Системы управления линейным движением непосредственного привода.

К настоящему моменту можно выделить несколько типов линейных непосредственных двигателей (далее будем называть их просто линейными двигателями): асинхронный, постоянного тока, синхронный на постоянных магнитах (вентильный), шаговый.

Еще в начале ХХ века (02.06.1906 №12581) в Англии Зеденом был зарегистрирован патент на изобретение линейного асинхронного двигателя. Приведем выдержку из этого патента.

"Изобретение относится к устройствам для приведения в движение железнодорожных экипажей, лифтов, возвратно-поступательных частей машин, станков и других приспособлений посредством движущегося (бегущего) магнитного поля. В применении к железным дорогам магнит (индуктор), возбуждаемый трехфазным или иным током, устанавливается на экипаже вблизи от рельса (полосы), который играет роль короткозамкнутого якоря многофазного двигателя. Полоса может быть выполнена из стали и латуни или другого металла, и в ней для экономии массы и регулирования тока проделаны отверстия (перфорации) различной ширины - для обеспечения пуска экипажа и т. п. Магниты (индукторы) могут быть установлены над или под полосой для увеличения сцепления или частичной компенсации массы экипажа. Они могут быть расположены с противоположных сторон полосы, либо электромагнит (индуктор) может быть расположен с одной стороны полосы, а шихтованный пакет стали - с другой. Устройство может быть таким, что силы уравновешиваются или не уравновешиваются. В случае лифта, например, индукторы направлены наружу для взаимодействия с двумя направляющими полосами".

Характерно, что практически все конструкции современных линейных асинхронных двигателей в той или иной мере используют положения этого патента, исключения составляют лишь несколько специальных типов двигателей.

Одним из первых линейных асинхронных электроприводов со значительным поступательным перемещением и большой, хотя и кратковременно реализуемой мощностью следует считать систем разгона самолетов, разработанную в 1945 г. фирмой "Вестингауз" для флота США. Первичная часть двигателя укреплялась на тележке, на которой устанавливался разгоняемый самолет. К тележке подводилось трехфазное питание с одной заземленной фазой. Неподвижная вторичная часть имела в длину несколько сотен метров и представляла собой набранный из стальных пластин магнитопровод с короткозамкнутой клеткой из медного сплава ( большим сопротивлением по краям пути и меньшим в середине пути). Двигатель развивал силу тяги 75 кН при скоростях от 0 до 100 м/с, то есть имел мощность порядка 7500 кВт. Реактивный самолет массой 4,5.103 кг разгонялся на полосе длиной 165 за 4,2 с до скорости 50 м/с (а=12 м/с2, F=ma=55 кН, остальные 20 кН тратились на преодоление сопротивления воздуха и для подъема).

Огромное число разработок проводилось и проводится до сих пор в плане использования линейных асинхронных двигателей в качестве приводящих устройств транспортных средств. Причем, разработки велись как по пути развертывания двигателей вращательного движения в плоскость, так и совершенно автономно (это касается не только асинхронных двигателей).

Линейные асинхронные двигатели имеют ряд преимуществ и недостатков, обуславливающих их область применения. К преимуществам можно отнести невысокую стоимость комплектующих, отсутствие необходимости наличия датчика для движения, достижимость высоких значений скоростей и ускорений. К недостаткам: необходимость небольшого воздушного зазора, низкий КПД (невозможность работы из-за значительных потерь во вторичной части на низких скоростях и в режиме поддержания силы). Отсюда и область его применений - транспортные задачи, требующие больших скоростей и ускорений, плавности хода, но не требующие высокой точности.

С развитием технологии изготовления постоянных магнитов, а в частности с появлением таких сплавов, как сомарий-кобальт и неодим-железо-бор, получили развитие и электрические машины с постоянными магнитами. Вентильные электроприводы с двигателями с возбуждением от постоянных магнитов являются на сегодняшний день наиболее эффективными и наиболее динамичными. В настоящий момент можем наблюдать бурное развитие систем с непосредственным приводом на основе вентильных двигателей. Это касается и двигателей вращательного движения, и линейных двигателей. Линейные вентильные двигатели непосредственного привода призваны заменить всевозможные передаточные устройства в системах автоматической обработки и точного позиционирования.

Сейчас можно выделить два основных принципиально различных типа линейных вентильных двигателей: линейный вентильный двигатель с ферромагнитным якорем и линейный вентильный двигатель с немагнитным якорем. Причем, не имеет значения якорь или индуктор движется, хотя предпочтительным в настоящее время является передвижение обмоток (якоря), нежели магнитов (индуктора).

Линейные двигатели с ферромагнитным якорем получили значительное развитие и сейчас компании производители таких двигателей могут предложит машины с тяговыми усилиями от 200 Н до 20 кН, что перекрывает значительный диапазон задач даже тяжелого станкостроения. Область применения этих двигателей постепенно расширяется и включает уже любое станочное оборудование, требующее быстрых и стабильно точных перемещений, например установки для лазерной резки и многофункциональные станки, в частности, для твердого точения и шлифования. В таких станках, выпускаемых в мире несколькими фирмами, при точении используют высокую динамику линейных двигателей, а при шлифовании - обеспечиваемую ими высокую точность перемещений. Отсутствие износа и возможность выполнения этими двигателями частых быстрых и коротких ходов особенно востребованы в шлифовальных станках, поскольку шарико-винтовые передачи нередко не выдерживают такого темпа и выходят из строя.

На рис.1 приведен такой двигатель. Индуктор выполнен в виде разомкнутой полосы постоянных магнитов. Якорь выполнен в едином корпусе и состоит из многофазной системы обмоток и ферромагнитной пластины, замыкающей поток индуктора. Якорь закреплен на транспортной пластине, которая может совершать возвратно-поступательные движения по линейным направляющим качения. На рис.1 не виден датчик перемещения, который установлен также на исполнительном органе. Через гибкий кабель-канал к якорю и к датчику подведены кабели соответственно питания обмоток и обратной связи (сигналов датчика линейного перемещения).

Рис. 1 Линейный двигатель с ферромагнитным якорем

Такая конструкция линейного вентильного двигателя явилась следствием прямого развертывания синхронной машины вращательного движения с постоянными магнитами в плоскость. Хотя эти двигатели являются на сегодняшний день основными конкурентами шарико-винтовых передач, тем не менее в связи с присутствием в них некоторых особенностей (а именно наличие потерь "в стали" якоря и наличие значительного притяжения исполнительного органа к индуктору), развитием таких направлений как лазерная и термическая обработка явили миру принципиально новую конструкцию линейных вентильных двигателей. Именно требования сокращения потерь в преобразовании энергии и увеличения номинальных скоростей и ускорений привели к появлению и активной разработке линейных вентильных двигателей с немагнитным якорем.

Рис. 2. Линейный вентильный двигатель с немагнитным якорем.

На рис.2 представлен пример такого двигателя (Trilogy systems, США). В отличии от предыдущего двигателя, якорь двигателя с немагнитным якорем не содержит магнитопровдящих частей (из-за этого он так и назван) и выполнен в виде системы многофазных обмоток. Индуктор выполнен в виде двух стальных пластин, с установленными на них постоянными магнитами и скрепленными в единый блок, который в сечении напоминает букву U. Поэтому в англоязычных источниках можем встретить другое название таких двигателей - U-образные линейные двигатели.