מבט על המנועים הליניאריים השונים הזמינים וכיצד לבחור את הסוג האופטימלי עבור היישום שלך.
המאמר הבא הוא סקירה כללית של הסוגים השונים של מנועים לינאריים הזמינים, כולל עקרונות הפעולה שלהם, היסטוריית הפיתוח של מגנטים קבועים, שיטות עיצוב למנועים ליניאריים ומגזרים תעשייתיים המשתמשים בכל סוג של מנוע ליניארי.
טכנולוגיית המנוע ליניארי יכולה להיות: מנועים אינדוקציה ליניאריים (LIM) או מנועים סינכרוניים ליניאריים מגנטים קבועים (PMLSM).PMLSM יכול להיות ליבת ברזל או ללא ברזל.כל המנועים זמינים בתצורה שטוחה או צינורית.Hiwin נמצאת בחזית התכנון והייצור של מנועים ליניאריים כבר 20 שנה.
היתרונות של מנועים ליניאריים
מנוע ליניארי משמש לספק תנועה ליניארית, כלומר להזיז מטען נתון בתאוצה, מהירות, מרחק נסיעה ודיוק מוכתבים.כל טכנולוגיות התנועה מלבד מנוע ליניארי הן סוג של כונן מכני להמרת תנועה סיבובית לתנועה ליניארית.מערכות תנועה כאלה מונעות על ידי ברגים כדוריים, חגורות או מתלה.חיי השירות של כל הכוננים הללו תלויים מאוד בבלאי של הרכיבים המכניים המשמשים להמרת תנועה סיבובית לתנועה ליניארית והוא קצר יחסית.
היתרון העיקרי של מנועים ליניאריים הוא לספק תנועה ליניארית ללא כל מערכת מכנית מכיוון שהאוויר הוא אמצעי ההולכה, ולכן מנועים ליניאריים הם למעשה כוננים ללא חיכוך, המספקים חיי שירות בלתי מוגבלים תיאורטית.מכיוון שלא נעשה שימוש בחלקים מכניים לייצור תנועה ליניארית, תאוצות גבוהות מאוד הן מהירות אפשריות כאשר כוננים אחרים כגון ברגים כדוריים, חגורות או מתלה יתקלו במגבלות חמורות.
מנועי אינדוקציה ליניאריים
איור 1
מנוע האינדוקציה הליניארי (LIM) היה הראשון שהומצא (פטנט אמריקאי 782312 - Alfred Zehden ב-1905).הוא מורכב מ"ראשי" המורכב מערימה של למינציות פלדה חשמליות וריבוי של סלילי נחושת המסופקים על ידי מתח תלת פאזי ו"משני" המורכב בדרך כלל מלוח פלדה ולוח נחושת או אלומיניום.
כאשר הסלילים הראשוניים מופעלים, המשני מתמגנט ונוצר שדה של זרמי מערבולת במוליך המשני.שדה משני זה יקיים אינטראקציה עם EMF האחורי הראשוני כדי ליצור כוח.כיוון התנועה יפעל לפי כלל יד שמאל של פלמינג כלומר;כיוון התנועה יהיה מאונך לכיוון הזרם ולכיוון השדה / השטף.
איור 2
מנועי אינדוקציה ליניאריים מציעים את היתרון של עלות נמוכה מאוד מכיוון שהמשני אינו משתמש במגנטים קבועים.מגנטים קבועים של NdFeB ו- SmCo הם יקרים מאוד.מנועי אינדוקציה ליניאריים משתמשים בחומרים נפוצים מאוד, (פלדה, אלומיניום, נחושת), עבור המשני שלהם ומבטלים את הסיכון הזה של אספקה.
עם זאת, החיסרון של שימוש במנועי אינדוקציה ליניאריים הוא הזמינות של כוננים עבור מנועים כאלה.אמנם קל מאוד למצוא כוננים למנועים ליניאריים מגנט קבוע, אבל קשה מאוד למצוא כוננים למנועי אינדוקציה ליניאריים.
איור 3
מנועים סינכרוניים ליניאריים מגנט קבוע
למנועים סינכרוניים ליניאריים מגנטים קבועים (PMLSM) יש למעשה אותו עיקרי כמו למנועי אינדוקציה ליניאריים (כלומר, סט סלילים המורכב על ערימה של למינציות פלדה חשמליות ומונעים על ידי מתח תלת פאזי).המשני שונה.
במקום צלחת אלומיניום או נחושת המותקנת על לוח פלדה, המשני מורכב ממגנטים קבועים המורכבים על לוח פלדה.כיוון המגנטיזציה של כל מגנט יתחלף ביחס לקודמו כפי שמוצג באיור 3.
היתרון הברור בשימוש במגנטים קבועים הוא יצירת שדה קבוע במשני.ראינו שכוח נוצר על מנוע אינדוקציה על ידי האינטראקציה של השדה הראשוני והשדה המשני אשר זמין רק לאחר שנוצר שדה של זרמי מערבולת במשני דרך מרווח האוויר המנוע.זה יגרום להשהייה הנקראת "החלקה" ותנועה של המשני שלא מסונכרנת עם המתח הראשוני שסופק לראשוני.
מסיבה זו, מנועים ליניאריים אינדוקציה נקראים "אסינכרוניים".במנוע ליניארי מגנט קבוע, התנועה המשנית תמיד תהיה מסונכרנת עם המתח הראשוני מכיוון שהשדה המשני זמין תמיד וללא כל עיכוב.מסיבה זו, מנועים לינאריים קבועים נקראים "סינכרוניים".
ניתן להשתמש בסוגים שונים של מגנטים קבועים על PMLSM.במהלך 120 השנים האחרונות, היחס בין כל חומר השתנה.נכון להיום, PMLSMs משתמשים במגנטים NdFeB או SmCo אבל הרוב המכריע משתמשים במגנטים NdFeB.איור 4 מציג את ההיסטוריה של פיתוח מגנט קבוע.
איור 4
חוזק המגנט מאופיין בתוצר האנרגיה שלו ב-Megagauss-Oersteds, (MGOe).עד אמצע שנות השמונים רק פלדה, פריט ואלניקו היו זמינות וסיפקו מוצרי אנרגיה נמוכים מאוד.מגנטים של SmCo פותחו בתחילת שנות ה-60 על בסיס עבודות של קארל סטרנאט ואלדן ריי ומאוחר יותר הוסרו בסוף שנות השישים.
איור 5
תוצר האנרגיה של מגנטים SmCo היה בתחילה יותר מכפול מתוצר האנרגיה של מגנטים של אלניקו.בשנת 1984 ג'נרל מוטורס וסומיטומו פיתחו באופן עצמאי מגנטים של NdFeB, תרכובת של ניאודיניום, ברזל ובורון.השוואה של מגנטים SmCo ו-NdFeB מוצגת באיור 5.
מגנטי NdFeB מפתחים כוח הרבה יותר גבוה ממגנטים של SmCo אך הם רגישים הרבה יותר לטמפרטורות גבוהות.מגנטים של SmCo הם גם הרבה יותר עמידים בפני קורוזיה וטמפרטורות נמוכות אך הם יקרים יותר.כאשר טמפרטורת הפעולה מגיעה לטמפרטורה המקסימלית של המגנט, המגנט מתחיל לבטל את המגנט, והדה-מגנטיזציה הזו היא בלתי הפיכה.המגנט המאבד מגנטיות יגרום למנוע לאבד כוח ולא יוכל לעמוד במפרט.אם המגנט יפעל מתחת לטמפרטורה המקסימלית 100% מהזמן, חוזקו יישמר כמעט ללא הגבלת זמן.
בגלל העלות הגבוהה יותר של מגנטים SmCo, מגנטים NdFeB הם הבחירה הנכונה עבור רוב המנועים, במיוחד בהתחשב בכוח הגבוה יותר הזמין.עם זאת, עבור יישומים מסוימים שבהם טמפרטורת ההפעלה יכולה להיות גבוהה מאוד, עדיף להשתמש במגנטים של SmCo כדי להתרחק מטמפרטורת ההפעלה המקסימלית.
עיצוב מנועים ליניאריים
מנוע ליניארי מתוכנן בדרך כלל באמצעות סימולציה אלקטרומגנטית של אלמנטים סופיים.ייווצר מודל תלת מימדי שיייצג את ערימת הלמינציה, הסלילים, המגנטים ולוח הפלדה התומכים במגנטים.האוויר יתוכנן סביב המנוע כמו גם במרווח האוויר.לאחר מכן יוכנסו מאפייני החומר עבור כל הרכיבים: מגנטים, פלדה חשמלית, פלדה, סלילים ואוויר.לאחר מכן תיווצר רשת באמצעות אלמנטים H או P והמודל ייפתר.לאחר מכן הזרם מופעל על כל סליל בדגם.
איור 6 מציג את הפלט של סימולציה שבה מוצג שטף בטסלה.ערך הפלט העיקרי המעניין עבור הסימולציה הוא כמובן כוח מוטורי ויהיה זמין.מכיוון שסיבובי הקצה של הסלילים אינם מייצרים שום כוח, ניתן גם להפעיל הדמיית 2D על ידי שימוש במודל 2D (DXF או פורמט אחר) של המנוע כולל למינציות, מגנטים ולוח פלדה התומך במגנטים.הפלט של הדמיית 2D כזו תהיה קרובה מאוד להדמיית 3D ומדויקת מספיק כדי להעריך כוח מנוע.
איור 6
מנוע אינדוקציה ליניארי ייוצר באותו אופן, או באמצעות מודל תלת-ממד או דו-ממדי, אך הפתרון יהיה מסובך יותר מאשר עבור PMLSM.הסיבה לכך היא שהשטף המגנטי של ה-PMLSM המשני יעוצב באופן מיידי לאחר הזנת מאפייני המגנט, לכן יידרש רק פתרון אחד כדי להשיג את כל ערכי הפלט כולל כוח מנוע.
עם זאת, השטף המשני של מנוע האינדוקציה ידרוש ניתוח חולף (כלומר מספר פתרונות במרווח זמן נתון) כך שניתן יהיה לבנות את השטף המגנטי של המשני LIM ורק אז ניתן לקבל את הכוח.התוכנה המשמשת לסימולציית האלמנטים הסופיים האלקטרומגנטיים תצטרך להיות בעלת יכולת להפעיל ניתוח חולף.
שלב מנוע ליניארי
איור 7
Hiwin Corporation מספקת מנועים לינאריים ברמת הרכיבים.במקרה זה, רק המנוע הליניארי והמודולים המשניים יסופקו.עבור מנוע PMLSM, המודולים המשניים יהיו מורכבים מלוחות פלדה באורכים שונים שעליהם יורכבו מגנטים קבועים.Hiwin Corporation מספקת גם שלבים שלמים כפי שמוצג באיור 7.
שלב כזה כולל מסגרת, מיסבים ליניאריים, ראשי המנוע, המגנטים המשניים, כרכרה ללקוח לחיבור המטען שלו, המקודד ומסילת כבלים.שלב מנוע ליניארי יהיה מוכן להתחיל עם המסירה ויקל על החיים מכיוון שהלקוח לא יצטרך לתכנן ולייצר שלב, מה שמצריך ידע מומחה.
חיי שירות שלב מנוע ליניארי
חיי השירות של שלב מנוע ליניארי ארוכים במידה ניכרת מאשר שלב המונע על ידי חגורה, בורג כדור או מתלה.הרכיבים המכניים של שלבים מונעים בעקיפין הם בדרך כלל הרכיבים הראשונים שנכשלו בגלל החיכוך והבלאי שהם נחשפים אליהם ללא הרף.שלב מנוע ליניארי הוא הנעה ישירה ללא מגע מכני או בלאי מכיוון שאמצעי ההולכה הוא אוויר.לכן, הרכיבים היחידים שיכולים להיכשל בשלב מנוע ליניארי הם המסבים הליניאריים או המנוע עצמו.
למיסבים הליניאריים יש בדרך כלל חיי שירות ארוכים מאוד מכיוון שהעומס הרדיאלי נמוך מאוד.חיי השירות של המנוע יהיו תלויים בטמפרטורת ההפעלה הממוצעת.איור 8 מציג את חיי בידוד המנוע כפונקציה של הטמפרטורה.הכלל הוא שחיי השירות יצטמצמו בחצי עבור כל 10 מעלות צלזיוס שטמפרטורת הריצה היא מעל הטמפרטורה המדורגת.לדוגמה, בידוד מנוע מסוג F יפעל 325,000 שעות בטמפרטורה ממוצעת של 120 מעלות צלזיוס.
לכן, צפוי שלשלב מנוע ליניארי יהיה חיי שירות של 50+ שנים אם המנוע נבחר באופן שמרני, חיי שירות שלעולם לא ניתן להשיג על ידי רצועה, בורג כדורי או שלבים מונעי מתלה.
איור 8
יישומים עבור מנועים ליניאריים
מנועי אינדוקציה ליניאריים (LIM) משמשים בעיקר ביישומים עם אורך נסיעה ארוך ובהם נדרש כוח גבוה מאוד בשילוב עם מהירויות גבוהות מאוד.הסיבה לבחירת מנוע אינדוקציה ליניארי היא כי העלות של המשני תהיה נמוכה במידה ניכרת מאשר אם משתמשים ב-PMLSM ובמהירות גבוהה מאוד, יעילות מנוע האינדוקציה הליניארית היא גבוהה מאוד, ולכן מעט כוח יאבד.
לדוגמה, EMALS (מערכות שיגור אלקטרומגנטיות), המשמשות על נושאות מטוסים לשיגור מטוסים משתמשות במנועי אינדוקציה ליניאריים.מערכת המנוע הליניארי הראשונה כזו הותקנה על נושאת המטוסים USS ג'רלד ר. פורד.המנוע יכול להאיץ מטוס של 45,000 ק"ג במהירות של 240 קמ"ש במסלול של 91 מטר.
עוד דוגמא לרכיבות בלונה פארק.מנועי האינדוקציה הליניאריים המותקנים בחלק מהמערכות הללו יכולים להאיץ עומסים גבוהים מאוד מ-0 ל-100 קמ"ש ב-3 שניות.ניתן להשתמש בשלבי מנוע אינדוקציה ליניאריים גם ב-RTUs, (Robot Transport Units).רוב ה-RTUs משתמשים בכונני מתלה אך מנוע אינדוקציה ליניארי יכול להציע ביצועים גבוהים יותר, עלות נמוכה יותר וחיי שירות ארוכים בהרבה.
מנועים סינכרוניים מגנט קבוע
PMLSMs ישמשו בדרך כלל ביישומים עם מהלכים קטנים בהרבה, מהירויות נמוכות אך דיוק גבוה עד גבוה מאוד ומחזורי עבודה אינטנסיביים.רוב היישומים הללו נמצאים בתעשיות AOI (בדיקה אופטית אוטומטית), מוליכים למחצה ומכונות לייזר.
הבחירה של שלבים מונעי מנוע ליניארי, (הנעה ישירה), מציעה יתרונות ביצועים משמעותיים על פני כוננים עקיפים, (שלבים שבהם מתקבלת תנועה ליניארית על ידי המרת תנועה סיבובית), לעיצובים עמידים לאורך זמן ומתאימים לתעשיות רבות.
זמן פרסום: פברואר 06-2023