Как устроены линейные серводвигатели переменного тока

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 серводвигатель с линейными направляющими

Общий принцип

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
Аналогия между круговой и линейной электрической машиной

Общие понятия

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.

Принцип работы линейных двигателей

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
Конструкция серводвигателя с постоянными магнитами

Теперь перейдем к рассмотрению принципа работы линейной машины.

Конструкция линейного электродвигателя
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.

Примеры конструкции

Рассмотрим ряд конструкций таких двигателей на примере линейных двигателей компании YASKAWA:

Линейные сервомоторы YASKAWA
Линейные сервомоторы YASKAWA

  1. 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
    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.

  2. 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
    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.

  3. 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
    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.

Преимущества применения линейных электродвигателей

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
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:

  • станках лазерного и гидроабразивного раскроя благодаря высокой скорости, быстрым темпам разгона и торможения, при стабильной высокой точности перемещения;
    Лазерный раскрой металла
  • осуществление движения челнока на ткацких станках с высокой скоростью и большими темпами разгона;
  • оборудование для работы с нано точностью, например, в микроэлектронике или биомедицинских установках, для очень небольших перемещений и очень медленных перемещений.

Благодаря высокой скорости и точности, линейные сервоприводы стали привлекательны для привода оборудования промышленной автоматизации. Они часто применяются в таких областях как:

  • оси подач в металлообработке;
  • монтаж и изготовление печатных плат;
  • измерительной технике высокой точности;
  • научно-исследовательских и испытательных установках;
  • высокопроизводительная упаковка.
Пример манипулятора на линейных двигателях
Пример манипулятора на линейных двигателях