Линейные двигатели становятся все более популярными.Они обеспечивают машинам высочайшую точность и динамические характеристики.

Линейные двигатели очень быстры и точны в позиционировании, но также способны работать на медленной постоянной скорости перемещения головок станков и направляющих, а также систем обработки инструментов и деталей.В различных областях применения — лазерной хирургии, визуальном контроле, обработке бутылок и багажа — используются линейные двигатели, поскольку они чрезвычайно надежны, не требуют особого обслуживания и улучшают производственные циклы.

Более высокая скорость и сила

Линейные двигатели напрямую связаны со своей нагрузкой, что исключает необходимость использования множества соединительных компонентов — механических муфт, шкивов, зубчатых ремней, шариковых винтов, цепных передач, реечных передач и многих других.Это, в свою очередь, снижает затраты и даже обратную реакцию.Линейные двигатели также обеспечивают стабильное движение, точное позиционирование в течение сотен миллионов циклов и более высокие скорости.

Типичные скорости, достижимые с помощью линейных двигателей, различаются: используются машины для захвата и размещения (которые совершают много коротких перемещений) и инспекционное оборудование.линейные шаговые двигателисо скоростями до 60 дюйм/сек;летучие ножницы и машины для захвата и размещения, которые выполняют более длинные перемещения, используютбез зубцов, бесщеточныйлинейные двигатели на скорости до 200 дюйм/сек;Американские горки, средства запуска транспортных средств и средства передвижения людей используют линейныеиндукция переменного токадвигатели для достижения скорости до 2000 дюймов в секунду.

Еще один фактор, определяющий, какая технология линейного двигателя лучше: сила, необходимая для перемещения нагрузки.Нагрузка или масса вместе с профилем ускорения приложения в конечном итоге определяют эту силу.

Каждое приложение представляет собой различные проблемы;однако, как правило, в системах частичной передачи используются линейные шаговые двигатели с усилием до 220 Н или 50 фунтов;полупроводники, лазерная резка, гидроабразивная резка и робототехника используют бесщеточные беззубчатые двигатели до 2500 Н;в конвейерных системах используются линейные асинхронные двигатели переменного тока до 2200 Н;В конвейерных линиях и станках используются бесщеточные двигатели с железным сердечником до 14 000 Н. Имейте в виду, что каждое применение отличается, и инженеры-разработчики приложений обычно оказывают помощь на этом этапе спецификации.

Помимо скорости и силы существуют и другие факторы.Например, в конвейерных системах используются линейные асинхронные двигатели переменного тока из-за их большой длины хода и преимуществ наличия пассивной вторичной обмотки без постоянных магнитов.В таких областях, как лазерная хирургия глаза и производство полупроводников, используется бесщеточный механизм без зубчатых колес, обеспечивающий точность и плавность хода.

Основная операция

Линейные двигатели работают за счет взаимодействия двух электромагнитных сил — того же основного взаимодействия, которое создает крутящий момент во вращающемся двигателе.

Представьте себе, что роторный двигатель разрезается, а затем выравнивается: это дает приблизительное представление о геометрии линейного двигателя.Вместо того, чтобы соединить нагрузку с вращающимся валом для создания крутящего момента, нагрузка соединяется с плоской движущейся тележкой для линейного перемещения и силы.Короче говоря, крутящий момент — это выражение работы, которую обеспечивает роторный двигатель, тогда как сила — это выражение работы линейного двигателя.

Точность

Давайте сначала рассмотрим традиционную роторно-шаговую систему: при соединении с шариковой винтовой парой с шагом 5 оборотов на дюйм точность составляет примерно от 0,004 до 0,008 дюйма, или от 0,1 до 0,2 мм.Вращающаяся система с приводом от серводвигателя имеет точность от 0,001 до 0,0001 дюйма.

Напротив, линейный двигатель, соединенный непосредственно с нагрузкой, дает точность в диапазоне от 0,0007 до 0,000008 дюйма. Обратите внимание, что муфта и люфт ШВП не включены в эти цифры, и они еще больше ухудшают точность вращающихся систем.

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

Иногда техническое обслуживание и стоимость (в течение всего срока службы оборудования) являются более важными факторами, чем точность.Линейные двигатели и здесь превосходны: затраты на техническое обслуживание обычно снижаются при использовании линейных двигателей, поскольку бесконтактные детали улучшают работу машины и увеличивают среднее время наработки на отказ.Кроме того, нулевой люфт линейных двигателей исключает удары, что еще больше продлевает срок службы машины.Другие преимущества: время между циклами технического обслуживания может быть увеличено, что позволяет увеличить рабочий поток.Меньшее количество технического обслуживания и привлеченный персонал улучшают конечный результат — прибыль — и снижают стоимость владения на протяжении всего срока службы оборудования.

Сравнение преимуществ

Приложения требуют линейного перемещения.При использовании роторного двигателя необходим механический механизм преобразования для преобразования вращательного движения в линейное.Здесь дизайнеры выбирают механизм преобразования, наиболее подходящий для приложения и минимизирующий ограничения.

• Линейный двигатель по сравнению с ремнем и шкивом:Чтобы получить линейное движение от роторного двигателя, обычно используют ремень и шкив.Обычно сила тяги ограничивается прочностью ремня на растяжение;быстрые старты и остановки могут вызвать растяжение ремня и, следовательно, резонанс, что приведет к увеличению времени стабилизации.Механическое накручивание, люфт и растяжение ремня также снижают повторяемость, точность и производительность машины.Поскольку в серводвижении главное — скорость и повторяемость, это не лучший выбор.Если конструкция ременного шкива может достигать скорости 3 м/сек, то линейная может достигать 10 м/сек.Линейные двигатели с прямым приводом, лишенные люфта и раскручивания, еще больше повышают повторяемость и точность.
• Линейный двигатель против реечного механизма:Реечные и шестерни обеспечивают большую тягу и механическую жесткость, чем конструкции с ремнем и шкивом.Однако двунаправленный износ с течением времени приводит к сомнительной повторяемости и неточностям — основным недостаткам этого механизма.Люфт не позволяет обратной связи двигателя определить фактическое положение нагрузки, что приводит к нестабильности, а также к снижению коэффициента усиления и снижению общей производительности. Напротив, машины с линейными двигателями работают быстрее и позиционируют более точно.
• Линейный двигатель против ШВП:Самый распространенный подход к преобразованию вращательного движения в линейное — использование ходовой или шариковой винтовой пары.Они недороги, но менее эффективны: ходовые винты обычно составляют 50% или меньше, а ШВП — около 90%.Высокое трение приводит к нагреву, а длительный износ снижает точность.Дальность перемещения ограничена механически.Кроме того, пределы линейной скорости можно расширить только за счет увеличения шага, но это ухудшает позиционное разрешение;слишком высокая скорость вращения также может привести к биению винтов, что приведет к вибрации. Линейные двигатели обеспечивают длительный и неограниченный ход.При использовании энкодера на нагрузке долговременная точность обычно составляет ±5 мкм/300 мм.

Основные типы линейных двигателей

Поскольку существуют различные технологии роторных двигателей, существует также несколько типов линейных двигателей: шаговые, бесщеточные, линейные индукционные двигатели переменного тока и другие.Обратите внимание, что в линейной технологии используются приводы (усилители), а также позиционеры (контроллеры движения) и устройства обратной связи (такие как датчики Холла и энкодеры), обычно доступные в промышленности.

Многие конструкции выигрывают от использования нестандартных линейных двигателей, но обычно подходят стандартные конструкции.

Бесщеточные линейные двигатели с железным сердечникомхарактеризуются пластинчатой ​​сталью в движущемся силе для направления магнитного потока.Этот тип двигателя имеет более высокие номинальные усилия и более эффективен, но весит в три-пять раз больше, чем беззубчатые двигатели аналогичного размера.Стационарная плита состоит из многополюсных постоянных магнитов с переменной полярностью, прикрепленных к пластине из никелевой холоднокатаной стали.Однако стальные пластины на движущемся силе реагируют с магнитами на неподвижной плите, которые создают «притягивающую» силу и демонстрируют небольшое количество заеданий или пульсаций, когда двигатель перемещается от одного магнитного поля к другому, что приводит к изменениям скорости.

Эти двигатели развивают большую пиковую силу, имеют большую тепловую массу и большую тепловую постоянную времени — поэтому подходят для приложений с высокими усилиями и прерывистым рабочим циклом, перемещающих очень тяжелые грузы, например, в конвейерных линиях и станках;они рассчитаны на неограниченное перемещение и могут включать в себя несколько движущихся плит с перекрывающимися траекториями.

Бесщеточные беззубчатые двигателииметь катушку в движущемся силовом элементе без стальных пластин.Катушка состоит из проволоки, эпоксидной смолы и немагнитной опорной конструкции.Этот агрегат намного легче по весу.Базовая конструкция создает меньшую силу, поэтому на неподвижную направляющую вставляются дополнительные магниты (для увеличения силы), а направляющая имеет U-образную форму с магнитами на каждой стороне этой U. Силизатор вставляется в середину U. .

Эти двигатели подходят для применений, требующих плавной работы без магнитных зубцов, таких как сканирующее или инспекционное оборудование.Их более высокие ускорения полезны при сборе и размещении полупроводников, сортировке чипов, а также при нанесении припоя и клея.Эти моторы рассчитаны на неограниченное количество поездок.

Линейные шаговые двигателибыли доступны в течение длительного времени;Движущая сила состоит из ламинированных стальных сердечников с точными прорезями с зубцами, одного постоянного магнита и катушек, вставленных в ламинированный сердечник.(Обратите внимание, что две катушки образуют двухфазный шаговый двигатель.) Этот узел заключен в алюминиевый корпус.

Стационарная плита состоит из фотохимически травленных зубьев на стальном стержне, отшлифованного и никелированного.Их можно складывать встык неограниченной длины.Двигатель поставляется в комплекте с силой, подшипниками и валиком.Сила притяжения магнита используется в качестве предварительной нагрузки подшипников;это также позволяет использовать устройство в перевернутом положении для различных применений.

Асинхронные двигатели переменного токасостоят из форсатора, который представляет собой катушку, состоящую из стальных пластин и фазовых обмоток.Обмотки могут быть как однофазными, так и трехфазными.Это позволяет осуществлять прямое онлайн-управление или управление через инвертор или векторный привод.Неподвижная плита (называемая реакционной плитой) обычно состоит из тонкого слоя алюминия или меди, приклеенного к холоднокатаной стали.

Как только на силовую катушку подается питание, она взаимодействует с реактивной пластиной и начинает двигаться.Более высокие скорости и неограниченная длина хода — сильные стороны этой конструкции;они используются для погрузочно-разгрузочных работ, перемещения людей, конвейеров и откатных ворот.

Новые концепции дизайна

Некоторые из последних усовершенствований конструкции были реализованы посредством реинжиниринга.Например, некоторые линейные шаговые двигатели (первоначально разработанные для обеспечения движения в одной плоскости) теперь модернизированы для обеспечения движения в двух плоскостях — для движения XY.Здесь движущая сила состоит из двух линейных шаговых двигателей, установленных ортогонально под углом 90°, так что один обеспечивает движение по оси X, а другой обеспечивает движение по оси Y.Также возможны множественные форсеры с перекрывающимися траекториями.

В этих двухплоскостных двигателях стационарная платформа (или валик) имеет новую композитную конструкцию, обеспечивающую прочность.Жесткость также улучшена, поэтому прогиб уменьшен на 60–80 % по сравнению с предыдущими серийными моделями.Плоскостность плиты превышает 14 микрон на 300 мм для точного перемещения.Наконец: поскольку шаговые двигатели обладают естественной силой притяжения, эта концепция позволяет устанавливать плиту как лицевой стороной вверх, так и перевернутой, что обеспечивает универсальность и гибкость для различных применений.

Еще одно инженерное новшество — водяное охлаждение — увеличивает силовую мощность линейных асинхронных двигателей на 25%.Благодаря расширению возможностей, а также преимуществу неограниченной длины хода асинхронные двигатели переменного тока обеспечивают высочайшую производительность во многих сферах применения: аттракционы, обработка багажа и перевозка людей.Скорость регулируется (от 6 до 2000 дюймов в секунду) с помощью приводов с регулируемой скоростью, доступных в настоящее время в промышленности.

Еще один двигатель включает в себя неподвижный цилиндрический корпус с линейно движущейся частью для обеспечения движения.Движущейся частью может быть стержень, состоящий из плакированной медью стали, подвижная катушка или движущийся магнит, например поршень внутри цилиндра.

Эти конструкции обеспечивают преимущества линейного двигателя, а также работают аналогично линейному приводу.Приложения включают в себя биомедицинскую колоноскопию, камеры с приводами с длинным затвором, телескопы, требующие гашения вибраций, литографические фокусирующие двигатели, переключатели генераторов, которые включают выключатели для включения генераторов, а также прессование пищевых продуктов — например, при штамповке лепешек.

Полные комплекты или ступени линейных двигателей подходят для позиционирования полезных нагрузок.Они состоят из двигателя, датчика обратной связи, концевых выключателей и держателя кабеля.Можно складывать этапы для многоосного движения.

Одним из преимуществ линейных ступеней является их меньший профиль, что позволяет им размещаться в меньшем пространстве по сравнению с обычными позиционерами.Меньшее количество компонентов обеспечивает повышенную надежность.Здесь двигатель подключен к штатным приводам.В режиме замкнутого контура контур положения замыкается контроллером движения.

Опять же, помимо стандартной продукции, существует множество нестандартных и специальных дизайнов.В конце концов, лучше всего обсудить потребности в оборудовании с инженером по применению, чтобы определить оптимальный линейный продукт, соответствующий потребностям применения.