Линейный двигатель — это электродвигатель , статор и ротор которого «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.
Типичным режимом работы является привод Лоренца , в котором приложенная сила линейно пропорциональна току и магнитному полю .
Линейные двигатели чаще всего используются в высокоточном машиностроении [1] .
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 . [ нужна цитация ] Обычно они представляют собой конструкцию линейного асинхронного двигателя переменного тока (LIM) с активной трехфазной обмоткой на одной стороне воздушного зазора и пассивной проводящей пластиной на другой стороне. Однако рельсотрон с униполярным линейным двигателем 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 . Например, двигатель шанхайского поезда на магнитной подвеске — LSM.
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. [2]
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. [3] 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.
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. К ротору прикреплен датчик Холла для отслеживания магнитного потока статора . Электрический ток обычно подается от стационарного сервопривода к подвижной катушке с помощью движущегося кабеля внутри кабельного держателя .
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 листового металла, помещенный в это поле, в нем будут индуцироваться вихревые токи , создавая противоположное магнитное поле в соответствии с законом Ленца . [4] Два противоположных поля будут отталкивать друг друга, создавая движение, когда магнитное поле проходит через металл.
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.
Эффективная и компактная конструкция, подходящая для замены пневматических цилиндров .
Пьезоэлектрический привод часто используется для привода небольших линейных двигателей.
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 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 рабочую модель в 1935 году. [6] 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.
Из-за этих свойств линейные двигатели часто используются в силовых установках на магнитной подвеске, как, например, в японской линии поездов на магнитной подушке Линимо 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 токийскую линию 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 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 линейные SRM имеют плохую тягу. Таким образом, для длинных пробегов с тягой в основном предпочтителен LIM, а для коротких - LSM.
Высокоускоренные 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. Многие американские горки, запущенные в парках развлечений , теперь используют 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 также изучались средства помощи при запуске РЛВ , такие как StarTram , на низкую околоземную орбиту .
Высокоскоростные линейные двигатели сложно проектировать по ряду причин. Им требуется большое количество энергии за очень короткие промежутки времени. Одна конструкция ракеты-носителя [7] требует 300 ГДж для каждого запуска в пространстве 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. [8]
Для высокоскоростных линейных двигателей были изобретены две различные базовые конструкции: рельсотроны и койлганы .
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 любую комбинацию 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 . [9]
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 , технология поверхностного монтажа электроники , автомобильные роботы с декартовыми координатами , аэрокосмическая химическая обработка , оптический электронный микроскоп , автоматизация медицинских лабораторий , сбор и размещение продуктов питания и напитков .
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. [10]
Все следующие приложения находятся в режиме скоростного транспорта и имеют активную часть двигателя в автомобилях. [11] [12]
Первоначально разработана в конце 1970-х годов компанией UTDC в Канаде как система транзита промежуточной мощности (ICTS). В Миллхейвене, Онтарио , была построена испытательная трасса для всесторонних испытаний прототипов автомобилей, после чего были построены три линии:
ICTS был продан компании Bombardier Transportation в 1991 году и позже стал известен как Advanced Rapid Transit (ART), прежде чем в 2011 году был принят нынешний бренд. С тех пор было установлено еще несколько установок:
Все системы метро Innovia используют электрификацию третьего рельса .
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 изучать возможность 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 к 1984 году совместно с Министерством земли, инфраструктуры, транспорта и туризма Японии исследовал практическое применение линейных двигателей на городских железных дорогах . 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 . [14]
На сегодняшний день на следующих линиях метро в Японии используются линейные двигатели и воздушные линии для сбора энергии:
Кроме того, Kawasaki Heavy Industries также экспортировала линейное метро в метро Гуанчжоу в Китае; [15] на всех линиях линейного метрополитена в Гуанчжоу используется третья электрификация железной дороги:
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. Оба они 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 американские горки с гидравлическим запуском 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 .
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )