Електропривод з лінійними двигунами

Переважна більшість електродвигунів є електродвигунами обертального руху. В той же час багато робочих органів виробничих машин повинні за технологією своєї роботи здійснювати поступальний (наприклад, конвеєри, транспортери та ін.) або обернено - поступальний рух (механізми подачі верстатів, маніпулятори, поршневі та інші машини). Перетворення обертального руху в поступальний здійснюється за допомогою спеціальних кінематичних ланок: гвинт-гайка, шарикогвинтова передача, шестерня - зубчаста рейка, кривошипношатунна передача та інші.

Природним для конструкторів робочих машин є бажання використовувати для приводу робочих органів, що здійснюють поступальний і оберненопоступальний рух, двигунів, ротор яких рухається лінійно. Нині отримують розвиток електроприводи, що використовують лінійні асинхронні, вентильні і крокові двигуни. Принципово лінійний двигун будь-якого типу може бути утворений з двигуна обертального руху шляхом лінійної розгортки циліндричного статора в площину.

Уявлення про пристрій лінійного асинхронного двигуна можна отримати, якщо розгорнути статор асинхронного двигуна в площину. При цьому вектор намагничуючіх сил статора, лінійно переміщатиметься уздовж розгортки статора, тобто при цьому утворюється електромагнітне поле статора, що не обертається (як в звичайних двигунах), а біжить. У якості вторинного елементу може використовуватися феромагнітна смуга, що розташовується з невеликим повітряним проміжком уздовж розгортки статора. Ця смуга грає роль короткозамкнутого ротора. Вторинний елемент захоплюється рухомим полем статора або не лінійно переміщається з швидкістю, меншій швидкості руху поля статора на величину лінійного абсолютного ковзання.

Рис. 3.1 Конструкція лінійного асинхронного двигуна

Лінійна швидкість електромагнітного поля де , - полюсна поділка - відстань між сусідніми полюсами лінійного асинхронного двигуна.

Швидкість вторинного елементу де - відносне лінійне ковзання.

При живленні двигуна напругою стандартної частоти швидкості поля досить великі (більше 3 м/с), що створює труднощі при використанні цих двигунів для приводу промислових механізмів. Такі двигуни застосовуються для високошвидкісних транспортних механізмів. Для отримання більш низьких швидкостей руху і регулювання швидкості лінійного асинхронного двигуна його обмотки живлять від перетворювача частоти.

Застосовуються декілька варіантів конструкцій лінійного асинхронного двигуна. Одна з них показана на (рис. 3.1). Тут вторинний елемент (1) - смуга, сполучена з робочим органом, переміщається під дією магнітного поля, що створюється статором (2) з обмоткою (3)

Така конструкція зручна для компановки з робочою машинною, проте, вона зв'язана зі значними потоками розсіяння поля статора, внаслідок чого cosφ двигуна буде низьким.

Для збільшення електромагнітного зв'язку між статором і вторинним елементом останній розміщують в проріз між двумя статорами, або конструкція двигуна виконується ввиде циліндра (рис. 3.2). В цьому випадку статор двигуна представляє собою трубку (1), у середині якої розташовані набірні котушки (2), що є обмоткою статора.

Рис. 3.2 Лінійний двигун циліндричної конструкції

Між котушками розміщені феромагнітні шайби 3, що є частиною магнітопровода. Вторинний елемент - шток трубчастої форми також виконано з феромагнітного матеріалу.

Лінійні асинхронні двигуни можуть також мати обернену конструкцію, коли вторинний елемент нерухомий, а переміщається статор. Такі двигуни зазвичай застосовуються на транспортних засобах. В цьому випадку як вторинний елемент використовується рейка або спеціальна смуга, а статор розміщується на рухливому візку.

Недоліком лінійних асинхронних двигунів є низький ККД і пов'язані з цим втрати енергії, передусім, у вторинному елементі (втрати ковзання).

Останнім часом окрім асинхронних почали застосовуватися синхронні (вентильні) двигуни. Принцип роботи вентильного двигуна розглянутий був раніше, в главі 12 і зберігається в застосуванні до лінійного варіанту його виконання. Статор двигуна розгорнутий в площину, а на вторинному елементі розміщуються постійні магніти. Можливий варіант оберненої конструкції, коли статор є рухливою частиною, а вторинний елемент з постійними магнітами нерухомий. Перемикання обмоток статора виробляється залежно від відносного положення магнітів. З цією метою в конструкції передбачений датчик положення (4 на рис. 3.2).

Для позиційних приводів ефективно застосовуються також лінійні крокові двигуни. Якщо розвернути в площину статор крокового двигуна, показаного на (рис. 2.3), а вторинний елемент виконати у вигляді пластини, на якій шляхом фрезерування канавок утворені зубці, то при відповідному перемиканні обмоток статора вторинний елемент здійснюватиме дискретний рух, крок якого може бути дуже малим - до доль міліметра. Часто застосовується обернена конструкція, в якій вторинний елемент нерухомий.

Швидкість лінійного крокового двигуна визначається величиной зубцевой поділки, числом фаз і частотою перемикання:

Отримання високих швидкостей руху не викликає труднощів, оскільки збільшення зубцовой поділки і частоти не лімітується технологічними чинниками. Обмеження існують для мінімального значення τ, оскільки відношення зубцевой поділки до величини проміжку між статором і вторинним елементом має бути не менше 10.

Використання дискретного приводу дозволяє не лише спростити конструкцію механізмів, що здійснюють лінійний однокоординатний рух, але і дає можливість за допомогою одного приводу отримати двох або багатокоординатний рух. Якщо на статорі рухливої частини розташувати ортогонально дві системи обмоток, а у вторинному елементі виконати канавки в двох перпендикулярних напрямах, то рухливий елемент здійснюватиме дискретний рух в двох координатах, тобто забезпечувати переміщення на площині. В цьому випадку виникає завдання створення опори для рухливого елементу. Для її вирішення може використовуватися повітряна подушка - натиск повітря, що подається в просторі під рухливим елементам.

Лінійні крокові двигуни розвивають відносно низьке тягове зусилля і мають низький ккд. Основною сферою їх застосування є легкі маніпулятори, легкі складальні верстати, вимірювальні машини, верстати для лазерного різання та інші пристрої.

Контрольні запитання.

1. Необхідність застосування лінійних двигунів.

2. Будова лінійних двигунів.

3. Як визначити швидкість руху магнітного поля лінійних двигунів?

4. Основні недоліки лінійних двигунів.

5. Що таке лінійний кроковий двигун?