструкции линейных двигателей, но доступны и настраиваемые опции. Помимо одноосных линейных двигателей, эти ступени могут быть объединены в кроссовые столы или даже портальные системы.

Посмотреть электронный каталог

LMXK

LMXK Сцены оснащены мощным линейным двигателем с железным сердечником, обеспечивающим высокое усилие, ускорение и скорость. Посетите веб-сайт Linear Stages для получения подробной информации, спецификаций и загрузки модели CAD. Доступны многоступенчатые системы, которые обеспечивают максимальную производительность в сочетании с линейкой мощных контроллеров движения HIWIN и приводов серии E1.

Особенности:

• Макс. ускорение 50 м/с² (без нагрузки)
• Макс. скорость 5 м/с (без нагрузки)
• Длина до 3700 мм
• Пиковое усилие 868 Н
• Опции энкодера: эффект Холла, оптический или магнитный
• В сочетании с линейными направляющими HIWIN Q Series SynchMotion™, которые имеют четырехрядный контакт по дуге окружности для более тихой работы и более длительного срока службы.
• Дополнительно: крышка и расширенная смазка

Серия LMX1E-C

Линейный двигатель Ступени LMX1E-C оснащены двигателем без сердечника и хорошо подходят для приложений, требующих высокой динамики и/или точности. Они отличаются своей низкопрофильной конструкцией и нулевым усилием зацепления. Ход измеряется с помощью оптических или магнитных энкодеров пошагово или абсолютно. Ступени с линейным двигателем LMX1E-C доступны с общей длиной до 4000 мм.

Особенности:

• Макс. ускорение 100 м/с² (без нагрузки)
• Макс. скорость 5 м/с (без нагрузки)
• Длина до 4000 мм
• Пиковое усилие 580 Н
• Нулевые зубчатые силы от двигателя
• Доступно несколько форсунок на ступень
• Опции энкодера: оптический или магнитный, инкрементный или абсолютный

Серия LMX1L-S

Линейный двигатель Ступени LMX1L-S оснащены двигателем с железным сердечником, который обеспечивает значительную непрерывную мощность. Ход измеряется с помощью оптических или магнитных энкодеров пошагово или абсолютно. Ступени с линейным двигателем LMX1L-S имеют компактную конструкцию и доступны с габаритной длиной до 4000 мм.

Особенности:

• Макс. ускорение 50 м/с² (без нагрузки)
• Макс. скорость 4 м/с (без нагрузки)
• Длина до 4000 мм
• Пиковое усилие 2850 Н
• Доступно несколько форсунок на ступень
• Опции энкодера: оптический или магнитный, инкрементный или абсолютный

Серия LMX1L-SC

Линейный двигатель Ступени LMX1L-SC представляют собой полные оси с двигателями с железным сердечником. Благодаря особой конструкции двигателя с расположением силовой установки между двумя статорами (сэндвич-конструкция) силы притяжения нейтрализованы. Это снимает нагрузку с направляющих.

Особенности:

• Макс. ускорение 50 м/с²
• Макс. скорость 4 м/с
• Длина до 4000 мм
• Пиковое усилие 2850 Н
• Доступно несколько форсунок на ступень
• Очень высокая удельная мощность
• Благодаря многослойной конструкции двигателя на направляющие не действуют силы притяжения

Серия LMX1E-T

Ступени линейного двигателя LMX1E-T оснащены двигателем без сердечника, который отличается малым весом, отсутствием зубчатых колес и высоким ускорением и замедлением. Он хорошо подходит для приложений в полупроводниковой промышленности, таких как контроль и консервирование. Их также можно использовать в кросс-таблицах. В качестве системы обратной связи можно использовать инкрементный цифровой/аналоговый оптический энкодер и магнитный энкодер.

Особенности:

• Макс. ускорение 50 м/с²
• Макс. скорость 5 м/с
• Длина до 1470 мм

Примечание. Приведенные выше данные приведены без нагрузки.

Перекрестные таблицы серии LMX1

Ступени линейных двигателей серии LMX1 можно комбинировать в составные таблицы. Структура номера заказа показывает, что возможна почти любая комбинация ступеней линейных двигателей LMX1.

Характеристики:

• Предлагается с двигателями с железным сердечником или без сердечника
• Жесткая алюминиевая рама с низким профилем
• Простая сборка
• Ортогональность ±5 угловых секунд
• Повторяемость ±0,002 мм

Портальные системы серии LMG2A

Стандартные портальные системы серии LMG2A представляют собой системы с односторонней опорной направляющей. Тип LMG2A-C оснащен линейными двигателями без сердечника. Тип LMG2A-S приводится в движение линейными двигателями с железным сердечником.

Особенности:

• Быстрое ускорение
• Доступен с двигателями с железным сердечником или без сердечника
• Жесткий алюминиевый мост
• Простая сборка
• Ортогональность ±5 угловых секунд
• Повторяемость ±0,002/0,004 мм

Планарный двигатель серии LMSP

Перемещения по осям XY на воздушном подшипнике с помощью планарного серводвигателя со встроенным измерением расстояния. Может работать вверх ногами. Планарный двигатель LMSP имеет встроенные датчики измерения расстояния и работает с контролем положения (замкнутый контур).

Особенности:

• Низкопрофильный стол XY
• Замкнутый контур
• Воздушный подшипник без износа
• Нет внешне измеряемых магнитных полей
• Очень низкое тепловыделение
• Может быть установлен в перевернутом виде
• Площадь статора до 1000 x 1000 мм

Сервопривод серии LMDX

Сервопривод LMDX для планарного серводвигателя LMSP доступен в двух версиях с различным напряжением и с дополнительной интерфейсной картой цифрового ввода/вывода.

Серия LMSA

Посмотреть электронный каталог

Синхронные линейные двигатели HIWIN LMSA представляют собой блоки питания линейных приводов. Их особенно отличает очень высокая удельная мощность и минимальное усилие зубчатого зацепления. Трехфазные двигатели состоят из первичной части (форсунки) с намотанной стопкой листов и вторичной части с постоянными магнитами (статорами). При комбинации нескольких статоров возможно множество комбинаций хода.

Характеристики:

• 3-фазный переменный ток
• Высокая тяга
• Отличное ускорение
• Низкая зубчатость
• Различные длины хода
• На одном статоре возможно несколько силовых механизмов
• Пиковое усилие 2850 Н

Серия LMC

Посмотреть электронный каталог

Синхронные линейные двигатели HIWIN LMC — прирожденные спринтеры. Они легкие, чрезвычайно динамичные. Это связано с тем, что их первичная часть (форсер) без сердечника с катушками, отлитыми из эпоксидной смолы, ей нужно очень мало двигаться под собственным весом. Вторичная часть состоит из U-образного статора из постоянных магнитов.

Особенности:

• 3-фазный
• Чрезвычайно динамичный
• Хорошая синхронизация и стабильно высокая скорость
• Низкая инерция и высокое ускорение
• Низкий профиль
• Без зазубрин
• На одном статоре возможно несколько силовых механизмов
• Пиковое усилие 780 Н

Серия LMFA

Посмотреть электронный каталог

Синхронные линейные двигатели HIWIN LMFA представляют собой стопку листов в рулонах с контуром водяного охлаждения. Их особенно отличает очень высокая удельная мощность и минимальное усилие зубчатого зацепления. Этот трехфазный двигатель состоит из первичной части (форсунки) с железным сердечником и вторичной части (статора) с постоянными магнитами. При комбинации нескольких статоров возможно множество комбинаций хода.

Характеристики:

• 3 фазы
• Водяное охлаждение
• Сертификат UL
• Низкая зубчатость
• Неограниченный ход
• Пиковое усилие 7328 Н

Серия LMT

Просмотреть электронный каталог

HIWIN Linear turbo Серия LMT представляет собой линейные двигатели уникальной формы с цилиндрическими постоянными магнитами. Благодаря нагнетателю без сердечника двигатели LMT Turbo очень легкие и очень динамичные. Они также являются хорошей заменой шарико-винтовым передачам из-за того же интерфейса установки.

Особенности:

• 3-фазный
• Малая масса и высокое ускорение
• Чрезвычайно динамичный
• Широкий воздушный зазор и простота сборки
• Без зазубрин и контактов
• Без ношения
• Несколько силовых инструментов
• Пиковое усилие 980 Н

Связаться с инженером напрямую

Посмотреть наш онлайн-каталог

Линейные двигатели: время для откровенного разговора

Линейное движение требуется для всех видов промышленных систем и оборудования, от станков и конвейерных лент до решений для сканирования и печати. Обычный двигатель, соединенный с подходящим компонентом механического привода, обычно способствует этому прямолинейному движению. Но что, если бы существовала концепция, позволяющая сделать линейное движение более эффективным за счет использования прямого привода? Ну, есть. Линейные двигатели неуклонно завоевывают долю промышленного рынка в течение последних двух десятилетий. Для тех, кто хочет узнать больше, читайте дальше.

Как работают линейные двигатели?

Линейный двигатель обеспечивает прямую связь с нагрузкой. Этот принцип прямого привода основан на использовании силы магнитного поля для перемещения катушки вдоль дорожки постоянных магнитов. Чтобы визуализировать эту конфигурацию, представьте тип электромагнитной «рейки и шестерни», где шестерня — это вращающееся магнитное поле, а рейка — это статические постоянные магниты. Притяжение и отталкивание, возникающие между катушками и дорожкой постоянного магнита, создают необходимое движение.

Источник: Tecnotion

Чтобы объяснить немного подробнее, переменный трехфазный ток проходит через катушки, создавая вращающееся (или «поступательное» в случае линейного двигателя) электромагнитное поле. Это электромагнитное поле взаимодействует с постоянным магнитом, и результирующая сила в конечном итоге приводит к преобразованию электрической энергии в линейную механическую энергию с высоким уровнем эффективности. Скорость изменения тока определяет скорость движения, а сила тока определяет генерируемую силу.

Линейные двигатели в работе не отличаются от роторных двигателей, но в том смысле, что они открываются и раскатываются в плоском виде. Ротор с действующими постоянными магнитами становится неподвижной частью линейного двигателя, а статор (с катушками) становится подвижной частью.

Основные преимущества

Одним из основных преимуществ линейных двигателей является устранение так называемых «эластичных» компонентов трансмиссии, таких как редукторы и муфты, которые могут привести к таким проблемам, как люфт и ошибка движения/резонанса. В результате пропускная способность и жесткость системы движения могут быть намного выше, обеспечивая лучшую воспроизводимость и точность.

Другим важным преимуществом является устранение необходимости в кинематических приводных системах, таких как шарико-винтовые пары, ремни и шкивы, червячные передачи и системы реечной передачи, которые необходимы традиционным двигателям для преобразования вращательного движения в поступательное. Таким образом, линейные двигатели обеспечивают гораздо более высокую эффективность и точность позиционирования даже на высоких скоростях, одновременно обеспечивая очень плавное регулирование скорости с низкой пульсацией.

В отличие от щеточных двигателей, в прямом приводе нет контакта между движущимися частями. Благодаря отсутствию механического износа пользователи станков могут наслаждаться образцовой надежностью и сроком службы. TCO (общая стоимость владения) также снижается по сравнению с традиционными решениями.

Еще одним важным фактором является пространство. Поскольку подвижная часть линейного двигателя соединяется непосредственно с нагрузкой, это может сэкономить место и упростить конструкцию машины, что представляет собой большое преимущество как для разработчиков систем, так и для пользователей.

Параметры выбора

При выборе линейного двигателя для конкретного применения необходимо учитывать множество факторов, включая требования к динамическим характеристикам машины или системы. На первый план часто выходят такие параметры процесса, как рабочий цикл, пиковое усилие и максимальная скорость.

Доступны два основных типа линейных двигателей. Любое приложение с небольшой полезной нагрузкой, которое требует чрезвычайно точных движений или очень высокого ускорения, обычно использует преимущества линейного двигателя без железа. Однако для приложений, требующих высокой продолжительности рабочего цикла, линейные двигатели с железным сердечником создают большую непрерывную силу.

Линейные двигатели с железным сердечником

Конструкция линейных двигателей с железным сердечником предусматривает установку обмоток катушек внутри набора стальных пластин для усиления создаваемого электромагнитного потока. Этот тип линейного двигателя обеспечивает чрезвычайно высокое постоянное усилие и хорошее рассеивание тепла для своего размера, что делает его идеальным для применений, связанных с большими полезными нагрузками. Примеры включают станки, выполняющие фрезерные, токарные, штамповочные, формовочные и лазерные операции, а также оборудование для текстильного производства.

Одним из недостатков, который многие инженеры связывают с двигателями с железным сердечником, является зубчатая передача, паразитная сила, возникающая из-за создания (постоянными магнитами) флуктуирующей силы притяжения к магнитным материалам, таким как железо. Короче говоря, железный сердечник имеет «предпочтительные» положения по отношению к магнитам, поэтому двигатель должен изменять силу тяги, чтобы преодолевать эти положения, что приводит к неплавному «зубчатому» движению.

Однако современные решения с оптимизированной конструкцией железного сердечника ограничивают эту историческую проблему, обеспечивая низкую производительность. Например, некоторые линейные двигатели имеют магниты, которые не ортогональны направлению движения, а вместо этого установлены с небольшим углом наклона, что помогает сгладить движение в достаточной степени для решения большого количества обычных промышленных применений.

Линейные двигатели без сердечника

В линейных двигателях без сердечника нет силы притяжения или зубчатого зацепления между катушкой и магнитной дорожкой. В результате безжелезные варианты обеспечивают отсутствие силы пульсации, высокую точность, постоянную линейную силу, а также высокую скорость и ускорение. Кроме того, в 95% случаев безжелезные линейные двигатели работают за счет перемещения более легкой катушки, что помогает достичь более динамичного движения и постоянной скорости. Чрезвычайно тонкая форма вариантов без железа также выгодна, поскольку она предоставляет машиностроителям гибкие варианты монтажа.

Возможности применения линейного двигателя этого типа широки и разнообразны; по сути, любая машина или система, перемещающая небольшую массу с высокой скоростью и высокой точностью. Примеры включают решения для производства полупроводников, испытательные машины, столики для микроскопов или инспекций, а также автоматизированное оборудование для медицинских или медико-биологических лабораторий.