Альтернатива стандартным приводным системам: цилиндрический линейный двигатель
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 в 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 было 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 от 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, тире 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.
