Линейные двигатели распространяются. Они обеспечивают машинам высочайшую точность и динамические характеристики.

Линейные двигатели очень быстры и точны для позиционирования, но также способны работать на медленной постоянной скорости для головок машин и направляющих, а также систем обработки инструментов и деталей. Различные приложения — лазерная хирургия, визуальный контроль, а также обработка бутылок и багажа — используют линейные двигатели, поскольку они чрезвычайно надежны, требуют минимального обслуживания и улучшают производственные циклы.

Более высокая скорость и сила

Линейные двигатели напрямую соединены с нагрузкой, что исключает множество соединительных компонентов — механические муфты, шкивы, зубчатые ремни, шариковые винты, цепные приводы, реечные передачи и шестерни, и это лишь некоторые из них. Это, в свою очередь, снижает затраты и даже люфт. Линейные двигатели также обеспечивают постоянное движение, точное позиционирование для сотен миллионов циклов и более высокие скорости.

Типичные скорости, достижимые с помощью линейных двигателей, различаются: машины для подъема и перемещения (которые выполняют много коротких перемещений) и контрольно-измерительное оборудование используютлинейные шаговые двигателисо скоростью до 60 дюймов/сек; летучие ножницы и подъемно-транспортные машины, которые выполняют более длинные перемещения, используютбеззубчатый бесщеточныйлинейные двигатели для скоростей до 200 дюймов/сек; американские горки, пусковые установки для транспортных средств и средства передвижения людей используют линейные двигателииндукция переменного токадвигатели для достижения скорости до 2000 дюймов/сек.

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

Каждое приложение представляет различные проблемы; однако, как правило, системы перемещения деталей используют линейные шаговые двигатели с усилием до 220 Н или 50 фунтов; полупроводниковая, лазерная резка, гидроабразивная резка и робототехника используют бесщеточные двигатели без зубьев до 2500 Н; конвейерные системы используют линейные асинхронные двигатели переменного тока до 2200 Н; а линии передачи и станки используют бесщеточные двигатели с железным сердечником до 14 000 Н. Помните, что каждое приложение отличается, и инженеры по применению, как правило, оказывают помощь на этом этапе спецификации.

Существуют и другие факторы, помимо скорости и силы. Например, конвейерные системы используют линейные асинхронные двигатели переменного тока из-за большой длины хода и преимуществ наличия пассивной вторичной обмотки без постоянных магнитов. Такие приложения, как лазерная хирургия глаза и производство полупроводников, используют бесщеточный cog-free для точности и плавности хода.

Основная операция

Линейные двигатели работают за счет взаимодействия двух электромагнитных сил — того же самого базового взаимодействия, которое создает крутящий момент в роторном двигателе.

Представьте себе разрезание роторного двигателя, а затем его расплющивание: Это дает приблизительное представление о геометрии линейного двигателя. Вместо соединения нагрузки с вращающимся валом для крутящего момента, нагрузка соединяется с плоской движущейся машиной для линейного движения 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 вращающуюся шаговую систему: соединенную с шарико-винтовой парой с шагом 5 оборотов на дюйм, точность составляет приблизительно от 0,004 до 0,008 дюйма или от 0,1 до 0,2 мм. Вращающаяся система, приводимая в действие серводвигателем, имеет точность от 0,001 до 0,0001 дюйма.

Напротив, линейный двигатель, соединенный напрямую с нагрузкой, обеспечивает точность в диапазоне от 0,0007 до 0,000008 дюйма. Обратите внимание, что в эти цифры не включены люфт муфты и шарико-винтовой передачи, а они еще больше снижают точность роторных систем.

Относительная точность варьируется: типичный роторный шаговый двигатель, который мы здесь подробно описываем, все еще может позиционировать точно в пределах диаметра человеческого волоса. При этом сервоприводы улучшают это до 80 раз, в то время как линейный двигатель может улучшить это еще больше — до 500 раз меньше диаметра человеческого волоса.

Иногда обслуживание и стоимость (в течение срока службы оборудования) являются более важными факторами, чем точность. Линейные двигатели здесь тоже преуспевают: расходы на обслуживание обычно снижаются при использовании линейных двигателей, поскольку бесконтактные детали улучшают работу машины и увеличивают среднее время между отказами. Кроме того, нулевой люфт линейных двигателей устраняет удары, что еще больше продлевает срок службы машины. Другие преимущества: время между циклами обслуживания может быть увеличено, что обеспечивает больший рабочий поток. Меньше обслуживания и вовлеченного персонала улучшают конечный результат — прибыль — и снижают стоимость владения в течение срока службы оборудования.

Преимущества по сравнению

Приложения требуют линейного движения. Если используется роторный двигатель, то необходим механический механизм преобразования для преобразования вращательного движения в линейное. Здесь проектировщики выбирают механизм преобразования, наиболее подходящий для приложения, при этом минимизируя ограничения.

• Линейный двигатель против ременного и шкивного:Чтобы получить линейное движение от вращающегося двигателя, распространенным подходом является использование ремня и шкива. Обычно сила тяги ограничивается прочностью ремня на разрыв; быстрые запуски и остановки могут вызвать растяжение ремня и, следовательно, резонанс, что приводит к увеличению времени установления. Механическое наматывание, люфт и растяжение ремня также снижают повторяемость, точность и производительность машины. Поскольку скорость и повторяемость являются названием игры в серводвижении, это не лучший выбор. Там, где конструкция ременного шкива может достигать 3 м/с, линейная может достигать 10 м/с. Без какого-либо люфта или наматывания линейные двигатели с прямым приводом дополнительно повышают повторяемость и точность.
• Линейный двигатель против реечного привода:Реечные передачи обеспечивают большую тягу и механическую жесткость, чем конструкции с ремнем и шкивом. Однако двунаправленный износ с течением времени приводит к сомнительной повторяемости и неточности — основным недостаткам этого механизма. Люфт не позволяет обратной связи двигателя определять фактическое положение нагрузки, что приводит к нестабильности — и вызывает более низкие коэффициенты усиления и более медленную общую производительность. Напротив, машины, работающие на линейных двигателях, быстрее и позиционируют точнее.
• Линейный двигатель против шарико-винтовой передачи:Наиболее распространенный подход к преобразованию вращательного движения в линейное — использование ходового или шарико-винтового привода. Они недороги, но менее эффективны: ходовые винты обычно 50% или меньше, а шарико-винтовые — около 90%. Сильное трение создает тепло, а длительный износ снижает точность. Расстояние перемещения ограничено механически. Кроме того, линейные пределы скорости могут быть расширены только за счет увеличения шага, но это ухудшает позиционное разрешение; чрезмерно высокая скорость вращения также может привести к биению винтов, что приводит к вибрации. Линейные двигатели обеспечивают длинный, неограниченный ход. С энкодером на нагрузке долговременная точность обычно составляет ±5 мкм/300 мм.

Основные типы линейных двигателей

Поскольку существуют различные технологии роторных двигателей, также существуют и несколько типов линейных двигателей: шаговые, бесщеточные и линейные индукционные двигатели переменного тока и т. д. Обратите внимание, что линейная технология использует приводы (усилители), а также позиционеры (контроллеры движения) и устройства обратной связи (такие как датчики Холла и энкодеры), которые обычно доступны в промышленности.

Во многих конструкциях используются индивидуальные линейные двигатели, но обычно подходят и стандартные конструкции.

Бесщеточные линейные двигатели с железным сердечникомхарактеризуются стальными пластинами в движущейся силе для направления магнитного потока. Этот тип двигателя имеет более высокие номинальные значения силы и более эффективен, но весит в три-пять раз больше, чем двигатели без зубцов сопоставимого размера. Неподвижная пластина состоит из многополюсных переменнополярных постоянных магнитов, прикрепленных к никелевой холоднокатаной стальной пластине. Однако стальные пластины на движущейся силе реагируют с магнитами на неподвижной пластине, которые развивают «притягивающую» силу и демонстрируют небольшое количество зубцов или пульсаций, когда двигатель перемещается из одного магнитного поля в другое, 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 высокой силой и прерывистым рабочим циклом, перемещающих очень тяжелые грузы, например, в линиях передачи и станках; они рассчитаны на неограниченный ход и могут включать несколько подвижных плит с перекрывающимися траекториями.

Бесщеточные двигатели без зубчатых колесимеют узел катушки в подвижном усилителе без стальных пластин. Катушка состоит из проволоки, эпоксидной смолы и немагнитной опорной конструкции. Этот блок намного легче по весу. Базовая конструкция производит меньшее количество силы, поэтому на неподвижную дорожку вставляются дополнительные магниты (для увеличения силы), а дорожка имеет форму U с магнитами по обе стороны от этой U. Усилитель вставляется в середину U.

Эти двигатели подходят для приложений, требующих плавной работы без магнитного зацепления, например, сканирующего или инспекционного оборудования. Их более высокие ускорения полезны при захвате и размещении полупроводников, сортировке чипов и дозировании припоя и клея. Эти двигатели рассчитаны на неограниченный ход.

Линейные шаговые двигателидоступны уже давно; движущая сила состоит из ламинированных стальных сердечников с точными прорезями и зубцами, одного постоянного магнита и катушек, вставленных в ламинированный сердечник. (Обратите внимание, что две катушки дают двухфазный шаговый двигатель.) Эта сборка заключена в алюминиевый корпус.

Неподвижная плита состоит из фотохимически протравленных зубцов на стальном стержне, отшлифованном и никелированном. Это может быть сложено встык на неограниченную длину. Двигатель поставляется в комплекте с форсункой, подшипниками и плитой. Сила притяжения от магнита используется в качестве предварительной нагрузки для подшипников; это также позволяет блоку работать в перевернутом положении для различных применений.

Асинхронные двигатели переменного токасостоят из форсера, который представляет собой узел катушки, состоящий из стальных пластин и фазных обмоток. Обмотки могут быть как однофазными, так и трехфазными. Это позволяет осуществлять прямое управление в режиме онлайн или управление через инвертор или векторный привод. Неподвижная пластина (называемая реактивной пластиной) обычно состоит из тонкого слоя алюминия или меди, наклеенного на холоднокатаную сталь.

После подачи питания на катушку-форсер она взаимодействует с реактивной пластиной и перемещается. Более высокие скорости и неограниченная длина хода являются сильными сторонами этой конструкции; они используются для обработки материалов, перемещения людей, конвейеров и раздвижных 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 реинжинирируются 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 — движение по оси Y. Также возможны несколько сил с перекрывающимися траекториями.

В этих двухплоскостных двигателях неподвижная платформа (или плита) использует новую композитную конструкцию для прочности. Жесткость также улучшена, поэтому прогиб уменьшен на 60–80% по сравнению с предыдущими производственными моделями. Плоскостность плиты превышает 14 микрон на 300 мм для точного перемещения. Наконец: поскольку шаговые двигатели имеют естественную силу притяжения, эта концепция позволяет устанавливать плиту либо лицевой стороной вверх, либо перевернутой, тем самым обеспечивая универсальность и гибкость для приложений.

Еще одно инженерное новшество — водяное охлаждение — увеличивает мощность линейных асинхронных двигателей переменного тока на 25%. Благодаря этому расширению мощности, а также преимуществу неограниченной длины хода, асинхронные двигатели переменного тока обеспечивают высочайшую производительность для многих применений: аттракционы, обработка багажа и перемещение людей. Скорость варьируется (от 6 до 2000 дюймов/сек) с помощью регулируемых скоростных приводов, которые в настоящее время доступны в промышленности.

Еще один двигатель включает неподвижный цилиндрический корпус с линейной подвижной частью для обеспечения движения. Подвижная часть может быть стержнем, состоящим из омедненной стали, подвижной катушкой или подвижным магнитом, как поршень внутри цилиндра.

Эти конструкции обеспечивают преимущества линейного двигателя плюс работают аналогично линейному приводу. Области применения включают биомедицинские колоноскопы, камеры с приводами с длинным затвором, телескопы, требующие гашения вибрации, двигатели фокусировки литографии, переключатели генераторов, которые переключают выключатели для включения генераторов, и прессование продуктов питания — например, при штамповке лепешек.

Полные линейные моторные пакеты или ступени подходят для позиционирования полезных грузов. Они состоят из двигателя, датчика обратной связи, концевых выключателей и кабельного держателя. Возможно штабелирование ступеней для многоосевого движения.

Одним из преимуществ линейных ступеней является их более низкий профиль, что позволяет им вписываться в меньшие пространства по сравнению с обычными позиционерами. Меньшее количество компонентов повышает надежность. Здесь двигатель подключается к обычным приводам. В замкнутом контуре работы контур положения замыкается контроллером движения.

Опять же, помимо стандартных продуктов, есть множество индивидуальных и специальных конструкций. В конце концов, лучше всего проанализировать потребности оборудования с инженером по применению, чтобы определить оптимальный линейный продукт, подходящий для потребностей применения.