Линейный двигатель - Linear motor

Диаграмма свободного тела синхронного линейного двигателя с U-каналом. Вид перпендикулярен оси канала. Две катушки в центре механически связаны и находятся под напряжением "квадратура "(что означает разность фаз 90 ° (π / 2 радианы ) между потоком магнитов и потоком катушек). Нижняя и верхняя катушки в этом конкретном случае имеют разность фаз 90 °, что делает его двухфазным двигателем. (Не в масштабе)

Синхронные линейные двигатели - это выпрямленные версии двигателей с ротором с постоянными магнитами.

А линейный двигатель является электрический двигатель это было статор и ротор "развернутый" таким образом, вместо того, чтобы производить крутящий момент (вращение ) он дает линейный сила по длине. Однако линейные двигатели не обязательно прямые. Как правило, активная секция линейного двигателя имеет концы, тогда как более традиционные двигатели расположены в виде непрерывного контура.

Типичный режим работы - как Лоренц -типа привода, в котором приложенная сила линейно пропорциональный к Текущий и магнитное поле ${ displaystyle ({ vec {F}} = I { vec {L}} times { vec {B}})}$.

Линейные двигатели наиболее часто встречаются в высокоточной технике.^[1] Приложения. Это процветающая область прикладных исследований со специальными научными конференциями.^[2] и инженерные учебники.^[3]

Для линейных двигателей было предложено множество конструкций, которые можно разделить на две основные категории: линейные двигатели с низким и высоким ускорением. Линейные двигатели с низким ускорением подходят для поезда на магнитной подвеске и другие приложения наземного транспорта. 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 гиперскорость столкновения, как оружие, или как массовые водители за двигательная установка космического корабля.^{[нужна цитата ]} Обычно они из AC линейный асинхронный двигатель (LIM) дизайн с активным трехфазный обмотка с одной стороны воздушного зазора и пластина пассивного проводника с другой стороны. Однако постоянный ток униполярный линейный двигатель рельсотрон - еще одна конструкция линейного двигателя с высоким ускорением. Двигатели с низким ускорением, высокой скоростью и высокой мощностью обычно относятся к линейный синхронный двигатель (LSM), с активной обмоткой с одной стороны воздушного зазора и набором магнитов с чередующимися полюсами с другой стороны. Эти магниты могут быть постоянные магниты или же электромагниты. В Шанхай Трансрапид мотор LSM.

Типы

Бесщеточный

Бесщеточные линейные двигатели относятся к семейству синхронных двигателей. Обычно они используются в стандартных линейные ступени или интегрированы в индивидуальные, высокопроизводительные, системы позиционирования. Изобретен в конце 1980-х годов Анвар Читаят в корпорации Anorad, сейчас Rockwell Automation, и помог улучшить производительность и качество промышленных производственных процессов. ^[4]

Щетка

Щетка (электрическая) линейные двигатели использовались в приложениях промышленной автоматизации до изобретения бесщеточных линейных двигателей. По сравнению с трехфазный Бесщеточные двигатели, которые обычно используются сегодня, щеточные двигатели работают с одной фазой.^[5] Щеточные линейные двигатели имеют более низкую стоимость, поскольку им не нужны движущиеся кабели и трехфазные сервоприводы. Однако они требуют более тщательного обслуживания, поскольку их щетки изнашиваются.

Синхронный

В этой конструкции скорость движения магнитного поля контролируется, обычно электронным способом, для отслеживания движения ротора. Из соображений стоимости синхронные линейные двигатели редко используют коммутаторы, поэтому ротор часто содержит постоянные магниты, или мягкое железо. Примеры включают койлганы и двигатели, используемые на некоторых маглев систем, а также многих других линейных двигателей. В высокоточной промышленной автоматизации линейные двигатели обычно имеют магнитный статор и подвижную катушку. Датчик холла прикреплен к ротору для отслеживания магнитный поток статора. Электрический ток обычно подается от стационарного сервопривод к движущейся катушке движущимся кабелем внутри кабельный носитель.

Индукция

Типичный трехфазный линейный асинхронный двигатель. Алюминиевая пластина сверху часто образует вторичный «ротор».

В этой конструкции сила создается движущимся линейным магнитное поле действуя на проводников в полевых условиях. Любой проводник, будь то петля, катушка или просто кусок металлической пластины, помещенный в это поле, будет иметь вихревые токи индуцированный в нем, таким образом, создавая противоположное магнитное поле, в соответствии с Закон Ленца.^[6] Два противоположных поля будут отталкивать друг друга, создавая движение, когда магнитное поле пронизывает металл.

Униполярный

Схема рейлгана

В этой конструкции большой ток пропускается через металлический башмак через скользящие контакты, питаемые от двух шин. Возникающее при этом магнитное поле вызывает выброс металла вдоль рельсов.

Пьезоэлектрический

Пьезоэлектрическое моторное действие

Пьезоэлектрический привод часто используется для привода небольших линейных двигателей.

История

Этот Строка 6 Метро Гуанчжоу поезд производства CRRC Sifang и Kawasaki Heavy Industries продвигается с помощью алюминиевой индукционной ленты, помещенной между рельсами.

Низкое ускорение

История линейных электродвигателей восходит, по крайней мере, к 1840-м годам, к работе Чарльз Уитстон в Королевский колледж Лондона,^[7] но модель Уитстона была слишком неэффективной, чтобы быть практичной. Возможный линейный асинхронный двигатель описан в Патент США 782312 (1905 - изобретатель Альфред Цеден из Франкфурта-на-Майне) для управления поездами или подъемниками. Немецкий инженер Герман Кемпер Построен рабочий образец в 1935 году.^[8] В конце 1940-х гг. Эрик Лэйтуэйт из Манчестерский университет, позже профессор тяжелой электротехники в Имперский колледж в Лондон разработана первая полноразмерная рабочая модель. В одностороннем варианте магнитное отталкивание отталкивает проводник от статора, левитирует его и уносит в направлении движущегося магнитного поля. Он назвал более поздние версии этого магнитная река.

Линейный двигатель для движения поездов Toei Ōedo Line

Благодаря этим свойствам линейные двигатели часто используются в маглев двигательная установка, как в японском Линимо поезд на магнитной подушке линия рядом Нагоя. Однако линейные двигатели использовались независимо от магнитной левитации, как в Bombardier Advanced Rapid Transit систем по всему миру и ряда современных японских метро, ​​в том числе Токио с Toei Ōedo Line.

Подобная технология также используется в некоторых американские горки с модификациями, но в настоящее время по-прежнему нецелесообразен для уличного бега трамваи, хотя теоретически это можно сделать, закопав его в прорези.

За пределами общественного транспорта вертикальные линейные двигатели были предложены в качестве подъемных механизмов в глубоких шахты, и использование линейных двигателей растет в управления движением Приложения. Они также часто используются на раздвижных дверях, например, в низкий этаж трамваи, такие как Alstom Citadis и Socimi Eurotram. Также существуют двухосные линейные двигатели. Эти специализированные устройства использовались для прямого Икс-Y движение для точной лазерной резки ткани и листового металла, автоматизированное составление, и формирование кабеля. Большинство используемых линейных двигателей - это LIM (линейный асинхронный двигатель) или LSM (линейный синхронный двигатель). Линейные двигатели постоянного тока не используются из-за более высокой стоимости, а линейные SRM страдают от плохой тяги. Таким образом, для длительных пробегов на тяговых усилиях предпочтительнее использовать LIM, а для краткосрочных - LSM.

Крупный план плоской поверхности пассивного проводника устройства управления движением Сойер мотор

Высокое ускорение

Линейные двигатели с высоким ускорением были предложены для ряда применений. оружие, поскольку текущий бронебойный боеприпасы обычно состоят из небольших патронов с очень высокой кинетическая энергия, для которых подходят как раз такие моторы. Множество парков развлечений запущенные американские горки теперь используйте линейные асинхронные двигатели для движения поезда на высокой скорости в качестве альтернативы использованию подъемник. ВМС США также используют линейные асинхронные двигатели в Электромагнитная система запуска самолета что заменит традиционные паровые катапульты на авианосцы будущего. Они также были предложены для использования в двигательная установка космического корабля. В этом контексте их обычно называют массовые водители. Самый простой способ использовать массовые драйверы для движения космического корабля - это построить большой массовый драйвер, который может разгонять груз до скорость убегания, хотя RLV помощь при запуске как StarTram к низкая околоземная орбита также был исследован.

Линейные двигатели с высоким ускорением сложно спроектировать по ряду причин. Они требуют большого количества энергия за очень короткие промежутки времени. Конструкция с одной ракетной установкой^[9] требует 300 ГДж за каждый запуск менее чем за секунду. Нормальный электрические генераторы не рассчитаны на такую ​​нагрузку, но можно использовать краткосрочные методы хранения электроэнергии. Конденсаторы громоздки и дороги, но могут быстро потреблять большое количество энергии. Униполярные генераторы может использоваться для преобразования кинетической энергии маховик в электрическую энергию очень быстро. Линейные двигатели с высоким ускорением также требуют очень сильных магнитных полей; на самом деле магнитные поля часто слишком сильны, чтобы можно было использовать сверхпроводники. Однако при тщательном проектировании это не должно быть большой проблемой.^[10]

Для линейных двигателей с высоким ускорением были изобретены две различные базовые конструкции: рельсотрон и койлганы.

использование

Линейные двигатели обычно используются для приведения в действие высокопроизводительного оборудования промышленной автоматизации. Их преимущество, в отличие от любого другого широко используемого актуатора, такого как шариковый винт, ремень ГРМ, или же рейка и шестерня, заключается в том, что они обеспечивают любую комбинацию высокой точности, высокой скорости, большой силы и большого хода.

Широко используются линейные двигатели. Одно из основных применений линейных двигателей - это движение шаттла в ткацкие станки.

Линейные двигатели использовались для раздвижных дверей и различных подобных приводов. Кроме того, они использовались для обработки багажа и даже для перевозки крупногабаритных сыпучих материалов.

Линейные двигатели иногда используются для создания вращательного движения, например, они использовались в обсерваториях для работы с большим радиусом кривизны.

Линейные двигатели также могут быть использованы в качестве альтернативы традиционным подъемникам с цепным приводом для американских горок. Каботажное судно Maverick в Cedar Point использует один такой линейный двигатель вместо цепного подъемника.

Линейный двигатель использовался для разгона автомобилей для краш-тесты.^[11]

Индустриальная автоматизация

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 полупроводники. степперы, электроника технология поверхностного монтажа, автомобильная декартовых координатных роботов, авиакосмическая промышленность химическое измельчение, оптика электронный микроскоп, здравоохранение лабораторная автоматизация, еда и напитки выбрать и разместить.

Станки

Синхронные линейные двигатели приводы, используемые в станках, обеспечивают высокое усилие, 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 микронной точности при коротком времени цикла и гладкой поверхности. ^[12]

Двигательная установка поезда

Обычные рельсы

Все следующие приложения находятся в быстрый транзит и есть активная часть мотора в автомобилях.^[13][14]

Bombardier Innovia Metro

Первоначально разработанный в конце 1970-х годов УТДК в Канаде как Система транзита промежуточной мощности (ICTS). Испытательный трек построен в г. Миллхейвен, Онтарио, для обширных испытаний автомобилей-прототипов, после чего были построены три линии:

• Линия 3 Скарборо в Торонто (открыт в 1985 г.)^[15]
• Expo Line из Ванкувер SkyTrain (открыт в 1985 г. и расширен в 1994 г.)
• Detroit People Mover в Детройте (открыт в 1987 году)

ICTS был продан Бомбардье Транспорт в 1991 году и позже известный как Расширенный быстрый транзит (ART) перед тем, как принять свой текущий брендинг в 2011 году. С тех пор было выполнено еще несколько установок:

• Келана Джая Лайн в Куала-Лумпуре (открыт в 1998 г. и расширен в 2016 г.)
• Линия тысячелетия SkyTrain Ванкувера (открыт в 2002 г. и расширен в 2016 г.)
• AirTrain JFK в Нью-Йорке (открыт в 2003 г.)
• Экспресс в аэропорт (Пекинское метро) (открыт в 2008 г.)
• Эверлайн в Йонъине, Южная Корея (открыт в 2013 г.)

Все системы метро Innovia используют третий рельс электрификация.

Японское линейное метро

Одной из самых больших проблем, с которыми столкнулись японские инженеры-железнодорожники в 1970–1980-х годах, было постоянно растущие затраты на строительство метро. В ответ Японская ассоциация метрополитена в 1979 году начала изучение возможности создания «мини-метро» для удовлетворения спроса на городской транспорт. В 1981 году Японская ассоциация инженеров железнодорожного транспорта изучила возможность использования линейные асинхронные двигатели для таких малопрофильных метрополитенов, и к 1984 г. японские специалисты проводили исследования по практическому применению линейных двигателей для городских железных дорог. Министерство земли, инфраструктуры, транспорта и туризма. В 1988 г. была проведена успешная демонстрация Limtrain на Сайтама и повлияли на окончательное внедрение линейного двигателя в Линия Нагахори Цуруми-рёкути в Осака и Toei Line 12 (ныне Линия Тоэй Оэдо ) в Токио.^[16]

На сегодняшний день следующие линии метро в Японии используют линейные двигатели и воздушные линии для сбора энергии:

• Два Осака Метро линии в Осаке:
  • Линия Нагахори Цуруми-рёкути (открыт в 1990 г.)
  • Imazatosuji Line (открыт в 2006 г.)
• Toei Ōedo Line в Токио (открыт в 2000 г.)
• Линия Кайган из Муниципальное метро Кобе (открыт в 2001 г.)
• Линия Нанакума из Городское метро Фукуока (открыт в 2005 г.)
• Зеленая ветка муниципального метро Иокогамы (открыт в 2008 г.)
• Метро Сендай Линия Тодзай (открыт в 2015 г.)

Кроме того, Kawasaki Heavy Industries также экспортировал линейное метро в Метро Гуанчжоу в Китае;^[17] все линии линейного метро в Гуанчжоу используют электрификацию третьей железной дороги:

• Строка 4 (открыт в 2005 г.)
• Строка 5 (открыт в 2009 г.).
• Строка 6 (открыт в 2013 г.)

Монорельс

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Линейный двигатель»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Июль 2009 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

• Существует по крайней мере одна известная монорельсовая система, которая нет на магнитной левитации, но тем не менее использует линейные двигатели. Это Московский монорельс. Первоначально предполагалось использовать традиционные моторы и колеса. Однако во время тестовых запусков было обнаружено, что предложенные двигатели и колеса не смогут обеспечить адекватное сцепление с дорогой в некоторых условиях, например, когда на рельсах появился лед. Следовательно, колеса все еще используются, но поезда используют линейные двигатели для ускорения и замедления. Возможно, это единственное использование такой комбинации из-за отсутствия таких требований для других систем поездов.
• В ТЕЛМАГВ является прототипом монорельсовой системы, которая также не подвержена магнитной левитации, но использует линейные двигатели.

Магнитная левитация

Бирмингемский международный шаттл на магнитной подвеске

• Скоростные поезда:
  • Трансрапид: первое коммерческое использование в Шанхай (открыт в 2004 г.)
  • СКМаглев, строящийся в Японии (самый быстрый поезд в мире, открытие планируется к 2027 году)
• Быстрый транзит:
  • Аэропорт Бирмингема, Великобритания (открыт в 1984 г., закрыт в 1995 г.)
  • M-Bahn в Берлине, Германия (открыт в 1989 г., закрыт в 1991 г.)
  • Daejeon EXPO, Корея (работала только в 1993 г.)^[18]
  • HSST: Линимо линия в префектуре Айти, Япония (открыта в 2005 г.)
  • Аэропорт Инчхон Маглев (открыт в июле 2014 г.)
  • Чанша Маглев Экспресс (открыт в 2016 г.)
  • Линия S1 из Пекинское метро (открыт в 2017 г.)

Аттракционы

Во всем мире существует множество американских горок, которые используют LIM для ускорения движения транспортных средств. Первое существо Полет страха в Kings Island и Королевский Доминион, оба открылись в 1996 году.Звездный крейсер Галктика: Человек против Сайлонов & Месть мумии в Юниверсал Студиос Сингапур открыт в 2010 году. Они оба используют LIM для ускорения с определенной точки заездов. Месть мумии также находится в Юниверсал Студиос Голливуд и Юниверсал Студиос Флорида.Невероятный Халк Coaster в Острова приключений Universal также использует линейные двигатели.

Запуск самолета

• Электромагнитная система запуска самолета

Предлагаемые и исследования

• Цикл запуска - Предлагаемая система запуска космических аппаратов с питанием от линейного двигателя.
• StarTram - Концепция линейного двигателя в экстремальных масштабах
• Система катапульты с тросом
• Аэротрейн S44 - Пригородный пригородный поезд поезд на воздушной подушке прототип
• Исследовательская испытательная машина 31 - Транспортное средство на воздушной подушке, управляемое гусеницей
• Hyperloop - концептуальная высокоскоростная транспортная система, предложенная предпринимателем Илоном Маском.
• Лифт «ThyssenKrupp Elevator: ThyssenKrupp разрабатывает первую в мире безканатную лифтовую систему, чтобы позволить строительной отрасли решать проблемы глобальной урбанизации»:. Архивировано из оригинал на 2016-03-03. Получено 2015-06-02.
• Поднимать «Технология: линейные лифты с синхронным двигателем становятся реальностью». Архивировано из оригинал на 2015-03-30. Получено 2015-06-02.

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

• Уравнения дизайна, электронные таблицы и чертежи
• Расчет крутящего момента двигателя
• Обзор электромагнитных пушек
• Приводы звуковой катушки
• Приложения для Android для измерения линейных двигателей