Линейные серводвигатели – это отличное решение для реализации быстрых линейных перемещений с точным управлением скоростью и положением. В настоящее время этот тип приводов находит все большее применение в различных отраслях промышленности. Рассмотрим принцип работы, конструкцию, достоинства и область применения данного типа электродвигателей.
Линейный серводвигатель с линейными направляющими
Линейный двигатель – это электрическая машина, которая предназначена для осуществления линейно направленного движения какого-либо объекта или рабочего органа. В привычном же для нас вращающемся электродвигателе ротор вращается внутри статора.
Если разомкнуть и расположить прямо статор и ротор обычной машины, то мы получим конфигурацию линейной машины.
Аналогия между круговой и линейной электрической машиной
Как и традиционные привода, имеющие в своем устройстве две основные составные части – статор и ротор, так и линейный сервопривод имеет неподвижную часть – магнитный путь, движущуюся часть –движущаяся катушка.
Магнитный путь - представляет собой ряд постоянных магнитов, точно расположенных на несущих пластинах.
Движущаяся катушка - представляет собой сердцевину из шихтованного железа, в которой заготовлены пазы. В них укладывается медная обмотка, точно так же, как и обычная статорная обмотка.
В общем случае, катушка располагается на магнитном пути, вдоль которого она и перемещается. Также есть двусторонние типы устройств, в которых магнитный путь располагается с двух сторон по отношению к движущейся катушке. Такое расположение составных частей машины осуществляется для более эффективного использования магнитного потока с обеих сторон.
Для лучшего понимания принципа работы линейного двигателя, стоит вспомнить принцип работы традиционного вращательного двигателя.
Принцип работы синхронного двигателя основан на взаимодействии переменного и постоянного магнитных полей статора и ротора соответственно. На обмотки статора подается трехфазное напряжение переменного тока, это создает вращающееся электромагнитное поле. Магниты ротора создают постоянное электромагнитное поле, полюса которого притягиваются к противоположным полюсам переменного поля. Если частота вращения переменного поля невелика для того, чтобы постоянное магнитное поле успело “зацепиться” с ним, то тогда сила взаимодействия двух полей начинает вращать ротор с синхронной скоростью.
Конструкция серводвигателя с постоянными магнитами
Теперь перейдем к рассмотрению принципа работы линейной машины.
Конструкция линейного электродвигателя
Здесь, по аналогии с вышеприведенным примером, обмотки движущейся катушки подключаются к источнику трёхфазного напряжения переменного тока, благодаря чему создается магнитное поле, движущееся прямо, эквивалентное вращающемуся полю в обычном синхронном двигателе. Постоянное магнитное поле, создаваемое магнитным путем, взаимодействует с переменным электромагнитным полем подобно тому, как это происходит в машине кругового вращения, в связи с чем и возникает смещение движущейся катушки. При этом скорость движения поля, как и скорость самой движущейся катушки определяется как:
V_s=2∙t∙f_s [м/с],
где t – шаг полюсов, f_s-частота питающей сети.
Рассмотрим ряд конструкций таких двигателей на примере линейных двигателей компании YASKAWA:
Линейные сервомоторы YASKAWA
Модель без сердечника SGLGW (Coreless model SGLGW)
Отсутствие силы магнитного притяжения помогает продлить срок службы направляющих и свести к минимуму эксплуатационный шум в применениях, требующих высокой точности с небольшим усилием.
Сервомотор без сердечника SGLGW
Подвижная катушка не имеет сердечника и изготовлена из точно отлитых полимерных обмоток. Магнитный путь выполнен из двух облицованных пластин с точно расположенными магнитами, закрепленными по бокам.
Модель с F-образным сердечником SGLFW (Model with F-type Iron Cores SGLFW)
Компактные профили двигателей FW экономят место для установки. Магнитное притяжение между движущейся катушкой и магнитным путем делает движение более жестким.
Сервомотор с F-образным сердечником SGLFW
Подвижная катушка состоит из шихтованной железной сердцевины, в которой заготовлены пазы для предварительно намотанных катушек, прикрепленные к железному сердечнику с помощью смолы. Магнитный путь состоит из ряда магнитов, точно расположенных c двух сторон сердечника.
Модель с Т-образным сердечником SGLTW (Model with T-type Iron Cores SGLTW)
Уникальная Т-образная структура, разработанная специалистами Yaskawa, сводит на нет эффекты магнитного притяжения. Благодаря этому можно не сомневаться в прочности конструкции направляющих и всего оборудования.
Сервомотор с Т-образным сердечником SGLTW
Подвижная катушка состоит из шихтованной железной сердцевины, в которой заготовлены пазы для предварительно намотанных катушек, прикрепленные к железному сердечнику с помощью специализированной смолы. Магнитный путь состоит из ряда магнитов, точно расположенных c двух сторон сердечника.
Рассматриваемые электродвигатели предназначены для линейных перемещений объектов также, как и пневмо- и гидроцилиндры, электропривод с шарико-винтовой парой (ШВП), зубчатой рейкой и т.п.
Различные типы приводов для линейных перемещений
Не смотря на относительно высокую стоимость линейные электродвигатели обеспечивают более высокий КПД по сравнению с пневмо, гидроприводом и электромеханическими линейными модулями за счет отсутствия потерь на движение жидкости или газа, и снижения механических потерь на трение. Что сокращает потребление электроэнергии установок на их базе.
За счет типа управления и отсутствия механических передач линейный привод обеспечивает существенно большую точности повторяемость перемещений.
По скорости перемещения, темпам разгона и торможения такой привод существенно опережает гидропривод и электромеханические линейные модули. Имеет существенно меньшие габариты по сравнению с пневмоприводом и превосходит его по усилиям.
Исходя из вышесказанного, линейные двигатели находят следующие применения в:
Благодаря высокой скорости и точности, линейные сервоприводы стали привлекательны для привода оборудования промышленной автоматизации. Они часто применяются в таких областях как:
