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

Линейные двигатели обеспечивают очень быстрое и точное позиционирование, но также способны работать на низкой скорости с постоянной скоростью перемещения для станочных головок и направляющих, а также в системах обработки инструментов и деталей. Линейные двигатели используются в самых разных областях — лазерной хирургии, визуальном контроле, обработке бутылок и багажа — благодаря их исключительной надежности, минимальному техническому обслуживанию и оптимизации производственных циклов.

Более высокая скорость и сила

Линейные двигатели напрямую соединены с нагрузкой, что исключает множество соединительных элементов — механические муфты, шкивы, зубчатые ремни, шариковинтовые передачи, цепные приводы и зубчатые рейки, и это лишь некоторые из них. Это, в свою очередь, снижает затраты и даже люфт. Линейные двигатели также обеспечивают стабильное движение, точное позиционирование в течение сотен миллионов циклов и более высокие скорости.

Типичные скорости, достигаемые с помощью линейных двигателей, варьируются в зависимости от области применения: машины для захвата и перемещения (совершающие множество коротких перемещений), а также контрольно-измерительное оборудование.линейные шаговые двигателисо скоростью до 60 дюймов/сек; применяется в системах летающих ножниц и машинах для перемещения грузов на большие расстояния.бесщеточный двигатель без зубцовЛинейные двигатели используются для скоростей до 200 дюймов/сек; в американских горках, пусковых установках для транспортных средств и системах перемещения людей применяются линейные двигатели.индукция переменного токадвигатели, способные развивать скорость до 2000 дюймов/сек.

Ещё один фактор, определяющий, какая технология линейных двигателей лучше: сила, необходимая для перемещения нагрузки. Нагрузка или масса, а также профиль ускорения приложения в конечном итоге определяют эту силу.

Каждое применение представляет собой разные задачи; однако, в целом, в системах перемещения деталей используются линейные шаговые двигатели с усилием до 220 Н или 50 фунтов; в полупроводниковой промышленности, лазерной резке, гидроабразивной резке и робототехнике используются бесщеточные двигатели без зубчатого колеса с усилием до 2500 Н; в конвейерных системах используются линейные асинхронные двигатели переменного тока с усилием до 2200 Н; а в линиях перемещения и станках используются бесщеточные двигатели с железным сердечником с усилием до 14 000 Н. Следует помнить, что каждое применение уникально, и инженеры-технологи производителей обычно оказывают помощь на этом этапе определения технических характеристик.

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 пассивной вторичной обмотки без постоянных магнитов. В таких областях применения, как лазерная коррекция зрения и производство полупроводников, используются бесщеточные двигатели без зубчатых колес для обеспечения точности и плавности хода.

Основная операция

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

Представьте, что вы разрезаете вращающийся двигатель, а затем расплющиваете его: это даёт приблизительное представление о геометрии линейного двигателя. Вместо того чтобы передавать нагрузку на вращающийся вал для создания крутящего момента, нагрузка соединяется с плоской движущейся тележкой для создания линейного движения и силы. Короче говоря, крутящий момент — это выражение работы, которую совершает вращающийся двигатель, тогда как сила — это выражение работы линейного двигателя.

Точность

Рассмотрим сначала традиционную поворотную шаговую систему: соединенную с шариковинтовой передачей 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 движение серводвигателем, обеспечивает точность от 0,001 до 0,0001 дюйма.

В отличие от этого, линейный двигатель, напрямую соединенный с нагрузкой, обеспечивает точность в диапазоне от 0,0007 до 0,000008 дюйма. Следует отметить, что в эти данные не включены люфт муфты и шариковинтовой передачи, которые еще больше снижают точность вращательных систем.

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

Иногда техническое обслуживание и стоимость (в течение всего срока службы оборудования) важнее точности. Линейные двигатели и здесь демонстрируют отличные результаты: затраты на техническое обслуживание, как правило, снижаются при использовании линейных двигателей, поскольку бесконтактные детали улучшают работу машины и увеличивают среднее время между отказами. Кроме того, нулевой люфт линейных двигателей исключает ударные нагрузки, что еще больше продлевает срок службы машины. Другие преимущества: время между циклами технического обслуживания может быть увеличено, что позволяет оптимизировать рабочий процесс. Меньшее количество технического обслуживания и задействованного персонала улучшает финансовые показатели — прибыль — и снижает стоимость владения оборудованием в течение всего срока его службы.

Сравнение преимуществ

Для некоторых применений требуется линейное перемещение. При использовании роторного двигателя необходим механический преобразователь для преобразования вращательного движения в линейное. В этом случае конструкторы выбирают наиболее подходящий для конкретного применения преобразователь, минимизируя при этом ограничения.

• Линейный двигатель против ременной передачи:Для получения линейного движения от вращающегося двигателя обычно используется ремень и шкив. Как правило, сила тяги ограничивается прочностью ремня на растяжение; резкие пуски и остановки могут вызывать растяжение ремня и, следовательно, резонанс, что приводит к увеличению времени установления. Механическое наматывание, люфт и растяжение ремня также снижают повторяемость, точность и производительность станка. Поскольку скорость и повторяемость являются ключевыми факторами в сервоприводах, это не лучший выбор. В то время как конструкция с ремнем и шкивом может достигать скорости 3 м/с, линейный двигатель может достигать 10 м/с. Отсутствие люфта и наматывания в линейных двигателях с прямым приводом дополнительно повышает повторяемость и точность.
• Линейный двигатель против реечной передачи:Реечные шестерни обеспечивают большую тягу и механическую жесткость, чем ременные и шкивные конструкции. Однако двунаправленный износ со временем приводит к сомнительной повторяемости и неточностям — это основные недостатки этого механизма. Люфт препятствует обратной связи двигателя с фактическим положением нагрузки, что приводит к нестабильности, снижению коэффициента усиления и замедлению общей производительности. В отличие от этого, машины, приводимые в движение линейными двигателями, работают быстрее и обеспечивают более точное позиционирование.
• Линейный двигатель против шариковинтовой передачи:Наиболее распространенный способ преобразования вращательного движения в линейное — использование ходового или шарикового винта. Они недороги, но менее эффективны: ходовые винты обычно на 50% или меньше, а шариковые винты — примерно на 90%. Высокое трение приводит к выделению тепла, а износ в долгосрочной перспективе снижает точность. Расстояние перемещения ограничено механически. Кроме того, линейные ограничения скорости могут быть увеличены только за счет увеличения шага, но это ухудшает точность позиционирования; слишком высокая скорость вращения также может привести к «взмаху» винтов, вызывая вибрацию. Линейные двигатели обеспечивают большой, неограниченный ход. При наличии энкодера на нагрузке долговременная точность обычно составляет ±5 мкм/300 мм.

Основные типы линейных двигателей

Подобно тому, как существуют различные технологии вращающихся двигателей, существует и несколько типов линейных двигателей: шаговые, бесщеточные и линейные асинхронные двигатели переменного тока, среди прочих. Следует отметить, что линейные технологии используют приводы (усилители), а также позиционеры (контроллеры движения) и устройства обратной связи (такие как датчики Холла и энкодеры), широко распространенные в промышленности.

Во многих конструкциях выигрывает от использования специально разработанных линейных двигателей, но обычно подходят и стандартные модели.

Бесщеточные линейные двигатели с железным сердечникомХарактерной особенностью таких двигателей является наличие стальных пластин в подвижной части для направления магнитного потока. Этот тип двигателя обладает более высокой номинальной силой и большей эффективностью, но весит в три-пять раз больше, чем сопоставимые по размеру двигатели без зубчатой ​​передачи. Неподвижная опорная плита состоит из многополюсных постоянных магнитов с переменной полярностью, припаянных к холоднокатаной никелевой стальной пластине. Однако стальные пластины на подвижной части взаимодействуют с магнитами на неподвижной опорной плите, которые создают «притягивающую» силу и вызывают небольшую пульсацию или заедание при перемещении двигателя из одного магнитного поля в другое, что приводит к изменению скорости.

Эти двигатели развивают большую пиковую силу, обладают большей тепловой инерцией и большой тепловой постоянной времени, поэтому подходят для применений с высокой силой и прерывистым режимом работы, например, для перемещения очень тяжелых грузов, как в конвейерных линиях и станках; они рассчитаны на неограниченный ход и могут включать в себя несколько подвижных плит с перекрывающимися траекториями.

Бесщеточные двигатели без зубчатого колесаВ подвижном механизме используется катушечный узел без стальных пластин. Катушка состоит из проволоки, эпоксидной смолы и немагнитной опорной конструкции. Этот узел значительно легче по весу. Базовая конструкция обеспечивает меньшую силу, поэтому на неподвижную направляющую вставляются дополнительные магниты (для увеличения силы), а направляющая имеет U-образную форму с магнитами по обе стороны от этой буквы U. Механизм вставляется в середину буквы U.

Эти двигатели подходят для применений, требующих плавной работы без магнитного зацепления, таких как сканирующее или контрольное оборудование. Их более высокое ускорение полезно в системах захвата и установки полупроводников, сортировке микросхем, а также в дозировании припоя и клея. Эти двигатели рассчитаны на неограниченный ход.

Линейные шаговые двигателиОни существуют уже давно; подвижный силовой механизм состоит из ламинированных стальных сердечников с точно вырезанными зубцами, одного постоянного магнита и катушек, вставленных в ламинированный сердечник. (Обратите внимание, что две катушки образуют двухфазный шаговый двигатель.) Эта сборка заключена в алюминиевый корпус.

Неподвижная опорная плита состоит из фотохимически вытравленных зубьев на стальном стержне, отшлифованном и никелированном. Ее можно устанавливать друг на друга вплотную, достигая неограниченной длины. Двигатель поставляется в комплекте с приводом, подшипниками и опорной плитой. Сила притяжения магнита используется в качестве предварительной нагрузки для подшипников; это также позволяет работать в перевернутом положении для различных применений.

асинхронные двигатели переменного токаОн состоит из катушки, представляющей собой узел, состоящий из стальных пластин и фазных обмоток. Обмотки могут быть однофазными или трехфазными. Это позволяет осуществлять прямое управление в режиме реального времени или управление через инвертор или векторный привод. Неподвижная опорная плита (называемая реактивной плитой) обычно состоит из тонкого слоя алюминия или меди, нанесенного на холоднокатаную сталь.

После подачи напряжения на катушку силы, она взаимодействует с опорной пластиной и перемещается. Преимуществами этой конструкции являются более высокие скорости и неограниченная длина хода; она используется для перемещения материалов, перемещения людей, конвейеров и раздвижных ворот.

Новые концепции дизайна

Некоторые из последних усовершенствований конструкции были реализованы путем перепроектирования. Например, некоторые линейные шаговые двигатели (первоначально предназначенные для движения в одной плоскости) теперь перепроектированы для движения в двух плоскостях — для движения по осям XY. В этом случае движущая сила состоит из двух линейных шаговых двигателей, установленных ортогонально под углом 90°, так что один обеспечивает движение по оси X, а другой — по оси Y. Также возможно использование нескольких силовых устройств с перекрывающимися траекториями.

В этих двухплоскостных двигателях стационарная платформа (или прижимная плита) использует новую композитную конструкцию для повышения прочности. Также улучшена жесткость, поэтому прогиб уменьшен на 60–80% по сравнению с предыдущими серийными моделями. Плоскостность прижимной плиты превышает 14 микрон на 300 мм, что обеспечивает точное перемещение. Наконец: поскольку шаговые двигатели обладают естественной силой притяжения, эта концепция позволяет устанавливать прижимную плиту как лицевой стороной вверх, так и перевернутой, обеспечивая тем самым универсальность и гибкость в применении.

Еще одно инженерное новшество — водяное охлаждение — увеличивает допустимую силу линейных асинхронных двигателей переменного тока на 25%. Благодаря этому расширению возможностей, а также преимуществу неограниченной длины хода, асинхронные двигатели переменного тока обеспечивают высочайшую производительность во многих областях применения: аттракционы, системы обработки багажа и системы перемещения пассажиров. Скорость регулируется (от 6 до 2000 дюймов/сек) с помощью регулируемых приводов, доступных в настоящее время в промышленности.

Ещё один тип двигателя включает в себя неподвижный цилиндрический корпус с линейной подвижной частью, обеспечивающей движение. Подвижной частью может быть стержень из стали с медным покрытием, подвижная катушка или подвижный магнит, например, поршень внутри цилиндра.

Эти конструкции сочетают в себе преимущества линейного двигателя и характеристики, аналогичные линейному актуатору. Области применения включают биомедицинскую колоноскопию, камеры с длинным затвором, телескопы, требующие гашения вибраций, двигатели для фокусировки в литографии, распределительные устройства генераторов, которые включают выключатели для подачи питания на генераторы, и прессование пищевых продуктов — например, при штамповке лепешек.

Для позиционирования полезной нагрузки подходят комплектные линейные двигатели или платформы. Они состоят из двигателя, энкодера обратной связи, концевых выключателей и кабельного канала. Возможно штабелирование платформ для многоосевого перемещения.

Одним из преимуществ линейных направляющих является их меньший профиль, что позволяет размещать их в меньших пространствах по сравнению с обычными позиционерами. Меньшее количество компонентов обеспечивает повышенную надежность. В данном случае двигатель подключен к стандартным приводам. В режиме замкнутого контура управления контур позиционирования замыкается с помощью контроллера движения.

Опять же, помимо стандартных изделий, существует множество вариантов, изготовленных на заказ и по индивидуальным проектам. В конечном итоге, лучше всего обсудить потребности в оборудовании с инженером-технологом, чтобы определить оптимальный линейный продукт, подходящий для конкретных задач.