Лінійний двигун

Лабораторний синхронний лінійний двигун. На задньому плані статор - ряд індукційних котушок, на передньому плані - рухливий вторинний елемент, що містить постійний магніт.
Поїзди Московської монорельсової транспортної системи використовують для руху асинхронний лінійний двигун. Статор розташований на рухомому складі, а вторинним елементом служить монорейка.

Лінійний двигун - електродвигун, у якого один з елементів магнітної системи розімкнений і має розгорнуту обмотку, створює магнітне поле, а інший взаємодіє з ним і виконаний у вигляді направляючої, що забезпечує лінійне переміщення рухомої частини двигуна. Зараз розроблено безліч різновидів (типів) лінійних електродвигунів, наприклад, лінійні асинхронні електродвигуни (ЛАД), лінійні синхронні електродвигуни, лінійні електромагнітні двигуни, лінійні магнітоелектричні двигуни, лінійні магнітострикційні двигуни, лінійні п'єзоелектричні (електрострікціонние) двигуни та ін Багато типів лінійних двигунів, такі як асинхронні, синхронні або постійного струму, повторюють за принципом своєї дії відповідні двигуни обертового руху, в той час як інші типи лінійних двигунів (магнітострикційні, п'єзоелектричні та ін) не мають практичного виконання як двигуни обертового руху. Нерухому частину лінійного електродвигуна, получающую електроенергію з мережі, називають статором, або первинним елементом, а частина двигуна, яка отримує енергію від статора, називають вторинним елементом або якорем (назва " ротор "до деталей лінійного двигуна не застосовується, тому слово" ротор "буквально означає" обертовий ", а в лінійному двигуні обертання немає). Найбільшого поширення в транспорті і для великих лінійних переміщень отримали асинхронні і синхронні лінійні двигуни, але застосовуються також лінійні двигуни постійного струму і лінійні електромагнітні двигуни. Останні найчастіше використовуються для отримання невеликих переміщень робочих органів та забезпечення при цьому високої точності і значних тягових зусиль.


1. Асинхронний лінійний двигун

Уявлення про пристрій лінійного асинхронного двигуна можна отримати, якщо подумки розрізати статор і ротор з обмотками звичайного асинхронного двигуна уздовж осі за твірною і розгорнути в площину. Новоутворена плоска конструкція являє собою принципову схему лінійного двигуна. Якщо тепер обмотки статора такого двигуна підключити до мережі трифазного змінного струму, то утвориться магнітне поле, вісь якого буде переміщатися вздовж повітряного зазору зі швидкістю V, пропорційній частоті живлячої напруги f і довжині полюсного поділу t: V = 2tf. Це перемещающееся уздовж зазору магнітне поле перетинає провідники обмотки ротора і індукує в них ЕРС, під дією якої по обмотці почнуть протікати струми. Взаємодія струмів з магнітним полем призведе до появи сили, що діє, по правилом Ленца, в напрямку переміщення магнітного поля. Ротор - надалі будемо називати його вже вторинним елементом - під дією цієї сили почне рухатися. Як і в звичайному асинхронному двигуні, переміщення елемента відбувається з деяким ковзанням щодо поля S = (V - v) / V, де v - швидкість руху елемента. Номінальне ковзання лінійного двигуна одно 2-6%. [1] Вторинний елемент лінійного двигуна не завжди забезпечується обмоткою. Одна з переваг лінійного асинхронного двигуна полягає в тому, що в якості вторинного елемента може використовуватися звичайний металевий лист. Вторинний елемент при цьому може розташовуватися також між двома статорами, або між статором і феромагнітним сердечником. Вторинний елемент виконується з міді, алюмінію або сталі, причому використання немагнітного вторинного елемента передбачає застосування конструктивних схем із замиканням магнітного потоку через феромагнітні елементи. Принцип дії лінійних двигунів із вторинним елементом у вигляді смуги повторює роботу звичайного асинхронного двигуна з масивним феромагнітним або порожнистим немагнітним ротором. Обмотки статора лінійних двигунів мають ті ж схеми з'єднання, що і звичайні асинхронні двигуни, і підключаються зазвичай до мережі трифазного змінного струму. Лінійні двигуни дуже часто працюють в так званому зверненому режимі руху, коли вторинний елемент нерухомий, а пересувається статор. Такий лінійний двигун, отримав назву двигуна з рухомим статором, знаходить, зокрема, широке застосування на електричному транспорті. Наприклад, статор нерухомо закріплений під підлогою вагона, а вторинний елемент являє собою металеву смугу між рейок, а іноді вторинним елементом служать самі рейки. Одним з різновидів лінійних асинхронних двигунів є трубчастий (коаксіальний) двигун. Статор такого двигуна має вигляд труби, усередині якої розташовуються перемежовуються між собою плоскі дискові котушки (обмотки статора) і металеві шайби, що є частиною магнітопроводу. Котушки двигуна з'єднуються групами і утворюють обмотки окремих фаз двигуна. Всередині статора поміщається вторинний елемент також трубчастої форми, виконаний з феромагнітного матеріалу. При підключенні до мережі обмоток статора уздовж його внутрішньої поверхні утворюється біжить магнітне поле, яке індукує в тілі вторинного елемента струми, спрямовані на його окружності. Взаємодія цих струмів з магнітним полем двигуна створює на вторинному елементі силу, діючу вздовж труби, яка і викликає (при закріпленому статорі) рух вторинного елемента в цьому напрямку. Трубчаста конструкція лінійних двигунів характеризується аксіальним напрямком магнітного потоку у вторинному елементі на відміну від плоского лінійного двигуна, в якому магнітний потік має радіальний напрямок.


2. Синхронний лінійний двигун

Схема синхронного лінійного двигуна.

Основною областю застосування синхронних двигунів, де їх переваги проявляються особливо сильно, є високошвидкісний електричний транспорт. Справа в тому, що за умовами нормальної експлуатації такого транспорту необхідно мати порівняно великий повітряний зазор між рухомою частиною і вторинним елементом. Асинхронний лінійний двигун має при цьому дуже низький коефіцієнт потужності (cosφ), і його застосування виявляється економічно невигідним. Синхронний лінійний двигун, навпаки, допускає наявність щодо великого повітряного зазору між статором і вторинним елементом і працює при цьому з cosφ, близьким до одиниці, і високим ККД, що досягає 96%. Застосування синхронних лінійних двигунів у високошвидкісному транспорті поєднується, як правило, з магнітною підвіскою вагонів і застосуванням надпровідних магнітів і обмоток збудження, що дозволяє підвищити комфортабельність руху та економічні показники роботи рухомого складу.


3. Застосування лінійних двигунів

  • Широке застосування лінійні двигуни знайшли в електричному транспорті, чому сприяв цілий ряд переваг цих двигунів: прямолінійність руху вторинного елемента (або статора), що природно поєднується з характером руху різних транспортних засобів, простота конструкції, відсутність тертьових частин (енергія магнітного поля безпосередньо перетвориться в механічну), що дозволяє добитися високої надійності і ККД. Ще одна перевага пов'язане з незалежністю сили тяги від сили зчеплення коліс з рейковим шляхом, що недосяжно для звичайних систем електричної тяги. При використанні лінійних двигунів виключається буксування коліс електричного транспорту (саме цією причиною був зумовлений вибір лінійного двигуна для ММТС), а прискорення і швидкості руху засобів транспорту можуть бути як завгодно високими і обмежуватися тільки комфортабельністю руху, допустимою швидкістю кочення коліс по рейковому шляху і дороги, і динамічної стійкістю ходової частини транспорту та шляхи.
  • Лінійні асинхронні двигуни застосовуються для приводу механізмів транспортування вантажів різних виробів. Такий конвеєр має металеву стрічку, яка проходить всередині статорів лінійного двигуна, будучи вторинним елементом. Застосування лінійного двигуна в цьому випадку дозволяє знизити попереднє натягнення стрічки та усунути її прослизання, підвищити швидкість і надійність роботи конвеєра.
  • Лінійний двигун може застосовуватися для машин ударної дії, наприклад сваезабівних молотів, застосовуваних при дорожніх роботах та будівництві. Статор лінійного двигуна розташовується на стрілі молота і може переміщатися по напрямних стріли у вертикальному напрямку за допомогою лебідки. Ударна частина молота є одночасно вторинним елементом двигуна. Для підйому ударної частини молота двигун включається таким чином, щоб біжить поле було направлено вгору. При підході ударної частини до крайнього верхнього положення двигун відключається і ударна частина опускається вниз на палю під дією сили тяжіння. У деяких випадках двигун не відключається, а реверсують, що дозволяє збільшити енергію удару. По мірі заглиблення палі статор двигуна переміщується вниз за допомогою лебідки. Електричний молот простий у виготовленні, не вимагає підвищеної точності виготовлення деталей, нечутливий до зміни температури і може вступати в роботу практично миттєво.
  • Різновидом лінійного двигуна можна вважати магнітогідродинамічний насос. Такі насоси застосовуються для перекачування електропровідних рідин і в тому числі рідких металів, і широко застосовуються в металургії для транспортування, дозування і перемішування рідкого металу, а також на атомних електростанціях для перекачування рідкометалевого теплоносія. Магнітогідродинамічні насоси можуть бути постійного або змінного струму. Для насоса постійного струму первинним елементом - статором двигуна постійного струму - є С-подібний електромагніт. У повітряний зазор електромагніту поміщається трубопровід з рідким металом. За допомогою електродів, приварених до стінок трубопроводу, через рідкий метал пропускається постійний струм від зовнішнього джерела. Часто обмотка збудження включається послідовно в ланцюг електродів. При порушенні електромагніта на метал в зоні проходження постійного струму починає діяти електромагнітна сила аналогічно тому, як вона діяла на провідник зі струмом, поміщеним в магнітне поле. Під дією цієї сили метал почне переміщатися по трубопроводу. Перевагами МГД-насосів є відсутність рухомих механічних частин і можливість герметизації каналу транспортування металу. [2]

4. Лінійні двигуни високого і низького прискорення

Всі лінійні двигуни їх можна розділити на дві категорії:

  • двигуни низького прискорення
  • двигуни високого прискорення

Двигуни низької прискорення використовуються в громадському транспорті ( маглев, монорейка, метрополітен) як тягові, а також у верстатах (лазерних, водорезних, свердлильно-фрезерних) і іншому технологічному обладнанні в промисловості. Двигуни високого прискорення вельми невеликі по довжині, і звичайно застосовуються, щоб розігнати об'єкт до високої швидкості, а потім випустити його (див. гармата Гауса). Вони часто використовуються для досліджень гіпершвидкісних зіткнень, а також у спеціальних пристроях, таких, як зброю або пускові установки космічних кораблів [ яких? ] .

Лінійні двигуни широко використовуються також в приводах подачі металорізальних верстатів та в робототехніці. Для підвищення точності позиціювання часто використовуються лінійні датчики положення.


Джерела

  1. Лінійні асинхронні двигуни - Принцип дії
  2. Лінійні електродвигуни