Линейный асинхронный двигатель ( ЛИД ) — это асинхронный линейный двигатель переменного тока (AC), который работает по тем же общим принципам, что и другие асинхронные двигатели , но обычно предназначен для непосредственного создания движения по прямой линии. Характерно, что линейные асинхронные двигатели имеют конечную первичную или вторичную длину, которая генерирует конечные эффекты, тогда как обычный асинхронный двигатель расположен в бесконечном цикле. [1]
Несмотря на свое название, не все линейные асинхронные двигатели производят линейное движение; некоторые линейные асинхронные двигатели используются для создания вращений больших диаметров, где использование непрерывной первичной обмотки было бы очень дорогим.
Как и роторные двигатели, линейные двигатели часто работают от трехфазного источника питания и могут поддерживать очень высокие скорости. Однако существуют конечные эффекты, которые снижают силу двигателя, и часто невозможно установить редуктор для компромисса между силой и скоростью. Таким образом, линейные асинхронные двигатели часто менее энергоэффективны, чем обычные роторные двигатели для любой заданной требуемой выходной силы.
LIM, в отличие от своих роторных аналогов, могут давать эффект левитации. Поэтому они часто используются там, где требуется бесконтактная сила, где желательно низкое техническое обслуживание или где рабочий цикл низкий. Их практическое применение включает магнитную левитацию , линейный движитель и линейные приводы. Они также использовались для перекачивания жидких металлов. [2]
Историю линейных электродвигателей можно проследить по крайней мере до 1840-х годов, до работы Чарльза Уитстона в Королевском колледже в Лондоне, [3] но модель Уитстона была слишком неэффективна, чтобы быть практичной. Возможный линейный индукционный двигатель описан в патенте США 782312 (1905; изобретатель Альфред Цеден из Франкфурта-на-Майне) и предназначен для привода поездов или лифтов. Немецкий инженер Герман Кемпер построил рабочую модель в 1935 году . [4] В конце 1940-х годов профессор Эрик Лейтуэйт из Имперского колледжа в Лондоне разработал первую полноразмерную рабочую модель.
В односторонней версии магнитное поле может создавать силы отталкивания, которые отталкивают проводник от статора, левитируя его и перенося его вдоль направления движущегося магнитного поля. Лейтуэйт назвал более поздние версии магнитной рекой . Эти версии линейного индукционного двигателя используют принцип, называемый поперечным потоком , где два противоположных полюса расположены рядом. Это позволяет использовать очень длинные полюса и, таким образом, обеспечивает высокую скорость и эффективность. [5]
Первичная обмотка линейного асинхронного двигателя обычно состоит из плоского магнитного сердечника (обычно слоистого) с поперечными пазами, которые часто имеют прямолинейную форму [6] , с катушками, уложенными в пазы, причем каждая фаза обеспечивает чередующуюся полярность, так что различные фазы физически перекрываются.
Вторичная обмотка часто представляет собой лист алюминия, часто с железной подложкой. Некоторые LIM являются двухсторонними с одной первичной обмоткой с каждой стороны вторичной обмотки, и в этом случае железная подложка не требуется.
Существуют два типа линейных двигателей: короткая первичная обмотка , где катушки укорочены короче, чем вторичная обмотка, и короткая вторичная обмотка , где проводящая пластина меньше. Короткие вторичные LIM часто наматываются как параллельные соединения между катушками одной и той же фазы, тогда как короткие первичные обмотки обычно наматываются последовательно. [7]
Первичные обмотки LIM с поперечным потоком имеют ряд двойных полюсов, лежащих поперечно бок о бок с противоположными направлениями намотки. Эти полюса обычно изготавливаются либо с помощью соответствующим образом вырезанной ламинированной опорной пластины, либо с рядом поперечных U-образных сердечников.
В этой конструкции электродвигателя сила создается линейно движущимся 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 . Два противоположных поля будут отталкиваться друг от друга, создавая движение, когда магнитное поле проходит через металл.
где f s — частота питания в Гц, p — число полюсов, n s — синхронная скорость магнитного поля в оборотах в секунду.
Скорость движущегося поля составляет:
где v s — скорость линейного бегущего поля в м/с, а t — шаг полюса.
Для скольжения s скорость вторичной обмотки линейного двигателя определяется выражением
Привод, создаваемый линейными асинхронными двигателями, в некоторой степени похож на привод обычных асинхронных двигателей; движущие силы показывают примерно схожую характерную форму относительно скольжения, хотя и модулируются концевыми эффектами. [9]
Существуют уравнения для расчета тяги двигателя. [10]
В отличие от кругового индукционного двигателя, линейный индукционный двигатель демонстрирует «конечные эффекты». Эти конечные эффекты включают потери производительности и эффективности, которые, как считается, вызваны уносом и потерей магнитной энергии в конце первичной обмотки из-за относительного движения первичной и вторичной обмоток.
При короткой вторичной обмотке поведение почти идентично роторной машине, при условии, что она имеет длину не менее двух полюсов, но с коротким первичным уменьшением тяги, которое происходит при низком скольжении (ниже примерно 0,3), пока не станет восемь полюсов или больше. [7]
Однако из-за концевых эффектов линейные двигатели не могут «работать налегке» — обычные асинхронные двигатели способны запускать двигатель с почти синхронным полем в условиях низкой нагрузки. Напротив, концевые эффекты создают гораздо более существенные потери в линейных двигателях. [7]
Кроме того, в отличие от роторного двигателя, показана электродинамическая сила левитации, которая равна нулю при нулевом скольжении и дает примерно постоянное количество 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]
Линейные асинхронные двигатели часто менее эффективны, чем обычные роторные асинхронные двигатели; концевые эффекты и относительно большой воздушный зазор, который часто присутствует, обычно уменьшают силы, производимые для той же электрической мощности. [1] Аналогично, эффективность во время работы генератора (электрическое торможение/рекуперация) с линейным асинхронным двигателем была отмечена как относительно низкая из-за концевых эффектов. [11] Больший воздушный зазор также увеличивает индуктивность двигателя, что может потребовать более крупных и дорогих конденсаторов.
Однако линейные асинхронные двигатели могут избежать необходимости в редукторах и подобных трансмиссиях, а они имеют свои собственные потери; и практическое знание важности фактора качества может минимизировать эффекты большего воздушного зазора. В любом случае использование 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 трансмиссиями «ротация-линия» в системах управления движением обеспечивает более высокую пропускную способность и точность системы управления , поскольку трансмиссии «ротация-линия» вносят люфт, статическое трение и/или механическую податливость в систему управления.
Благодаря этим свойствам линейные двигатели часто используются в магнитолевитационных движителях, как, например, в японской линии магнитно-левитационных поездов Линимо около Нагои .
Первая в мире коммерческая автоматизированная система на магнитной подвеске была низкоскоростным шаттлом на магнитной подвеске , который курсировал от терминала аэропорта Бирмингема до близлежащей железнодорожной станции Бирмингем-Интернешнл в период с 1984 по 1995 год. [12] Длина пути составляла 600 метров (2000 футов), а поезда «летали» на высоте 15 миллиметров (0,59 дюйма), левитируя электромагнитами и приводясь в движение линейными асинхронными двигателями. [13] Он находился в эксплуатации почти одиннадцать лет, но проблемы устаревания электронных систем сделали его ненадежным в последние годы. Один из оригинальных вагонов сейчас выставлен в Railworld в Питерборо вместе с поездом на воздушной подушке RTV31 . [14]
Однако линейные двигатели использовались независимо от магнитной левитации, например, на линии Toei Ōedo в Токио . Метро Bombardier Innovia является примером автоматизированной системы, которая использует движение LIM. Самая длинная система скоростного транспорта , использующая такую технологию, — метрополитен Гуанчжоу , с приблизительно 130 км (81 миля) маршрута с использованием поездов метро с движением LIM вдоль линии 4 , линии 5 и линии 6. Они также используются SkyTrain (Ванкувер) , Tomorrowland Transit Authority PeopleMover на курорте Walt Disney World Resort в Бэй-Лейк, Флорида , и Subway people mover в аэропорту Джорджа Буша Intercontinental в Хьюстоне , штат Техас , который использует ту же конструкцию.
Технология линейного индукционного двигателя также используется в некоторых запущенных американских горках . В настоящее время она все еще непрактична для уличных трамваев , хотя, теоретически, это можно было бы сделать, закопав 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 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. Кроме того, линейные индукционные 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 требуют больших затрат, а линейные SRM страдают от слабой тяги. Поэтому для длительного тягового режима в основном предпочтительнее LIM, а для короткого — LSM.
Линейные асинхронные двигатели также использовались для запуска самолетов, одним из первых примеров была система Westinghouse Electropult [7] , выпущенная в 1945 году, а электромагнитная система запуска самолетов (EMALS) должна была быть поставлена в 2010 году.
Линейные асинхронные двигатели также используются в ткацких станках, магнитная левитация позволяет катушкам плавать между волокнами без прямого контакта.
Первый безканатный лифт , изобретенный компанией ThyssenKrupp, использует линейный индукционный привод. [16]
