Наша сеть партнеров Banwar
Лінійні двигуни стали широко відомі як високоточна і енергоефективна альтернатива звичайним приводам, що перетворює обертальний рух в поступальний. За рахунок чого це стало можливим?
Отже, давайте звернемо увагу на кулько-гвинтові пару, яка в свою чергу може вважатися високоточною системою перетворення обертального руху в поступальний. Зазвичай ККД ШВП становить близько 90%. При обліку ККД серводвігателя (75-80%), втрат в муфті або пасової передачі, в редукторі (в разі його використання) виходить, що лише близько 55% потужності витрачається безпосередньо на вчинення корисної роботи. Таким чином, нескладно здогадатися, чому лінійний двигун, який безпосередньо передає об'єкту поступальний рух, більш ефективний.
Кінематична схема приводу подачі на основі ШВП
Кінематична схема приводу подачі на основі лінійного двигуна
ККД приводу подачі на основі ШВП
Зазвичай найпростішим поясненням його конструкції є аналогія зі звичайним двигуном обертального руху, який розрізали по котра утворює і розгорнули на площині. Насправді саме такою і була конструкція найперших лінійних двигунів. Плоский лінійний двигун з сердечником першим вийшов на ринок і зайняв свою нішу як потужна і ефективна альтернатива іншим приводним системам. Незважаючи на те, що в загальному їх конструкція виявилася недостатньо ефективною через значні втрат на вихрові струми, недостатньою плавності та ін. Вони все одно вигідно відрізнялися з точки зору ККД. Хоча перераховані вище недоліки несприятливо позначалися на високоточної «натурі» лінійного двигуна.
Принципова схема лінійного двигуна
U-подібний лінійний двигун
U-подібний лінійний двигун, конструктивно виконаний без сердечника, розроблений з метою усунення недоліків класичного плоского лінійного двигуна. З одного боку це дозволило вирішити ряд проблем, таких як втрати на вихрові струми в осерді і недостатню плавність переміщення, але з іншого - привнесло кілька нових аспектів, які обмежують його використання в областях, що вимагають ультрапрецізіонних переміщень. Це значно знизився рівень жорсткості двигуна і ще більші проблеми з виділенням тепла.
Для ринку ультрапрецізіонного обладнання лінійні двигуни були як послання з небес, несучи в собі обіцянки нескінченно точного позиціонування і високого ККД. Однак сувора реальність проявила себе, коли тепло, що виділяється внаслідок недостатньої ефективності конструкції в обмотках і сердечнику, безпосередньо передавалося в робочу зону. У той час, як все більше розширювалася область використання ЛД, термічні явища, супутні значного тепловиділення зробили позиціонування з субмікронними точностями вельми складним, щоб не сказати неможливим.
Для підвищення ККД, ефективності лінійного двигуна необхідно було повернутися до самих його конструктивним основам, і через максимально можливу оптимізацію всіх їх аспектів отримати найбільш енергоефективну приводную систему з максимально можливою твердістю.
Фундаментальне взаємодія, що лежить в основі конструкції лінійного двигуна - це прояв Закону Ампера - наявність сили, що впливає на провідник зі струмом в магнітному полі.
Наслідком з рівняння для сили Ампера є те, що максимальне зусилля, що розвивається двигуном, дорівнює добутку сили струму в обмотках на векторний добуток вектора магнітної індукції поля на вектор довжини проводу в обмотках. Як правило, для підвищення ККД лінійного двигуна необхідно зменшувати силу струму в обмотках (тому що втрати на нагрів провідника прямо пропорційні квадрату сили струму в ньому). Зробити це при постійній величині вихідного зусилля приводу можливо лише при збільшенні інших складових, що входять в рівняння Ампера. Саме так і вчинили розробники Циліндричного Лінійного Двигуна (ЦЛД) разом з деякими виробниками ультрапрецізіонного обладнання. Фактично в ході останнього дослідження в Університеті Вірджинії (UVA) було встановлено, що ЦЛД споживає на 50% менше енергії для здійснення тієї ж роботи, при тих же вихідних характеристиках, що і аналогічний U-образний лінійний двигун. Щоб зрозуміти, яким чином досягнуто таке значне підвищення ефективності роботи, давайте окремо зупинимося на кожній складовій вищезгаданого рівняння Ампера.
Векторний добуток B × L. Використовуючи, наприклад, правило лівої руки нескладно зрозуміти, що для здійснення лінійного переміщення оптимальний кут між напрямком струму в провіднику і вектором магнітної індукції становить 90 °. Зазвичай у лінійного двигуна струм в 30-80% довжини обмоток протікає під прямим кутом до вектора індукції поля. Інша частина обмоток, по суті, виконує допоміжну функцію, при цьому в ній виникають втрати на опір і навіть можуть з'являтися сили, протилежні напрямку переміщення. Конструкція ЦЛД така, що 100% довжини проводу в обмотках знаходиться під оптимальним кутом в 90 °, а всі виникаючі зусилля сонаправлени з вектором переміщення.
Відносне розташування ліній індукції і ліній струму в ЦЛД
Довжина провідника зі струмом (L). При завданні цього параметра виникає свого роду дилема. Занадто велика довжина призведе до додаткових втрат в зв'язку зі збільшенням опору. У ЦЛД дотриманий оптимальний баланс між довжиною провідника і втратами в зв'язку з приростом опору. Наприклад, в ЦЛД, тестованому в Університеті Вірджинії довжина проводу в обмотках була в 1,5 рази більше, ніж в його U-образному аналогу.
Вектор індукції магнітного поля (B). Притому, що в більшості лінійних двигунів здійснюється перенаправлення магнітного потоку за допомогою металевого сердечника, в ЦЛД використовується запатентований конструктивне рішення: сила магнітного поля природно збільшується завдяки відштовхуванню однойменних магнітних полів.
Величина сили, яку можна розвинути при даній структурі магнітного поля, є функція щільності потоку магнітної індукції в проміжку між рухомим і нерухомим елементами. Так як магнітне опір повітря приблизно в 1000 разів більше, ніж у сталі і прямо пропорційно величині зазору, його мінімізація зменшить і магніторушійних силу, потрібну для створення поля необхідної сили. Магніторушійна сила в свою чергу прямо пропорційна силі струму в обмотках, тому при зменшенні її необхідної величини, можна зменшити і величину струму, що в свою чергу дозволити знизити втрати на опір.
Як можна бачити, кожен конструктивний аспект ЦЛД був продуманий з метою максимально можливого збільшення ефективності його роботи. Але наскільки це корисно з практичної точки зору? Давайте звернемо увагу на два аспекти: тепловиділення і вартість експлуатації.
Всі лінійні двигуни нагріваються через втрати в обмотках. Виділилося тепло повинно кудись відводитися. І перший побічний ефект тепловиділення - це супутні процеси термічного розширення, наприклад елемента, в якому закріплені обмотки. Крім того відбувається додатковий нагрів танкеток напрямних, мастила, датчиків, які перебувають в зоні роботи приводу. З плином часу циклічні процеси нагрівання та охолодження можуть негативно впливати і на механічні і на електронні компоненти системи. Теплове розширення також призводить до збільшення тертя в напрямних і т.п. У тому ж дослідженні, проведеному в UVA було встановлено, що ЦЛД передавав на змонтовану на ньому плиту приблизно на 33% менше тепла, ніж аналог.
При меншому споживанні енергії знижується і вартість експлуатації системи в цілому. В середньому в США 1 кВтг варто 12,17 центів. Таким чином, середньорічна вартість експлуатації U-образного лінійного двигуна складе $ 540,91, а ЦЛД $ 279,54. (При ціні 3,77 руб. За кВтг виходить 16768,21 і 8665,74 руб. Відповідно)
Порівняння річних витрат на електроенергію U-образного лінійного двигуна і ЦЛД
При виборі реалізації приводний системи список варіантів дійсно великий, проте при розробці системи, призначеної для потреб ультрапрецізіонной верстатної техніки, висока ефективність ЦЛД може забезпечити значні переваги.
Див. також:
За рахунок чого це стало можливим?
Але наскільки це корисно з практичної точки зору?