Siłownik elektryczny z silnikami liniowymi

Większość silników elektrycznych to silniki obrotowe. Jednocześnie wiele korpusów roboczych maszyn produkcyjnych musi, zgodnie z technologią ich pracy, wykonywać translacyjne (na przykład przenośniki, przenośniki itp.) lub posuwisto-zwrotne (mechanizmy zasilania maszyn do cięcia metalu, manipulatorów, tłoków i innych maszyn ).

Przekształcenie ruchu obrotowego w ruch translacyjny odbywa się za pomocą specjalnych połączeń kinematycznych: nakrętki śrubowej, sferycznej przekładni śrubowej, zębatki, mechanizmu korbowego i innych.

Naturalnym jest, że konstruktorzy maszyn roboczych chcą wykorzystywać silniki, których wirnik porusza się liniowo do napędzania korpusów roboczych wykonujących ruch do przodu i posuwisto-zwrotny.

Obecnie napędy elektryczne są opracowywane przy użyciu liniowych asynchronicznych, zaworowych i silniki krokowe… W zasadzie każdy typ silnika liniowego można utworzyć z silnika obrotowego, przesuwając liniowo cylindryczny stojan w płaszczyźnie.

Pomysł na budowę liniowego silnika indukcyjnego można uzyskać, obracając stojan silnika indukcyjnego w płaszczyznę. W tym przypadku wektor sił magnesujących stojana będzie poruszał się liniowo wzdłuż rozpiętości stojana, tj. w tym przypadku nie powstaje obracające się (jak w konwencjonalnych silnikach), ale przemieszczające się pole elektromagnetyczne stojana.

Jako element wtórny można zastosować pasek ferromagnetyczny umieszczony z niewielką szczeliną powietrzną wzdłuż stojana. Pasek ten działa jak rotor komórkowy. Element wtórny jest przenoszony przez poruszające się pole stojana i porusza się liniowo z prędkością mniejszą niż prędkość pola stojana o wielkość liniowego poślizgu bezwzględnego.

Prędkość liniowa przemieszczającego się pola elektromagnetycznego będzie wynosić

gdzie τ, m — podziałka biegunów — odległość między sąsiednimi biegunami liniowego silnika asynchronicznego.

Prędkość elementu drugorzędnego

gdzie sL — względny poślizg liniowy.

Gdy silnik jest zasilany napięciem o standardowej częstotliwości, wypadkowe prędkości pola będą wystarczająco duże (powyżej 3 m / s), co utrudnia wykorzystanie tych silników do napędzania mechanizmów przemysłowych. Takie silniki są używane do szybkich mechanizmów transportowych. W celu uzyskania niższych prędkości obrotowych i regulacji prędkości liniowego silnika indukcyjnego, jego uzwojenia są zasilane przez przetwornicę częstotliwości.

Ryż. 1. Konstrukcja liniowego silnika jednoosiowego.

Do zaprojektowania liniowego silnika indukcyjnego stosuje się kilka opcji. Jeden z nich pokazany jest na ryc. 1.Tutaj element wtórny (2) - taśma połączona z korpusem roboczym, porusza się wzdłuż prowadnic 1 pod działaniem ruchomego pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez stojan 3. Jednak ta konstrukcja jest wygodna do montażu z działającą maszyną, to wiąże się ze znacznymi prądami upływowymi pola stojana, w wyniku czego cosφ silnika będzie niskie.

Figa. 2. Cylindryczny silnik liniowy

Aby zwiększyć połączenie elektromagnetyczne między stojanem a elementem wtórnym, ten ostatni umieszcza się w szczelinie między dwoma stojanami lub silnik jest zaprojektowany jako cylinder (patrz rys. 2). W tym przypadku stojan silnika jest rurą (1), wewnątrz którego znajdują się cylindryczne uzwojenia (2) będące uzwojeniem stojana. Podkładki ferromagnetyczne 3 są umieszczone pomiędzy cewkami wchodzącymi w skład obwodu magnetycznego. Elementem wtórnym jest rurowy pręt, który również jest wykonany z materiału ferromagnetycznego.

Liniowe silniki indukcyjne mogą mieć również odwróconą konstrukcję, w której uzwojenie wtórne jest nieruchome, podczas gdy stojan się porusza. Silniki te są powszechnie stosowane w pojazdach. W tym przypadku jako element wtórny wykorzystywana jest szyna lub specjalna taśma, a stojan osadzony jest na ruchomym wózku.

Wadą liniowych silników asynchronicznych jest niska sprawność i związane z tym straty energii, głównie w elemencie wtórnym (straty poślizgowe).

Ostatnio, oprócz asynchronicznych, zaczęto ich używać silniki synchroniczne (zaworowe).… Konstrukcja silnika liniowego tego typu jest podobna do pokazanej na ryc. 1. Stojan silnika jest zamieniany w płaszczyznę, a magnesy trwałe są umieszczane na wtórnym.Możliwy jest odwrócony wariant konstrukcyjny, w którym stojan jest częścią ruchomą, a element wtórny z magnesem trwałym jest nieruchomy. Uzwojenia stojana są przełączane w zależności od względnego położenia magnesów. W tym celu przewidziano w konstrukcji czujnik położenia (4 — na rys. 1).

Liniowe silniki krokowe są również skutecznie wykorzystywane do napędów pozycyjnych. Jeżeli stojan silnika krokowego jest rozłożony w płaszczyźnie, a element wtórny wykonany jest w postaci płytki, na której uformowane są zęby poprzez frezowanie kanałów, to przy odpowiednim przełączeniu uzwojeń stojana element wtórny będzie wykonywał dyskretny ruch, którego krok może być bardzo mały — do ułamków milimetra. Odwrócony projekt jest często używany, gdy wtórny jest nieruchomy.

Prędkość liniowego silnika krokowego jest określona przez wartość odstępu między zębami τ, liczbę faz m oraz częstotliwość przełączania

Uzyskanie dużych prędkości ruchu nie stwarza trudności, gdyż wzrost podziału i częstotliwości biegów nie jest ograniczony czynnikami technologicznymi. Istnieją ograniczenia dotyczące minimalnej wartości τ, ponieważ stosunek skoku do szczeliny między stojanem a uzwojeniem wtórnym musi wynosić co najmniej 10.

Zastosowanie napędu dyskretnego pozwala nie tylko uprościć konstrukcję mechanizmów realizujących liniowy ruch jednowymiarowy, ale także umożliwia uzyskanie ruchów dwu- lub wieloosiowych za pomocą jednego napędu.Jeżeli dwa układy uzwojeń zostaną umieszczone prostopadle na stojanie części ruchomej, a w elemencie wtórnym wykonane zostaną rowki w dwóch prostopadłych kierunkach, to element ruchomy będzie wykonywał ruch dyskretny w dwóch współrzędnych, tj. zapewnić ruch w płaszczyźnie.

W takim przypadku pojawia się problem stworzenia podpory dla elementu ruchomego. Aby go rozwiązać można zastosować poduszkę powietrzną - ciśnienie powietrza dostarczanego do przestrzeni pod ruchomymi elementami. Liniowe silniki krokowe zapewniają stosunkowo niski ciąg i niską sprawność. Ich główne obszary zastosowań to lekkie manipulatory, lekkie maszyny montażowe, maszyny pomiarowe, wycinarki laserowe i inne urządzenia.