Линейный двигатель

Схема свободного тела синхронного линейного двигателя с U-каналом. Вид перпендикулярен оси канала. Две катушки в центре механически соединены и запитаны в « квадратуре » (что означает разность фаз 90 ° (π / 2 радиан ) между потоком магнитов и потоком катушек). Нижняя и верхняя катушки в этом конкретном случае имеют разность фаз 90 °, что делает его двухфазным двигателем. (Не в масштабе)

Синхронные линейные двигатели представляют собой выпрямленные версии двигателей с ротором с постоянными магнитами.

Линейный двигатель представляет собой электродвигатель , который имеет свой статор и ротор «развернутом» , таким образом , вместо того , чтобы производить вращающий момент ( вращение ) он производит линейную силу по всей его длине. Однако линейные двигатели не обязательно прямые. Как правило, активная часть линейного двигателя имеет концы, тогда как более обычные двигатели расположены в виде непрерывного контура.

Типичный режим работы в качестве Лоренца - типа привода, в котором приложенная сила является линейно пропорционально к току , и в магнитное поле .${\ displaystyle ({\ vec {F}} = I {\ vec {L}} \ times {\ vec {B}})}$

Линейные двигатели наиболее часто используются в высокоточной технике ^[1] . Это процветающая область прикладных исследований со специальными научными конференциями ^[2] и учебниками по инженерным наукам. ^[3]

Было предложено множество конструкций линейных двигателей, которые можно разделить на две основные категории: линейные двигатели с низким и высоким ускорением. Линейные двигатели с низким ускорением подходят для поездов на магнитной подвеске и других наземных транспортных систем. Линейные двигатели с высоким ускорением обычно довольно короткие и предназначены для ускорения объекта до очень высокой скорости, например, см. Койлган .

Высокие ускорение линейных двигателей , как правило , используется в исследованиях гиперзвуковых столкновений, так как оружие , или в качестве массовых драйверов для движени космической летательного аппарата . ^{[ необходима цитата ]} Обычно они представляют собой линейный асинхронный двигатель переменного тока (LIM) с активной трехфазной обмоткой на одной стороне воздушного зазора и пассивной проводящей пластиной на другой стороне. Однако линейный рельсотрон с униполярным электродвигателем постоянного тока является еще одной конструкцией линейного двигателя с высоким ускорением. Двигатели с низким ускорением, высокой скоростью и высокой мощностью обычно относятся к линейному синхронному двигателю.(LSM) с активной обмоткой на одной стороне воздушного зазора и набором магнитов с чередующимися полюсами на другой стороне. Эти магниты могут быть постоянными магнитами или электромагнитами . Двигатель Shanghai Transrapid - это LSM.

Типы [ править ]

Бесщеточный [ править ]

Бесщеточные линейные двигатели относятся к семейству синхронных двигателей. Обычно они используются в стандартных линейных ступенях или интегрируются в специальные высокопроизводительные системы позиционирования . Изобретен в конце 1980-х годов Анваром Читаятом из Anorad Corporation, ныне Rockwell Automation , и помог повысить производительность и качество промышленных производственных процессов. ^[4]

Кисть [ править ]

Щеточные (электрические) линейные двигатели использовались в приложениях промышленной автоматизации до изобретения бесщеточных линейных двигателей. По сравнению с трехфазными бесщеточными двигателями, которые обычно используются сегодня, щеточные двигатели работают с одной фазой. ^[5] Щеточные линейные двигатели имеют более низкую стоимость, поскольку им не нужны подвижные кабели и трехфазные сервоприводы. Однако они требуют более тщательного обслуживания, поскольку их щетки изнашиваются.

Синхронный [ править ]

В этой конструкции скорость движения магнитного поля контролируется, обычно электронным способом, для отслеживания движения ротора. По соображениям стоимости в синхронных линейных двигателях редко используются коммутаторы , поэтому ротор часто содержит постоянные магниты или мягкое железо . Примеры включают coilguns и двигатели , используемые на некоторых магнитной подвеске систем, а также многих других линейных двигателей. В высокоточной промышленной автоматизации линейные двигатели обычно имеют магнитный статор и подвижную катушку. Датчик эффекта Холла прикреплен к ротору для отслеживания магнитного потока статора. Электрический ток обычно подается от стационарного сервопривода.к движущейся катушке движущимся кабелем внутри кабелепровода .

Индукция [ править ]

В этой конструкции сила создается движущимся линейным 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 . ^[6] Два противоположных поля будут отталкиваться друг от друга, создавая движение, когда магнитное поле пронизывает металл.

Униполярный [ править ]

В этой конструкции большой ток пропускается через металлический башмак через скользящие контакты, которые питаются от двух шин. Возникающее при этом магнитное поле вызывает выброс металла вдоль рельсов.

Пьезоэлектрический [ править ]

Пьезоэлектрический привод часто используется для привода небольших линейных двигателей.

История [ править ]

Низкое ускорение [ править ]

История линейных электродвигателей можно проследить по крайней мере, насколько 1840s, к работе Чарльза Уитстона в Королевском колледже Лондона , ^[7] , но модель Уитсона была слишком неэффективно , чтобы быть практичным. Возможный линейный асинхронный двигатель описан в патенте США 782312 (1905 - изобретатель Альфред Цеден из Франкфурта-на-Майне) для привода поездов или лифтов. Немецкий инженер Герман Кемпер построил рабочую модель в 1935 году. ^[8] В конце 1940-х годов доктор Эрик Лейтвейт из Манчестерского университета , впоследствии профессор тяжелой электротехники в Имперском колледже в Лондоне.разработана первая полноразмерная рабочая модель. В одностороннем варианте магнитное отталкивание отталкивает проводник от статора, левитирует его и уносит в направлении движущегося магнитного поля. Более поздние версии он назвал магнитной рекой .

Из - за этих свойств, линейные двигатели часто используются в магнитной подвеске в движение, как и в японской Linimo магнитной левитации поезда линии вблизи Нагоя . Однако линейные двигатели были использованы независимо от магнитной левитации, как и в Bombardier Advanced Rapid Transit систем по всему миру , а также ряд современных японских метрополитенов, в том числе в Токио «s Линия Оэды .

Подобная технология также используется в некоторых американских горках с модификациями, но в настоящее время все еще непрактична для уличных трамваев , хотя теоретически это можно сделать, закопав их 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 Socimi Eurotram . Также существуют двухосные линейные двигатели. Эти специализированные устройства использовались для обеспечения прямого движения по осям X - Y для точной лазерной резки ткани и листового металла, автоматизированного черчения., и формирование кабеля. Большинство используемых линейных двигателей - это LIM (линейный асинхронный двигатель) или LSM (линейный синхронный двигатель). Линейные двигатели постоянного тока не используются из-за более высокой стоимости, а линейные SRM страдают от плохой тяги. Таким образом, для длительных пробегов на тяговых усилиях наиболее предпочтителен LIM, а для краткосрочных - LSM.

Высокое ускорение [ править ]

Линейные двигатели с высоким ускорением были предложены для ряда применений. Они были рассмотрены для использования в качестве оружия , поскольку современные бронебойные боеприпасы, как правило, состоят из небольших снарядов с очень высокой кинетической энергией , для которых подходят именно такие двигатели. Многие американские горки, запущенные в парках развлечений, теперь используют линейные асинхронные двигатели для движения поезда на высокой скорости в качестве альтернативы использованию подъемной горки . ВМС США также используют линейные асинхронные двигатели в электромагнитной системе запуска самолетов , которые заменят традиционные паровые катапульты на будущих авианосцах. Они также были предложены для использования вдвигательная установка космического корабля . В этом контексте их обычно называют массовыми драйверами . Самый простой способ использовать драйверы массы для приведения в движение космического корабля - это построить двигатель большой массы, который может разгонять груз до космической скорости , хотя также исследовалась система помощи при запуске RLV, такая как StarTram, на низкую околоземную орбиту .

Линейные двигатели с высоким ускорением сложно спроектировать по ряду причин. Они требуют большого количества энергии за очень короткие промежутки времени. Один проект ракетной установки ^[9] требует 300 ГДж на каждый запуск в космосе менее секунды. Обычные электрические генераторы не рассчитаны на такую ​​нагрузку, но можно использовать методы кратковременного хранения электроэнергии. Конденсаторы громоздкие и дорогие, но могут быстро обеспечивать большое количество энергии. Униполярные генераторы могут использоваться для преобразования кинетической энергии маховика.в электрическую энергию очень быстро. Линейные двигатели с высоким ускорением также требуют очень сильных магнитных полей; фактически, магнитные поля часто слишком сильны, чтобы можно было использовать сверхпроводники . Однако при тщательном проектировании это не должно быть большой проблемой. ^[10]

Для линейных двигателей с высоким ускорением были изобретены две различные базовые конструкции: рельсотроны и койлганы .

Использование [ править ]

Линейные двигатели обычно используются для приведения в действие высокопроизводительного оборудования промышленной автоматизации. Их преимущество, в отличие от любого другого широко используемого привода, такого как шариковый винт , зубчатый ремень или зубчатая рейка , состоит в том, что они обеспечивают любую комбинацию высокой точности, высокой скорости, большого усилия и большого хода.

Широко используются линейные двигатели. Одно из основных применений линейных двигателей - это движение челнока на ткацких станках .

Линейные двигатели использовались для раздвижных дверей и различных подобных приводов. Кроме того, они использовались для обработки багажа и даже для перевозки крупногабаритных сыпучих материалов.

Линейные двигатели иногда используются для создания вращательного движения, например, они использовались в обсерваториях для работы с большим радиусом кривизны.

Линейные двигатели также могут быть использованы в качестве альтернативы традиционным подъемникам с цепным приводом для американских горок. В каботажном судне Maverick в Сидар-Пойнт вместо цепного подъемника используется один такой линейный двигатель.

Линейный двигатель использовался для разгона автомобилей во время краш-тестов . ^[11]

Промышленная автоматизация [ править ]

Сочетание высокой точности, высокой скорости, большого усилия и большого хода делает бесщеточные линейные двигатели привлекательными для привода оборудования промышленной автоматизации. Они служат отрасли и приложения , такие как полупроводниковые степпер , электроника технологии поверхностного монтажа , автомобильная декартовы робот , аэрокосмическое химическое фрезерование , оптика электронного микроскопа , здравоохранение лаборатории автоматизация , продукты питания и напитки выбрать и место .

Станки [ править ]

Приводы с синхронными линейными двигателями , используемые в станках, обеспечивают высокое усилие, высокую скорость, высокую точность и высокую динамическую жесткость, что приводит к высокой плавности движения и малому времени стабилизации. Они могут достигать скорости 2 м / с и микронной точности при коротком времени цикла и гладкой поверхности. ^[12]

Двигательная установка [ править ]

Обычные рельсы [ править ]

Все следующие приложения находятся в быстром движении и имеют активную часть двигателя в автомобилях. ^{[13] [14]}

Bombardier Innovia Metro [ править ]

Первоначально была разработана в конце 1970-х годов компанией UTDC в Канаде как система транзита промежуточной мощности (ICTS). В Миллхейвене, Онтарио , был построен испытательный полигон для обширных испытаний прототипов автомобилей, после чего были построены три линии:

• Линия 3 Скарборо в Торонто (открыта в 1985 году) ^[15]
• Expo Line в Ванкувере SkyTrain (открыт в 1985 году и расширен в 1994 году)
• Detroit People Mover в Детройте (открыт в 1987 году)

ICTS была продана Bombardier Transportation в 1991 году и позже известна как Advanced Rapid Transit (ART), прежде чем в 2011 году была принята текущая торговая марка . С тех пор было выполнено еще несколько установок:

• Kelana Jaya Line в Куала-Лумпуре (открыта в 1998 году и расширена в 2016 году)
• Линия тысячелетия Vancouver SkyTrain (открыта в 2002 г. и расширена в 2016 г.)
• AirTrain JFK в Нью-Йорке (открыт в 2003 году)
• Airport Express (Пекинское метро) (открыт в 2008 г.)
• Everline в Йонъине, Южная Корея (открыт в 2013 г.)

Все системы метро Innovia используют электрификацию третьей железной дороги.

Японское линейное метро [ править ]

Одной из самых больших проблем, с которыми столкнулись японские инженеры-железнодорожники в 1970–1980-х годах, было постоянно растущие затраты на строительство метро. В ответ Японская ассоциация метро начала изучение возможности создания «мини-метро» для удовлетворения потребностей городского транспорта в 1979 году. В 1981 году Японская ассоциация инженеров железнодорожного транспорта изучала возможность использования линейных асинхронных двигателей для таких небольших метрополитенов и метро. к 1984 г. проводил исследования по практическому применению линейных двигателей для городских железных дорог совместно с Министерством земли, инфраструктуры, транспорта и туризма Японии . В 1988 году была проведена успешная демонстрация Limtrain в Сайтаме, что повлияло на окончательное внедрение линейного двигателя для линии Нагахори Цуруми-рёкути.в Осаке и на линии Toei 12 (современная линия Toei Oedo ) в Токио . ^[16]

На сегодняшний день следующие линии метро в Японии используют линейные двигатели и используют воздушные линии для сбора электроэнергии:

• Две линии метро Osaka в Осаке:
  • Линия Нагахори Цуруми-рёкути (открыта в 1990 г.)
  • Imazatosuji Line (открыта в 2006 году)
• Toei Ōedo Line в Токио (открыт в 2000 году)
• Kaigan линия от Кобе муниципального метро (открыт в 2001 году)
• Nanakuma линия в городе Фукуока метро (открыт в 2005 году)
• Зеленая линия муниципального метро Йокогамы (открыта в 2008 г.)
• Сендайская линия метро Tōzai Line (открыта в 2015 году)

Кроме того, Kawasaki Heavy Industries также экспортировала линейное метро в метро Гуанчжоу в Китае; ^[17] все линии линейного метро в Гуанчжоу используют электрификацию третьей железной дороги:

• Линия 4 (открыта в 2005 г.)
• Линия 5 (открыта в 2009 г.).
• Линия 6 (открыта в 2013 г.)

Монорельс [ править ]

• Существует по крайней мере одна известная монорельсовая система, которая не левитирует магнитным полем, но, тем не менее, использует линейные двигатели. Это Московский монорельс . Первоначально предполагалось использовать традиционные моторы и колеса. Однако во время тестовых запусков было обнаружено, что предложенные двигатели и колеса не смогут обеспечить адекватное сцепление с дорогой в некоторых условиях, например, когда на рельсах появился лед. Следовательно, колеса все еще используются, но поезда используют линейные двигатели для ускорения и замедления. Возможно, это единственное использование такой комбинации из-за отсутствия таких требований для других систем поездов.
• TELMAGV является прототипом монорельсовой системы, которая также не на магнитной подвеске , но использует линейные двигатели.

Магнитная левитация [ править ]

• Скоростные поезда:
  • Transrapid : первое коммерческое использование в Шанхае (открытие в 2004 г.)
  • Строящийся в Японии SCMaglev (самый быстрый поезд в мире, открытие планируется к 2027 году)
• Быстрый транзит:
  • Аэропорт Бирмингема, Великобритания (открыт в 1984 г., закрыт в 1995 г.)
  • M-Bahn в Берлине, Германия (открыта в 1989 г., закрыта в 1991 г.)
  • Daejeon EXPO, Корея (работала только в 1993 г.) ^[18]
  • HSST : Linimo линия в префектуре Айти, Япония (открыт в 2005 году)
  • Аэропорт Инчхон Маглев (открыт в июле 2014 г.)
  • Чанша Маглев Экспресс (открыт в 2016 году)
  • S1 линии в Пекине метро (открыт 2017)

Аттракционы [ править ]

Во всем мире существует множество американских горок, которые используют LIM для ускорения движущихся транспортных средств. Первыми из них были Flight of Fear at Kings Island и Kings Dominion , оба открылись в 1996 году. Battlestar Galctica: Human VS Cylon и Revenge of the Mummy в Universal Studios Singapore открылись в 2010 году. Они оба используют LIM для ускорения с определенного момента заездов. «Месть мумии» также находится в киностудиях «Юниверсал Студиос Голливуд» и « Юниверсал Студиос Флорида» . В лодке Incredible Hulk Coaster на Островах приключений Universal также используются линейные двигатели.

Запуск самолета [ править ]

• Электромагнитная система запуска самолета

Предложено и исследование [ править ]

• Пусковая петля - Предлагаемая система для запуска транспортных средств в космос с использованием петли с питанием от линейного двигателя.
• StarTram - концепция линейного двигателя экстремального масштаба
• Система катапульты с тросом
• Aérotrain S44 - прототип пригородного поезда на воздушной подушке
• Исследовательский испытательный автомобиль 31 - Транспортное средство на воздушной подушке, управляемое по рельсам
• Hyperloop - концептуальная высокоскоростная транспортная система, предложенная предпринимателем Илоном Маском.
• Лифт «ThyssenKrupp Elevator: ThyssenKrupp разрабатывает первую в мире безканатную лифтовую систему, позволяющую строительной отрасли решать проблемы глобальной урбанизации:» . Архивировано из оригинала на 2016-03-03 . Проверено 2 июня 2015 .
• Лифт «Технология: линейные лифты с синхронным двигателем становятся реальностью» . Архивировано из оригинала на 2015-03-30 . Проверено 2 июня 2015 .
• Magway - британская система доставки грузов, находящаяся в стадии исследований и разработок, которая направлена ​​на доставку грузов в контейнерах по трубопроводам диаметром 90 см под и над землей.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме линейных двигателей .

• Расчетные уравнения, электронные таблицы и чертежи
• Расчет крутящего момента двигателя
• Обзор электромагнитных пушек
• Приводы звуковой катушки
• Приложения для Android для измерения линейных двигателей