Линейные двигатели получают всё большее распространение. Они обеспечивают машинам высочайшую точность и динамические характеристики.

Линейные двигатели обеспечивают очень быстрое и точное позиционирование, но также способны обеспечивать медленное и постоянное перемещение головок и направляющих станков, а также систем перемещения инструментов и деталей. Линейные двигатели используются в самых разных областях — лазерной хирургии, визуальном контроле, транспортировке бутылок и багажа — благодаря своей исключительной надежности, минимальной потребности в обслуживании и оптимизации производственных циклов.

Более высокая скорость и сила

Линейные двигатели напрямую соединены с нагрузкой, что исключает необходимость в множестве соединительных компонентов — механических муфтах, шкивах, зубчатых ремнях, шарико-винтовых передачах, цепных приводах, реечных передачах и т.д. Это, в свою очередь, снижает затраты и даже люфт. Линейные двигатели также обеспечивают равномерное движение, точное позиционирование в течение сотен миллионов циклов и более высокие скорости.

Типичные скорости, достигаемые с помощью линейных двигателей, различаются: подъемно-транспортные машины (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, используютбесщеточный без зубцовлинейные двигатели для скоростей до 200 дюймов/сек; американские горки, пусковые установки транспортных средств и средства перемещения людей используют линейные двигателииндукция переменного токадвигатели для достижения скорости до 2000 дюймов/сек.

Ещё один фактор, определяющий наилучшую технологию линейного двигателя: сила, необходимая для перемещения нагрузки. В конечном счёте, эта сила определяется нагрузкой или массой, а также профилем ускорения.

Каждое применение представляет собой различные сложности. Однако, как правило, в системах перемещения деталей используются линейные шаговые двигатели с усилием до 220 Н или 50 фунтов; в производстве полупроводников, лазерной и гидроабразивной резке, а также в робототехнике используются бесщеточные двигатели без зубьев до 2500 Н; в конвейерных системах используются линейные асинхронные двигатели переменного тока до 2200 Н; а в автоматических линиях и станках используются бесщеточные двигатели с железным сердечником до 14 000 Н. Следует помнить, что каждое применение отличается, и инженеры-прикладники производителей, как правило, 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 большой длины хода и преимуществ пассивной вторичной обмотки без постоянных магнитов. В таких областях, как лазерная хирургия глаза и производство полупроводников, используются бесщёточные двигатели без зубцов 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 во вращательном двигателе.

Представьте себе, что вы разрезали роторный двигатель, а затем расплющили его: это даёт общее представление о геометрии линейного двигателя. Вместо того, чтобы соединять нагрузку с вращающимся валом для создания крутящего момента, нагрузка соединяется с плоской движущейся машиной для линейного перемещения и передачи силы. Короче говоря, крутящий момент — это выражение работы, выполняемой роторным двигателем, а сила — выражение работы линейного двигателя.

Точность

Рассмотрим сначала традиционную поворотную шаговую систему: при подключении к шарико-винтовой передаче с шагом 5 оборотов на дюйм точность составляет приблизительно от 0,004 до 0,008 дюйма, или от 0,1 до 0,2 мм. Поворотная система, приводимая в действие серводвигателем, обеспечивает 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 люфт муфты и шарико-винтовой передачи не включен в эти цифры, а они еще больше снижают точность роторных систем.

Относительная точность варьируется: типичный шаговый двигатель, описанный здесь, может позиционировать с точностью до диаметра человеческого волоса. При этом сервоприводы повышают точность до 80 раз, а линейный двигатель может ещё больше — до диаметра в 500 раз меньше диаметра человеческого волоса.

Иногда техническое обслуживание и стоимость (в течение срока службы оборудования) важнее точности. Линейные двигатели и здесь превосходят других: расходы на техническое обслуживание, как правило, снижаются при использовании линейных двигателей, поскольку бесконтактные детали повышают производительность машины и увеличивают среднее время наработки на отказ. Кроме того, отсутствие люфта линейных двигателей исключает удары, что дополнительно продлевает срок службы машины. Другие преимущества: интервал между циклами технического обслуживания может быть увеличен, что обеспечивает более эффективную эксплуатацию. Сокращение объема технического обслуживания и вовлеченности персонала улучшает конечный результат — прибыль — и снижает стоимость владения в течение срока службы оборудования.

Преимущества по сравнению

Приложения требуют линейного перемещения. При использовании роторного двигателя необходим механический преобразователь для преобразования вращательного движения в линейное. В этом случае конструкторы выбирают преобразователь, наиболее подходящий для конкретного применения и минимизирующий ограничения.

• Линейный двигатель против ременного и шкивного:Для получения линейного движения от вращающегося двигателя обычно используют ремень и шкив. Как правило, осевое усилие ограничивается прочностью ремня на разрыв; резкие пуски и остановки могут вызвать растяжение ремня и, следовательно, резонанс, что приводит к увеличению времени установления. Механическое скручивание, люфт и растяжение ремня также снижают повторяемость, точность и производительность машины. Поскольку скорость и повторяемость играют решающую роль в сервоприводе, это не лучший выбор. Если конструкция с ременным шкивом может достигать 3 м/с, то линейная — 10 м/с. Без люфта и скручивания линейные двигатели с прямым приводом дополнительно повышают повторяемость и точность.
• Линейный двигатель против реечного и шестерни:Реечные передачи обеспечивают большую тягу и механическую жесткость, чем ременные передачи. Однако двунаправленный износ со временем приводит к проблемам с повторяемостью и неточности — основным недостаткам этого механизма. Люфт не позволяет обратной связи двигателя определять фактическое положение груза, что приводит к нестабильности и снижению коэффициента усиления и общей производительности. В отличие от этого, машины с линейными двигателями работают быстрее и обеспечивают более точное позиционирование.
• Линейный двигатель против шарико-винтовой передачи:Наиболее распространённый подход к преобразованию вращательного движения в линейное — использование ходового винта или шарико-винтовой передачи. Они недороги, но менее эффективны: ходовые винты обычно составляют 50% или менее, а шарико-винтовые передачи — около 90%. Сильное трение создаёт нагрев, а длительный износ снижает точность. Длина перемещения ограничена механически. Кроме того, пределы линейной скорости можно расширить только за счёт увеличения шага, но это ухудшает позиционное разрешение; слишком высокая скорость вращения также может привести к биению винта, вызывая вибрацию. Линейные двигатели обеспечивают большой, неограниченный ход. С энкодером 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, бесщёточные и линейные индукционные двигатели переменного тока. Обратите внимание, что линейная технология использует приводы (усилители), а также позиционеры (контроллеры движения) и устройства обратной связи (такие как датчики Холла и энкодеры), широко используемые в промышленности.

Многие конструкции выигрывают от использования индивидуальных линейных двигателей, но, как правило, подходят и стандартные конструкции.

Бесщеточные линейные двигатели с железным сердечникомХарактеризуются наличием стальных пластин в подвижной части для направления магнитного потока. Этот тип двигателя обладает более высокой мощностью и более эффективным, но весит в три-пять раз больше, чем двигатели без зубцовой передачи аналогичного размера. Неподвижная пластина состоит из многополюсных постоянных магнитов переменной полярности, наклеенных на пластину из холоднокатаной никелевой стали. Стальные пластины подвижной части, однако, взаимодействуют с магнитами неподвижной части, создавая «силу притяжения» и проявляя небольшое зубцовое колебание или пульсацию при перемещении двигателя из одного магнитного поля в другое, что приводит к изменению скорости.

Эти двигатели развивают большую пиковую силу, имеют большую тепловую массу и большую тепловую постоянную времени, поэтому подходят для применений с высокой силой и прерывистым рабочим циклом, где перемещаются очень тяжелые грузы, например, в автоматических линиях и станках; они рассчитаны на неограниченный ход и могут включать в себя несколько подвижных плит с перекрывающимися траекториями.

Бесщеточные двигатели без зубцовВ подвижной части катушки установлен узел без стальных пластин. Катушка состоит из проволоки, эпоксидной смолы и немагнитной опорной конструкции. Этот узел значительно легче. Базовая конструкция создаёт меньшую силу, поэтому на неподвижную дорожку вставляются дополнительные магниты (для увеличения силы), а сама дорожка имеет U-образную форму с магнитами по обеим сторонам. Сила вставляется в середину U-образной формы.

Эти двигатели подходят для применений, требующих плавной работы без магнитных помех, например, для сканирующего или контрольного оборудования. Их более высокие ускорения полезны при установке и установке полупроводников, сортировке микросхем, а также при нанесении припоя и клея. Эти двигатели рассчитаны на неограниченный диапазон перемещения.

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. (Следует отметить, что две катушки дают двухфазный шаговый двигатель.) Этот узел заключен в алюминиевый корпус.

Неподвижная пластина состоит из фотохимически травленых зубцов на стальном стержне, отшлифованном и никелированном. Их можно укладывать друг на друга до неограниченной длины. Двигатель поставляется в комплекте с усилителем, подшипниками и пластиной. Сила притяжения магнита используется для предварительного натяжения подшипников; это также позволяет использовать устройство в перевернутом положении для различных применений.

Асинхронные двигатели переменного токаСостоит из силового агрегата, представляющего собой катушечный узел, состоящий из стальных пластин и фазных обмоток. Обмотки могут быть однофазными или трёхфазными. Это позволяет осуществлять прямое управление в режиме реального времени или через инвертор или векторный привод. Неподвижная пластина (называемая реактивной пластиной) обычно состоит из тонкого слоя алюминия или меди, нанесённого на холоднокатаную сталь.

При подаче напряжения на силовую катушку она взаимодействует с реактивной пластиной и перемещается. Преимущества этой конструкции — более высокие скорости и неограниченная дальность перемещения; она используется в погрузочно-разгрузочных работах, системах перемещения людей, конвейерах и раздвижных воротах.

Новые концепции дизайна

Некоторые из последних конструктивных усовершенствований были реализованы путём реинжиниринга. Например, некоторые линейные шаговые двигатели (первоначально разработанные для движения в одной плоскости) теперь модернизированы для движения в двух плоскостях — для движения по осям X и Y. В этом случае движущая сила состоит из двух линейных шаговых двигателей, установленных перпендикулярно друг другу под углом 90°, так что один обеспечивает движение по оси X, а другой — по оси Y. Также возможна установка нескольких шаговых двигателей с перекрывающимися траекториями.

В этих двухплоскостных двигателях неподвижная платформа (или плита) изготовлена из нового композитного материала для повышения прочности. Также повышена жёсткость, что позволяет снизить прогиб на 60–80% по сравнению с предыдущими моделями. Плоскостность плиты превышает 14 микрон на 300 мм, что обеспечивает точность перемещения. Кроме того, поскольку шаговые двигатели обладают естественной силой притяжения, эта концепция позволяет устанавливать плиту как лицевой стороной вверх, так и перевёрнутой, что обеспечивает универсальность и гибкость применения.

Ещё одно инженерное новшество — водяное охлаждение — увеличивает мощность линейных асинхронных двигателей переменного тока на 25%. Благодаря этому расширению возможностей, а также неограниченной длине хода, асинхронные двигатели переменного тока обеспечивают высочайшую производительность во многих областях применения: аттракционах, системах обработки багажа и перемещения людей. Скорость вращения регулируется (от 6 до 2000 дюймов/с) с помощью регулируемых приводов, доступных в настоящее время в промышленности.

Ещё один двигатель включает в себя неподвижный цилиндрический корпус с линейно движущейся частью, обеспечивающей движение. Подвижная часть может представлять собой стержень из омеднённой стали, подвижную катушку или подвижный магнит, подобно поршню в цилиндре.

Эти конструкции обладают всеми преимуществами линейного двигателя и работают аналогично линейному актуатору. Они применяются в биомедицинской колоноскопии, камерах с приводами с длинным затвором, телескопах, требующих гашения вибраций, двигателях фокусировки для литографии, переключателях генераторов, которые включаются автоматически, чтобы включить генераторы, и прессовании пищевых продуктов, например, при штамповке тортилий.

Для позиционирования полезных нагрузок подходят комплекты линейных двигателей или ступени. Они состоят из двигателя, энкодера обратной связи, концевых выключателей и кабельной каретки. Для многоосевого перемещения ступени можно объединять в один комплект.

Одним из преимуществ линейных позиционеров является их меньший размер, что позволяет им занимать меньше места по сравнению с обычными позиционерами. Меньшее количество компонентов повышает надёжность. В данном случае двигатель подключается к обычным приводам. В замкнутом контуре контур позиционирования замыкается контроллером движения.

Опять же, помимо стандартных изделий, существует множество индивидуальных и специализированных конструкций. В конечном счёте, лучше всего обсудить потребности в оборудовании с инженером по применению, чтобы определить оптимальный линейный продукт, подходящий для конкретных условий применения.