Линейные двигатели становятся все более популярными. Они обеспечивают машинам высочайшую точность и динамические характеристики.

Линейные двигатели очень быстры и точны в позиционировании, но также способны работать на медленной постоянной скорости перемещения головок и направляющих станков, а также систем обработки инструментов и деталей. В различных областях применения — лазерной хирургии, визуальном контроле, обработке бутылок и багажа — используются линейные двигатели, поскольку они чрезвычайно надежны, не требуют особого обслуживания и улучшают производственные циклы.

Более высокая скорость и сила

Линейные двигатели напрямую связаны со своей нагрузкой, что исключает необходимость использования множества соединительных компонентов — механических муфт, шкивов, зубчатых ремней, шариковых винтов, цепных передач, реечных передач и многих других. Это, в свою очередь, снижает затраты и даже обратную реакцию. Линейные двигатели также обеспечивают стабильное движение, точное позиционирование в течение сотен миллионов циклов и более высокие скорости.

Типичные скорости, достижимые с помощью линейных двигателей, различаются: используются машины для захвата и размещения (которые совершают много коротких перемещений) и инспекционное оборудование.линейные шаговые двигателисо скоростями до 60 дюйм/сек; летучие ножницы и машины для захвата и размещения, которые выполняют более длинные перемещения, используютбез зубцов, бесщеточныйлинейные двигатели на скорости до 200 дюйм/сек; Американские горки, средства запуска транспортных средств и средства передвижения людей используют линейныеиндукция переменного токадвигатели для достижения скорости до 2000 дюймов в секунду.

Еще один фактор, определяющий, какая технология линейного двигателя лучше: сила, необходимая для перемещения нагрузки. Нагрузка или масса вместе с профилем ускорения приложения в конечном итоге определяют эту силу.

Каждое приложение представляет собой различные проблемы; однако, как правило, в системах частичной передачи используются линейные шаговые двигатели с усилием до 220 Н или 50 фунтов; полупроводники, лазерная резка, гидроабразивная резка и робототехника используют бесщеточные беззубчатые двигатели до 2500 Н; в конвейерных системах используются линейные асинхронные двигатели переменного тока до 2200 Н; В конвейерных линиях и станках используются бесщеточные двигатели с железным сердечником до 14 000 Н. Имейте в виду, что каждое применение отличается, и инженеры-разработчики приложений обычно оказывают помощь на этом этапе спецификации.

Помимо скорости и силы существуют и другие факторы. Например, в конвейерных системах используются линейные асинхронные двигатели переменного тока из-за их большой длины хода и преимуществ наличия пассивной вторичной обмотки без постоянных магнитов. В таких областях, как лазерная хирургия глаза и производство полупроводников, используется бесщеточный механизм без зубчатых колес, обеспечивающий точность и плавность хода.

Основная операция

Линейные двигатели работают за счет взаимодействия двух электромагнитных сил — того же основного взаимодействия, которое создает крутящий момент во вращающемся двигателе.

Представьте себе, что роторный двигатель разрезается, а затем выравнивается: это дает приблизительное представление о геометрии линейного двигателя. Вместо того, чтобы соединить нагрузку с вращающимся валом для создания крутящего момента, нагрузка соединяется с плоской движущейся тележкой для линейного перемещения и силы. Короче говоря, крутящий момент — это выражение работы, которую обеспечивает роторный двигатель, тогда как сила — это выражение работы линейного двигателя.

Точность

Давайте сначала рассмотрим традиционную роторно-шаговую систему: при соединении с шариковой винтовой парой с шагом 5 оборотов на дюйм точность составляет примерно от 0,004 до 0,008 дюйма, или от 0,1 до 0,2 мм. Вращающаяся система с приводом от серводвигателя имеет точность от 0,001 до 0,0001 дюйма.

Напротив, линейный двигатель, соединенный непосредственно с нагрузкой, дает точность в диапазоне от 0,0007 до 0,000008 дюйма. Обратите внимание, что муфта и люфт ШВП не включены в эти цифры, и они еще больше ухудшают точность вращающихся систем.

Относительная точность варьируется: типичный роторный шаговый двигатель, который мы подробно описываем здесь, все еще может позиционироваться с точностью до диаметра человеческого волоса. Тем не менее, сервоприводы улучшают этот показатель до 80 раз, а линейный двигатель может улучшить этот показатель еще больше — до 500 раз меньше диаметра человеческого волоса.

Иногда техническое обслуживание и стоимость (в течение всего срока службы оборудования) являются более важными факторами, чем точность. Линейные двигатели и здесь превосходны: затраты на техническое обслуживание обычно снижаются при использовании линейных двигателей, поскольку бесконтактные детали улучшают работу машины и увеличивают среднее время наработки на отказ. Кроме того, нулевой люфт линейных двигателей исключает удары, что еще больше продлевает срок службы машины. Другие преимущества: время между циклами технического обслуживания может быть увеличено, что позволяет увеличить рабочий поток. Меньшее количество технического обслуживания и привлеченный персонал улучшают конечный результат — прибыль — и снижают стоимость владения на протяжении всего срока службы оборудования.

Сравнение преимуществ

Приложения требуют линейного перемещения. При использовании роторного двигателя необходим механический механизм преобразования для преобразования вращательного движения в линейное. Здесь дизайнеры выбирают механизм преобразования, наиболее подходящий для приложения и минимизирующий ограничения.

• Линейный двигатель по сравнению с ремнем и шкивом:Чтобы получить линейное движение от роторного двигателя, обычно используют ремень и шкив. Обычно сила тяги ограничивается прочностью ремня на растяжение; быстрые старты и остановки могут вызвать растяжение ремня и, следовательно, резонанс, что приведет к увеличению времени стабилизации. Механическое накручивание, люфт и растяжение ремня также снижают повторяемость, точность и производительность машины. Поскольку в серводвижении главное — скорость и повторяемость, это не лучший выбор. Если конструкция ременного шкива может достигать скорости 3 м/сек, то линейная может достигать 10 м/сек. Линейные двигатели с прямым приводом, лишенные люфта и раскручивания, еще больше повышают повторяемость и точность.
• Линейный двигатель против реечного механизма:Реечные и шестерни обеспечивают большую тягу и механическую жесткость, чем конструкции с ремнем и шкивом. Однако двунаправленный износ со временем приводит к сомнительной повторяемости и неточностям — основным недостаткам этого механизма. Люфт не позволяет обратной связи двигателя определить фактическое положение нагрузки, что приводит к нестабильности, а также к снижению коэффициента усиления и снижению общей производительности. Напротив, машины с линейными двигателями работают быстрее и позиционируют более точно.
• Линейный двигатель против ШВП:Самый распространенный подход к преобразованию вращательного движения в линейное — использование ходовой или шариковой винтовой пары. Они недороги, но менее эффективны: ходовые винты обычно составляют 50% или меньше, а ШВП — около 90%. Высокое трение приводит к нагреву, а длительный износ снижает точность. Дальность перемещения ограничена механически. Кроме того, пределы линейной скорости можно расширить только за счет увеличения шага, но это ухудшает позиционное разрешение; слишком высокая скорость вращения также может привести к биению винтов, что приведет к вибрации. Линейные двигатели обеспечивают длительный и неограниченный ход. При использовании энкодера на нагрузке долговременная точность обычно составляет ±5 мкм/300 мм.

Основные типы линейных двигателей

Поскольку существуют различные технологии роторных двигателей, существует также несколько типов линейных двигателей: шаговые, бесщеточные, линейные индукционные двигатели переменного тока и другие. Обратите внимание, что в линейной технологии используются приводы (усилители), а также позиционеры (контроллеры движения) и устройства обратной связи (такие как датчики Холла и энкодеры), обычно доступные в промышленности.

Во многих конструкциях можно использовать нестандартные линейные двигатели, но обычно подходят стандартные конструкции.

Бесщеточные линейные двигатели с железным сердечникомхарактеризуются пластинчатой ​​сталью в движущейся силе для направления магнитного потока. Этот тип двигателя имеет более высокие номинальные усилия и более эффективен, но весит в три-пять раз больше, чем беззубчатые двигатели аналогичного размера. Стационарная плита состоит из многополюсных постоянных магнитов с переменной полярностью, прикрепленных к пластине из никелевой холоднокатаной стали. Однако стальные пластины на движущемся силе реагируют с магнитами на неподвижной плите, которые создают «притягивающую» силу и демонстрируют небольшое количество заеданий или пульсаций, когда двигатель перемещается от одного магнитного поля к другому, что приводит к изменениям скорости.

Эти двигатели развивают большую пиковую силу, имеют большую тепловую массу и большую тепловую постоянную времени — поэтому подходят для приложений с высокими усилиями и прерывистым рабочим циклом, перемещающих очень тяжелые грузы, например, в конвейерных линиях и станках; они рассчитаны на неограниченное перемещение и могут включать в себя несколько движущихся плит с перекрывающимися траекториями.

Бесщеточные беззубчатые двигателииметь катушку в движущемся силовом элементе без стальных пластин. Катушка состоит из проволоки, эпоксидной смолы и немагнитной опорной конструкции. Этот агрегат намного легче по весу. Базовая конструкция создает меньшую силу, поэтому на неподвижную направляющую вставляются дополнительные магниты (чтобы увеличить силу), а направляющая имеет U-образную форму с магнитами на каждой стороне этой U. Силизатор вставляется в середину U. .

Эти двигатели подходят для применений, требующих плавной работы без магнитных зубцов, таких как сканирующее или инспекционное оборудование. Их более высокие ускорения полезны при сборе и размещении полупроводников, сортировке чипов, а также при нанесении припоя и клея. Эти моторы рассчитаны на неограниченное количество поездок.

Линейные шаговые двигателибыли доступны в течение длительного времени; Движущая сила состоит из ламинированных стальных сердечников с точными прорезями с зубцами, одного постоянного магнита и катушек, вставленных в ламинированный сердечник. (Обратите внимание, что две катушки образуют двухфазный шаговый двигатель.) Этот узел заключен в алюминиевый корпус.

Стационарная плита состоит из фотохимически травленных зубьев на стальном стержне, отшлифованного и никелированного. Их можно складывать встык неограниченной длины. Двигатель поставляется в комплекте с силой, подшипниками и валиком. Сила притяжения магнита используется в качестве предварительной нагрузки подшипников; это также позволяет эксплуатировать устройство в перевернутом положении для различных применений.

Асинхронные двигатели переменного токасостоят из форсатора, который представляет собой катушку, состоящую из стальных пластин и фазовых обмоток. Обмотки могут быть как однофазными, так и трехфазными. Это позволяет осуществлять прямое онлайн-управление или управление через инвертор или векторный привод. Неподвижная плита (называемая реакционной плитой) обычно состоит из тонкого слоя алюминия или меди, приклеенного к холоднокатаной стали.

Как только на силовую катушку подается питание, она взаимодействует с реактивной пластиной и начинает двигаться. Более высокие скорости и неограниченная длина хода — сильные стороны этой конструкции; они используются для погрузочно-разгрузочных работ, перемещения людей, конвейеров и откатных ворот.

Новые концепции дизайна

Некоторые из последних усовершенствований конструкции были реализованы посредством реинжиниринга. Например, некоторые линейные шаговые двигатели (первоначально разработанные для обеспечения движения в одной плоскости) теперь модернизированы для обеспечения движения в двух плоскостях — для движения XY. Здесь движущая сила состоит из двух линейных шаговых двигателей, установленных ортогонально под углом 90°, так что один обеспечивает движение по оси X, а другой обеспечивает движение по оси Y. Также возможны несколько форсеров с перекрывающимися траекториями.

В этих двухплоскостных двигателях стационарная платформа (или валик) имеет новую композитную конструкцию, обеспечивающую прочность. Жесткость также улучшена, поэтому прогиб уменьшен на 60–80 % по сравнению с предыдущими серийными моделями. Плоскостность плиты превышает 14 микрон на 300 мм для точного перемещения. Наконец: поскольку шаговые двигатели обладают естественной силой притяжения, эта концепция позволяет устанавливать плиту как лицевой стороной вверх, так и перевернутой, что обеспечивает универсальность и гибкость для различных применений.

Еще одно инженерное новшество — водяное охлаждение — увеличивает силовую мощность линейных асинхронных двигателей на 25%. Благодаря расширению возможностей, а также неограниченной длине хода асинхронные двигатели переменного тока обеспечивают высочайшую производительность во многих сферах применения: аттракционы, обработка багажа и перевозка людей. Скорость регулируется (от 6 до 2000 дюймов в секунду) с помощью приводов с регулируемой скоростью, доступных в настоящее время в промышленности.

Еще один двигатель включает в себя неподвижный цилиндрический корпус с линейно движущейся частью для обеспечения движения. Движущейся частью может быть стержень, состоящий из плакированной медью стали, подвижная катушка или движущийся магнит, например поршень внутри цилиндра.

Эти конструкции обеспечивают преимущества линейного двигателя, а также работают аналогично линейному приводу. Приложения включают в себя биомедицинскую колоноскопию, камеры с приводами с длинным затвором, телескопы, требующие гашения вибраций, литографические фокусирующие двигатели, переключатели генераторов, которые включают выключатели для включения генераторов, а также прессование пищевых продуктов — например, при штамповке лепешек.

Полные комплекты или ступени линейных двигателей подходят для позиционирования полезных нагрузок. Они состоят из двигателя, датчика обратной связи, концевых выключателей и держателя кабеля. Можно складывать этапы для многоосного движения.

Одним из преимуществ линейных ступеней является их меньший профиль, что позволяет им размещаться в меньшем пространстве по сравнению с обычными позиционерами. Меньшее количество компонентов обеспечивает повышенную надежность. Здесь двигатель подключен к штатным приводам. При работе с обратной связью контур положения замыкается контроллером движения.

Опять же, помимо стандартной продукции, существует множество нестандартных и специальных дизайнов. В конце концов, лучше всего обсудить потребности в оборудовании с инженером по применению, чтобы определить оптимальный линейный продукт, соответствующий потребностям применения.