Линейный двигатель

Схема свободного тела U-образного синхронного линейного двигателя. Вид перпендикулярен оси канала. Две катушки в центре механически соединены и находятся под напряжением в « квадратуре » (что означает разность фаз 90 ° (π/2 радиан ) между потоком магнитов и потоком катушек). Нижняя и верхняя катушки в данном конкретном случае имеют разность фаз 90°, что делает двигатель двухфазным (не в масштабе).

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

Линейный двигатель — это электродвигатель которого , статор и ротор «развернуты», поэтому вместо создания крутящего момента ( вращения ) он создает линейную силу по своей длине. Однако линейные двигатели не обязательно являются прямыми. Характерно, что активная часть линейного двигателя имеет концы, тогда как более традиционные двигатели устроены в виде непрерывного контура.

Типичный режим работы - привод Лоренца , в котором приложенная сила линейно пропорциональна току . и магнитному полю $({\vec {F}}=I{\vec {L}}\times {\vec {B}})$.

Линейные двигатели чаще всего встречаются в высокоточной технике. приложения.

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 средств. Линейные двигатели с высоким ускорением обычно довольно короткие и предназначены для ускорения объекта до очень высокой скорости; например, см . койлган .

Линейные двигатели с высоким ускорением обычно используются в исследованиях столкновений на сверхскоростях , в качестве оружия или в качестве двигателей для движения космических кораблей . 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 с униполярным линейным двигателем рельсотрон постоянного тока представляет собой еще одну конструкцию линейного двигателя с высоким ускорением. Низкоскоростные, высокоскоростные и мощные двигатели обычно имеют конструкцию линейного синхронного двигателя (LSM) с активной обмоткой на одной стороне воздушного зазора и массивом магнитов с переменным полюсом на другой стороне. Эти магниты могут быть постоянными магнитами или электромагнитами . двигатель шанхайского поезда на магнитной подвеске Например, — LSM.

Типы

Бесщеточный

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

Щетка

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 от одной фазы. Щеточные линейные двигатели имеют более низкую стоимость, поскольку им не нужны движущиеся кабели или трехфазные сервоприводы. Однако они требуют более тщательного обслуживания, поскольку их щетки изнашиваются.

синхронный

В этой конструкции скорость движения магнитного поля контролируется, обычно электронно, для отслеживания движения ротора. По причинам стоимости в синхронных линейных двигателях редко используются коммутаторы , поэтому ротор часто содержит постоянные магниты или мягкое железо . Примеры включают койлганы и двигатели, используемые в некоторых системах магнитной подвески , а также многие другие линейные двигатели. В высокоточной промышленной автоматизации линейные двигатели обычно имеют магнитный статор и подвижную катушку. магнитного потока К ротору прикреплен датчик Холла для отслеживания статора . Электрический ток обычно подается от стационарного сервопривода к подвижной катушке с помощью движущегося кабеля внутри кабельного держателя .

Индукция

Типичный трехфазный линейный асинхронный двигатель. Алюминиевая пластина сверху часто образует вторичный «ротор».

Основная статья: Линейный асинхронный двигатель

В этой конструкции сила создается движущимся линейным магнитным полем, действующим на проводники в этом поле. В любом проводнике, будь то петля, катушка или просто кусок металлической пластины, помещенный в это поле, в нем будут вихревые токи индуцироваться , создавая противоположное магнитное поле в соответствии с законом Ленца . Два противоположных поля будут отталкивать друг друга, создавая движение, когда магнитное поле проходит через металл.

гомополярный

Схема рельсотрона

Основная статья: Рейлган

В этой конструкции большой ток проходит через металлическую подставку через скользящие контакты, питаемые двумя рельсами. Создаваемое при этом магнитное поле заставляет металл выбрасываться вдоль рельсов.

трубчатый

Основная статья: Трубчатый линейный двигатель

Эффективная и компактная конструкция, подходящая для замены пневматических цилиндров .

Пьезоэлектрический

Действие пьезоэлектрического двигателя

Основная статья: Пьезоэлектрический двигатель § Шаговые действия

Пьезоэлектрический привод часто используется для привода небольших линейных двигателей.

История

Этот линии 6 поезд метро Гуанчжоу производства CRRC Sifang и Kawasaki Heavy Industries движется самостоятельно с помощью алюминиевой индукционной полосы, расположенной между рельсами.

Низкое ускорение

Историю линейных электродвигателей можно проследить, по крайней мере, до 1840-х годов, до работы Чарльза Уитстона в Королевском колледже Лондона . но модель Уитстона была слишком неэффективной, чтобы быть практичной. Возможный линейный асинхронный двигатель описан в патенте США 782 312 (1905 г. - изобретатель Альфред Цеден из Франкфурта-на-Майне) для привода поездов или лифтов. Немецкий инженер Герман Кемпер построил действующую модель в 1935 году. В конце 1940-х годов доктор Эрик Лейтуэйт из Манчестерского университета , впоследствии профессор тяжелой электротехники в Имперском колледже в Лондоне, разработал первую полноразмерную рабочую модель.

В односторонней версии магнитное отталкивание отталкивает проводник от статора, поднимая его в воздух и увлекая в направлении движущегося магнитного поля. Более поздние версии он назвал магнитной рекой . Позднее эти технологии будут применены в 1984 году в шаттле Air-Rail Link между аэропортом Бирмингема и прилегающим железнодорожным вокзалом.

Линейный двигатель для поездов линии Toei Ōedo.

Из-за этих свойств линейные двигатели часто используются в силовых установках на магнитной подвеске , как, например, в японской «Линимо» линии поездов на магнитной подушке недалеко от Нагои . Однако линейные двигатели использовались независимо от магнитной левитации, как в системах метро Bombardier Innovia по всему миру и в ряде современных японских метрополитенов, включая линию токийскую Toei Ōedo .

Подобная технология также используется в некоторых модификациях американских горок , но в настоящее время она по-прежнему непрактична для уличных трамваев , хотя теоретически это можно сделать, закопав ее в желоб с прорезями.

За пределами общественного транспорта вертикальные линейные двигатели были предложены в качестве подъемных механизмов в глубоких шахтах , а использование линейных двигателей растет в приложениях управления движением . Они также часто используются в раздвижных дверях, например, в трамваях с низким полом, таких как Alstom Citadis и Socimi 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 кабелей. Большинство используемых линейных двигателей — это LIM (линейный асинхронный двигатель) или LSM (линейный синхронный двигатель). Линейные двигатели постоянного тока не используются из-за их более высокой стоимости, а линейные SRM имеют плохую тягу. Таким образом, для длинных пробегов с тягой в основном предпочтителен LIM, а для коротких - LSM.

Крупный план плоской поверхности пассивного проводника двигателя Сойера управления движением.

Высокое ускорение

Высокоскоростные линейные двигатели были предложены для ряда применений.Их рассматривали для использования в качестве оружия , поскольку нынешние бронебойные боеприпасы, как правило, состоят из небольших снарядов с очень высокой кинетической энергией , для которых подходят именно такие двигатели. парках развлечений, Во многих американских горках, запущенных в теперь используются линейные асинхронные двигатели для движения поезда на высокой скорости в качестве альтернативы использованию подъемника .

ВМС США также используют линейные асинхронные двигатели в электромагнитной системе запуска самолетов , которая заменит традиционные паровые катапульты на будущих авианосцах. Их также предлагалось использовать в двигательных установках космических кораблей . В этом контексте их обычно называют массовыми драйверами . Самый простой способ использовать двигатели массы для движения космического корабля — это построить двигатель большой массы, который может ускорять груз до скорости убегания , хотя РЛВ, средства помощи при запуске такие как StarTram, на низкую околоземную орбиту также исследовались .

Высокоскоростные линейные двигатели сложно проектировать по ряду причин. Им требуется большое количество энергии за очень короткие промежутки времени. Одна конструкция ракетной установки требует 300 ГДж для каждого запуска за время менее секунды. Обычные электрические генераторы не рассчитаны на такую ​​нагрузку, но можно использовать методы кратковременного хранения электрической энергии. Конденсаторы громоздки и дороги, но могут быстро обеспечить большое количество энергии. Униполярные генераторы можно использовать для очень быстрого преобразования кинетической энергии маховика в электрическую энергию. Высокоускоренные линейные двигатели также требуют очень сильных магнитных полей; на самом деле, магнитные поля часто слишком сильны, чтобы позволить использовать сверхпроводники . Однако при тщательном проектировании это не должно стать серьезной проблемой.

Для высокоскоростных линейных двигателей были изобретены две различные базовые конструкции: рельсотроны и койлганы .

Использование

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 , заключается в том, что они обеспечивают любое сочетание высокой точности, высокой скорости, большого усилия и большого хода.

Линейные двигатели широко используются. Одним из основных применений линейных двигателей является приведение в движение челнока на ткацких станках .

Линейные двигатели использовались для раздвижных дверей и различных подобных приводов. Их использовали для обработки багажа и даже перевозки крупногабаритных сыпучих материалов.

Линейные двигатели иногда используются для создания вращательного движения. Например, их использовали в обсерваториях для борьбы с большим радиусом кривизны.

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

Линейный двигатель использовался для ускорения автомобилей во время краш-тестов .

Промышленная автоматизация

Сочетание высокой точности, высокой скорости, большого усилия и большого хода делает бесщеточные линейные двигатели привлекательными для привода оборудования промышленной автоматизации. Они обслуживают такие отрасли и приложения, как полупроводниковые шаговые двигатели электроники , технология поверхностного монтажа , автомобильные роботы с декартовыми координатами , аэрокосмическая химическая обработка , оптический электронный микроскоп медицинских , автоматизация продуктов питания и напитков лабораторий, сбор и размещение .

Станки

Синхронные линейные электроприводы , используемые в станках, обеспечивают высокую силу, 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 точности микронного уровня, имеют короткое время цикла и гладкую поверхность.

Движение поезда

Обычные рельсы

Все следующие приложения находятся в режиме скоростного транспорта и имеют активную часть двигателя в автомобилях.

Бомбардье Инновия Метро

Основная статья: Метро Bombardier Innovia

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

• Линия 3 Скарборо в Торонто (открыта в 1985 году; закрыта в 2023 году)
• Экспо-линия Ванкуверского надземного поезда (открыта в 1985 году и расширена в 1994 году)
• Detroit People Mover в Детройте (открыт в 1987 году)

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

• Линия Келана Джая в Куала-Лумпуре (открыта в 1998 году и расширена в 2016 году)
• Линия Миллениум Ванкуверского надземного поезда (открыта в 2002 году и расширена в 2016 году)
• AirTrain JFK в Нью-Йорке (открыт в 2003 г.)
• Экспресс в аэропорт (пекинское метро) (открыт в 2008 г.)
• Everline в Йонгине, Южная Корея (открыт в 2013 г.)

Все системы метро Innovia используют электрификацию третьего рельса .

Японское линейное метро

Одной из самых больших проблем, с которыми столкнулись японские инженеры железнодорожного транспорта в 1970-1980-х годах, был постоянно растущий рост затрат на строительство метро. В ответ Японская ассоциация метрополитена в 1979 году начала изучение возможности создания «мини-метро» для удовлетворения потребностей в городских перевозках. В 1981 году Японская ассоциация железнодорожных инженеров изучала возможность использования линейных асинхронных двигателей для таких небольших метрополитенов и Японии исследовал практическое применение линейных двигателей на городских железных дорогах к 1984 году совместно с Министерством земли, инфраструктуры, транспорта и туризма . В 1988 году была проведена успешная демонстрация Limtrain в Сайтаме , которая повлияла на возможное внедрение линейного двигателя на линии Нагахори Цуруми-рёкути в Осаке и линии 12 Тоэй (современная линия Тоэй Оэдо ) в Токио .

На сегодняшний день на следующих линиях метро в Японии используются линейные двигатели и воздушные линии для сбора энергии:

• Две линии метро Осаки в Осаке:
  • Линия Нагахори Цуруми-рёкути (открыта в 1990 г.)
  • Линия Имазатосудзи (открыта в 2006 г.)
• Линия Toei Ōedo в Токио (открыта в 2000 г.)
• Линия Кайган муниципального метро Кобе (открыта в 2001 г.)
• Линия Нанакума городского метро Фукуока (открыта в 2005 г.)
• Зеленая линия муниципального метро Иокогамы (открыта в 2008 г.)
• Линия Тозай метро Сендай (открыта в 2015 г.)

Кроме того, Kawasaki Heavy Industries также экспортировала линейное метро в метро Гуанчжоу в Китае; все линии линейного метро в Гуанчжоу используют третью железнодорожную электрификацию:

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

Монорельс

Основная статья: Монорельс

• Существует по крайней мере одна известная монорельсовая система, которая не имеет магнитной подвески, но, тем не менее, использует линейные двигатели. Это Московская монорельсовая дорога . Первоначально предполагалось использовать традиционные моторы и колеса. Однако в ходе испытаний выяснилось, что предложенные двигатели и колеса не смогут обеспечить достаточную тягу при некоторых условиях, например, при появлении на рельсах льда. Следовательно, колеса по-прежнему используются, но для ускорения и замедления поезда используют линейные двигатели. Возможно, это единственное использование такой комбинации из-за отсутствия таких требований для других систем поездов.
• TELMAGV — это прототип монорельсовой системы, которая также не поднимается на магнитной подушке, а использует линейные двигатели.

Магнитная левитация

Основная статья: Маглев (транспорт)

Международный шаттл на магнитной подвеске в Бирмингеме

• Высокоскоростные поезда:
  • Transrapid : первое коммерческое использование в Шанхае (открыт в 2004 г.)
  • SCMaglev , строящийся в Японии (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.)
  • Тэджон ЭКСПО, Корея (проходил только в 1993 г.)
  • HSST : линия Линимо в префектуре Айти, Япония (открыта в 2005 г.)
  • Маглев аэропорта Инчхон (открыт в июле 2014 г.)
  • Чанша Маглев Экспресс (открыт в 2016 г.)
  • Линия S1 пекинского метро (открыта в 2017 г.)

Аттракционы

Основная статья: Список аттракционов

По всему миру существует множество американских горок, на которых используются LIM для ускорения движения транспортных средств. Первыми из них были Flight of Fear на Kings Island и Kings Dominion , оба открылись в 1996 году. Battlestar Galactica: Human VS Cylon & Revenge of the Mummy в Universal Studios Singapore открылись в 2010 году. Они оба используют LIM для ускорения с определенного момента во время поездок.

«Месть мумии» также находится в Universal Studios Hollywood и Universal Studios Florida . В аттракционах Incredible Hulk Coaster и VelociCoaster на Universal Islands of Adventure также используются линейные двигатели. В Walt Disney World , Rock 'n' Roller Coaster Starring Aerosmith в Disney's Hollywood Studios и Guardians of the Galaxy : Cosmic Rewind в Epcot оба используют LSM для запуска своих аттракционов в свои внутренние аттракционы.

В 2023 году гидравлическим запуском американские горки с Top Thrill Dragster в Сидар-Пойнт в Огайо, США, были отремонтированы, а гидравлический запуск заменен на более слабую систему многократного запуска с использованием LSM, которая создает меньшую перегрузку .

Запуск самолета

• Электромагнитная система запуска самолетов

Предложенные и исследования

• Пусковая петля - предлагаемая система для запуска транспортных средств в космос с использованием петли с линейным приводом.
• StarTram – концепция линейного двигателя экстремального масштаба
• Тросовая катапультная система
• Aérotrain S44 пригородного пригородного поезда на воздушной подушке. - прототип
• Исследовательская испытательная машина 31 - транспортное средство типа судна на воздушной подушке, управляемое гусеницей.
• Hyperloop — концептуальная высокоскоростная транспортная система, предложенная предпринимателем Илоном Маском.
• Лифт «ThyssenKrupp Elevator: ThyssenKrupp разрабатывает первую в мире безканатную лифтовую систему, которая позволит строительной отрасли справиться с проблемами глобальной урбанизации» . Архивировано из оригинала 3 марта 2016 г. Проверено 2 июня 2015 г.
• Поднимать «Технологии: лифты с линейными синхронными двигателями становятся реальностью» . Архивировано из оригинала 30 марта 2015 г. Проверено 2 июня 2015 г.
• Magway — британская система доставки грузов, находящаяся в стадии исследований и разработок, целью которой является доставка грузов в контейнерах по трубопроводам диаметром 90 см под землей и над землей.

См. также

• Линейный привод
• Линейный асинхронный двигатель
• Линейное движение
• Маглев
• Онлайн электромобиль
• Поршневой электродвигатель
• Сойер мотор
• Трубчатый линейный двигатель

Внешние ссылки

• Уравнения проектирования, таблицы и чертежи
• Расчет крутящего момента двигателя
• Обзор электромагнитных пушек