Линейный асинхронный двигатель ( LIM ) представляет собой переменный ток (переменный ток), асинхронный линейный двигатель , который работает по тем же принципам, что и общих других асинхронных двигателей , но , как правило , предназначены для непосредственного движения производят по прямой линии. Как правило, линейные асинхронные двигатели имеют конечную длину первичной или вторичной обмотки, что создает конечные эффекты, тогда как обычный асинхронный двигатель расположен в бесконечной петле. [1]
Несмотря на свое название, не все линейные асинхронные двигатели производят линейное движение; некоторые линейные асинхронные двигатели используются для вращения большого диаметра, где использование непрерывной первичной обмотки было бы очень дорогостоящим.
Как и роторные двигатели, линейные двигатели часто работают от трехфазного источника питания и могут поддерживать очень высокие скорости. Однако есть конечные эффекты, которые уменьшают силу двигателя, и часто невозможно установить коробку передач, чтобы сбалансировать силу и скорость. Таким образом, линейные асинхронные двигатели часто менее энергоэффективны, чем обычные роторные двигатели для любой заданной требуемой выходной силы.
LIM, в отличие от своих вращающихся аналогов, может давать эффект левитации. Поэтому они часто используются там, где требуется бесконтактное усилие, где требуются низкие эксплуатационные расходы или где рабочий цикл невелик. Их практическое использование включает магнитную левитацию , линейные двигатели и линейные приводы. Они также использовались для перекачки жидких металлов. [2]
История [ править ]
Историю линейных электродвигателей можно проследить, по крайней мере, с 1840-х годов до работы Чарльза Уитстона в Королевском колледже в Лондоне [3], но модель Уитстона была слишком неэффективной, чтобы быть практичной. Возможный линейный асинхронный двигатель описан в патенте США 782312 (1905; изобретатель Альфред Цеден из Франкфурта-на-Майне) и предназначен для приведения в движение поездов или лифтов. Немецкий инженер Герман Кемпер построил рабочую модель в 1935 году. [4] В конце 1940-х годов профессор Эрик Лейтвейт из Имперского колледжа в Лондоне разработал первую полноразмерную рабочую модель.
В одностороннем варианте магнитное поле может создавать силы отталкивания, которые отталкивают проводник от статора, левитируя его и неся вдоль направления движущегося магнитного поля. Лэйтуэйт назвал более поздние версии магнитной рекой . В этих версиях линейного асинхронного двигателя используется принцип, называемый поперечным потоком, при котором два противоположных полюса размещаются рядом. Это позволяет использовать очень длинные опоры и, таким образом, обеспечивает высокую скорость и эффективность. [5]
Строительство [ править ]
Первичная обмотка линейного электродвигателя обычно состоит из плоского магнитного сердечника (обычно ламинированного) с поперечными прорезями, которые часто имеют прямой разрез [6] с катушками, уложенными в прорези, причем каждая фаза имеет переменную полярность, так что разные фазы физически перекрываются.
Вторичное часто представляет собой лист из алюминия, часто с железным опорной плитой. Некоторые модули LIM являются двухсторонними, с одной первичной обмоткой на каждой стороне вторичной, и в этом случае железная подкладка не требуется.
Существует два типа линейных двигателей: короткая первичная обмотка , где катушки усечены короче вторичной обмотки, и короткая вторичная обмотка , где проводящая пластина меньше. Короткие вторичные модули LIM часто наматываются как параллельные соединения между катушками одной и той же фазы, тогда как короткие первичные обмотки обычно наматываются последовательно. [7]
Первичные обмотки ЛАД с поперечным потоком имеют серию сдвоенных полюсов, расположенных бок о бок в поперечном направлении с противоположными направлениями намотки. Эти полюса, как правило, производится либо с соответствующим образом вырезать пластины ламинированной подложки или серией поперечных U-образные сердечники.
Принципы [ править ]
В этой конструкции электродвигателя сила создается линейно движущимся магнитным полем, действующим на проводники в поле. Любой проводник, будь то петля, катушка или просто кусок металлической пластины, помещенный в это поле, будет иметь вихревые токи, индуцированные в нем, таким образом создавая противоположное магнитное поле в соответствии с законом Ленца . Два противоположных поля будут отталкивать друг друга, создавая движение, когда магнитное поле пронизывает металл.
где f s - частота питающей сети в Гц, p - число полюсов, а n s - синхронная скорость магнитного поля в оборотах в секунду.
Картина бегущего поля имеет скорость:
где v s - скорость линейного бегущего поля в м / с, а t - шаг полюсов.
Для скольжения s скорость вторичной обмотки линейного двигателя определяется выражением
Силы [ править ]
Тяга [ править ]
Привод, создаваемый линейными асинхронными двигателями, в чем-то похож на обычные асинхронные двигатели; движущие силы демонстрируют примерно аналогичную характеристическую форму относительно скольжения, хотя и модулируются концевыми эффектами. [9]
Существуют уравнения для расчета тяги двигателя. [10]
Конечный эффект [ править ]
В отличие от асинхронного двигателя круглого сечения, линейный асинхронный двигатель демонстрирует «конечные эффекты». Эти конечные эффекты включают в себя потери производительности и эффективности, которые, как считается, вызваны уносом магнитной энергии и потерями в конце первичной обмотки из-за относительного движения первичной и вторичной обмоток.
С короткой вторичной обмоткой поведение почти идентично роторной машине при условии, что она имеет длину не менее двух полюсов, но с коротким первичным уменьшением тяги, которое происходит при малом скольжении (ниже примерно 0,3), пока она не станет восьми полюсов или больше. [7]
Однако из-за концевых эффектов линейные двигатели не могут «работать налегке» - обычные асинхронные двигатели могут работать с двигателем с почти синхронным полем в условиях низкой нагрузки. Напротив, конечные эффекты создают гораздо более значительные потери с линейными двигателями. [7]
Левитация [ править ]
Кроме того, в отличие от роторного двигателя, показана электродинамическая сила левитации , она равна нулю при нулевом скольжении и дает примерно постоянную величину силы / зазора при увеличении скольжения в любом направлении. Это происходит в односторонних двигателях, и левитация обычно не происходит, когда на вторичной обмотке используется железная опорная пластина, поскольку это вызывает притяжение, которое подавляет подъемную силу. [9]
Производительность [ править ]
Линейные асинхронные двигатели часто менее эффективны, чем обычные роторные асинхронные двигатели; Концевые эффекты и часто присутствующий относительно большой воздушный зазор обычно уменьшают силы, возникающие при той же самой электрической мощности. [1] Аналогичным образом, эффективность во время работы генератора (электрическое торможение / рекуперация) с линейным асинхронным двигателем была отмечена как относительно низкая из-за конечных эффектов. [11] Большой воздушный зазор также увеличивает индуктивность двигателя, что может потребовать больших и более дорогих конденсаторов.
Однако линейные асинхронные двигатели могут избавить от необходимости в коробках передач и аналогичных трансмиссиях, и они имеют свои собственные потери; а практическое знание важности фактора качества может минимизировать влияние большего воздушного зазора. В любом случае потребление энергии не всегда является самым важным соображением. Например, во многих случаях линейные асинхронные двигатели имеют гораздо меньше движущихся частей и требуют очень низкого обслуживания. Кроме того, использование линейных асинхронных двигателей вместо вращающихся двигателей с поворотно-линейной передачей в системах управления движением обеспечивает более широкую полосу пропускания и точность системы управления , поскольку поворотно-линейные передачи создают люфт, статическое трение и / или механическую податливость система управления.
Использует [ редактировать ]
Из - за этих свойств, линейные двигатели часто используются в магнитной подвеске в движение, как и в японской Linimo магнитной левитации поезда линии вблизи Нагоя .
Первой в мире коммерческой автоматизированной системой на магнитной подвеске был низкоскоростной шаттл на магнитной подвеске, который курсировал от терминала аэропорта Бирмингема до ближайшего международного железнодорожного вокзала Бирмингема в период с 1984 по 1995 год. [12] Длина пути составляла 600 метров (2000 футов), а поезда «летели» на высоте 15 миллиметров (0,59 дюйма), левитировали с помощью электромагнитов и приводились в движение линейными асинхронными двигателями. [13] Он находился в эксплуатации почти одиннадцать лет, но проблемы с устареванием электронных систем сделали его ненадежным в последующие годы. Один из оригинальных вагонов сейчас выставлен на выставке Railworld в Питерборо вместе сВертолет RTV31 . [14]
Однако линейные двигатели были использованы независимо от магнитной левитации, таких как Токио «s Линия Оэдо . Innovia Метро Бомбардье является примером автоматизированной системы , которая использует LIM движение вперед. Самая протяженная система скоростного транспорта , в которой используется такая технология, - это метро Гуанчжоу, протяженность которого составляет около 130 км (81 милю) с использованием передвижных поездов метро LIM вдоль линий 4 , 5 и 6 . Они также используются в Tomorrowland Transit Authority PeopleMover в Tomorrowland в Волшебном королевстве в Walt Disney World Resort вБэй-Лейк , Флорида, недалеко от Орландо , Флорида.
Линейные асинхронные двигатели также используются в некоторых американских горках . В настоящее время это все еще непрактично для уличных трамваев , хотя теоретически это можно сделать, закопав трамвай в канале с прорезями.
Помимо общественного транспорта, вертикальные линейные двигатели были предложены в качестве подъемных механизмов в глубоких шахтах , и использование линейных двигателей в приложениях управления движением растет . Они также часто используются на раздвижных дверях, например, в трамваях с низким полом, таких как Alstom Citadis и Eurotram .
Также существуют двухосные линейные двигатели. Эти специализированные устройства используются для обеспечения прямого движения по осям X - Y для точной лазерной резки ткани и листового металла, автоматизированного черчения и формирования кабеля. Кроме того, линейные асинхронные двигатели с цилиндрической вторичной обмоткой использовались для обеспечения одновременного линейного и вращательного движения для монтажа электронных устройств на печатных платах. [15]
Большинство используемых линейных двигателей - это LIM (линейные асинхронные двигатели) или LSM (линейные синхронные двигатели). Линейные двигатели постоянного тока не используются, поскольку они более дорогостоящие, а линейный SRM страдает от плохой тяги. Таким образом, для длительных пробегов на тяговых усилиях предпочтительнее использовать LIM, а для краткосрочных - LSM.
Линейные асинхронные двигатели также использовались для запуска самолетов, система Westinghouse Electropult [7] в 1945 году была ранним примером, а электромагнитная система запуска самолетов (EMALS) должна была быть поставлена в 2010 году.
Линейные асинхронные двигатели также используются в ткацких станках, магнитная левитация позволяет бобинам плавать между волокнами без прямого контакта.
Первый безканатный лифт, изобретенный ThyssenKrupp, использует линейный индукционный привод. [16]
См. Также [ править ]
- Электромагнитная индукция
- Фактор доброты
- Маглев
- Гусеничный корабль на воздушной подушке
Ссылки [ править ]
- ^ Б Ghaseminejad Liasi, Sahand (15 мая 2015). "Что такое линейные двигатели?" : 1–50. DOI : 10,13140 / RG.2.2.16250.18887 . Проверено 24 декабря 2017 года . Cite journal requires
|journal=(help) - ^ Inc, Образовательный фонд ядерной науки (1 сентября 1973 г.). «Вестник ученых-атомщиков» . Образовательный фонд ядерной науки, Inc. - через Google Книги.
- ^ «Чарльз Уитстон - История колледжа - Королевский колледж Лондона» . Kcl.ac.uk. Архивировано из оригинального 21 октября 2009 года . Проверено 1 марта 2010 .
- ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2011-09-28 . Проверено 24 августа 2011 .CS1 maint: archived copy as title (link)
- ^ Патент номер 3585423, 1971 Laithwaite et al.
- ^ [1] [ постоянная неработающая ссылка ]
- ^ a b c d linear Электрические машины - личное мнение ЭРИК Р. ЛЕЙТВЭЙТ, ФЛЛОУ, IEEE, ПРОЦЕСС IEEE, VOL. 63, НЕТ. 2 ФЕВРАЛЯ 1975 г.
- ^ a b c «Линейный асинхронный двигатель: работа, применение и конструкция» . sunilsaharan.in .
- ^ a b Анализ силы линейного асинхронного двигателя для системы магнитной левитации 14-я Международная конференция по силовой электронике и управлению движением, EPE-PEMC 2010
- ^ Журнал современного транспорта, июнь 2012 г., том 20, выпуск 2, стр. 76–81. Новый метод расчета тяги линейного асинхронного двигателя на основе мгновенного значения тока.
- ^ Фланкл, Майкл; Туйсуз, Арда; де Оливейра Бауманн, Лукас; Колар, Иоганн В. (2019). «Сбор энергии с помощью односторонних индукционных машин с вторичным проводящим покрытием» (PDF) . IEEE Transactions по промышленной электронике . 66 (6): 4880–4890. DOI : 10.1109 / TIE.2018.2821637 . S2CID 53447221 . Проверено 4 апреля 2018 года .
- ^ «Магнитное притяжение поездов» . BBC News . 9 ноября 1999 г.
- ^ Маглев, фильм для The People Mover Group
- ^ Maglev блок для Railworld Rail выпуска 425 26 декабря 2001 стр 65
- ^ Мехатронная конструкция индукционного привода z-φ, П. де Вит, Дж. Ван Дейк, Т. Бломер и П. Рутгерс, proc. конференции IEE EMD '97. Cambridge 1997. pp. 279-283, 1-3 сентября 1997 г.
- ^ Майли, Джессика (2017-06-26). «Первый в мире безканатный многонаправленный лифт будет установлен в Берлине» . Интересная инженерия .
