Линенйный асинхронный двигатель - реферат. Линейный двигатель на автомобиле

Католицкий Никита Александрович

студент Электроэнергетического факультета Ставропольский государственный аграрный университет г. Ставрополь, Россия

Аннотация: В статье описано устройство, виды линейных двигателей их отличия от других видов электродвигателей, подробно описано применение, достоинства и недостатки. Цель статьи заключается в описании преимущества линейных двигателей над другими.

Ключевые слова: Линейный электродвигатель, ротор, статор, привод, якорь, магнитопровод

Linear electric motor

Katolickij Nikita Aleksandrovich

student Electricity Department Stavropol State Agrarian University Stavropol, Russia

Abstract: In article the device, types of linear engines of their difference from other types of electric motors is described, application, merits and demerits is in detail described. The purpose of article consists in the description of advantage of linear engines over others.

Keywords: linear electric motor, rotor, stator, drive, anchor, magnetic conductor

На протяжении многих лет промышленность зависит от различных ременных и винтовых передач, а также пневматических механизмов необходимых для выполнения линейного позиционирования. Спрос на высокоскоростную пропускную способность, многочисленные рабочие циклы, гибкую настройку и программирование позволил определить недостатки в этих устройствах. Часто при выполнении точного контролируемого позиционирования в поступательном движении приходится идти на компромисс.

Благодаря технологии непосредственного привода линейного двигателя достигается высокое качество решения задач линейного позиционирования. Эта технология подразумевает непосредственное использование силы электромагнитного взаимодействия без использования ремня, шариковинтовой передачи либо промежуточного звена другого вида. Линейный привод обеспечивает непосредственное линейное перемещение (преобразование вращательного движения в поступательное не происходит).

Рисунок 1 – Устройство линейного двигателя

Электрический линейный двигатель является механизмом, в котором подвижная часть не находится во вращении (в традиционных вариантах двигателей подвижная часть вращается), а линейно перемещается вдоль неподвижной части агрегата, представленной в виде незамкнутого магнитопровода, длина которого имеет произвольное значение. Внутри магнитопровода создается бегущее магнитное поле. В стандартных электрических двигателях ротатор и статор свернуты в виде колец, а в линейном двигателе эти элементы растянуты в полосы. Благодаря тому, что обмотка статора включается поочередно, создается бегущее магнитное поле. В состав линейного электрического двигателя постоянного тока входит якорь с расположенной на его поверхности обмоткой, являющейся коллектором (направляющим элементом) и разомкнутый магнитопровод с обмотками возбуждения (подвижной частью), распложенными в таком порядке, что векторы сил, появляющихся в полюсах магнитопровода, имеют одно направление. Простота регуляции скорости перемещения подвижной части – отличительная черта линейного электродвигателя. Агрегаты переменного тока могут быть синхронного и асинхронного типа. Якорь в асинхронном линейном электродвигателе выполняется в виде бруска, чаще всего прямоугольного сечения, на котором отсутствует обмотка. Монтаж якоря выполняется вдоль пути перемещения подвижной части агрегата, оснащенной магнитопроводом с развернутыми многофазными обмотками, которые питаются от источника переменного тока. В результате взаимодействия магнитного поля магнитопровода подвижной части и поля якоря появляются силы, заставляющие подвижную часть перемещаться быстрее, относительно неподвижного якоря. Процесс происходит до момента уравнения скорости перемещения подвижной части и бегущего магнитного поля.

Чаще всего такие агрегаты используются в сфере электрического транспорта. Этому способствуют особые преимущества двигателей такого образца:

Прямолинейное движение статора отлично подходит для многих средств передвижения;

Простая конструкция, в которой отсутствуют трущиеся элементы, то есть энергетический поток внутри магнитного поля непосредственно преобразовывается в механическую энергию. Благодаря этому достигаются высокие показатели КПД и надежности агрегата;

Независимость силы тяги от сцепления колесных пар с рельсовыми путями. Это свойство недостижимо для стандартных агрегатов электрической тяги;

Отсутствие вероятности буксирования колес электрического транспорта, что стало причиной для выбора линейного двигателя;

Ускорение и скорость движения транспорта могут иметь любые значения, ограниченные комфортабельностью передвижения, допустимой скоростью качения колес по рельсовым путям и дорогам, а также степенью динамической устойчивости ходовой части транспортного средства и пути.

Линейные двигатели асинхронного типа необходимы для привода механизмов транспортировки различной продукции. Эти конвейеры оснащают металлическими лентами, проходящими внутри статоров линейных двигательных систем, выполняющими функцию вторичного элемента. Благодаря использованию линейной двигательной системы снижается степень предварительного натяжения ленты, устраняется вероятность ее проскальзывания, а также повышаются показатели скорости и надежности работы конвейера.

Линейные двигатели используют для машин ударного действия, к примеру, молоты для забивания свай, необходимые в сфере дорожных работ и строительстве. Статор линейной двигательной системы размещают на стреле молота, а его перемещение по направляющим элементам стрелы в вертикальном направлении обеспечивается благодаря лебедке. Ударная часть молота выполняет функцию вторичного элемента двигательной системы. Для осуществления подъема ударной части молота включение двигателя происходит так, что бегущее поле направляется вверх. При достижении ударным элементом крайнего верхнего положения происходит деактивация двигателя и происходит перемещение ударного элемента вниз на поверхность сваи под воздействием силы тяжести. Иногда деактивация двигателя не происходит – двигательная система работает в реверсивном режиме, увеличивая силу удара. В соответствии со степенью углубления сваи статор двигательной системы перемещается вниз благодаря лебедке. Конструкция электрического молота довольно проста. Его изготовить довольно просто. Повышенная точность в ходе производства его элементов не требуется, а его конструкция не чувствительна к изменениям температурных показателей, потому устройство может моментально приступить к выполнению своих функций.

Одним из видов линейных двигательных систем считаются магнитогидродинамические насосы. Эти устройства используют для перекачивания электропроводных жидкостей. Такие насосы широко используются: в металлургии для выполнения транспортировки, дозировки, а также перемещения металла в жидком виде и на АЭС для выполнения перекачки жидкометаллических теплоносителей.

Магнитогидродинамические насосы бывают двух видов: постоянного и переменного тока. В первом случае в роли первичного элемента (статора) выступает С-образный электромагнит. В воздушный зазор электрического магнита монтируют трубопровод с жидким металлом. Благодаря электродам, приваренным к стенкам трубопровода, пропускается постоянный ток от внешнего источника. В большинстве случаев обмотка возбуждения входит в последовательную цепь электродов. При возбуждении электрического магнита на металл, расположенный на участках, по которым проходит постоянный ток, оказывается воздействие электромагнитной силы, такой же, как сила, действующая на проводник с током, расположенным в зоне магнитного поля. В результате воздействия этой силы происходит перемещение металла по трубопроводу. Ключевые отличия МГД насосов заключаются в отсутствии движущихся механических элементов, а также в возможности герметизации канала транспортировки металла.

К преимуществам линейных двигательных систем стоит отнести отсутствие вращающихся элементов. К недостаткам стоит отнести низкие энергетические показатели, сравнительно со стандартными моделями электрических приводов, что объясняется разомкнутой электромагнитной цепью и существенными рабочими зазорами. Кроме того недостатками является сложность и высокая цена производства. Линейные двигательные системы используют для поездов, высокоскоростного наземного транспорта, относящегося к группе левитирующих транспортных средств. Общие показатели КПД стандартного агрегата и линейного электрического двигателя, в случае его оптимизации, практически равны, в случаях, когда исключаются промежуточные звенья передачи силы тяги. Со временем линейные электродвигатели вытеснят традиционные приводы с редукторами.

Список литературы:

Гринченко В. А. Обоснование базовой конструкции линейного электродвигателя // Theoretical & Applied Science. - 2013. - Т. 1. - №11 (7). - С. 58-60.
Гринченко В. А., Мишуков С. В. Расчет статической силы тяги линейного электродвигателя новой конструкции // Новые задачи технических наук и пути их решения. - Уфа: Аэтерна, 2014. - С. 18-20.
Никитенко Г. В., Гринченко В. А. Линейный двигатель возвратно-поступательного движения с регулированием амплитуды колебаний якоря // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве. - Ставрополь: Агрус, 2009. - С. 407-410.
Никитенко Г. В., Гринченко В. А. Результаты исследования линейного двигателя для вакуумного пульсатора доильного аппарата // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве. - Ставрополь: Агрус, 2010. - С. 268-272.
Пат. 2357143 Российская Федерация, МПК8 F 16 К 31/06. Электромагнитный клапан / Никитенко Г. В., Гринченко В. А.; заявитель и патентообладатель Ставроп. гос. аграр. ун-т. - № 2007141983/06; заявл. 12.11.07; опубл. 27.05.09.
Пат. 2370874 Российская Федерация, МПК8 H 02 K 33/12. Линейный двигатель / Никитенко Г. В., Гринченко В. А.; заявитель и патентообладатель Ставроп. гос. аграр. ун-т. - № 2008112342/09; заявл. 31.03.08; опубл. 20.10.09.
Пат. 82990 Российская Федерация, МПК8 А 01 J 7/00. Регулятор вакуума / Никитенко Г. В., Гринченко В. А.; заявитель и патентообладатель Ставроп. гос. аграр. ун-т. - № 2008150545/22; заявл. 19.12.08; опубл. 20.05.09.

Интересные и широкие перспективы развития электропривода связаны с применением так называемых линейных двигателей.
Большое число производственных механизмов и устройств имеют поступательное или возвратно-поступательное движение рабочих органов (подъемно-транспортные машины, механизмы подач различных станков, прессы, молоты и т. д.). В качестве привода этих механизмов и устройств до недавнего времени использовались обычные электродвигатели в сочетании со специальными видами механических передач (кривошипно-шатунный механизм, передача винт - гайка), преобразовывавших вращательное движение двигателей в прямолинейное движение рабочего органа.
Применение линейных электродвигателей позволяет упростить или полностью исключить механическую передачу, повысить экономичность и надежность работы привода и производственного механизма в целом.
Специфичность конструкции линейного двигателя определила появление и некоторых специальных терминов, применяемых для обозначения отдельных его частей. В настоящее время еще не принята единая система терминологии, поэтому в технической литературе одинаковый смысл вкладываются в понятия: статор - первичный элемент - индуктор, ротор - вторичный элемент - бегун - якорь - реактивная полоса. Часть двигателя, получающая энергию из сети, названа статором (хотя она не всегда является неподвижной частью), а часть двигателя, получающая энергию со статора, названа вторичным элементом.

Рис. 1. Принцип построения линейного двигателя переменного тока.
Линейные двигатели могут быть асинхронными, синхронными и постоянного тока, повторяя по принципу своего действия соответствующие двигатели вращательного движения.
Наибольшее распространение получили асинхронные линейные двигатели, которые мы и рассмотрим вначале. Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если мысленно разрезать (рис. 1) статор 1 и ротор 4 с обмотками 2 и 3 обычного асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и развернуть в плоскость, как это и показано на рисунке. Образовавшаяся «плоская» конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя. Если теперь обмотки 2 статора такого двигателя подключить к сети переменного тока, то образуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью V, пропорциональной частоте питающего напряжения f и длине полюсного деления т:

Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники обмотки 3 ротора и индуктирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведет к появлению силы, действующей, по известному правилу Ленда, в направлении перемещения магнитного поля. Ротор - в дальнейшем будем называть его уже вторичным элементом - под действием этой силы начнет двигаться с некоторым отставанием (скольжением) от магнитного поля, как и в обычном асинхронном двигателе.

Рис. 2. Линейные двигатели.
а - с длинным вторичным элементом; б - с коротким вторичным элементом; в - двухстаторный; г -с сердечником; 5 - со вторичным элементом в виде полосы.
Представленная на рис. 1 конструкция представляет собой линейный двигатель с одинаковыми размерами статора и вторичного элемента. Помимо такой конструкции, в зависимости от назначения линейного двигателя вторичный элемент может быть длиннее статора (рис. 2,а) или короче его (рис. 2,6). Такие двигатели получили соответственно название двигателей с коротким статором и коротким вторичным элементом.
Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Часто - и в этом одно из достоинств линейного асинхронного двигателя - в качестве вторичного элемента используется металлический лист (полоса), как это показано на рис. 2Д. Вторичный элемент при этом может располагаться также между двумя статорами (рис. 2,в) или между статором и ферромагнитным сердечником (рис. 2,г). Двигатель с конструктивной схемой, приведенной на рис. 2,6, получил название двигателя с односторонним статором, со схемой по рис. 2,в - с двусторонним статором и со схемой по рис. 2,г - с односторонним статором и сердечником.
Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, причем использование немагнитного вторичного элемента предполагает применение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через ферромагнитные элементы, как, например, на рис. 2,в, г. Некоторое распространение получили составные сложные вторичные элементы с прилегающими друг к другу полосами из немагнитного и ферромагнитного материала, при этом ферромагнитная полоса выполняет роль части магнитопровода.
Принцип действия линейных двигателей со вторичным элементом в виде полосы повторяет работу обычного асинхронного двигателя с массивным ферромагнитным или полым немагнитным ротором. Обмотки статора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются обычно к сети трехфазного переменного тока.
Отметим, что линейные двигатели очень часто работают в так называемом обращенном режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое применение на электрическом транспорте.
Разновидностями линейных асинхронных двигателей являются дуговой и трубчатый (коаксиальный) двигатели.

Рис. 3. Дуговой двигатель.
Дуговой двигатель характеризуется расположением обмотки на части окружности, как это показано на рис. 3. Особенностью этого двигателя является зависимость частоты вращения его ротора I от длины дуги, на которой располагаются обмотки 2 статора 3.
Пусть обмотки статора располагаются на дуге, длина которой соответствует центральному углу сс=2тр, где т - длина полюсного деления и р - число пар полюсов. Тогда за один период тока вращающееся поле статора совершит поворот на угол. а в течение
одной минуты поле повернется на оборотов, т. е. будет иметь частоту вращения яр, об/мин. Выбирая различные а, можно выполнять дуговые двигатели с различными частотами вращения ротора.
Одна из типовых конструкций трубчатого линейного двигателя представлена на рис. 4.
Статор двигателя 1 имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки 2 (обмотки статора) и металлические шайбы 3, являющиеся частью магнитопровода. Катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент 4 также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала. При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуктирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создает на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закрепленном статоре) движение вторичного элемента в этом направлении.
Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным направлением магнитного потока во вторичном элементе в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление.

Рис. 4. Трубчатый (коаксиальный) линейный двигатель.
Рассмотрим теперь несколько типовых практических конструкций линейных асинхронных двигателей в совокупности с производственными механизмами.
Широкое применение линейные двигатели нашли в электрическом транспорте, чему способствовал целый ряд преимуществ этих двигателей. Одно из них, уже отмеченное выше, определяется прямолинейностью движения вторичного элемента (или статора), что естественно сочетается с характером движения различных транспортных средств.

Рис. 5. Сочленение линейного двигателя с транспортным средством.
Другое, не менее важное обстоятельство связано с независимостью силы тяги от силы сцепления колес с рельсовым путем, что недостижимо для обычных систем электрической тяги. Поэтому ускорения и скорости движения средств транспорта при использовании линейных двигателей могут быть сколь угодно высокими и ограничиваться только комфортабельностью движения, допустимой скоростью качения колес по рельсовому пути и дороге, динамической устойчивостью ходовой части транспорта и пути. Исключается при использовании линейных двигателей и буксование колес электрического транспорта.
Одна из возможных конструктивных схем сочленения линейного двигателя с рельсовым транспортным средством показана на рис. 5. Линейный двигатель, укрепленный на тележке 3 подвижного состава, имеет конструкцию с двусторонним статором 1. Вторичным элементом является укрепленная между рельсами полоса 2. Напряжение на статор двигателя подается с помощью скользящих контактов.
Известны также конструкции линейных двигателей, где вторичным элементом являются рельс или элементы
несущей конструкции. Такие схемы характерны, в частности, для монорельсовых пассажирских и грузовых дорог и механизмов передвижения кранов. На рис. 6 в качестве примера показаны отечественный линейный двигатель, сконструированный для монорельсовой дороги. Этот двигатель имеет двусторонний статор 1 с обмоткой 2, внутри которого находится вторичный элемент в виде полосы 3. Статор двигателя перемещается по полосе с помощью несущих роликов 5. Ролики 4 служат для взаимной фиксации статора и вторичного элемента в горизонтальном направлении. Технические данные этого двигателя следующие: максимальная сила тяги 3800 Н, скорость двигателя 37 км/ч, номинальный ток 200 А, коэффициент полезного действия 50%,коэффициент мощности 0,4. Двигатель питается от трехфазной сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 380 В.
На рис. 7 показан пример использования линейных асинхронных двигателей для механизмов транспортировки грузов различных изделий. Конвейер, предназначенный для перемещения сыпучего материала 1 из бункера 2, имеет металлическую ленту 3, укрепленную на барабанах 4. Металлическая лента проходит внутри статоров 5 линейного двигателя, являясь вторичным элементом. Применение линейного двигателя в этом случае позволяет снизить предварительное натяжение ленты и устранить ее проскальзывание, повысить скорость и надежность работы конвейера.

Рис. 6. Линейный двигатель для монорельсовой дороги.

Рис. 7. Линейный двигатель для транспортеров.
Большой интерес представляет использование линейного двигателя для машин ударного действия, например сваезабивных молотов, применяемых при дорожных работах и строительстве. Конструктивная схема такого молота показана па рис. 8. Статор линейного двигателя 1 располагается на стреле молота 2 и может перемещаться по направляющим стрелы в вертикальном направлении с помощью лебедки 3. Ударная часть молота 4 является одновременно вторичным элементом двигателя.
Для подъема ударной части молота двигатель включается таким образом, чтобы бегущее поле было направлено вверх. При подходе ударной части к крайнему верхнему положению двигатель отключается и ударная часть опускается вниз на сваю под действием силы тяжести. В некоторых случаях двигатель не отключается, а реверсируется, что позволяет увеличить энергию удара. По мере заглубления сваи статор двигателя перемещается вниз с помощью лебедки.
Электрический молот прост в изготовлении, не требует повышенной точности изготовления деталей, нечувствителен к изменению температуры и может вступать в работу практически мгновенно.
Широкое распространение получает линейный двигатель и в легкой промышленности, в частности в текстильном производстве. Примером использования линейного двигателя в текстильной промышленности является привод челнока или прокладчика нити ткацкого станка. Идея такого применения линейных двигателей основывается на принципиальной возможности органического объединения функций челнока и вторичного элемента линейного двигателя.

Рис. 8. Линейный двигатель для сваезабивного молота.
Одна из возможных принципиальных схем ткацкого станка показана на рис. 9. Система электропривода образована двумя цилиндрическими статорами 1 и 2,
снабженными концевыми амортизаторами 3. Вторичным элементом является легкий алюминиевый прокладчик 4 с захватом для нити, который перемещается из одного статора в другой по направляющему каналу 5.
При нахождении прокладчика в статоре 1 устройство управления 6 подает напряжение на этот статор таким образом, что образовавшееся бегущее магнитное поле выталкивает прокладчик из статора. Прокладчик по направляющему каналу перелетает в другой статор, прокладывая нить, и тормозится там с помощью работающего в тормозном режиме статора 2 и амортизатора 3. Затем устройство управления переключает статор 2 для образования бегущего поля в направлении статора I, а сам статор 1 - в тормозной режим. Цикл перемещения прокладчика повторяется.

Рис. 9. Линейный двигатель для ткацких станков.
Ткацкие станки, выполненные по этому принципу, отличаются высокой производительностью, простотой автоматизации и удобством в обслуживании.
В настоящее время многие отечественные организации и заводы разрабатывают и серийно выпускают линейные асинхронные двигатели, среди них:
двигатели мощностью от нескольких ватт до 660 кВт со скоростями движения от 1,4 до 42 м/с для систем транспорта;
двухстаторные тяговые двигатели мощностью от 5 до 1000 кВт со скоростью движения 8,4-11,2 м/с для промышленного транспорта и различных производственных механизмов;
одностаторные тяговые двигатели для транспорта мощностью 26, 120 и 660 кВт со скоростью движения соответственно 10, 25,2 и 33,6 м/с;
тяговые двигатели с использованием рельса в качестве вторичного элемента;
линейные микродвигатели переменного и постоянного тока для привода машин легкой промышленности и для самопишущих измерительных приборов.
Таблица 1

Тип привода-толкателя	Номинальное усилие, Н	Ход штока, м	Время хода, с	Полезная мощность, Вт

В табл. 1 приведены технические данные цилиндрических линейных асинхронных двигателей, исиользуемых в безредукторном приводе-толкателе со скоростью движения штока 0,45 м/с.
Таблица 2

Тип двигателя	Мощность, кВт	Скорость бегущего поля, м/с	Среднее пусковое усилие, Н	Масса, кг

Для привода слитковозов в прокатном производстве разработаны линейные асинхронные двигатели, технические данные которых приведены в табл. 2.
Наряду с асинхронными линейными двигателями применяются линейные двигатели постоянного тока. Они чаще всего используются для получения небольших перемещений рабочих органов и обеспечения при этом высокой точности и значительных пусковых усилий.
Кроме того, линейные двигатели постоянного тока (как и двигатели вращательного движения) позволяют при необходимости просто регулировать скорость движения рабочих органов. Рассмотрим примеры применения этих двигателей.
На рис. 10 показана схема привода продольного хода стола плоскошлифовального станка с использованием линейного двигателя постоянного тока. На столе 1 станка расположен вторичный элемент (якорь) 2 двигателя. Ток к обмоткам якоря подводится через коллектор 3 и щетки 4, установленные на станине 5 станка. На станине по всей длине хода якоря расположены полюсы двустороннего статора 6, при этом станина является одновременно и магнитопроводом двигателя.
На рис. 11 показана еще одна конструктивная схема линейного двигателя постоянного тока, который применяется для перемещения промышленных изделий. Этот двигатель по существу представляет собой двигатель постоянного тока с полым цилиндрическим якорем, разрезанный по образующей и развернутый в плоскость.

Рис. 11. Линейный двигатель для транспортировки изделий.

Рис. 10. Линейный двигатель для шлифовального станка.
Подвижная часть двигателя - якорь - состоит из немагнитного остова 1 и укрепленной на нем обмотки 2 якоря, которая может быть выполнена из изолированного обмоточного провода или изготовлена из медной фольги путем ее травления. Ширина витков обмотки в направлении движения, как и в обычных двигателях постоянного тока, близка к полюсному делению (т. е. расстоянию по окружности между полюсами магнитной системы двигателя). Токоподвод к обмотке осуществляется с помощью коллектора 3 и щеток 4. На станине двигателя 5 крепится комплект полюсов 6 с обмотками возбуждения 7, размещенных в ряд по направлению движения якоря. Другими частями магнитопровода двигателя являются стальные сердечники 8 и сама станина, выполненная также из ферромагнитного материала. Якорь двигателя вместе со столиком 9 для крепления перемещаемого изделия 10 движется по неподвижным опорам 11 так, что его плоскости с обмотками все время находятся в зазоре между сердечниками 8 и полюсами 6.
На принципе работы линейного двигателя основано действие специальных насосов для перекачки электропроводящих жидкостей и в том числе жидких металлов. Такие насосы, часто называемые магнитогидродинамическими, широко применяются в металлургии для транспортировки, дозировки и перемешивания жидкого металла, а также на атомных электростанциях для перекачки жидкометаллического теплоносителя.
Магнитогидродинамические насосы (МГД-насосы) могут быть постоянного или переменного тока. Конструктивная схема МГД-насоса постоянного тока показана на рис. 12.
Первичным элементом - статором двигателя является С-образный электромагнит 1 (для упрощения рисунка его обмотка возбуждения не показана). В воздушный зазор электромагнита помещается трубопровод 2 с жидким металлом. С помощью электродов 3, приваренных к стенкам трубопровода, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего источника. Часто обмотка возбуждения включается последовательно в цепь электродов 3.

Рис. 12. Магнитогидродинамический насос постоянного тока.

При возбуждении электромагнита на металл в зоне прохождения постоянного тока начинает действовать электромагнитная сила аналогично тому, как она действовала на проводник с током, помещенным в магнитное поле (см. рис. I). Под действием этой силы металл начнет перемещаться по трубопроводу, причем направление его движения просто определить по известному правилу левой руки.
Один из выполненных МГД-насосов этого типа имеет следующие данные: потребляемая мощность 625 кВт, ток 250 000 А, напряжение 2,5 В, КПД 62,5%. Насос обеспечивает транспортировку жидкого натрия при температуре 800°С со скоростью 12,4 м/с по каналу сечением 53x15,2 см2. Номинальный расход насоса 3670 м3/ч при напоре 39 Н/см2.
Преимуществами МГД-насосов являются отсутствие движущихся механических частей и возможность герметизации канала транспортировки металла.
Принцип линейного двигателя используется при разработке реактивных плазменных двигателей космических ракет. Модель такого плазменного двигателя можно также изобразить с помощью схемы, приведенной на рис. 12, где место жидкого металла заняла плазма - высокотемпературный (400°С и более) ионизированный и поэтому токопроводящий газ. Электроэнергию для работы такого двигателя предполагается получить с помощью ядерного реактора.
В последние годы все шире используются синхронные линейные двигатели. Основной областью применения этих двигателей, где их преимущества проявляются особенно сильно, является высокоскоростной электрический транспорт. Дело в том, что по условиям нормальной эксплуатации такого транспорта необходимо иметь сравнительно большой воздушный зазор между подвижной частью и вторичным элементом. Асинхронный линейный двигатель имеет при этом очень низкий коэффициент мощности (cosφ), и его применение оказывается экономически невыгодным. Синхронный линейный двигатель, напротив, допускает наличие относительно большого воздушного зазора между статором и вторичным элементом и работает при этом с cosφ, близким к единице.
Следует при этом отметить, что применение синхронных линейных двигателей в высокоскоростном транспорте сочетается, как правило, с так называемой магнитной подвеской вагонов и применением сверхпроводящих магнитов и обмоток возбуждения, что позволяет повысить комфортабельность движения и экономические показатели работы подвижного состава.
Рассмотрим конкретные примеры использования линейных синхронных двигателей для транспорта. На рис. 13 показана схема путепровода и вагона электропоезда со скоростью движения 400-500 км/ч, предназначенного для перевозки 100 пассажиров.
Тяговый синхронный линейный двигатель имеет электромагнитное возбуждение с использованием сверхпроводящих магнитов. Обмотка возбуждения 1 состоит из ряда катушек, равномерно укрепленных под днищем вагона 5. В криогенной системе охлаждения обмоток используется жидкий гелий. Плоская трехфазная обмотка переменного тока 2 уложена в бетонное полотно дороги и питается от трехфазного инвертора, преобразующего напряжение постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока (здесь кратко рассмотрен ). С помощью инвертора осуществляются пуск, изменение скорости движения и торможение поезда. Номинальный ток обмотки 250 А; длина секции обмоток, одновременно включаемых на напряжение, 5 км. Номинальная мощность двигателя 5,2 МВт, номинальное тяговое усилие 40 кН, cos φ=0,92, коэффициент полезного действия 72%.
Путепровод 6 представляет собой бетонное полотно шириной 3,7 м, плоский характер поверхности которого выбран с целью снижения накопления льда и снега.

Рис. 13. Линейный синхронный двигатель для привода подвижного состава.
Вагон подвешивается над полотном дороги на высоте 15 см с помощью специальной системы магнитной подвески. Эта система состоит из удлиненных сверхпроводящих электромагнитов 3, расположенных по краям днища вагона, и плоских алюминиевых полос 4, укрепленных в полотне дороги. Принцип работы системы магнитной подвески основывается на действии электродинамических сил, возникающих при взаимодействии потоков сверхпроводящих электромагнитов 3 на борту вагона и вихревых токов, наведенных в алюминиевых полосах 4. Расисты показали, что при использовании магнитной подвески масса вагона оказывается на 20 т меньше, чем при системе подвески на воздушной подушке.
Для обеспечения поперечной устойчивости поезда при его движении применяется специальная система стабилизации. Она предусматривает укладку дополнительной обмотки (на рисунке не показана) вдоль оси дорожного полотна и основана на взаимодействии токов в этой обмотке с полем тяговых электромагнитов.
Разработанная система электрической тяги с применением описанного выше синхронного линейного двигателя отличается хорошими эксплуатационными показателями, однако для ее работы необходима укладка обмоток в полотно дороги, что удорожает изготовление системы и усложняет ее обслуживание, особенно при значительной протяженности дороги. В связи с этим были разработаны конструкции линейных синхронных двигателей, которые не требуют укладки обмоток в железнодорожное полотно. К их числу относятся линейные синхронные двигатели с так называемым униполярным возбуждением и когтеобразными полюсами. Двигатели того и другого исполнения были использованы для привода 50-тонного состава со скоростью движения 480 км/ч. Параметры двигателей: номинальная мощность 1340 кВт, тяговое усилие 106 Н, частота напряжения переменного тока 350 Гц. Расчетное значение коэффициента мощности равно 1, а коэффициента полезного действия 91- 96%. Масса двигателей при зазоре между составом и вторичным элементом в 1,5 см не превышает 4 т.

Рис. 14. Линейный синхронный двигатель с униполярным возбуждением.
На рис. 14 показана конструктивная схема синхронного линейного двигателя с униполярным возбуждением. Двигатель имеет два статора 1, установленных на подвижной части состава. Бегущее магнитное поле создается с помощью обмоток 2, подключаемых к сети переменного тока. Статоры соединяются магнитопроводом 3, на котором расположена обмотка униполярного возбуждения 4. Эта обмотка создает постоянный по направлению магнитный поток Фп, который пронизывает ферромагнитный вторичный элемент 5, укладываемый в. путепровод. Взаимодействие бегущего магнитного поля с намагниченным вторичным элементом создает силу тяги подвижного состава.
Сопоставление линейных синхронных двигателей с униполярным возбуждением и когтеобразными полюсами с асинхронным линейным двигателем на то же тяговое усилие показало, что последний имеет худший коэффициент мощности (около 0,6), более низкий КПД (около 80%) и большую массу на единицу мощности двигателя.

Назначение и типы линейных электродвигателей

Ротационные электродвигатели обычно предназначены для реализации вращательного движения рабочего механизма. Иногда эти двигатели осуществляют поступательные или возвратно-поступательные движения. Достигается это при помощи кинематических передач усложняющих конструкцию и снижающих коэффициент полезного действия привода. Применение линейных электродвигателей позволяет устранить эти недостатки.

В ротационных электродвигателях индуктор представляет собой цилиндр, внутри которого вращается ротор. В плоских линейных электродвигателях индуктор развернут на плоскости. Индуктор цилиндрического линейного электродвигателя - цилиндр, внутри которого линейно перемещаются вторичные элементы.

Основные типы линейных электродвигателей: линейные асинхронные электродвигатели, линейные синхронные электродвигатели, линейные электродвигатели постоянного тока, линейные шаговые электродвигатели. Наибольшее применение получили линейные асинхронные электродвигатели. Первичная обмотка асинхронного линейного электродвигателя возбуждает бегущее электромагнитное поле. В результате взаимодействия первичного поля и индуктируемых токов во вторичном элементе возникает тяговое усилие. Вторичный элемент прямолинейно перемещается. В линейных асинхронных электродвигателях имеют место ухудшающие характеристики краевые эффекты. Разомкнутость магнитной цепи в продольном направлении вызывает продольный краевой эффект. Увеличение числа полюсов индуктора снижает продольный краевой эффект. Наличие на краях вторичного элемента продольных составляющих токов, не создающих полезное тяговое усилие - поперечный краевой эффект. Увеличение ширины вторичного элемента снижает влияние поперечного краевого эффекта. Итак, принцип действия как ротационных, так и линейных электродвигателей имеет одну и ту же физическую природу.

Применение линейных электродвигателей

Линейные электродвигатели применяются там, где они упрощают конструкцию, повышают производительность машин и оборудования, или в тех случаях, когда использование ротационных электродвигателей по их характеристикам невозможно. Применение линейных электродвигателей наиболее перспективно в промышленном и пассажирском транспорте. В конвейерных поездах индукторы электропривода расположены вдоль рельсового пути, вторичный элемент электродвигателя находится на подвижном составе. Такие поезда удобны при транспортировке угля, руды и строительных материалов. На примере системы городского эстакадного пассажирского транспорта показан другой вариант исполнения линейного электродвигателя, где вторичный элемент установлен вдоль пути в виде токопроводящей вертикальной полосы. А индукторы установлены в движущемся вагоне. Линейные асинхронные электродвигатели широко применяются в приводах различных исполнительных механизмов и устройств. В приводах разъединителей тяговых подстанций цилиндрический линей электродвигатель существенно упрощает конструкцию, повышает быстродействие и эксплуатационную надежность оборудования.

В ряде случаев, вторичным элементом двигателя может быть и деталь рабочего механизма. Привод поворотного стола манипулятора осуществлен на базе плоских линейных электродвигателей, что обеспечивает высокую точность углового позиционирования стола и существенно упрощает механическую часть устройства. В отдельных случаях, линейные асинхронные электродвигатели могут эффективно выполнять сразу несколько целевых функций. Литейная карусельная машина. Ее привод реализован на линейных электродвигателях плоского исполнения. Он может перемещать и при технологической необходимости подогревать из ложницы. Коэффициент полезного действия таких приводов значительно выше, чем КПД приводов с одной целевой функцией.

Принцип работы линейного асинхронного электродвигателя может быть использован при создании других электромагнитных устройств, например в сепараторах цветных металлов. Линейные электродвигатели успешно применяются в различных системах внутрицехового транспорта. Основными преимуществами линейных электродвигателей являются возможность получения непосредственного прямолинейного движения, больших скоростей и ускорений, простота конструкции, бесшумность и надежность работы. Развитие микропроцессорной техники и разработка новых средств управления позволяют постоянно расширять области эффективного применения линейных электродвигателей.

1. Введение.

2.2 Разновидности.

2.2.2 Дуговой двигатель.
2.2.3 Трубчатый двигатель.
2.3 Применение.

3.2 Применение.

4.1 Применение.
5. Вывод.

1. Введение.

2. Линейный асинхронный двигатель.

2.1 Конструкция и принцип действия.

Наибольшее распространение получили асинхронные линейные двигатели. Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если мысленно разрезать (рис. 1) статор 1 и ротор 4 с обмотками 2 и 3 обычного асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и развернуть в плоскость, как это показано на рисунке. Образовавшаяся «плоская» конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя. Если теперь обмотки 2 статора такого двигателя подключить к сети переменного тока, то образуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью, пропорциональной частоте питающего напряжения и длине полюсного деления. Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники обмотки 3 ротора и индуктирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведёт к появлению силы, действующей, по известному правилу Ленца, в направлении перемещения магнитного поля. Ротор - в дальнейшем будем называть его уже вторичным элементом - под действием этой силы начнёт двигаться с некоторым отставанием (скольжением) от магнитного поля, как и в обычном асинхронном двигателе.

2.2 Разновидности.
2.2.1 Конструктивные параметры.

Представленная на рис. 2 конструкция представляет собой линейный двигатель с одинаковыми размерами статора и вторичного элемента. Помимо такой конструкции, в зависимости от назначения линейного двигателя вторичный элемент может быть длиннее статора (рис. 2а) или короче его (рис. 2б). Такие двигатели получили соответственно название двигателей с коротким статором и коротким вторичным элементом. Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Часто - и в этом одно из достоинств линейного асинхронного двигателя - в качестве вторичного элемента используется металлический лист (полоса), как показано на рис. 2д. Вторичный элемент при этом может располагаться также между двумя статорами (рис. 2в) или между статором и ферромагнитным сердечником (рис. 2г). Двигатель с конструктивной схемой, приведённой на рис. 2д, получил название двигателя с односторонним статором, со схемой по рис. 2в - с двусторонним статором и со схемой по рис. 2г - с односторонним статором и сердечником. Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, причём использование не магнитного вторичного элемента предполагает применение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через ферромагнитные элементы, как, например, на рис. 2в, г. Некоторое распространение получили сложные составные вторичные элементы с прилегающими друг к другу полосами из немагнитного и ферромагнитного материала, при этом ферромагнитная полоса выполняет роль части магнитопровода. Принцип действия линейных двигателей с вторичным элементом в виде полосы повторяет работу обычного асинхронного двигателя с массивным ферромагнитным или полым немагнитным ротором. Обмотки статора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются обычно к сети трёхфазного переменного тока. Отметим, что линейные двигатели очень часто работают в так называемом обращённом режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое применение на электрическом транспорте.

2.2.2 Дуговой двигатель.
Дуговой двигатель характеризуется расположением обмотки на части окружности, как это показано на рис. 3.Особенностью этого двигателя является зависимость частоты вращения его статора 1 от длины дуги, на которой располагаются обмотки 2 статора 3.

Пусть обмотки статора располагаются на дуге, длина которой соответствует центральному углу α = 2τр, где τ - длина полюсного деления и p - число пар полюсов. Тогда за один период тока вращающееся поле статора совершит поворот на угол 2τр/р = α/р, а в течение одной минуты поле повернётся на n = α/p*60f/2π оборотов, т. е. будет иметь частоту вращения n, об/мин.
Выбирая различные α, можно выполнять дуговые двигатели с различными частотами вращения ротора.

2.2.3 Трубчатый двигатель.
Конструкция трубчатого линейного двигателя представлена на рис. 4.

Статор двигателя 1 имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки 2 (обмотки статора) и металлические шайбы 3, являющиеся частью магнитопровода. катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент 4 также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала.
При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуктирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создаёт на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закрепленном статоре) движение вторичного элемента в этом направлении. Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным направлением магнитного потока в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление.

2.3 Применение.

Широкое применение линейные двигатели нашли в электрическом транспорте, чему способствовал целый ряд преимуществ этих двигателей. Одно из них, уже отмеченное выше, определяется прямолинейностью движения вторичного элемента (или статора), что естественно сочетается с характером движения транспортных средств.
Другое, не менее важное обстоятельство связанно с независимостью силы тяги от силы сцепления колёс с рельсовым путём, что недостижимо длят обычных систем электрической тяги. Поэтому ускорения и скорости движения средств транспорта при использовании линейных двигателей могут быть сколь угодно высокими и ограничиваться только комфортабельностью движения, допустимой скоростью качения колёс по рельсовому пути и дороге, динамической устойчивостью ходовой части транспорта и пути. Исключается при использовании линейных двигателей и буксование колёс электрического транспорта.

Одна из возможных конструктивных схем сочленения линейного двигателя с рельсовым транспортным средством показана на рис. 5.

Линейный двигатель, укреплённый на тележке 3 подвижного состава, имеет конструкцию с двусторонним статором 1. Вторичным элементом является укреплённая между рельсами полоса 2. Напряжение на статор двигателя подаётся с помощью скользящих контактов. Известны также конструкции линейных двигателей, где вторичным элементом являются рельс и элементы несущей конструкции. Такие схемы характерны, в частности, для монорельсовых пассажирских и грузовых дорог и механизмов передвижения кранов. На рис. 6 в качестве примера показаны отечественный линейный двигатель, сконструированный для монорельсовой дороги. Этот двигатель имеет двусторонний статор 1 с обмоткой 2, внутри которого находится вторичный элемент в виде полосы 3. Статор двигателя перемещается по полосе с помощью несущих роликов 5. Ролики 4 служат для взаимной фиксации статора и вторичного элемента в горизонтальном направлении.

Рис. 7

На рис. 7 показан пример использования линейных асинхронных двигателей для механизмов транспортировки грузов различных изделий.
Конвейер, предназначенный для перемещения сыпучего материала 1 из бункера 2, имеет металлическую ленту 3, укреплённую на барабанах 4. Металлическая лента проходит внутри статоров 5 линейного двигателя, являясь вторичным элементом. Применение линейного двигателя в этом случае позволяет снизить предварительное натяжение ленты и устранить её проскальзывание, повысить скорость и надёжность работы конвейера.
Большой интерес представляет использование линейного двигателя для машин ударного действия, например сваезабивных молотов, применяемых при дорожных работах и строительстве. Конструктивная схема такого молота, показана на рис. 8.Статор линейного двигателя 1 располагается на стреле молота 2 и может перемещаться по направляющим стрелы в вертикальном направлении с помощью лебёдки 3. Ударная часть молота 4 является одновременно вторичным элементом двигателя.
Для подъёма ударной части молота двигатель включается таким образом, чтобы бегущее поле было направленно вверх. При подходе ударной части к крайнему верхнему положению двигатель отключается и ударная часть опускается вниз на сваю под действием силы тяжести. В некоторых случаях двигатель не отключается, а реверсируется, что позволяет увеличить энергию удара. По мере заглубления сваи статор двигателя перемещается вниз с помощью лебёдки.

Электрический молот, прост в изготовлении, не требует повышенной точности изготовления двигателей, не чувствителен к изменению температуры и может вступать в работу практически мгновенно.

3. Линейный двигатель постоянного тока.

Наряду с асинхронными линейными двигателями применяются линейные двигатели постоянного тока. Они чаще всего используются для получения небольших перемещений рабочих органов и обеспечения при этом высокой точности и значительных пусковых усилий.

3.1 Конструкция и принцип действия.

Линейные электродвигатели постоянного тока состоит из якоря с расположенной на нём обмоткой, служащей одновременно коллектором (направляющий элемент), и разомкнутого магнитопровода с обмотками возбуждения (подвижная часть), расположенными так, что векторы сил, возникающих под полюсами магнитопровода, имеют одинаковое направление. Кроме того, линейные двигатели постоянного тока (как и двигатели вращательного движения) позволяют при необходимости просто регулировать скорость движения рабочих органов.

3.2 Применение.

На рис. 9 показана схема линейного двигателя постоянного тока, который применяется для перемещения промышленных изделий. Этот двигатель по существу представляет собой двигатель постоянного тока с полым цилиндрическим якорем, разрезанный по образующей и развёрнутый в плоскость.

Подвижная часть двигателя - якорь - состоит из немагнитного остова 1 и укреплённой на нём обмотки 2 якоря, которая может быть выполнена из изолированного обмоточного провода или изготовлена из медной фольги путём её травления. Ширина витков обмотки в направлении движения, как и в обычных двигателях постоянного тока, близка к полюсному делению (т. е. расстоянию по окружности между полюсами магнитной системы двигателя). Токопровод к обмотке осуществляется с помощью коллектора 3 и щёток 4. На станине двигателя 5 крепится комплект полюсов 6 с обмотками возбуждения 7, размещённых в ряд по направлению движения якоря. Другими частями магнитопровода двигателя являются стальные сердечники 8 и сама станина, выполненная также из ферромагнитного материала. Якорь двигателя вместе со столиком 9 для крепления перемещаемого изделия 10 движется по неподвижным опорам 11 так, что его плоскости с обмотками всё время находятся в зазоре между сердечниками 8 и полюсами 6. На принципе работы линейного двигателя основано действие специальных насосов для перекачки электропроводящих жидкостей и в том числе жидких металлов. Такие насосы, часто называемые магнитогидродинамическими, широко применяются в металлургии для транспортировки, дозировки и перемешивания жидкого металла, а также на атомных электростанциях для перекачки жидкометаллического теплоносителя.
Магнитогидродинамические насосы (МГД - насосы) могут быть постоянного или переменного тока. Рассмотрим схему насоса постоянного тока.

Первичным элементом - статором двигателя является С - образный электромагнит 1. В воздушный зазор электромагнита помещается трубопровод 2 с жидким металлом. С помощью электродов 3, приваренных к стенкам трубопровода, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего устройства. Часто обмотка возбуждения включается последовательно в цепь электродов 3. При возбуждении электромагнита на металл в зоне прохождения постоянного тока начинает действовать электромагнитная сила. Под действием этой силы металл начнёт перемещаться по трубопроводу, причём направление его движения просто определить по известному правилу левой руки. Преимуществами МГД - насосов являются отсутствие движущихся механических частей, и возможность герметизации канала транспортировки металла.

4. Линейный синхронный двигатель.

В последние годы всё шире используются синхронные линейные двигатели. Основной областью применения этих двигателей, где их преимущества проявляются особенно сильно, является высокоскоростной электрический транспорт. Дело в том, что по условиям нормальной эксплуатации такого транспорта необходимо иметь сравнительно большой воздушный зазор между подвижной частью и вторичным элементом. Асинхронный линейный двигатель имеет при этом очень низкий коэффициент мощности, и его применение оказывается экономически не выгодным. Синхронный линейный двигатель, напротив, допускает наличие относительно большого воздушного зазора между статором и вторичным элементом и работает при этом с коэффициентом мощности, близким к единице.
Следует отметить, что применение синхронных линейных двигателей в высокоскоростном транспорте сочетается, как правило, с так называемой магнитной подвеской вагонов и применением сверхпроводящих магнитов и обмоток возбуждения, что позволяет повысить комфортабельность движения и экономические показатели работы подвижного состава.

4.1 Применение.

На рис. 11 показана схема путепровода и вагона электропоезда со скоростью движения 400 - 500 км/ч, предназначенного для перевозки 100 пассажиров.

Рис. 11

Тяговый синхронный линейный двигатель имеет электромагнитное возбуждение с использованием сверхпроводящих магнитов. Обмотка возбуждения 1 состоит из ряда катушек, равномерно укреплённых под днищем вагона 5. В криогенной системе охлаждения обмоток используется жидкий гелий. Плоская трёхфазная обмотка переменного инвертора, преобразующего напряжения постоянного тока в трёхфазное напряжение переменного тока.
С помощью инвертора осуществляется пуск, изменение скорости движения и торможение поезда.
Путепровод 6 представляет собой бетонное полотно, плоский характер поверхности которого выбран с целью снижения накопления льда и снега. Вагон подвешивается над полотном дороги на высоте 15 см с помощью специальной системы магнитной подвески. Эта система состоит из удлинённых сверхпроводящих электромагнитов 3, расположенных по краям днища вагона, из плоских алюминиевых полос 4, укреплённых в полотне дороги. Принцип работы системы магнитной подвески основывается на действии электродинамических сил, возникающих при взаимодействии потоков сверхпроводящих электромагнитов 3 на борту вагона и вихревых токов, наведённых в алюминиевых полосках 4. Расчёты показали, что при использовании магнитной подвески масса вагона оказывается на 20 т меньше, чем при системе подвески на воздушной подушке.
Для обеспечения поперечной устойчивости поезда при его движении применяется специальная система стабилизации. Она предусматривает укладку дополнительной обмотки вдоль оси дорожного полотна и основана на взаимодействии токов в этой обмотке с полем тяговых электромагнитов. Разработанная система электрической тяги с применением описанного выше синхронного линейного двигателя отличается хорошими эксплуатационными показателями, однако для её работы необходима укладка обмоток в полотно дороги, что удорожает изготовление системы и усложняет её обслуживание, особенно при значительной протяжённости дороги. В связи с этим были разработаны конструкции линейных синхронных двигателей, которые не требуют укладки обмоток в железнодорожное полотно. К их числу относятся линейные синхронные двигатели с так называемым униполярным возбуждением и когтеобразными полюсами. Двигатели того и другого исполнения были использованы для привода 50 - тонного состава со скоростью движения 480 км/ч.

На рис. 12 показана схема синхронного линейного двигателя с униполярным возбуждением. Двигатель имеет два статора 1, установленных на подвижной части состава. Бегущее магнитное поле создаётся с помощью обмоток 2, подключаемых к сети переменного тока. Статоры соединяются магнитопроводом 3, на котором расположена обмотка униполярного возбуждения 4. Эта обмотка создаёт постоянный по направлению магнитный поток, который пронизывает ферромагнитный вторичный элемент 5, укладываемый в магнитопровод. Взаимодействие бегущего магнитного поля с намагниченным вторичным элементом создаёт силу тяги подвижного состава.
Сопоставление линейных синхронных двигателей с униполярным возбуждением и когтеобразными полюсами с асинхронным линейным двигателем на то же тяговое усилие показало, что последний имеет худший коэффициент мощности (около 0,6), более низкий КПД (около 80%) и большую массу на единицу мощности двигателя.

5. Вывод.

Применение линейных электродвигателей позволяет упростить или полностью исключить механическую передачу, повысить экономичность и надёжность работы привода и производственного механизма в целом.

6. Список литературы.

1. В.В. Маскаленко, Электрические двигатели специального назначения, Энергоиздат 1981.
2. Кавалёв Ю.М., Электрические машины, - М.: Энергия, 1989.

Архаичность большинства приводов давно очевидна и передовая конструкторская мысль уже много лет работала над задачей кардинальной замены типовых приводов в металлообрабатывающем оборудовании на какие-то другие, более совершенные. Как говорят, гениальное - просто. И таким гениальным решением было использовать в качестве приводов подач станков линейные двигатели.

Электромагнитная система

Линейный двигатель

Принцип линейного двигателя (ЛД) не нов и, в общем, известен даже школьнику, поскольку прототипом ЛД является простейшая электромагнитная система. Такая система состоит из металлического сердечника-магнита и статорной обмотки. При подаче тока определенной полярности в обмотку сердечник сместится в ту или иную сторону, причем практически мгновенно. Изменение полярности сигнала на обмотку приведет к обратному ходу сердечника. Как видим, от источника энергии к РО нет никаких промежуточных элементов, передача энергии осуществляется через воздушный зазор, ничего не надо вращать, сразу возможно осуществление главной задачи - продольного движения РО. Гениальность решения, естественно, сразу была оценена по достоинству. На рассмотренном принципе уже десятилетия работают все элементы электроавтоматики, системы электротормозов, системы защиты, специальное оборудование ударного типа и т.д. Громадный опыт использования электромагнитных систем четко выявил их потрясающие достоинства: удивительная простота конструкции и применения, почти мгновенная остановка, мгновенный реверс, сверх быстрота срабатывания, большие усилия, простота настройки. Но не было только одного - возможности регулировать скорость РО в электромагнитной системе и обеспечивать тем самым регулируемое поступательное движение РО (сердечника). А без этой возможности применить электромагнитный привод (несмотря на его гениальность), как движитель в оборудовании, было невозможно.

Потребовались многие годы работы ученых и конструкторов в разных странах, прежде чем был достигнут успех. Особенно интенсивно велись работы в Японии, где электромагнитный привод (уже как линейный привод) был впервые успешно использован как движитель для сверхскоростных поездов. Там же были попытки создания линейных приводов для металлообрабатывающих станков, но они имели существенные недостатки: создавали сильные магнитные поля, грелись, а главное не обеспечивали равномерности в движении РО. Лишь на пороге нового тысячелетия начался серийный выпуск станков (пока в основном электроискровых (электроэрозионных)) с принципиально новыми линейными двигателями, в которых решены все проблемы по обеспечению равномерным движением РО станков со сверхвысокой точностью, с большим диапазоном регулирования скорости, с громадными ускорениями, мгновенным реверсом, с простотой обслуживания и наладки и др.

В принципе, конструкция ЛД изменилась не сильно. Собственно двигатель состоит всего из 2 (!) элементов: электромагнитного статора и плоского ротора, между которыми лишь воздушный зазор. Третий обязательный элемент – оптическая или другая измерительная линейка с высокой дискретностью (0,1 мкм). Без нее система управления станка не может определить текущие координаты. И статор, и ротор выполнены в виде плоских, легко снимаемых блоков: статор крепится к станине или колонне станка, ротор - к рабочему органу (РО). Ротор элементарно прост: он состоит из ряда прямоугольных сильных (редкоземельных) постоянных магнитов. Закреплены магниты на тонкой плите из специальной высокопрочной керамики, коэффициент температурного расширения которой в два раза меньше чем у гранита. Использование керамики совместно с эффективной системой охлаждения решило многие проблемы линейных приводов, связанные с температурными факторами, с наличием сильных магнитных полей, с жесткостью конструкции и т.п.

Точная и равномерная подача РО во всем диапазоне скоростей и нагрузок обеспечивается двумя техническими решениями:

-крепление постоянных магнитов под определенным фиксированным углом, который был открыт в ходе длительных экспериментов;

-реализация высокоэффективной 6-ти фазной импульсной системы управления (система SMC).

Компания "СОДИК" организовала на своих заводах серийный выпуск широкой гаммы ЛД с характеристиками: с ходом подач от 100 до 2220 мм, с максимальной скоростью перемещения РО до 180 м/мин с ускорениями до 20G (!!!) при точности исполнения заданных перемещений (в нормальном режиме работ) равной 0,0001мм (0,1 мкм). Нагрев этих ЛД при работе не превышает + 2° С от температуры помещения. Обеспечивается практически мгновенная остановка РО, реверс, моментальная реакция привода на команды системы ЧПУ и т.д. На один и тот же рабочий орган монтируется (например, для увеличения мощности) несколько линейных двигателей. Так, в частности, устроен привод оси Z всех ЭЭ прошивочных станков "СОДИК".

Как указывалось, и статор, и ротор ЛД предельно просты. Статор исполнен в виде прямоугольного блока и крепится несколькими болтами к несущей конструкции станка. В приводе оси Z - два статора. Они размещены по обе стороны вертикального ползуна. К каждому статору крепятся два патрубка системы охлаждения статора и кабели подвода энергии и управления. Пластина ротора жестко крепится болтами к подвижной каретке (РО). Так как в приводе оси Z два ЛД, то на каретке крепятся, соответственно, два ротора, каждый напротив своего статора. Система специальных направляющих и пневмопротивовес обеспечивают исключительную легкость хода каретки, практически без усилий. Приводы по осям X, Y прошивочных станков и в приводах X, Y, U, V проволочно-вырезных станков проще - в них всего по одному ЛД.