Прямой привод

Пря́мой при́вод — это электрическая машина с непосредственным преобразованием электромагнитной энергии в линейное или поворотное перемещение.

С инженерной точки зрения двигатель прямого привода представляет собой развернутую в декартовой или сферической системе координат электромагнитную систему, индуцирующую стоящее или бегущее пространственное магнитное поле. Управляя силами магнитного взаимодействия пространственного поля подвижного элемента системы с полем неподвижного элемента, можно реализовать перемещение подвижного элемента по траектории практически любой сложности в первой или второй системе координат.

Системы прямого привода подразделяются на линейные и поворотные двигатели (платформы), и специальные многокоординатные системы (наиболее известный вариант — двухкоординатный планарный мотор). Другие типы двигателей прямого привода имеют крайне ограниченное применение.

В классическом исполнении линейного двигателя якорь, питаемый от источника переменного тока, перемещается над статором, состоящим из стальной пластины и постоянных магнитов (т.н. магнитная дорога), вследствие взаимодействия переменного поля якоря со статическим полем статора.

Поворотные платформы (поворотные двигатели) представляют собой электромагнитную систему, в которой в зависимости от исполнения подвижной частью может быть как якорь, так и статор. В последнем случае якорь закрепляется неподвижно, а перемещение совершает подвижное статорное кольцо.

Частными случаями поворотного двигателя являются кольцевой и сегментный двигатели.

Сегментный синхронный двигатель состоит из нескольких сегментов статора с трёхфазной системой обмоток и ротора с запрессованными редкоземельными постоянными магнитами. Равномерность вращения в сегментном двигателе достигается благодаря синусоидальной коммутации токов в фазах двигателя. Усилие на ротор передается непосредственно через воздушный зазор, что исключает износ движущихся частей. Главные достоинства сегментного двигателя — полый вал большого диаметра и низкая стоимость. Сегментный двигатель серии RSMS

В машиностроении сегодня применяются преимущественно синхронные линейные и поворотные двигатели на редкоземельных магнитах[1]. По сравнению с асинхронными они обладают значительно большей мощностью и лучшими динамическими характеристиками.

Содержание

Основные достоинства систем прямого привода

  1. Максимально высокие показатели точности (до 0,00001 мм) и повторяемости,
  2. Способность создавать больший момент (до 50000 Нм) и, как следствие этого, возможность развития значительных ускорений, в том числе под нагрузкой,
  3. Устойчивость всех основных электромагнитных и механических характеристик во время работы,
  4. Компактность, легкость и надежность конструкции (в прямом приводе отсутствует трансмиссия и другие традиционные элементы — редукторы, механизмы передачи, муфты, подшипники, сальники, опорная рама и т.д.),
  5. Вследствие отсутствия трущихся частей компоненты двигателя прямого привода не подвержены износу, а значит, заданная точность обеспечивается на протяжении всего срока службы оборудования,
  6. Низкие уровни шума и вибрации,
  7. Простота и удобство монтажа,
  8. Двигатель прямого привода не нуждается в смазке и практически не требует технического обслуживания.

Поэтому можно заключить, что прямой привод является не только самым оптимальным преобразователем электрической энергии в механическое перемещение, но и самым надежным с технической точки зрения электродвигателем.

По прогнозам экспертов, к 2010 году в мире более 40 процентов всех обрабатывающих станков будет оснащаться двигателями прямого привода.

Управление двигателем прямого привода

Для управления линейным двигателем используется преобразователь частоты (ПЧ). Линейный двигатель можно представить как обычный синхронный двигатель на постоянных магнитах "в развернутом состоянии", где перемещение определяется амплитудой и фазой электрического вектора.

Для этого ПЧ должен точно "знать" расположение полюсов магнитной дороги относительно якоря. Некоторым моделям ПЧ для определения положения полюса двигателя необходим специальный датчик обратной связи с дополнительными коммутационными каналами. Обычно в качестве датчика обратной связи в линейных двигателях применяется магнитная линейка с синусоидальным, или квадратичным сигналом без дополнительных коммутационных дорожек.

Более "продвинутые" преобразователи частоты работают именно с таким типом датчиков, при этом автоматическое определение полюса двигателя у них происходит при первом же включении.

Из истории создания двигателя прямого привода

Первые работы по созданию линейного двигателя начались одновременно в Германии, Франции и России еще в начале 20 века. В 1910 году во Франции была построена первая модель вагона на магнитном подвесе. Практически в это же время, в 1911 году Б. П. Вайнберг, профессор Томского технологического института, сконструировал поезд на магнитной подушке, который приводился в движение синхронным линейным электродвигателем. В том же году профессор Вайнберг построил и экспериментальную стендовую модель с макетом вагона весом 10 кг.

Опыты, проведенные в России и во Франции в 1911-1913 годах, оказались успешными и доказали практическую возможность использования линейных двигателей в транспортных системах, при том, что силовой полупроводниковой электроники в те времена еще не существовало.

Недостатками первых прототипов систем прямого привода были низкая мощность и большой расход электроэнергии, связанные с низким качеством элементной базы. Это делало неоправданно дорогим их массовое применение.

Новый этап в истории создании линейных двигателей связан с открытиями в области физики твердого тела, физической химии, магнитохимии, коллоидной химии, радиохимии, порошковой металлургии и других отраслей знаний, когда стало возможно производство редкоземельных магнитов с уникальными характеристиками, например с плотностью магнитного потока, достигающего 3 Тл!

Эффективная технология производства таких магнитов сделала экономически оправданным серийное производство синхронных роторных и линейных двигателей и позволила вплотную подойти к созданию платформы для технического перевооружения всей современной промышленности.

Первый современный вариант двигателя прямого привода был запатентован американским инженером Брюсом Сойером (Bruce Sawyer) в 1969 году. В патентной заявке на "магнитное устройство позиционирования" ("Magnetic Positioning Device") был описан вариант двухкоординатного планарного привода на магнитовоздушной подушке, принципиальная схема которого впоследствии была признана классической.

Устройство Брюса Сойера предназначалось для использования в полиграфии — при производстве клише, в качестве метчика или копировального станка.

По своим техническим параметрам система превосходила распространенные тогда устройства на шаговых двигателях, но цена ее оказалась слишком высокой. Неудачный выбор предполагаемой области использования (полиграфия) и сложная система управления приостановили процесс продвижения инновационного решения почти на десять лет.

Всё изменилось в начале 80-х годов, когда стремительное развитие компьютерной техники потребовало создания новых высокопроизводительных линий по производству электронных компонентов.

Электронная промышленность выступала как основной заказчик и как основной потребитель компьютерных комплектующих, она же требовала в первую очередь новых технологий производства электронных компонентов. Мощный стимул развития получила робототехника как единственное эффективное средство полной автоматизации производства.

Планарный двигатель на магнитовоздушной подушке (двухкоординатная синхронная машина) получил массовое распространение — в автоматах посадки и монтажа кристаллов, тестерах кремниевых пластин, скрайберах и т.д. Он стал основным элементом транспортных систем в устройствах автоматизации производства электронных компонентов. Можно утверждать, что сама отрасль производства микрокомпонентов появилась благодаря внедрению точных и высокопроизводительных линейных двигателей.

Системы прямого привода получают в настоящее время все более широкое распространение практически во всех областях промышленного производства — в энергетике, транспортной отрасли, машиностроении. Производительность станков и механизмов с традиционным электроприводом приблизилась к предельной, поэтому дальнейшее улучшение производственных и технических характеристик машин требует перехода на принципиально иную технологическую платформу.

По цене прямой привод уже практически сравнялся с прецизионным приводом на шарико-винтовых парах, но при этом значительно превосходит его по скорости перемещения и ряду других параметров, а в сравнении с зубчатой передачей двигатели прямого привода имеют преимущество в точности, повторяемости и в сроке службы.

Поэтому для современного высокотехнологичного предприятия, развивающего собственное производство и сталкивающегося с вопросами модернизации или автоматизации оборудования, повышения качества продукции и производительности труда, самым эффективным решением на сегодняшний день является применение систем прямого привода.

Примечания

  1. Редкоземельные магниты — это магниты, произведенные с добавлением элементов лантаноидной группы. Двумя элементами этой группы, наиболее часто используемыми при производстве постоянных магнитов, являются неодим (Nd) и самарий (Sm). Существует большое количество смесей и сплавов с использованием этих элементов, но наиболее часто используются сплавы неодим-железо-бор (Nd-Fe-B) и самарий-кобальт (SmCo). Применяются в микроэлектронике, СВЧ- и радиоэлектронике, электротехнике, электромашиностроении, в т.ч. в синхронных роторных и линейных двигателях.

Ссылки

Источники

 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home