Линейный асинхронный двигатель ( LIM ) — 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. Характерно, что линейные асинхронные двигатели имеют конечную первичную или вторичную длину, что создает конечные эффекты, тогда как обычный асинхронный двигатель устроен в виде бесконечного контура. [1]
Несмотря на свое название, не все линейные асинхронные двигатели обеспечивают линейное движение; некоторые линейные асинхронные двигатели используются для создания вращения большого диаметра, где использование непрерывной первичной обмотки было бы очень дорого.
Как и роторные двигатели, линейные двигатели часто работают от трехфазного источника питания и могут поддерживать очень высокие скорости. Однако есть конечные эффекты, которые уменьшают силу двигателя, и часто невозможно установить коробку передач, обеспечивающую компромисс между силой и скоростью. Таким образом, линейные асинхронные двигатели часто менее энергоэффективны, чем обычные роторные двигатели при любой заданной требуемой выходной силе.
LIM, в отличие от своих вращающихся аналогов, могут давать эффект левитации. Поэтому их часто используют там, где требуется бесконтактное усилие, где желательны низкие эксплуатационные расходы или где низкий рабочий цикл. Их практическое применение включает магнитную левитацию , линейное движение и линейные приводы. Их также использовали 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 неэффективной, чтобы быть практичной. Возможный линейный асинхронный двигатель описан в патенте США 782312 (1905 г., изобретатель Альфред Цеден из Франкфурта-на-Майне) и предназначен для привода поездов или лифтов. Немецкий инженер Герман Кемпер построил действующую модель в 1935 году. [4] В конце 1940-х годов профессор Эрик Лейтуэйт из Имперского колледжа в Лондоне разработал первую полноразмерную действующую модель.
В одностороннем варианте магнитное поле может создавать силы отталкивания, которые отталкивают проводник от статора, поднимая его в воздух и увлекая по направлению движущегося магнитного поля. Лейтуэйт назвал более поздние версии магнитной рекой . В этих версиях линейного асинхронного двигателя используется принцип, называемый поперечным потоком , при котором два противоположных полюса располагаются рядом. Это позволяет использовать очень длинные шесты и, таким образом, обеспечивает высокую скорость и эффективность. [5]
Первичная обмотка линейного асинхронного двигателя обычно состоит из плоского магнитного сердечника (обычно ламинированного) с поперечными пазами, которые часто имеют прямой разрез [6] с катушками, уложенными в пазы, причем каждая фаза имеет переменную полярность, так что разные фазы физически перекрываются.
Вторичная часть часто представляет собой лист алюминия, часто с железной опорной пластиной. Некоторые модули LIM являются двусторонними: по одной первичной обмотке на каждой стороне вторичной обмотки, и в этом случае железная подложка не требуется.
Существует два типа линейных двигателей: короткая первичная обмотка , у которой катушки усечены короче вторичной обмотки, и короткая вторичная обмотка , где проводящая пластина меньше. Короткие вторичные LIM часто наматываются как параллельные соединения между катушками одной фазы, тогда как короткие первичные обмотки обычно наматываются последовательно. [7]
Первичные обмотки LIM с поперечным потоком имеют ряд двойных полюсов, расположенных поперечно бок о бок с противоположными направлениями обмотки. Эти опоры обычно изготавливаются либо из ламинированной опорной пластины подходящего размера, либо из серии поперечных U-образных сердечников.
В этой конструкции электродвигателя сила создается линейно движущимся 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 . Два противоположных поля будут отталкивать друг друга, создавая движение, когда магнитное поле проходит через металл.
где f s — частота питания в Гц, p — количество полюсов, а ns — синхронная скорость магнитного поля в оборотах в секунду.
Движущаяся картина поля имеет скорость:
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, чем-то похож на обычные асинхронные двигатели; движущие силы имеют примерно аналогичную характерную форму относительно скольжения, хотя и модулируются конечными эффектами. [9]
Существуют уравнения для расчета тяги двигателя. [10]
В отличие от асинхронного двигателя круглого сечения, линейный асинхронный двигатель демонстрирует «конечные эффекты». Эти конечные эффекты включают потери в производительности и эффективности, которые, как полагают, вызваны уносом и потерей магнитной энергии в конце первичной обмотки из-за относительного движения первичной и вторичной обмотки.
При короткой вторичной обмотке поведение почти идентично роторной машине, при условии, что она имеет длину не менее двух полюсов, но с коротким первичным снижением тяги, которое происходит при низком скольжении (ниже примерно 0,3), пока она не станет восьмиполюсной или более. [7]
Однако из-за конечных эффектов линейные двигатели не могут «работать налегке» — обычные асинхронные двигатели могут запускать двигатель с почти синхронным полем в условиях низкой нагрузки. Напротив, конечные эффекты создают гораздо более значительные потери в линейных двигателях. [7]
Кроме того, в отличие от роторного двигателя, показана электродинамическая сила левитации , она равна нулю при нулевом скольжении и дает примерно постоянную величину силы/зазора при увеличении скольжения в любом направлении. Это происходит в односторонних двигателях, и левитация обычно не возникает, когда на вторичной обмотке используется железная опорная пластина, поскольку это вызывает притяжение, превосходящее подъемную силу. [9]
Линейные асинхронные двигатели часто менее эффективны, чем обычные роторные асинхронные двигатели; конечные эффекты и часто присутствующий относительно большой воздушный зазор обычно уменьшают силы, возникающие при 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 конечных эффектов. [11] Больший воздушный зазор также увеличивает индуктивность двигателя, что может потребовать более крупных и дорогих конденсаторов.
Однако линейные асинхронные двигатели позволяют избежать необходимости использования коробок передач и аналогичных трансмиссий, а они имеют свои собственные потери; а практическое знание важности фактора добротности может свести к минимуму последствия большего воздушного зазора. В любом случае энергопотребление не всегда является самым важным фактором. Например, во многих случаях линейные асинхронные двигатели имеют гораздо меньше движущихся частей и требуют минимального обслуживания. Кроме того, использование линейных асинхронных двигателей вместо вращающихся двигателей с ротационно-линейной передачей в системах управления движением обеспечивает более высокую пропускную способность и точность системы управления , поскольку ротационно-линейные передачи создают люфт, статическое трение и/или механическую податливость в система управления.
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 .
Первой в мире коммерческой автоматизированной системой на магнитной подвеске был низкоскоростной шаттл на магнитной подвеске , который курсировал от терминала аэропорта Бирмингема до близлежащего международного железнодорожного вокзала Бирмингема 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), поднимались в воздух с помощью электромагнитов и приводились 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 на выставке Railworld в Питерборо вместе с парящим поездом RTV31 . [14]
Однако линейные двигатели использовались независимо от магнитной левитации, например, токийская линия Toei Ōedo Line . Bombardier Innovia Metro является примером автоматизированной системы, использующей двигательную установку LIM. Самая длинная система скоростного транспорта , использующая такую технологию, - это метро Гуанчжоу , протяженность маршрута которого составляет около 130 км (81 миль) с использованием поездов метро с двигателем LIM по линиям 4 , 5 и 6 . Они также используются транспортным управлением Tomorrowland Transit Authority PeopleMover на курорте Walt Disney World Resort в Бэй-Лейк, штат Флорида , и транспортным средством метро в межконтинентальном аэропорту имени Джорджа Буша в Хьюстоне , штат Техас , которое использует ту же конструкцию.
Технология линейного асинхронного двигателя также используется в некоторых запущенных в эксплуатацию американских горках . В настоящее время это все еще непрактично для уличных трамваев , хотя теоретически это можно сделать, закопав его 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 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. Также линейные асинхронные двигатели с цилиндрической вторичной обмоткой используются для обеспечения одновременного линейного и вращательного движения при монтаже 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 большей стоимости, а линейный SRM имеет плохую тягу. Таким образом, для длительного бега в большей степени предпочтителен LIM, а для краткосрочного - LSM.
Линейные асинхронные двигатели также использовались для запуска самолетов, ранним примером 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 бобинам плавать между волокнами без прямого контакта.
Первый безканатный лифт, изобретенный ThyssenKrupp, использует линейный индукционный привод. [16]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite web}}: |last=имеет общее имя ( справка )