نگاهی به موتورهای خطی مختلف موجود و نحوه انتخاب نوع بهینه برای کاربرد خود.
مقاله زیر مروری بر انواع مختلف موتورهای خطی موجود، از جمله اصول عملکرد آنها، تاریخچه توسعه آهنرباهای دائمی، روش‌های طراحی موتورهای خطی و بخش‌های صنعتی با استفاده از هر نوع موتور خطی است.
فناوری موتور خطی می تواند: موتورهای القایی خطی (LIM) یا موتورهای سنکرون خطی آهنربای دائمی (PMLSM) باشد.PMLSM می تواند هسته آهنی یا بدون آهن باشد.همه موتورها در پیکربندی تخت یا لوله ای موجود هستند.هیوین به مدت 20 سال پیشرو در طراحی و ساخت موتورهای خطی بوده است.
مزایای موتورهای خطی
یک موتور خطی برای ارائه حرکت خطی استفاده می شود، یعنی حرکت یک محموله معین با شتاب، سرعت، مسافت سفر و دقت تعیین شده.تمام فناوری‌های حرکتی غیر از موتور خطی، نوعی درایو مکانیکی برای تبدیل حرکت چرخشی به حرکت خطی هستند.چنین سیستم های حرکتی توسط پیچ های توپ، تسمه ها یا قفسه و پینیون هدایت می شوند.عمر مفید همه این درایوها به شدت به سایش اجزای مکانیکی مورد استفاده برای تبدیل حرکت چرخشی به حرکت خطی بستگی دارد و نسبتاً کوتاه است.
مزیت اصلی موتورهای خطی ارائه حرکت خطی بدون هیچ گونه سیستم مکانیکی است زیرا هوا وسیله انتقال است، بنابراین موتورهای خطی اساساً درایوهای بدون اصطکاک هستند و از نظر تئوری عمر مفید نامحدودی را ارائه می دهند.از آنجایی که از هیچ قطعه مکانیکی برای تولید حرکت خطی استفاده نمی شود، شتاب های بسیار بالا در سرعت هایی امکان پذیر است که درایوهای دیگر مانند بال اسکرو، تسمه یا قفسه و پینیون با محدودیت های جدی مواجه شوند.
موتورهای القایی خطی
عکس. 1
موتور القایی خطی (LIM) اولین اختراع شد (اختراع ایالات متحده 782312 – آلفرد زهدن در سال 1905).این شامل یک "اولیه" متشکل از پشته ای از لایه های فولادی الکتریکی و تعداد زیادی کویل مسی است که توسط یک ولتاژ سه فاز و یک "ثانویه" معمولاً از یک صفحه فولادی و یک صفحه مسی یا آلومینیومی تشکیل شده است.
هنگامی که سیم پیچ های اولیه فعال می شوند، ثانویه مغناطیسی می شود و میدانی از جریان های گردابی در هادی ثانویه تشکیل می شود.سپس این میدان ثانویه با EMF پشتی اولیه برای تولید نیرو در تعامل است.جهت حرکت از قانون چپ فلمینگ پیروی می کند.جهت حرکت عمود بر جهت جریان و جهت میدان / شار خواهد بود.
شکل 2
موتورهای القایی خطی مزیت قیمت بسیار پایین را دارند زیرا ثانویه از آهنرباهای دائمی استفاده نمی کند.آهنرباهای دائمی NdFeB و SmCo بسیار گران هستند.موتورهای القایی خطی از مواد بسیار رایج (فولاد، آلومینیوم، مس) برای ثانویه خود استفاده می کنند و این خطر تامین را از بین می برند.
با این حال، نقطه ضعف استفاده از موتورهای القایی خطی، در دسترس بودن درایو برای چنین موتورهایی است.در حالی که یافتن درایو برای موتورهای خطی آهنربای دائم بسیار آسان است، یافتن درایو برای موتورهای القایی خطی بسیار دشوار است.
شکل 3
موتورهای سنکرون خطی آهنربای دائمی
موتورهای سنکرون خطی آهنربای دائم (PMLSM) اساساً همان موتورهای القایی خطی اولیه هستند (یعنی مجموعه‌ای از سیم پیچ‌ها که روی پشته‌ای از لایه‌های فولادی الکتریکی نصب می‌شوند و توسط یک ولتاژ سه فاز هدایت می‌شوند).ثانویه فرق می کند.
به جای یک صفحه آلومینیومی یا مسی که روی صفحه فولادی نصب شده است، ثانویه از آهنرباهای دائمی تشکیل شده است که روی صفحه فولادی نصب شده اند.همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، جهت مغناطیسی هر آهنربا با توجه به مسیر قبلی تغییر می کند.
مزیت آشکار استفاده از آهنرباهای دائمی ایجاد میدان دائمی در ثانویه است.ما دیده‌ایم که نیرو بر روی یک موتور القایی توسط برهمکنش میدان اولیه و میدان ثانویه ایجاد می‌شود که تنها پس از ایجاد میدانی از جریان‌های گردابی در ثانویه از طریق هوای موتور در دسترس است.این امر منجر به تاخیری به نام "لغزش" و حرکت ثانویه می شود که با ولتاژ اولیه تامین شده به اولیه هماهنگ نیست.
به همین دلیل، موتورهای خطی القایی "ناهمزمان" نامیده می شوند.در موتور خطی آهنربای دائمی، حرکت ثانویه همیشه با ولتاژ اولیه هماهنگ خواهد بود، زیرا میدان ثانویه همیشه و بدون تاخیر در دسترس است.به همین دلیل به موتورهای خطی دائمی «سنکرون» می گویند.
انواع مختلفی از آهنرباهای دائمی را می توان در PMLSM استفاده کرد.در طول 120 سال گذشته، نسبت هر ماده تغییر کرده است.از امروز، PMLSM ها از آهنرباهای NdFeB یا آهنرباهای SmCo استفاده می کنند، اما اکثریت قریب به اتفاق از آهنرباهای NdFeB استفاده می کنند.شکل 4 تاریخچه توسعه آهنربای دائمی را نشان می دهد.
شکل 4
قدرت آهنربا با محصول انرژی آن در Megagauss-Oersteds، (MGOe) مشخص می شود.تا اواسط دهه هشتاد فقط فولاد، فریت و آلنیکو در دسترس بودند و محصولات بسیار کم انرژی را ارائه می کردند.آهنرباهای SmCo در اوایل دهه 1960 بر اساس کارهای کارل استرنات و آلدن ری توسعه یافتند و بعداً در اواخر دهه شصت تجاری شدند.
شکل 5
محصول انرژی آهنرباهای SmCo در ابتدا بیش از دو برابر محصول انرژی آهنرباهای Alnico بود.در سال 1984 جنرال موتورز و سومیتومو به طور مستقل آهنرباهای NdFeB، ترکیبی از نئودینیم، آهن و بور را توسعه دادند.مقایسه آهنرباهای SmCo و NdFeB در شکل 5 نشان داده شده است.
آهنرباهای NdFeB نیروی بسیار بیشتری نسبت به آهنرباهای SmCo ایجاد می کنند، اما نسبت به دماهای بالا بسیار حساس تر هستند.آهنرباهای SmCo همچنین در برابر خوردگی و دماهای پایین بسیار مقاوم تر هستند اما گران تر هستند.هنگامی که دمای عملیاتی به حداکثر دمای آهنربا می رسد، آهنربا شروع به مغناطیس زدایی می کند و این مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر است.آهنربا از دست دادن مغناطیس باعث می شود موتور نیروی خود را از دست بدهد و نتواند مشخصات را برآورده کند.اگر آهنربا در 100٪ مواقع زیر دمای حداکثر کار کند، قدرت آن تقریباً به طور نامحدود حفظ می شود.
به دلیل هزینه بالاتر آهنرباهای SmCo، آهنرباهای NdFeB برای اکثر موتورها انتخاب مناسبی هستند، به ویژه با توجه به نیروی بیشتر موجود.با این حال، برای برخی از کاربردها که دمای کار می تواند بسیار بالا باشد، ترجیحاً از آهنرباهای SmCo استفاده شود تا از حداکثر دمای عملیاتی دور بمانند.
طراحی موتورهای خطی
یک موتور خطی به طور کلی از طریق شبیه سازی الکترومغناطیسی المان محدود طراحی می شود.یک مدل سه بعدی برای نمایش پشته لایه لایه، سیم پیچ ها، آهنرباها و صفحه فولادی که آهنرباها را پشتیبانی می کنند ایجاد خواهد شد.هوا در اطراف موتور و همچنین در فضای باز مدل سازی می شود.سپس خواص مواد برای همه اجزاء وارد می شود: آهن ربا، فولاد الکتریکی، فولاد، سیم پیچ و هوا.سپس یک مش با استفاده از عناصر H یا P ایجاد می شود و مدل حل می شود.سپس جریان به هر سیم پیچ در مدل اعمال می شود.
شکل 6 خروجی یک شبیه سازی را نشان می دهد که در آن شار در تسلا نمایش داده می شود.مقدار خروجی اصلی مورد علاقه برای شبیه سازی البته نیروی موتور است و در دسترس خواهد بود.از آنجایی که پیچ‌های انتهایی سیم‌پیچ‌ها هیچ نیرو تولید نمی‌کنند، می‌توان با استفاده از مدل دوبعدی (DXF یا فرمت‌های دیگر) موتور شامل لایه‌بندی‌ها، آهنرباها و صفحه فولادی پشتیبان آهنربا، یک شبیه‌سازی دو بعدی را اجرا کرد.خروجی چنین شبیه سازی دو بعدی بسیار نزدیک به شبیه سازی سه بعدی و به اندازه کافی دقیق برای ارزیابی نیروی موتور خواهد بود.
شکل 6
یک موتور القایی خطی به همان روش مدل‌سازی می‌شود، یا از طریق یک مدل سه بعدی یا دو بعدی، اما حل آن پیچیده‌تر از PMLSM خواهد بود.این به این دلیل است که شار مغناطیسی ثانویه PMLSM بلافاصله پس از وارد کردن خواص آهنربا مدل‌سازی می‌شود، بنابراین تنها یک حل برای به دست آوردن تمام مقادیر خروجی از جمله نیروی موتور مورد نیاز است.
با این حال، شار ثانویه موتور القایی به تجزیه و تحلیل گذرا (به معنی چندین حل در یک بازه زمانی معین) نیاز دارد تا شار مغناطیسی ثانویه LIM ساخته شود و تنها پس از آن بتوان نیرو را به دست آورد.نرم افزار مورد استفاده برای شبیه سازی المان محدود الکترومغناطیسی باید توانایی اجرای یک تحلیل گذرا را داشته باشد.
مرحله موتور خطی
شکل 7
شرکت هیوین موتورهای خطی را در سطح قطعه عرضه می کند.در این حالت فقط موتور خطی و ماژول های ثانویه تحویل داده می شود.برای یک موتور PMLSM، ماژول‌های ثانویه از صفحات فولادی با طول‌های مختلف تشکیل می‌شوند که آهنرباهای دائمی در بالای آنها مونتاژ می‌شوند.شرکت Hiwin همچنین مراحل کامل را همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، ارائه می کند.
چنین مرحله ای شامل یک قاب، یاتاقان های خطی، موتور اولیه، آهنرباهای ثانویه، یک کالسکه برای اتصال مشتری به محموله خود، رمزگذار و یک مسیر کابل است.یک استیج موتور خطی پس از تحویل آماده راه اندازی خواهد بود و زندگی را آسان تر می کند زیرا مشتری نیازی به طراحی و ساخت مرحله ای ندارد که نیاز به دانش تخصصی دارد.
عمر سرویس مرحله موتور خطی
طول عمر یک مرحله موتور خطی به طور قابل توجهی بیشتر از مرحله ای است که توسط تسمه، بال اسکرو یا قفسه و پینیون هدایت می شود.اجزای مکانیکی مراحل غیرمستقیم معمولاً اولین اجزایی هستند که به دلیل اصطکاک و سایش به طور مداوم در معرض خرابی قرار می گیرند.مرحله موتور خطی یک محرک مستقیم بدون تماس یا سایش مکانیکی است زیرا محیط انتقال هوا است.بنابراین، تنها اجزایی که ممکن است در مرحله موتور خطی خراب شوند، یاتاقان های خطی یا خود موتور هستند.
یاتاقان های خطی معمولاً عمر مفید بسیار بالایی دارند زیرا بار شعاعی بسیار کم است.طول عمر موتور به میانگین دمای کارکرد بستگی دارد.شکل 8 عمر عایق موتور را به عنوان تابعی از دما نشان می دهد.قانون این است که به ازای هر 10 درجه سانتیگراد که دمای کار بالاتر از دمای نامی باشد، عمر مفید به نصف کاهش می یابد.به عنوان مثال، یک موتور کلاس عایق F 325000 ساعت در دمای متوسط 120 درجه سانتیگراد کار می کند.
بنابراین، پیش‌بینی می‌شود که اگر موتور به صورت محافظه‌کارانه انتخاب شود، یک مرحله موتور خطی عمر مفیدی 50+ سال خواهد داشت، عمری که هرگز نمی‌توان با تسمه، بال‌اسکرو یا مراحل رانده رک و پینیون به دست آورد.
شکل 8
برنامه های کاربردی برای موتورهای خطی
موتورهای القایی خطی (LIM) بیشتر در کاربردهایی با طول سفر طولانی و در مواردی که نیروی بسیار زیاد همراه با سرعت های بسیار بالا مورد نیاز است استفاده می شود.دلیل انتخاب یک موتور القایی خطی این است که هزینه ثانویه به طور قابل توجهی کمتر از استفاده از PMLSM خواهد بود و در سرعت بسیار بالا راندمان موتور القایی خطی بسیار بالا است، بنابراین توان کمی از دست می‌رود.
به عنوان مثال، EMALS (سیستم های پرتاب الکترومغناطیسی)، که در ناوهای هواپیمابر برای پرتاب هواپیما استفاده می شود، از موتورهای القایی خطی استفاده می کنند.اولین چنین سیستم موتور خطی بر روی ناو هواپیمابر USS Gerald R. Ford نصب شد.این موتور می تواند یک هواپیمای 45000 کیلوگرمی را با سرعت 240 کیلومتر در ساعت در یک مسیر 91 متری شتاب دهد.
نمونه دیگری از سواری در شهربازی.موتورهای القایی خطی نصب شده بر روی برخی از این سیستم ها می توانند بارهای بسیار بالا را از 0 تا 100 کیلومتر در ساعت در 3 ثانیه شتاب دهند.مراحل موتور القایی خطی را می توان در RTU ها (واحدهای انتقال ربات) نیز استفاده کرد.اکثر RTU ها از درایوهای رک و پینیون استفاده می کنند، اما یک موتور القایی خطی می تواند عملکرد بالاتر، هزینه کمتر و عمر طولانی تری را ارائه دهد.
موتورهای سنکرون آهنربای دائمی
PMLSM ها معمولاً در برنامه هایی با ضربات بسیار کوچکتر، سرعت کمتر اما دقت بالا تا بسیار بالا و چرخه های کاری فشرده استفاده می شوند.بیشتر این کاربردها در صنایع AOI (بازرسی نوری خودکار)، نیمه هادی ها و صنایع لیزری یافت می شوند.
انتخاب مراحل موتور خطی (درایو مستقیم)، مزایای عملکردی قابل توجهی را نسبت به درایوهای غیرمستقیم، (مراحلی که حرکت خطی با تبدیل حرکت چرخشی به دست می‌آید)، برای طراحی‌های طولانی مدت ارائه می‌دهد و برای بسیاری از صنایع مناسب است.
زمان ارسال: فوریه-06-2023