Линейный двигатель — это электродвигатель , у которого статор и ротор «развернуты», поэтому вместо создания крутящего момента ( вращения ) он создает линейную силу вдоль своей длины. Однако линейные двигатели не обязательно прямые. Характерно, что активная секция линейного двигателя имеет концы, тогда как более традиционные двигатели организованы в виде непрерывной петли.
Типичный режим работы — привод типа Лоренца , в котором приложенная сила линейно пропорциональна току и магнитному полю .
Линейные двигатели чаще всего используются в высокоточных машиностроительных приложениях [1] .
Было предложено много конструкций линейных двигателей, которые можно разделить на две основные категории: линейные двигатели с низким ускорением и линейные двигатели с высоким ускорением. Линейные двигатели с низким ускорением подходят для поездов на магнитной подвеске и других наземных транспортных приложений. Линейные двигатели с высоким ускорением обычно довольно короткие и предназначены для ускорения объекта до очень высокой скорости; например, см. coilgun .
Высокоускоренные линейные двигатели обычно используются в исследованиях гиперскоростных столкновений, в качестве оружия или в качестве массовых двигателей для движения космических аппаратов . [ требуется ссылка ] Обычно они имеют конструкцию линейного индукционного двигателя переменного тока (LIM) с активной трехфазной обмоткой с одной стороны воздушного зазора и пассивной проводящей пластиной с другой стороны. Однако рельсотрон с униполярным линейным двигателем постоянного тока — это еще одна конструкция линейного двигателя с высоким ускорением. Низкоускоренные, высокоскоростные и высокомощные двигатели обычно имеют конструкцию линейного синхронного двигателя (LSM) с активной обмоткой с одной стороны воздушного зазора и массивом чередующихся полюсных магнитов с другой стороны. Эти магниты могут быть постоянными магнитами или электромагнитами . Например, двигатель для шанхайского поезда на магнитной подвеске — это LSM.
Бесщеточные линейные двигатели являются членами семейства синхронных двигателей. Они обычно используются в стандартных линейных каскадах или интегрируются в пользовательские высокопроизводительные системы позиционирования . Изобретены в конце 1980-х годов Анваром Читаятом в Anorad Corporation, теперь Rockwell Automation , и помогли улучшить производительность и качество промышленных производственных процессов. [2]
Щеточные линейные двигатели использовались в промышленных автоматизированных приложениях до изобретения бесщеточных линейных двигателей. По сравнению с трехфазными бесщеточными двигателями, которые обычно используются сегодня, щеточные двигатели работают на одной фазе. [3] Щеточные линейные двигатели имеют более низкую стоимость, поскольку им не нужны движущиеся кабели или трехфазные сервоприводы. Однако они требуют более частого обслуживания, поскольку их щетки изнашиваются.
В этой конструкции скорость движения магнитного поля контролируется, как правило, электронным способом, чтобы отслеживать движение ротора. По причинам стоимости синхронные линейные двигатели редко используют коммутаторы , поэтому ротор часто содержит постоянные магниты или мягкое железо . Примерами являются койлганы и двигатели, используемые в некоторых системах магнитной подвески , а также многие другие линейные двигатели. В высокоточной промышленной автоматизации линейные двигатели обычно конфигурируются с магнитным статором и подвижной катушкой. Датчик Холла прикреплен к ротору для отслеживания магнитного потока статора. Электрический ток обычно подается от стационарного сервопривода к подвижной катушке с помощью подвижного кабеля внутри кабельного держателя .
В этой конструкции сила создается движущимся линейным магнитным полем, действующим на проводники в поле. Любой проводник, будь то петля, катушка или просто кусок пластинчатого металла, помещенный в это поле, будет иметь вихревые токи, индуцированные в нем, таким образом создавая противоположное магнитное поле, в соответствии с законом Ленца . [4] Два противоположных поля будут отталкиваться друг от друга, таким образом создавая движение, поскольку магнитное поле проходит через металл.
В этой конструкции большой ток проходит через металлический сабот через скользящие контакты, которые питаются от двух рельсов. Магнитное поле, которое это генерирует, заставляет металл проецироваться вдоль рельсов.
Эффективная и компактная конструкция, применимая для замены пневматических цилиндров .
Пьезоэлектрический привод часто используется для управления небольшими линейными двигателями.
Историю линейных электродвигателей можно проследить по крайней мере до 1840-х годов, до работы Чарльза Уитстона в Королевском колледже Лондона , [5] но модель Уитстона была слишком неэффективна, чтобы быть практичной. Возможный линейный асинхронный двигатель описан в патенте США 782,312 (1905 - изобретатель Альфред Цеден из Франкфурта-на-Майне), для привода поездов или лифтов. Немецкий инженер Герман Кемпер построил рабочую модель в 1935 году. [6] В конце 1940-х годов доктор Эрик Лейтуэйт из Манчестерского университета , позже 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 . Позже эти технологии будут применены в 1984 году в шаттле Air-Rail Link между аэропортом Бирмингема и соседней железнодорожной станцией.
Благодаря этим свойствам линейные двигатели часто используются в магнитной левитации, как в японской линии поездов на магнитной подушке Linimo около Нагои . Однако линейные двигатели использовались и независимо от магнитной подушки, как в системах метро Bombardier Innovia по всему миру и в ряде современных японских метрополитенов, включая линию Toei Ōedo в Токио .
Подобная технология также используется в некоторых американских горках с некоторыми модификациями, но в настоящее время она все еще непрактична для уличных трамваев , хотя теоретически это можно было бы осуществить, поместив ее в щелевой канал.
За пределами общественного транспорта вертикальные линейные двигатели были предложены в качестве подъемных механизмов в глубоких шахтах , и использование линейных двигателей растет в приложениях управления движением . Они также часто используются на раздвижных дверях, например, в низкопольных трамваях, таких как Alstom Citadis и Socimi Eurotram . Существуют также двухосные линейные двигатели. Эти специализированные устройства использовались для обеспечения прямого движения X - Y для точной лазерной резки ткани и листового металла, автоматизированного черчения и формирования кабеля. 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 линейный SRM страдает от слабой тяги. Поэтому для длительных пробегов в тяге в основном предпочтителен LIM, а для коротких пробегов в основном предпочтителен LSM.
Высокоускоренные линейные двигатели были предложены для ряда применений. Они рассматривались 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, запускаемые в парках развлечений , теперь используют линейные индукционные двигатели для приведения поезда в движение на высокой скорости, как альтернативу использованию подъемного холма .
ВМС США также используют линейные индукционные двигатели в электромагнитной системе запуска самолетов , которая заменит традиционные паровые катапульты на будущих авианосцах. Их также предлагалось использовать в качестве двигателей космических аппаратов . В этом контексте их обычно называют массовыми драйверами . Самым простым способом использования массовых драйверов для двигателей космических аппаратов было бы создание большого массового драйвера, который может разгонять груз до второй космической скорости , хотя также исследовались средства помощи при запуске RLV , такие как StarTram, на низкую околоземную орбиту .
Высокоускоренные линейные двигатели трудно проектировать по ряду причин. Они требуют большого количества энергии за очень короткие промежутки времени. Одна конструкция ракетной установки [7] требует 300 ГДж для каждого запуска в течение менее секунды. Обычные электрические генераторы не рассчитаны на такую нагрузку, но можно использовать краткосрочные методы хранения электроэнергии. Конденсаторы громоздкие и дорогие, но могут быстро поставлять большое количество энергии. Униполярные генераторы могут использоваться 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 разрешить использование сверхпроводников . Однако при тщательном проектировании это не должно быть серьезной проблемой. [8]
Для линейных двигателей с высоким ускорением были изобретены две различные базовые конструкции: рельсотроны и койлганы .
Линейные двигатели обычно используются для приведения в действие высокопроизводительного промышленного автоматизированного оборудования. Их преимущество, в отличие от любого другого широко используемого привода, такого как шариковый винт , зубчатый ремень или реечная передача , заключается в том, что они обеспечивают любую комбинацию высокой точности, высокой скорости, большой силы и большого хода.
Линейные двигатели широко используются. Одно из основных применений линейных двигателей — приведение в движение челнока в ткацких станках .
Линейный двигатель использовался для раздвижных дверей и различных подобных приводов. Они использовались для обработки багажа и даже для крупногабаритной транспортировки 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 использоваться в качестве альтернативы обычным цепным подъемникам для американских горок. Американские горки Maverick в Сидар-Пойнт используют один такой линейный двигатель вместо цепного подъемника.
Линейный двигатель использовался для ускорения автомобилей при краш-тестах . [9]
Сочетание высокой точности, высокой скорости, большой силы и большого хода делает бесщеточные линейные двигатели привлекательными для привода промышленного автоматизированного оборудования. Они обслуживают такие отрасли и приложения, как полупроводниковые шаговые двигатели , технология поверхностного монтажа электроники , автомобильные декартовы координатные роботы , аэрокосмическое химическое фрезерование , оптический электронный микроскоп , автоматизация медицинских лабораторий , перекладывание и размещение продуктов питания и напитков .
Синхронные линейные приводы двигателей , используемые в станках, обеспечивают высокую силу, высокую скорость, высокую точность и высокую динамическую жесткость, что приводит к высокой плавности движения и малому времени установления. Они могут достигать скорости 2 м/с и точности на уровне микронов, с коротким временем цикла и гладкой отделкой поверхности. [10]
Все следующие приложения применяются в скоростном транспорте и имеют активную часть двигателя в автомобилях. [11] [12]
Первоначально разработана в конце 1970-х годов компанией UTDC в Канаде как Intermediate Capacity Transit System (ICTS). В Миллхейвене, Онтарио , был построен испытательный трек для обширных испытаний прототипов вагонов, после чего были построены три линии:
В 1991 году ICTS была продана компании Bombardier Transportation и позднее стала известна как Advanced Rapid Transit (ART), а в 2011 году получила свой нынешний брендинг. С тех пор было установлено еще несколько систем:
Во всех системах метрополитена Innovia используется электрификация по третьему рельсу .
Одной из самых больших проблем, с которой столкнулись японские железнодорожные инженеры в 1970-1980-х годах, была постоянно растущая стоимость строительства метрополитенов. В ответ на это Ассоциация японского метрополитена начала изучать осуществимость «мини-метро» для удовлетворения спроса на городское движение в 1979 году. В 1981 году Ассоциация японского железнодорожного машиностроения изучала использование линейных асинхронных двигателей для таких малогабаритных метрополитенов и к 1984 году исследовала практическое применение линейных двигателей для городской железной дороги совместно с Министерством земли, инфраструктуры, транспорта и туризма Японии . В 1988 году была проведена успешная демонстрация с Limtrain в Сайтаме , что повлияло на окончательное принятие линейного двигателя для линии Nagahori Tsurumi-ryokuchi в Осаке и линии Toei 12 (нынешняя линия Toei Oedo ) в Токио . [14]
На сегодняшний день на следующих линиях метрополитена в Японии используются линейные двигатели и воздушные линии для сбора электроэнергии:
Кроме того, Kawasaki Heavy Industries также экспортировала линейное метро в метрополитен Гуанчжоу в Китае; [15] все линии линейного метро в Гуанчжоу используют электрификацию третьего рельса:
В мире существует множество американских горок, которые используют LIM для ускорения транспортных средств. Первыми из них являются Flight of Fear в Kings Island и Kings Dominion , оба открылись в 1996 году. Battlestar Galactica: Human VS Cylon и Revenge of the Mummy в Universal Studios Singapore открылись в 2010 году. Они оба используют LIM для ускорения с определенной точки на аттракционах.
Revenge of the Mummy также находится в Universal Studios Hollywood и Universal Studios Florida . Incredible Hulk Coaster и VelociCoaster в Universal Islands of Adventure также используют 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 закрытые помещения.
В 2023 году американские горки с гидравлическим запуском Top Thrill Dragster в Сидар-Пойнте (штат Огайо, США) были отремонтированы, а гидравлический запуск был заменен на более слабую систему многократного запуска с использованием LSM, которая создает меньшую перегрузку .
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )