12.3. Электропривод с линейными двигателями

Подавляюще большинство электродвигателей является электродвигателями вращательного движения. В то же время многие рабочие органы производственных машин должны по технологии своей работы осуществлять поступательное (например, конвейеры, транспортеры и др.) или возвратно-поступательное движение (механизмы подачи станков, манипуляторы, поршневые и другие машины). Преобразование вращательного движения в поступательное осуществляется посредством специальных кинематических звеньев: винт-гайка, шарико-винтовая передача, шестерня-зубчатая рейка, кривошипно-шатунная передача и другие.

Естественным для конструкторов рабочих машин является желание использовать для привода рабочих органов, совершающих поступательное и возвратно-поступательное движение, двигателей, ротор которых движется линейно.

В настоящее время получают развитие электроприводы, использующие линейные асинхронные, вентильные и шаговые двигатели. Принципиально линейный двигатель любого типа может быть образован из двигателя вращательного движения путем линейной развертки цилиндрического статора в плоскость.

Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если развернуть статор асинхронного двигателя в плоскость. При этом вектор намагничивающих сил статора будет линейно перемещаться вдоль развертки статора, т.е. при этом образуется не вращающееся (как в обычных двигателях), а бегущее электромагнитное поле статора. В качестве вторичного элемента может использоваться ферромагнитная полоса, располагаемая с небольшим воздушным зазором вдоль развертки статора. Эта полоса играет роль короткозамкнутого ротора. Вторичный элемент увлекается движущимся полем статора и линейно перемещается со скоростью, меньшей скорости движения поля статора на величину линейного абсолютного скольжения.

Линейная скорость бегущего электромагнитного поля будет , м/с, где τ, м – полюсное деление – расстояние между соседними полюсами линейного асинхронного двигателя.

Скорость вторичного элемента V=V₀(1-s_л), где s_л - относительное линейное скольжение.

При питании двигателя напряжением стандартной частоты получаемые скорости поля будут достаточно велики (более 3м/с), что затрудняет использование этих двигателей для привода промышленных механизмов. Такие двигатели применяются для высокоскоростных транспортных механизмов. Для получения более низких скоростей движения и регулирования скорости линейного асинхронного двигателя его обмотки питают от преобразователя частоты.

П

Рис.12.4. Конструкция линейного однокоординатного двигателя

рименяются несколько вариантов конструкций ли-нейного асинхронного дви-гателя. Одна из них показана на рис.12.4. Здесь вторичный элемент (2) – полоса, соеди-ненный с рабочим органом, перемещается по направля-ющим 1 под действием бегущего электромагнитного поля, создаваемого статором 3. Такая конструкция удобна для компановки с рабочей машинной, однако, она сопряжена со значительными потоками рассеяния поля статора, вследствие чего cosφ двигателя будет н изким.

Д

Рис.12.5.Линейный двигатель цилиндрической конструкции

ля увеличения электромагнитной связи между статором и вторичным элементом, послед-ний размещают в прорезь между двумя статорами, либо конст-рукция двигателя выполняется в виде цилиндра (см.рис.12.5). В этом случае статор двигателя представляет собой трубку (1), внутри которой расположены цилиндрические наборные ка-тушки (2), являющиеся обмоткой статора. Между катушками размещены ферромагнитные шайбы 3, являющиеся частью магнитопровода. Вторичный элемент – шток трубчатой формы также выполнен из ферромагнитного материала.

Линейные асинхронные двигатели могут также иметь обращенную конструкцию, когда вторичный элемент неподвижен, а перемещается статор. Такие двигатели обычно применяются на транспортных средствах. В этом случае в качестве вторичного элемента используется рельс или специальная полоса, а статор размещается на подвижной тележке.

Недостатком линейных асинхронных двигателей является низкий кпд и связанные с этим потери энергии, прежде всего, во вторичном элементе (потери скольжения).

В последнее время кроме асинхронных начали применяться синхронные (вентильные) двигатели. Принцип работы вентильного двигателя рассмотрен был в главе 8 и сохраняется в применении к линейному варианту его исполнения. Конструкция такого двигателя аналогична представленной на рис.12.4. Статор двигателя развернут в плоскость, а на вторичном элементе размещаются постоянные магниты. Возможен вариант обращенной конструкции, когда статор является подвижной частью, а вторичный элемент с постоянными магнитами неподвижен. Переключение обмоток статора производится в зависимости от относительного положения магнитов. С этой целью в конструкции предусмотрен датчик положения (4 – на рис.12.4).

Для позиционных приводов эффективно применяются также линейные шаговые двигатели. Если развернуть в плоскость статор шагового двигателя, показанного на рис.12.3, а вторичный элемент выполнить в виде пластины, на которой путем фрезерования канавок образованы зубцы, то при соответствующем переключении обмоток статора вторичный элемент будет совершать дискретное движение, шаг которого может быть весьма малым – до долей миллиметра. Часто применяется обращенная конструкция, в которой вторичный элемент неподвижен.

Скорость линейного шагового двигателя определяется величиной зубцового деления τ, числом фаз m и частотой переключения .

Получение высоких скоростей движения не вызывает трудностей, поскольку увеличение зубцового деления и частоты не лимитируется технологическими факторами. Ограничения существуют для минимального значения τ, т.к. отношение зубцового деления к величине зазора между статором и вторичным элементом должно быть не меньше 10.

Использование дискретного привода позволяет не только упростить конструкцию механизмов, совершающих линейное однокоординатное движение, но и дает возможность с помощью одного привода получить двух или многокоординатное движение. Если на статоре подвижной части расположить ортогонально две системы обмоток, а во вторичном элементе выполнить канавки в двух перпендикулярных направлениях, то подвижный элемент будет совершать дискретное движение в двух координатах, т.е. обеспечивать перемещение на плоскости. В этом случае возникает задача создания опоры для подвижного элемента. Для ее решения может использоваться воздушная подушка – напор воздуха, подаваемого в пространстве под подвижным элементам. Линейные шаговые двигатели развивают относительно низкое тяговое усилие и имеют низкий кпд. Основной областью их применения являются легкие манипуляторы, легкие сборочные станки, измерительные машины, станки для лазерной резки и другие устройства.

202