Een blik op de verschillende beschikbare lineaire motoren en hoe u het optimale type voor uw toepassing kunt selecteren.
Het volgende artikel is een overzicht van de verschillende soorten lineaire motoren die beschikbaar zijn, inclusief hun werkingsprincipes, ontwikkelingsgeschiedenis van permanente magneten, ontwerpmethoden voor lineaire motoren en industriële sectoren die elk type lineaire motor gebruiken.
Lineaire motortechnologie kan zijn: lineaire inductiemotoren (LIM) of permanente magneet lineaire synchrone motoren (PMLSM).PMLSM kan ijzeren kern of ijzerloos zijn.Alle motoren zijn verkrijgbaar in platte of buisvormige configuratie.Hiwin loopt al 20 jaar voorop op het gebied van ontwerp en productie van lineaire motoren.
Voordelen van lineaire motoren
Een lineaire motor wordt gebruikt voor lineaire beweging, dwz het verplaatsen van een bepaalde lading met een bepaalde versnelling, snelheid, reisafstand en nauwkeurigheid.Alle andere bewegingstechnologieën dan lineaire motoraangedreven zijn een soort mechanische aandrijving om roterende beweging om te zetten in lineaire beweging.Dergelijke bewegingssystemen worden aangedreven door kogelomloopspindels, riemen of tandheugels.De levensduur van al deze aandrijvingen is sterk afhankelijk van de slijtage van de mechanische componenten die worden gebruikt om roterende beweging om te zetten in lineaire beweging en is relatief kort.
Het belangrijkste voordeel van lineaire motoren is om lineaire beweging te bieden zonder enig mechanisch systeem, omdat lucht het transmissiemedium is, daarom zijn lineaire motoren in wezen wrijvingsloze aandrijvingen, die een theoretisch onbeperkte levensduur bieden.Omdat er geen mechanische onderdelen worden gebruikt om een lineaire beweging te produceren, zijn zeer hoge versnellingen en snelheden mogelijk waar andere aandrijvingen zoals kogelomloopspindels, riemen of tandheugel met ernstige beperkingen te maken krijgen.
Lineaire inductiemotoren
Figuur 1
De lineaire inductiemotor (LIM) was de eerste die werd uitgevonden (Amerikaans octrooi 782312 - Alfred Zehden in 1905).Het bestaat uit een "primaire" bestaande uit een stapel elektrische stalen lamellen en een aantal koperen spoelen die worden gevoed door een driefasige spanning en een "secundaire" die meestal bestaat uit een stalen plaat en een koperen of aluminium plaat.
Wanneer de primaire spoelen worden bekrachtigd, wordt de secundaire spoel gemagnetiseerd en wordt er een veld van wervelstromen gevormd in de secundaire geleider.Dit secundaire veld zal dan interageren met de primaire back-EMF om kracht te genereren.De bewegingsrichting zal de linkerhandregel van Fleming volgen, dwz;de bewegingsrichting staat loodrecht op de richting van de stroom en de richting van het veld / de flux.
Fig. 2
Lineaire inductiemotoren bieden het voordeel van zeer lage kosten omdat de secundaire geen permanente magneten gebruikt.NdFeB en SmCo permanente magneten zijn erg duur.Lineaire inductiemotoren gebruiken zeer gangbare materialen (staal, aluminium, koper) voor hun secundaire en elimineren dit leveringsrisico.
Het nadeel van het gebruik van lineaire inductiemotoren is echter de beschikbaarheid van aandrijvingen voor dergelijke motoren.Hoewel het heel gemakkelijk is om aandrijvingen voor lineaire motoren met permanente magneet te vinden, is het erg moeilijk om aandrijvingen voor lineaire inductiemotoren te vinden.
Afb. 3
Permanente magneet lineaire synchrone motoren
Lineaire synchrone motoren met permanente magneet (PMLSM) hebben in wezen dezelfde primaire als lineaire inductiemotoren (dwz een set spoelen gemonteerd op een stapel elektrische stalen lamellen en aangedreven door een driefasige spanning).De secundaire wijkt af.
In plaats van een plaat van aluminium of koper die op een plaat van staal is gemonteerd, bestaat de secundaire uit permanente magneten die op een plaat van staal zijn gemonteerd.De magnetisatierichting van elke magneet zal wisselen ten opzichte van de vorige, zoals getoond in Fig. 3.
Het voor de hand liggende voordeel van het gebruik van permanente magneten is het creëren van een permanent veld in de secundaire.We hebben gezien dat kracht wordt gegenereerd op een inductiemotor door de interactie van het primaire veld en het secundaire veld, die alleen beschikbaar is nadat een veld van wervelstromen is gecreëerd in het secundaire veld door de luchtspleet van de motor.Dit zal resulteren in een vertraging die "slip" wordt genoemd en een beweging van de secundaire die niet synchroon loopt met de primaire spanning die aan de primaire spanning wordt geleverd.
Om deze reden worden lineaire inductiemotoren "asynchroon" genoemd.Op een lineaire motor met permanente magneet is de secundaire beweging altijd synchroon met de primaire spanning omdat het secundaire veld altijd en zonder enige vertraging beschikbaar is.Om deze reden worden permanente lineaire motoren "synchroon" genoemd.
Op een PMLSM kunnen verschillende typen permanente magneten worden gebruikt.In de afgelopen 120 jaar is de verhouding van elk materiaal veranderd.Vanaf vandaag gebruiken PMLSM's NdFeB-magneten of SmCo-magneten, maar de overgrote meerderheid gebruikt NdFeB-magneten.Fig. 4 toont de geschiedenis van de ontwikkeling van permanente magneten.
Afb. 4
Magneetsterkte wordt gekenmerkt door zijn energieproduct in Megagauss-Oersteds, (MGOe).Tot het midden van de jaren tachtig waren alleen staal, ferriet en alnico verkrijgbaar, die zeer energiezuinige producten leverden.SmCo-magneten werden begin jaren zestig ontwikkeld op basis van werk van Karl Strnat en Alden Ray en werden later eind jaren zestig op de markt gebracht.
Afb. 5
Het energieproduct van SmCo-magneten was aanvankelijk meer dan het dubbele van het energieproduct van Alnico-magneten.In 1984 ontwikkelden General Motors en Sumitomo onafhankelijk van elkaar NdFeB-magneten, een verbinding van neodynium, ijzer en boor.Een vergelijking van SmCo- en NdFeB-magneten wordt getoond in Fig. 5.
NdFeB-magneten ontwikkelen een veel hogere kracht dan SmCo-magneten, maar zijn veel gevoeliger voor hoge temperaturen.SmCo-magneten zijn ook veel beter bestand tegen corrosie en lage temperaturen, maar zijn duurder.Wanneer de bedrijfstemperatuur de maximale temperatuur van de magneet bereikt, begint de magneet te demagnetiseren en deze demagnetisatie is onomkeerbaar.Als de magneet de magnetisatie verliest, verliest de motor kracht en kan hij niet aan de specificaties voldoen.Als de magneet 100% van de tijd onder de maximale temperatuur werkt, blijft zijn kracht bijna voor onbepaalde tijd behouden.
Vanwege de hogere kosten van SmCo-magneten zijn NdFeB-magneten de juiste keuze voor de meeste motoren, vooral gezien de hogere beschikbare kracht.Voor sommige toepassingen waarbij de bedrijfstemperatuur erg hoog kan zijn, verdient het echter de voorkeur om SmCo-magneten te gebruiken om uit de buurt van de maximale bedrijfstemperatuur te blijven.
Ontwerp van lineaire motoren
Een lineaire motor wordt over het algemeen ontworpen via Finite Element Electromagnetic Simulation.Er wordt een 3D-model gemaakt om de lamineerstapel, spoelen, magneten en stalen plaat die de magneten ondersteunt weer te geven.Lucht wordt zowel rond de motor als in de luchtspleet gemodelleerd.Vervolgens worden materiaaleigenschappen ingevoerd voor alle componenten: magneten, elektrisch staal, staal, spoelen en lucht.Vervolgens wordt een mesh gemaakt met behulp van H- of P-elementen en wordt het model opgelost.Vervolgens wordt de stroom toegepast op elke spoel in het model.
Fig. 6 toont de uitvoer van een simulatie waarin flux in tesla wordt weergegeven.De belangrijkste uitvoerwaarde die van belang is voor de simulatie is natuurlijk Motorkracht en zal beschikbaar zijn.Omdat de eindwindingen van de spoelen geen kracht produceren, is het ook mogelijk om een 2D-simulatie uit te voeren door een 2D-model (DXF of ander formaat) van de motor te gebruiken, inclusief lamellen, magneten en stalen plaat die de magneten ondersteunt.De uitvoer van een dergelijke 2D-simulatie zal zeer dicht bij de 3D-simulatie liggen en nauwkeurig genoeg zijn om de motorkracht te beoordelen.
Afb. 6
Een lineaire inductiemotor wordt op dezelfde manier gemodelleerd, hetzij via een 3D- of 2D-model, maar het oplossen zal ingewikkelder zijn dan voor een PMLSM.Dit komt omdat de magnetische flux van de secundaire PMLSM direct na het invoeren van de eigenschappen van de magneet wordt gemodelleerd, waardoor er slechts één oplossing nodig is om alle uitvoerwaarden inclusief motorkracht te verkrijgen.
De secundaire flux van de inductiemotor vereist echter een voorbijgaande analyse (d.w.z. meerdere oplossingen met een bepaald tijdsinterval), zodat de magnetische flux van de secundaire LIM kan worden opgebouwd en alleen dan kan de kracht worden verkregen.De software die wordt gebruikt voor de elektromagnetische eindige-elementensimulatie moet de mogelijkheid hebben om een voorbijgaande analyse uit te voeren.
Lineaire motortrap
Afb. 7
Hiwin Corporation levert lineaire motoren op componentniveau.In dit geval worden alleen de lineaire motor en de secundaire modules geleverd.Voor een PMLSM-motor zullen de secundaire modules bestaan uit stalen platen van verschillende lengtes waarop permanente magneten worden gemonteerd.Hiwin Corporation levert ook complete trappen zoals getoond in Fig. 7.
Zo'n podium omvat een frame, lineaire lagers, de primaire motor, de secundaire magneten, een slede waarop de klant zijn lading kan bevestigen, de encoder en een kabelbaan.Een lineair motorplatform is startklaar bij levering en maakt het leven gemakkelijker omdat de klant geen platform hoeft te ontwerpen en te produceren, waarvoor deskundige kennis vereist is.
Levensduur lineaire motortrap
De levensduur van een lineaire motortrap is aanzienlijk langer dan een trap aangedreven door een riem, kogelomloopspindel of tandheugel.De mechanische componenten van indirect aangedreven trappen zijn meestal de eerste componenten die het begeven vanwege de wrijving en slijtage waaraan ze voortdurend worden blootgesteld.Een lineaire motortrap is een directe aandrijving zonder mechanisch contact of slijtage omdat het transmissiemedium lucht is.Daarom zijn de enige componenten die kunnen falen op een lineaire motortrap de lineaire lagers of de motor zelf.
De lineaire lagers hebben doorgaans een zeer lange levensduur omdat de radiale belasting zeer laag is.De levensduur van de motor is afhankelijk van de gemiddelde bedrijfstemperatuur.Afbeelding 8 toont de levensduur van de motorisolatie als functie van de temperatuur.De regel is dat de levensduur wordt gehalveerd voor elke 10 graden Celsius dat de bedrijfstemperatuur boven de nominale temperatuur ligt.Een motor met isolatieklasse F zal bijvoorbeeld 325.000 uur draaien bij een gemiddelde temperatuur van 120°C.
Daarom wordt verwacht dat een lineaire motortrap een levensduur van meer dan 50 jaar zal hebben als de motor conservatief wordt geselecteerd, een levensduur die nooit kan worden bereikt met door een riem, kogelomloopspindel of tandheugel aangedreven trappen.
Afb. 8
Toepassingen voor lineaire motoren
Lineaire inductiemotoren (LIM) worden meestal gebruikt in toepassingen met een lange slaglengte en waar zeer hoge kracht vereist is in combinatie met zeer hoge snelheden.De reden voor het kiezen van een lineaire inductiemotor is dat de kosten van de secundaire motor aanzienlijk lager zullen zijn dan bij gebruik van een PMLSM en bij zeer hoge snelheden is de efficiëntie van de lineaire inductiemotor erg hoog, zodat er weinig vermogen verloren gaat.
EMALS (Electromagnetic Launch Systems), gebruikt op vliegdekschepen om vliegtuigen te lanceren, maken bijvoorbeeld gebruik van lineaire inductiemotoren.Het eerste dergelijke lineaire motorsysteem werd geïnstalleerd op het vliegdekschip USS Gerald R. Ford.De motor kan een vliegtuig van 45.000 kg versnellen met 240 km/u op een baan van 91 meter.
Nog een voorbeeld van pretparkritten.De lineaire inductiemotoren die op sommige van deze systemen zijn geïnstalleerd, kunnen zeer hoge ladingen versnellen van 0 tot 100 km/u in 3 seconden.Lineaire inductiemotortrappen kunnen ook worden gebruikt op RTU's (Robot Transport Units).De meeste RTU's gebruiken tandheugel- en rondselaandrijvingen, maar een lineaire inductiemotor kan hogere prestaties, lagere kosten en een veel langere levensduur bieden.
Synchrone motoren met permanente magneet
PMLSM's worden meestal gebruikt bij toepassingen met veel kleinere slagen, lagere snelheden maar een hoge tot zeer hoge nauwkeurigheid en intensieve inschakelduur.De meeste van deze toepassingen zijn te vinden in de AOI (Automated Optical Inspection), halfgeleider- en lasermachine-industrie.
De selectie van lineaire motoraangedreven trappen (directe aandrijving) biedt aanzienlijke prestatievoordelen ten opzichte van indirecte aandrijvingen (trappen waarbij lineaire beweging wordt verkregen door roterende beweging om te zetten), voor duurzame ontwerpen en geschikt voor vele industrieën.
Posttijd: 06-02-2023