Цилиндрический линейный двигатель. Эволюция в движении

9 апреля 2014 г.

Линейные двигатели стали широко известны как высокоточная и энергоэффективная альтернатива обычным приводам, преобразующим вращательное движение в поступательное. За счет чего это стало возможным?

Итак, давайте обратим внимание на шарико-винтовую пару, которая в свою очередь может считаться высокоточной системой преобразования вращательного движения в поступательное. Обычно КПД ШВП составляет порядка 90%. При учете КПД серводвигателя (75–80%), потерь в муфте или ременной передаче, в редукторе (в случае его использования) получается, что лишь около 55% мощности затрачивается непосредственно на совершение полезной работы. Таким образом, несложно догадаться, почему линейный двигатель, который напрямую передает объекту поступательное движение, более эффективен.

Кинематическая схема привода подачи на основе ШВП

Кинематическая схема привода подачи на основе линейного двигателя

КПД привода подачи на основе ШВП

Обычно самым простым объяснением его конструкции является аналогия с обычным двигателем вращательного движения, который разрезали по образующей и развернули на плоскости. На самом деле именно такой и была конструкция самых первых линейных двигателей. Плоский линейный двигатель с сердечником первым вышел на рынок и занял свою нишу как мощная и эффективная альтернатива прочим приводным системам. Несмотря на то, что в общем их конструкция оказалась недостаточно эффективной из-за значительных потерь на вихревые токи, недостаточной плавности и пр. они все равно выгодно отличались с точки зрения КПД. Хотя вышеперечисленные недостатки неблагоприятно сказывались на высокоточной «натуре» линейного двигателя.

Принципиальная схема линейного двигателя

U-образный линейный двигатель

U-образный линейный двигатель, конструктивно выполненный без сердечника, разработан с целью устранения недостатков классического плоского линейного двигателя. С одной стороны это позволило решить ряд проблем, таких как потери на вихревые токи в сердечнике и недостаточную плавность перемещения, но с другой — привнесло несколько новых аспектов, ограничивающих его использование в областях, требующих ультрапрецизионных перемещений. Это значительное снижение жесткости двигателя и еще большие проблемы с тепловыделением.

Для рынка ультрапрецизионного оборудования линейные двигатели были как послание с небес, неся в себе обещания бесконечно точного позиционирования и высокого КПД. Однако суровая реальность проявила себя, когда тепло, выделяемое вследствие недостаточной эффективности конструкции в обмотках и сердечнике, напрямую передавалось в рабочую зону. В то время, как все больше расширялась область использования ЛД, термические явления, сопутствующие значительному тепловыделению сделали позиционирование с субмикронными точностями весьма сложным, чтобы не сказать невозможным.

Для повышения КПД, эффективности линейного двигателя необходимо было вернуться к самим его конструктивным основам, и через максимально возможную оптимизацию всех их аспектов получить наиболее энергоэффективную приводную систему с максимально возможной жесткостью.

Фундаментальное взаимодействие, лежащее в основе конструкции линейного двигателя — это проявление Закона Ампера — наличие силы, воздействующей на проводник с током в магнитном поле.

Следствием из уравнения для силы Ампера является то, что максимальное усилие, развиваемое двигателем, равно произведению силы тока в обмотках на векторное произведение вектора магнитной индукции поля на вектор длины провода в обмотках. Как правило, для повышения КПД линейного двигателя необходимо уменьшать силу тока в обмотках (т.к. потери на нагрев проводника прямо пропорциональны квадрату силы тока в нем). Сделать это при постоянной величине выходного усилия привода возможно лишь при увеличении прочих составляющих, входящих в уравнение Ампера. Именно так и поступили разработчики Цилиндрического Линейного Двигателя (ЦЛД) вместе с некоторыми производителями ультрапрецизионного оборудования. Фактически в ходе последнего исследования в Университете Вирджинии (UVA) было установлено, что ЦЛД потребляет на 50% меньше энергии для осуществления той же работы, при тех же выходных характеристиках, что и аналогичный U-образный линейный двигатель. Чтобы понять, каким образом достигнуто столь значительное повышение эффективности работы, давайте отдельно остановимся на каждой составляющей вышеупомянутого уравнения Ампера.

Векторное произведение B×L. Используя, например, правило левой руки несложно понять, что для осуществления линейного перемещения оптимальный угол между направлением тока в проводнике и вектором магнитной индукции составляет 90°. Обычно у линейного двигателя ток в 30–80% длины обмоток протекает под прямым углом к вектору индукции поля. Остальная часть обмоток, по сути, выполняет вспомогательную функцию, при этом в ней возникают потери на сопротивление и даже могут появляться силы, противоположные направлению перемещения. Конструкция ЦЛД такова, что 100% длины провода в обмотках находится под оптимальным углом в 90°, а все возникающие усилия сонаправлены с вектором перемещения.

Относительное расположение линий индукции и линий тока в ЦЛД

Длина проводника с током (L). При задании этого параметра возникает своего рода дилемма. Слишком большая длина приведет к дополнительным потерям в связи с увеличением сопротивления. В ЦЛД соблюден оптимальный баланс между длиной проводника и потерями в связи с приростом сопротивления. Например, в ЦЛД, тестированном в Университете Вирджинии длина провода в обмотках была в 1,5 раза больше, чем в его U-образном аналоге.

Магнитное поле ЦЛД

Вектор индукции магнитного поля (B). Притом, что в большинстве линейных двигателей осуществляется перенаправление магнитного потока при помощи металлического сердечника, в ЦЛД используется запатентованное конструктивное решение: сила магнитного поля естественно увеличивается благодаря отталкиванию одноименных магнитных полей.

Величина силы, которую можно развить при данной структуре магнитного поля, есть функция плотности потока магнитной индукции в промежутке между подвижным и неподвижным элементами. Так как магнитное сопротивление воздуха приблизительно в 1000 раз больше, чем у стали и прямо пропорционально величине зазора, его минимизация уменьшит и магнитодвижущую силу, нужную для создания поля необходимой силы. Магнитодвижущая сила в свою очередь прямо пропорциональна силе тока в обмотках, поэтому при уменьшении ее необходимой величины, можно уменьшить и величину тока, что в свою очередь позволить снизить потери на сопротивление.

Как можно видеть, каждый конструктивный аспект ЦЛД был продуман с целью максимально возможного увеличения эффективности его работы. Но насколько это полезно с практической точки зрения? Давайте обратим внимания на два аспекта: тепловыделение и стоимость эксплуатации.

Все линейные двигатели нагреваются из-за потерь в обмотках. Выделившееся тепло должно куда-то отводиться. И первый побочный эффект тепловыделения — это сопутствующие процессы термического расширения, например элемента, в котором закреплены обмотки. Кроме того происходит дополнительный нагрев танкеток направляющих, смазки, датчиков, находящихся в зоне работы привода. С течением времени циклические процессы нагрева и охлаждения могут негативно воздействовать и на механические и на электронные компоненты системы. Тепловое расширение также приводит к увеличению трения в направляющих и т.п. В том же исследовании, проведенном в UVA было установлено, что ЦЛД передавал на смонтированную на нем плиту приблизительно на 33% меньше тепла, чем аналог.

При меньшем потреблении энергии снижается и стоимость эксплуатации системы в целом. В среднем в США 1 кВч стоит 12,17 центов. Таким образом, среднегодовая стоимость эксплуатации U-образного линейного двигателя составит $540,91, а ЦЛД $279,54. (При цене 3,77 руб. за кВч получается 16768,21 и 8665,74 руб. соответственно)

Сравнение годовых затрат на электроэнергию U-образного линейного двигателя и ЦЛД

При выборе реализации приводной системы список вариантов действительно велик, однако при разработке системы, предназначенной для нужд ультрапрецизионной станочной техники, высокая эффективность ЦЛД может обеспечить значительные преимущества.

См. также: