Xem xét các động cơ tuyến tính khác nhau có sẵn và cách chọn loại tối ưu cho ứng dụng của bạn.
Bài viết sau đây là tổng quan về các loại động cơ tuyến tính khác nhau hiện có, bao gồm nguyên lý hoạt động của chúng, lịch sử phát triển của nam châm vĩnh cửu, phương pháp thiết kế cho động cơ tuyến tính và các lĩnh vực công nghiệp sử dụng từng loại động cơ tuyến tính.
Công nghệ Động cơ tuyến tính có thể là: Động cơ cảm ứng tuyến tính (LIM) hoặc Động cơ đồng bộ tuyến tính nam châm vĩnh cửu (PMLSM).PMLSM có thể là lõi sắt hoặc không có sắt.Tất cả các động cơ có sẵn trong cấu hình phẳng hoặc hình ống.Hiwin đã đi đầu trong thiết kế và sản xuất động cơ tuyến tính trong 20 năm.
Ưu điểm của động cơ tuyến tính
Một động cơ tuyến tính được sử dụng để cung cấp chuyển động tuyến tính, nghĩa là di chuyển một trọng tải nhất định với gia tốc, tốc độ, khoảng cách di chuyển và độ chính xác được chỉ định.Tất cả các công nghệ chuyển động khác với điều khiển động cơ tuyến tính là một số loại truyền động cơ học để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tuyến tính.Các hệ thống chuyển động như vậy được truyền động bằng vít bi, dây đai hoặc thanh răng và bánh răng.Tuổi thọ của tất cả các bộ truyền động này phụ thuộc nhiều vào độ mòn của các bộ phận cơ khí được sử dụng để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động thẳng và tương đối ngắn.
Ưu điểm chính của động cơ tuyến tính là cung cấp chuyển động tuyến tính mà không cần bất kỳ hệ thống cơ học nào vì không khí là phương tiện truyền dẫn, do đó động cơ tuyến tính về cơ bản là truyền động không ma sát, mang lại tuổi thọ không giới hạn về mặt lý thuyết.Bởi vì không có bộ phận cơ khí nào được sử dụng để tạo ra chuyển động tuyến tính, gia tốc rất cao là tốc độ có thể xảy ra khi các bộ truyền động khác như vít bi, dây đai hoặc thanh răng và bánh răng sẽ gặp phải những hạn chế nghiêm trọng.
Động cơ cảm ứng tuyến tính
hình 1
Động cơ cảm ứng tuyến tính (LIM) được phát minh đầu tiên (bằng sáng chế Hoa Kỳ 782312 – Alfred Zehden năm 1905).Nó bao gồm một “sơ cấp” bao gồm một chồng các lá thép điện và nhiều cuộn dây đồng được cung cấp bởi điện áp ba pha và một “thứ cấp” thường bao gồm một tấm thép và một tấm đồng hoặc nhôm.
Khi cuộn sơ cấp được cấp điện, cuộn thứ cấp sẽ bị từ hóa và một trường dòng điện xoáy được hình thành trong dây dẫn thứ cấp.Trường thứ cấp này sau đó sẽ tương tác với EMF phía sau sơ cấp để tạo ra lực.Hướng chuyển động sẽ tuân theo quy tắc bàn tay trái của Fleming tức là;hướng chuyển động sẽ vuông góc với hướng dòng điện và hướng của trường/từ thông.
Hình 2
Động cơ cảm ứng tuyến tính mang lại lợi thế về chi phí rất thấp vì động cơ thứ cấp không sử dụng bất kỳ nam châm vĩnh cửu nào.Nam châm vĩnh cửu NdFeB và SmCo rất đắt tiền.Động cơ cảm ứng tuyến tính sử dụng các vật liệu rất phổ biến (thép, nhôm, đồng) làm vật liệu thứ cấp và loại bỏ rủi ro cung cấp này.
Tuy nhiên, nhược điểm của việc sử dụng động cơ cảm ứng tuyến tính là sự sẵn có của các ổ đĩa cho các động cơ như vậy.Mặc dù rất dễ tìm bộ truyền động cho động cơ tuyến tính nam châm vĩnh cửu, nhưng rất khó tìm bộ truyền động cho động cơ cảm ứng tuyến tính.
Hình 3
Động cơ đồng bộ tuyến tính nam châm vĩnh cửu
Động cơ đồng bộ tuyến tính nam châm vĩnh cửu (PMLSM) về cơ bản có sơ cấp giống như động cơ cảm ứng tuyến tính (tức là, một tập hợp các cuộn dây được gắn trên một chồng các lá thép điện và được truyền động bởi điện áp ba pha).Thứ cấp khác nhau.
Thay vì một tấm nhôm hoặc đồng gắn trên một tấm thép, thứ cấp bao gồm các nam châm vĩnh cửu gắn trên một tấm thép.Hướng từ hóa của mỗi nam châm sẽ luân phiên so với hướng trước đó như trong Hình 3.
Ưu điểm rõ ràng của việc sử dụng nam châm vĩnh cửu là tạo ra một trường vĩnh cửu trong thứ cấp.Chúng ta đã thấy rằng lực được tạo ra trên động cơ cảm ứng do sự tương tác của trường sơ cấp và trường thứ cấp, lực này chỉ khả dụng sau khi trường dòng điện xoáy được tạo ra trong thứ cấp thông qua khe hở không khí của động cơ.Điều này sẽ dẫn đến độ trễ gọi là “trượt” và chuyển động của cuộn thứ cấp không đồng bộ với điện áp sơ cấp cung cấp cho cuộn sơ cấp.
Vì lý do này, động cơ tuyến tính cảm ứng được gọi là "không đồng bộ".Trên động cơ tuyến tính nam châm vĩnh cửu, chuyển động thứ cấp sẽ luôn đồng bộ với điện áp sơ cấp vì trường thứ cấp luôn có sẵn và không có bất kỳ độ trễ nào.Vì lý do này, động cơ tuyến tính vĩnh cửu được gọi là "đồng bộ".
Các loại nam châm vĩnh cửu khác nhau có thể được sử dụng trên PMLSM.Trong 120 năm qua, tỷ lệ của từng loại vật liệu đã thay đổi.Cho đến hôm nay, các PMLSM đang sử dụng nam châm NdFeB hoặc nam châm SmCo nhưng đại đa số đang sử dụng nam châm NdFeB.Hình 4 cho thấy lịch sử phát triển của nam châm vĩnh cửu.
hình 4
Cường độ nam châm được đặc trưng bởi tích năng lượng của nó tính bằng Megagauss-Oersteds, (MGOe).Cho đến giữa những năm tám mươi, chỉ có Thép, Ferrite và Alnico và cung cấp các sản phẩm năng lượng rất thấp.Nam châm SmCo được phát triển vào đầu những năm 1960 dựa trên công trình của Karl Strnat và Alden Ray và sau đó được thương mại hóa vào cuối những năm 60.
Hình 5
Sản phẩm năng lượng của nam châm SmCo ban đầu cao hơn gấp đôi sản phẩm năng lượng của nam châm Alnico.Năm 1984 General Motors và Sumitomo độc lập phát triển nam châm NdFeB, một hợp chất của Neodynium, Sắt và Boron.So sánh nam châm SmCo và NdFeB được thể hiện trong Hình 5.
Nam châm NdFeB phát triển lực cao hơn nhiều so với nam châm SmCo nhưng nhạy cảm hơn nhiều với nhiệt độ cao.Nam châm SmCo cũng có khả năng chống ăn mòn và nhiệt độ thấp cao hơn nhiều nhưng đắt hơn.Khi nhiệt độ hoạt động đạt đến nhiệt độ tối đa của nam châm, nam châm bắt đầu khử từ và quá trình khử từ này là không thể đảo ngược.Nam châm mất từ hóa sẽ làm cho động cơ mất lực và không đáp ứng được các thông số kỹ thuật.Nếu nam châm hoạt động dưới nhiệt độ tối đa 100% thời gian, sức mạnh của nó sẽ được bảo toàn gần như vô thời hạn.
Do nam châm SmCo có chi phí cao hơn nên nam châm NdFeB là lựa chọn phù hợp cho hầu hết các động cơ, đặc biệt là khi có lực cao hơn.Tuy nhiên, đối với một số ứng dụng mà nhiệt độ hoạt động có thể rất cao, nên sử dụng nam châm SmCo để tránh xa nhiệt độ hoạt động tối đa.
Thiết kế động cơ tuyến tính
Một động cơ tuyến tính thường được thiết kế thông qua Mô phỏng điện từ phần tử hữu hạn.Một mô hình 3D sẽ được tạo để thể hiện ngăn xếp cán mỏng, cuộn dây, nam châm và tấm thép đỡ nam châm.Không khí sẽ được mô hình hóa xung quanh động cơ cũng như trong khe hở không khí.Sau đó, các thuộc tính vật liệu sẽ được nhập cho tất cả các thành phần: nam châm, thép điện, thép, cuộn dây và không khí.Sau đó, một lưới sẽ được tạo bằng cách sử dụng các phần tử H hoặc P và mô hình đã được giải quyết.Sau đó, dòng điện được áp dụng cho từng cuộn dây trong mô hình.
Hình 6 cho thấy đầu ra của một mô phỏng trong đó thông lượng tính bằng tesla được hiển thị.Tất nhiên, giá trị đầu ra chính được quan tâm cho mô phỏng là Lực động cơ và sẽ có sẵn.Vì các vòng cuối của cuộn dây không tạo ra bất kỳ lực nào, nên cũng có thể chạy mô phỏng 2D bằng cách sử dụng mô hình 2D (DXF hoặc định dạng khác) của động cơ bao gồm các lớp mỏng, nam châm và tấm thép hỗ trợ nam châm.Đầu ra của mô phỏng 2D như vậy sẽ rất gần với mô phỏng 3D và đủ chính xác để đánh giá lực của động cơ.
hình 6
Một động cơ cảm ứng tuyến tính sẽ được mô hình hóa theo cùng một cách, thông qua mô hình 3D hoặc 2D nhưng việc giải quyết sẽ phức tạp hơn so với PMLSM.Điều này là do từ thông của PMLSM thứ cấp sẽ được lập mô hình ngay lập tức sau khi nhập các thuộc tính của nam châm, do đó chỉ cần một lần giải để có được tất cả các giá trị đầu ra bao gồm cả lực động cơ.
Tuy nhiên, từ thông thứ cấp của động cơ cảm ứng sẽ yêu cầu phân tích nhất thời (có nghĩa là một số giải quyết tại một khoảng thời gian nhất định) để có thể xây dựng từ thông của LIM thứ cấp và chỉ sau đó mới có thể thu được lực.Phần mềm được sử dụng cho Mô phỏng phần tử hữu hạn điện từ sẽ cần có khả năng chạy phân tích nhất thời.
Giai đoạn động cơ tuyến tính
Hình 7
Tập đoàn Hiwin cung cấp động cơ tuyến tính ở cấp độ linh kiện.Trong trường hợp này, chỉ có động cơ tuyến tính và các mô-đun thứ cấp sẽ được cung cấp.Đối với động cơ PMLSM, các mô-đun thứ cấp sẽ bao gồm các tấm thép có độ dài khác nhau, trên đó các nam châm vĩnh cửu sẽ được lắp ráp.Tập đoàn Hiwin cũng cung cấp các giai đoạn hoàn chỉnh như trong Hình 7.
Một tầng như vậy bao gồm khung, vòng bi tuyến tính, động cơ sơ cấp, nam châm thứ cấp, giá đỡ để khách hàng gắn tải trọng của mình, bộ mã hóa và đường cáp.Một giai đoạn động cơ tuyến tính sẽ sẵn sàng bắt đầu khi giao hàng và làm cho cuộc sống dễ dàng hơn vì khách hàng sẽ không cần phải thiết kế và sản xuất một giai đoạn đòi hỏi kiến thức chuyên môn.
Tuổi thọ phục vụ sân khấu động cơ tuyến tính
Tuổi thọ của bệ động cơ tuyến tính dài hơn đáng kể so với bệ dẫn động bằng dây đai, vít bi hoặc thanh răng và bánh răng.Các thành phần cơ học của các giai đoạn dẫn động gián tiếp thường là những thành phần đầu tiên bị hỏng do ma sát và mài mòn mà chúng liên tục tiếp xúc.Giai đoạn động cơ tuyến tính là một ổ đĩa trực tiếp không có tiếp xúc hoặc mài mòn cơ học vì môi trường truyền dẫn là không khí.Do đó, các thành phần duy nhất có thể bị hỏng trên giai đoạn động cơ tuyến tính là vòng bi tuyến tính hoặc chính động cơ.
Vòng bi tuyến tính thường có tuổi thọ rất dài vì tải trọng hướng kính rất thấp.Tuổi thọ của động cơ sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ chạy trung bình.Hình 8 cho thấy tuổi thọ cách điện của động cơ là một hàm của nhiệt độ.Quy tắc là tuổi thọ của dịch vụ sẽ giảm một nửa cho mỗi 10 độ C mà nhiệt độ vận hành cao hơn nhiệt độ định mức.Ví dụ, lớp cách điện động cơ F sẽ chạy được 325.000 giờ ở nhiệt độ trung bình là 120°C.
Do đó, người ta dự đoán rằng giai đoạn động cơ tuyến tính sẽ có tuổi thọ hơn 50 năm nếu động cơ được chọn một cách thận trọng, tuổi thọ mà các giai đoạn dẫn động bằng dây đai, vít me hoặc thanh răng và bánh răng không bao giờ đạt được.
hình 8
Ứng dụng cho động cơ tuyến tính
Động cơ cảm ứng tuyến tính (LIM) chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng có chiều dài hành trình dài và yêu cầu lực rất cao kết hợp với tốc độ rất cao.Lý do chọn động cơ cảm ứng tuyến tính là vì chi phí thứ cấp sẽ thấp hơn đáng kể so với nếu sử dụng PMLSM và ở tốc độ rất cao, hiệu suất của động cơ Cảm ứng tuyến tính rất cao, do đó sẽ mất ít điện năng.
Ví dụ, EMALS (Hệ thống phóng điện từ), được sử dụng trên tàu sân bay để phóng máy bay đang sử dụng động cơ cảm ứng tuyến tính.Hệ thống động cơ tuyến tính đầu tiên như vậy được lắp đặt trên tàu sân bay USS Gerald R. Ford.Động cơ có thể tăng tốc một chiếc máy bay nặng 45.000 kg với tốc độ 240 km/h trên đường đua dài 91 mét.
Một ví dụ khác về công viên giải trí.Động cơ cảm ứng tuyến tính được lắp đặt trên một số hệ thống này có thể tăng tốc tải trọng rất cao từ 0 lên 100 km/h trong 3 giây.Các giai đoạn động cơ cảm ứng tuyến tính cũng có thể được sử dụng trên RTU, (Đơn vị Vận chuyển Robot).Hầu hết các RTU đang sử dụng truyền động thanh răng và bánh răng nhưng động cơ cảm ứng tuyến tính có thể mang lại hiệu suất cao hơn, chi phí thấp hơn và tuổi thọ dài hơn nhiều.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
PMLSM thường sẽ được sử dụng trên các ứng dụng có hành trình nhỏ hơn nhiều, tốc độ thấp hơn nhưng độ chính xác cao đến rất cao và chu kỳ nhiệm vụ chuyên sâu.Hầu hết các ứng dụng này được tìm thấy trong AOI (Kiểm tra quang học tự động), chất bán dẫn và máy laser.
Việc lựa chọn các giai đoạn điều khiển động cơ tuyến tính, (truyền động trực tiếp), mang lại lợi ích hiệu suất đáng kể so với truyền động gián tiếp, (các giai đoạn mà chuyển động tuyến tính có được bằng cách chuyển đổi chuyển động quay), cho các thiết kế lâu dài và phù hợp với nhiều ngành công nghiệp.
Thời gian đăng bài: Feb-06-2023