Виды электрических двигателей

Линейные двигатели нового поколения

Приводы подач всех современных металлообрабатывающих станков с ЧПУ, в том числе и электроэрозионных (ЭЭ) строятся по традиционной схеме. Так, в одном из типажей ЭЭ станков перемещения рабочего органа РО (каретки подач) осуществляется от двигателя постоянного тока через ременную передачу на ходовой винт. Через шариковую гайку (она скреплена с РО пружинами механизма защиты от соударений) вращение винта трансформируется в продольное перемещение РО.

Ременный привод станков

Более надежные и современные приводы выполнены без ременной передачи. В этих приводах высокомоментный двигатель переменного тока непосредственно соединен с ходовым винтом.

Непосредственный привод

Недостатки указанных видов приводов достаточно известны и очевидны:

• большое количество промежуточных элементов от источника энергии до РО;
• громадная инерционность этих элементов, особенно в крупногабаритных станках;
• наличие зазоров в передающих устройствах;
• >трение во множестве сопрягаемых деталей (резко изменяющееся при переходе системы из состояния покоя в состояние движения);
• температурные и упругие деформации практически всех передающих звеньев;
• износ сопрягаемых элементов в процессе эксплуатации и потеря исходной точности;
• погрешности в шаге ходового винта и накопленная погрешность по длине.

Поскольку эти недостатки определяют основные качественные характеристики приводов (точность и равномерность хода РО, величину мертвого хода при реверсе, допустимые ускорения и скорости РО), конструкторская мысль станкостроителей давно пытается как-то уменьшить их влияние на работу приводов и оборудования в целом. Например, в соединении ходового винта с гайкой для уменьшения трения уже давно используют дорогое и сложное шариковинтовое соединение; для ликвидации зазоров в соединение винта с гайкой вводятся специальные устройства натяга соединения; ходовые винты особо точных станков изготавливают по классу эталонных; погрешности шага винтов пытаются скомпенсировать системами компенсаторов; в борьбе с температурными деформациями создаются изощрённые системы охлаждения и т.д. Проблемы, проблемы, проблемы… И уже давно ясно, что проблемы приводов с ходовыми винтами не решить никогда из-за их физико-технической сущности и построенного типа, как такового.

Архаичность рассмотренных приводов давно очевидна и передовая конструкторская мысль уже много лет работала над задачей кардинальной замены типовых приводов в металлообрабатывающем оборудовании на какие-то другие, более совершенные. Как говорят, гениальное — просто. И таким гениальным решением было использовать в качестве приводов подач станков линейные двигатели.

Электромагнитная система

Принцип линейного двигателя (ЛД) не нов и, в общем, известен даже школьнику, поскольку прототипом ЛД является простейшая электромагнитная система. Такая система состоит из металлического сердечника-магнита и статорной обмотки. При подаче тока определенной полярности в обмотку сердечник сместится в ту или иную сторону, причем практически мгновенно. Изменение полярности сигнала на обмотку приведет к обратному ходу сердечника. Как видим, от источника энергии к РО нет никаких промежуточных элементов, передача энергии осуществляется через воздушный зазор, ничего не надо вращать, сразу возможно осуществление главной задачи — продольного движения РО. Гениальность решения, естественно, сразу была оценена по достоинству. На рассмотренном принципе уже десятилетия работают все элементы электроавтоматики, системы электротормозов, системы защиты, специальное оборудование ударного типа и т.д. Громадный опыт использования электромагнитных систем четко выявил их потрясающие достоинства: удивительная простота конструкции и применения, почти мгновенная остановка, мгновенный реверс, сверх быстрота срабатывания, большие усилия, простота настройки. Но не было только одного — возможности регулировать скорость РО в электромагнитной системе и обеспечивать тем самым регулируемое поступательное движение РО (сердечника). А без этой возможности применить электромагнитный привод (несмотря на его гениальность), как движитель в оборудовании, было невозможно.

Линейный электродвигатель

Потребовались многие годы работы ученых и конструкторов в разных странах, прежде чем был достигнут успех. Особенно интенсивно велись работы в Японии, где электромагнитный привод (уже как линейный привод) был впервые успешно использован как движитель для сверхскоростных поездов. Там же были попытки создания линейных приводов для металлообрабатывающих станков, но они имели существенные недостатки: создавали сильные магнитные поля, грелись, а главное не обеспечивали равномерности в движении РО. Лишь на пороге нового тысячелетия начался серийный выпуск станков (пока в основном электроискровых (электроэрозионных)) с принципиально новыми линейными двигателями, в которых решены все проблемы по обеспечению равномерным движением РО станков со сверхвысокой точностью, с большим диапазоном регулирования скорости, с громадными ускорениями, мгновенным реверсом, с простотой обслуживания и наладки и др.

В принципе, конструкция ЛД изменилась не сильно. Собственно двигатель состоит всего из 2 (!) элементов: электромагнитного статора и плоского ротора, между которыми лишь воздушный зазор. Третий обязательный элемент – оптическая или другая измерительная линейка с высокой дискретностью (0,1 мкм). Без нее система управления станка не может определить текущие координаты. И статор, и ротор выполнены в виде плоских, легко снимаемых блоков: статор крепится к станине или колонне станка, ротор — к рабочему органу (РО). Ротор элементарно прост: он состоит из ряда прямоугольных сильных (редкоземельных) постоянных магнитов. Закреплены магниты на тонкой плите из специальной высокопрочной керамики, коэффициент температурного расширения которой в два раза меньше чем у гранита. Использование керамики совместно с эффективной системой охлаждения решило многие проблемы линейных приводов, связанные с температурными факторами, с наличием сильных магнитных полей, с жесткостью конструкции и т.п.

Точная и равномерная подача РО во всем диапазоне скоростей и нагрузок обеспечивается двумя техническими решениями:

• крепление постоянных магнитов под определенным фиксированным углом, который был открыт в ходе длительных экспериментов;
• реализация высокоэффективной 6-ти фазной импульсной системы управления (система SMC).

Компания «СОДИК» организовала на своих заводах серийный выпуск широкой гаммы ЛД с характеристиками: с ходом подач от 100 до 2220 мм, с максимальной скоростью перемещения РО до 180 м/мин с ускорениями до 20G (!!!) при точности исполнения заданных перемещений (в нормальном режиме работ) равной 0,0001мм (0,1 мкм). Нагрев этих ЛД при работе не превышает + 2° С от температуры помещения. Обеспечивается практически мгновенная остановка РО, реверс, моментальная реакция привода на команды системы ЧПУ и т.д. На один и тот же рабочий орган монтируется (например, для увеличения мощности) несколько линейных двигателей. Так, в частности, устроен привод оси Z всех ЭЭ прошивочных станков «СОДИК».

Как указывалось, и статор, и ротор ЛД предельно просты. Статор исполнен в виде прямоугольного блока и крепится несколькими болтами к несущей конструкции станка. В приводе оси Z — два статора. Они размещены по обе стороны вертикального ползуна. К каждому статору крепятся два патрубка системы охлаждения статора и кабели подвода энергии и управления. Пластина ротора жестко крепится болтами к подвижной каретке (РО ). Так как в приводе оси Z два ЛД, то на каретке крепятся, соответственно, два ротора , каждый напротив своего статора. Система специальных направляющих и пневмопротивовес обеспечивают исключительную легкость хода каретки, практически без усилий. Приводы по осям X, Y прошивочных станков и в приводах X, Y, U, V проволочно-вырезных станков проще — в них всего по одному ЛД.

Особенно следует отметить простоту обслуживания ЛД, простоту периодической чистки (при необходимости), профилактики и ремонта. Так, чтобы заменить ротор ЛД, достаточно открутить несколько болтов, крепящих ротор к РО. Для замены статора помимо болтов нужно лишь снять две трубки системы охлаждения статора и отсоединить кабель. Сравните эти действия, например, с комплексом работ по снятию шаровой гайки или замене подшипника ходового винта.

Эффективность применения новых приводов сразу же нашло убедительное подтверждение. Новая серия ЭЭ станков с ЛД имеет резко повышенные технико-технологические и эксплуатационные характеристики по сравнению с аналогичными станками, имеющими традиционные приводы. Так, производительность ЭЭ прошивных станков с ЛД выше, чем у станков с обычными приводами как минимум в 2 раза, а ЭЭ проволочно-вырезных – на 50%. Повысилась точность станков, расширились диапазоны параметров обрабатываемых деталей и т.д. Для объяснения этого необходимо рассматривать определенные тонкости ЭЭ технологий и работы ЭЭ оборудования, а это уже тема другая.

Нижеследующая таблица позволяет зрительно сопоставить рассматриваемые привода.

автор статьи — к.т.н. Серебреницкий П.П., БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова

Линейный двигатель

Лабораторный синхронный линейный двигатель. На заднем плане статор — ряд индукционных катушек, на переднем плане — подвижный вторичный элемент, содержащий постоянный магнит.Поезда Московской монорельсовой транспортной системы используют для движения асинхронный линейный двигатель. Статор расположен на подвижном составе, а вторичным элементом служит монорельс.

Лине́йный дви́гатель — электродвигатель, у которого один из элементов магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую магнитное поле, а другой взаимодействует с ним и выполнен в виде направляющей, обеспечивающей линейное перемещение подвижной части двигателя. Сейчас разработано множество разновидностей (типов) линейных электродвигателей, например:

• линейные асинхронные электродвигатели (ЛАД),
• линейные синхронные электродвигатели,
• линейные электромагнитные двигатели,
• линейные магнитоэлектрические двигатели,
• линейные магнитострикционные двигатели,
• линейные пьезоэлектрические (электрострикционные) двигатели и др.

Многие типы линейных двигателей, такие как асинхронные, синхронные или постоянного тока, повторяют по принципу своего действия соответствующие двигатели вращательного движения, в то время как другие типы линейных двигателей (магнитострикционные, пьезоэлектрические и др.) не имеют практического исполнения как двигатели вращательного движения. Неподвижную часть линейного электродвигателя, получающую электроэнергию из сети, называют статором, или первичным элементом, а часть двигателя, получающую энергию от статора, называют вторичным элементом или якорем (название «ротор» к деталям линейного двигателя не применяется, так как слово «ротор» буквально означает «вращающийся», а в линейном двигателе вращения нет).

Наибольшее распространение в транспорте и для больших линейных перемещений получили асинхронные и синхронные линейные двигатели, но применяются также линейные двигатели постоянного тока и линейные электромагнитные двигатели. Последние чаще всего используются для получения небольших перемещений рабочих органов и обеспечения при этом высокой точности и значительных тяговых усилий.

Асинхронный линейный двигатель

Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если мысленно разрезать статор и ротор с обмотками обычного асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и развернуть в плоскость. Образовавшаяся плоская конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя. Если теперь обмотки статора такого двигателя подключить к сети трёхфазного переменного тока, то образуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью V, пропорциональной частоте питающего напряжения f и длине полюсного деления t: V = 2пf . Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведёт к появлению силы, действующей, по правилу Ленца, в направлении перемещения магнитного поля. Ротор — в дальнейшем будем называть его уже вторичным элементом — под действием этой силы начнёт двигаться. Как и в обычном асинхронном двигателе, перемещение элемента происходит с некоторым скольжением относительно поля S = (V — v)/V, где v — скорость движения элемента. Номинальное скольжение линейного двигателя равно 2-6%. Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Одно из достоинств линейного асинхронного двигателя заключается в том, что в качестве вторичного элемента может использоваться обычный металлический лист. Вторичный элемент при этом может располагаться также между двумя статорами, или между статором и ферромагнитным сердечником. Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, причём использование немагнитного вторичного элемента предполагает применение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через ферромагнитные элементы. Принцип действия линейных двигателей со вторичным элементом в виде полосы повторяет работу обычного асинхронного двигателя с массивным ферромагнитным или полым немагнитным ротором. Обмотки статора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются обычно к сети трёхфазного переменного тока. Линейные двигатели очень часто работают в так называемом обращённом режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое применение на электрическом транспорте. Например, статор неподвижно закреплён под полом вагона, а вторичный элемент представляет собой металлическую полосу между рельс, а иногда вторичным элементом служат сами рельсы. Одной из разновидностей линейных асинхронных двигателей являются трубчатый (коаксиальный) двигатель. Статор такого двигателя имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки (обмотки статора) и металлические шайбы, являющиеся частью магнитопровода. Катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала. При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуцирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создаёт на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закреплённом статоре) движение вторичного элемента в этом направлении. Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным направлением магнитного потока во вторичном элементе в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление.

Синхронный линейный двигатель

Схема синхронного линейного двигателя.

Основной областью применения синхронных двигателей, где их преимущества проявляются особенно сильно, является высокоскоростной электрический транспорт. Дело в том, что по условиям нормальной эксплуатации такого транспорта необходимо иметь сравнительно большой воздушный зазор между подвижной частью и вторичным элементом. Асинхронный линейный двигатель имеет при этом очень низкий коэффициент мощности (cosφ), и его применение оказывается экономически невыгодным. Синхронный линейный двигатель, напротив, допускает наличие относительно большого воздушного зазора между статором и вторичным элементом и работает при этом с cosφ, близким к единице, и высоким КПД, достигающим 96%. Применение синхронных линейных двигателей в высокоскоростном транспорте сочетается, как правило, с магнитной подвеской вагонов и применением сверхпроводящих магнитов и обмоток возбуждения, что позволяет повысить комфортабельность движения и экономические показатели работы подвижного состава.

Применение линейных двигателей

• Широкое применение линейные двигатели нашли в электрическом транспорте, чему способствовал целый ряд преимуществ этих двигателей: прямолинейность движения вторичного элемента (или статора), что естественно сочетается с характером движения различных транспортных средств, простота конструкции, отсутствие трущихся частей (энергия магнитного поля непосредственно преобразуется в механическую), что позволяет добиться высокой надёжности и КПД. Ещё одно преимущество связано с независимостью силы тяги от силы сцепления колёс с рельсовым путём, что недостижимо для обычных систем электрической тяги. При использовании линейных двигателей исключается буксование колёс электрического транспорта (именно этой причиной был обусловлен выбор линейного двигателя для ММТС), а ускорения и скорости движения средств транспорта могут быть сколь угодно высокими и ограничиваться только комфортабельностью движения, допустимой скоростью качения колёс по рельсовому пути и дороге, и динамической устойчивостью ходовой части транспорта и пути.
• Линейные асинхронные двигатели применяются для привода механизмов транспортировки грузов различных изделий. Такой конвейер имеет металлическую ленту, которая проходит внутри статоров линейного двигателя, являясь вторичным элементом. Применение линейного двигателя в этом случае позволяет снизить предварительное натяжение ленты и устранить её проскальзывание, повысить скорость и надёжность работы конвейера.
• Линейный двигатель может применяться для машин ударного действия, например сваезабивных молотов, применяемых при дорожных работах и строительстве. Статор линейного двигателя располагается на стреле молота и может перемещаться по направляющим стрелы в вертикальном направлении с помощью лебёдки. Ударная часть молота является одновременно вторичным элементом двигателя. Для подъёма ударной части молота двигатель включается таким образом, чтобы бегущее поле было направлено вверх. При подходе ударной части к крайнему верхнему положению двигатель отключается и ударная часть опускается вниз на сваю под действием силы тяжести. В некоторых случаях двигатель не отключается, а реверсируется, что позволяет увеличить энергию удара. По мере заглубления сваи статор двигателя перемещается вниз с помощью лебёдки. Электрический молот прост в изготовлении, не требует повышенной точности изготовления деталей, нечувствителен к изменению температуры и может вступать в работу практически мгновенно.
• Линейный двигатель показал высокие характеристики и на металлорежущем оборудовании. Так на шлифовальных станках 3В130Ф4 установлен именно линейный двигатель для изменения положения бабки шлифовальной. На электроэрозионных станках и станках лазерной резки, так же устанавливают линейные двигатели
• Станки для набор электрических схем также требуют решений на линейных двигателях.
• Разновидностью линейного двигателя можно считать магнитогидродинамический насос. Такие насосы применяются для перекачки электропроводящих жидкостей и в том числе жидких металлов, и широко применяются в металлургии для транспортировки, дозировки и перемешивания жидкого металла, а также на атомных электростанциях для перекачки жидкометаллического теплоносителя. Магнитогидродинамические насосы могут быть постоянного или переменного тока. Для насоса постоянного тока первичным элементом — статором двигателя постоянного тока — является С-образный электромагнит. В воздушный зазор электромагнита помещается трубопровод с жидким металлом. С помощью электродов, приваренных к стенкам трубопровода, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего источника. Часто обмотка возбуждения включается последовательно в цепь электродов. При возбуждении электромагнита на металл в зоне прохождения постоянного тока начинает действовать электромагнитная сила аналогично тому, как она действовала на проводник с током, помещённым в магнитное поле. Под действием этой силы металл начнёт перемещаться по трубопроводу. Преимуществами МГД-насосов являются отсутствие движущихся механических частей и возможность герметизации канала транспортировки металла.
• Вертикальные линейные двигатели используются для лифтов в высотных зданиях, что позволяет обойтись без затраты энергии на подъём троса кабины лифта.

Линейные двигатели высокого и низкого ускорения

Все линейные двигатели можно разделить на две категории:

• двигатели низкого ускорения
• двигатели высокого ускорения

Двигатели низкого ускорения используются в общественном транспорте (маглев, монорельс, метрополитен) как тяговые, а также в станках (лазерных, водорезных, сверлильно-фрезерных) и другом технологическом оборудовании в промышленности. Двигатели высокого ускорения весьма небольшие по длине, и обычно применяются, чтобы разогнать объект до высокой скорости, а затем выпустить его (см. пушка Гаусса). Они часто используются для исследований гиперскоростных столкновений, а также, гипотетически, могут использоваться в специальных устройствах, таких, как оружие или пусковые установки космических кораблей.

Линейные двигатели широко используются также в приводах подачи металлорежущих станков и в робототехнике. Для повышения точности позиционирования часто используются линейные датчики положения.

1. Линейные асинхронные двигатели — Принцип действия
2. Линейные электродвигатели

Ссылки

• Построение модели линейного асинхронного двигателя с помощью программы «ELCUT» и «FEMLAB»
• Современное программное обеспечение для моделирования линейных асинхронных двигателей
• Создание уточненной математической модели линейного асинхронного электродвигателя
• Конструкции электрических машин

Для улучшения этой статьи желательно: Проставив сноски, внести более точные указания на источники. Найти и оформить в виде сносок ссылки на независимые авторитетные источники, подтверждающие написанное.

DC против двигателей переменного тока

Двигатели постоянного или постоянного тока работают в определенных ситуациях, когда скорость двигателя должна контролироваться извне. С другой стороны, электродвигатели переменного или переменного тока используются в совершенно другом процессе, используя тип используемого электродвигателя переменного тока.

Двигатели постоянного тока обычно характеризуют постоянный и стандартный ток. Это были первые в истории используемые двигатели, самые ранние формы, в то время как однофазные двигатели переменного тока точно называются двигателями общего назначения, которые могут использоваться в различных ситуациях, независимо от качества тока.

Электродвигатели переменного тока работают очень хорошо для жестких систем, так как они нуждаются в большой мощности. С другой стороны, двигатели постоянного тока не работают так хорошо при производстве электроэнергии в течение продолжительных периодов времени.

Два основных типа двигателей постоянного тока,

• Электродвигатели постоянного тока с щетками: этот конкретный двигатель способен генерировать качающий ток в арматуре или раневом роторе с помощью распределителя с раздельным кольцом с магнитным статором.
• Двигатели постоянного тока без щетки: в этом двигателе имеется механический поворотный переключатель или внешний электронный переключатель, расположенный только на месте двигателя.

Электродвигатели переменного тока также имеют два основных типа:

• Синхронные двигатели переменного тока: он начинает вращаться только тогда, когда попадает под-кратное частоты подачи или частоты подачи. Магнитное поле ротора является результатом тока кольца скольжения или некоторого постоянного магнита.
• Индукционные двигатели переменного тока: это немного медленнее, чем стандартная частота питания. Магнитное поле на роторе в этом случае работает с помощью индуцированного тока.

В этом случае двигатели постоянного тока запускаются самостоятельно и не требуют внешней помощи, в то время как двигатели переменного тока требуют эффективного пускового оборудования для начала работы. Кроме того, двигатели постоянного тока являются однофазными двигателями, в то время как двигатели переменного тока имеют как 1, так и 3 фазы. Хотя двигатели постоянного и переменного тока работают по одному и тому же принципу обмотки якоря и магнитного поля, все же в первом арматура вращается, а магнитное поле остается неподвижным, тогда как в двигателях переменного тока якорь остается неподвижным, а магнитное поле продолжает вращаться.

Резюме: 1. Электродвигатели постоянного тока являются двигателями постоянного тока, в то время как электродвигатели переменного тока являются двигателями переменного тока. Двигатели 2.DC обычно характеризуют постоянный и стандартный ток, когда двигатели переменного тока используются в различных ситуациях независимо от качества тока. Двигатели 3.DC запускаются самостоятельно, в то время как двигатели переменного тока требуют эффективного пускового оборудования.