Elektrischer Aktuator mit Linearmotoren

Die meisten Elektromotoren sind Rotationsmotoren. Gleichzeitig müssen viele Arbeitskörper von Produktionsmaschinen je nach Technologie ihrer Arbeit translatorische (z. B. Förderer, Förderer usw.) oder hin- und hergehende Bewegungen (Mechanismen zur Zuführung von Metallschneidemaschinen, Manipulatoren, Kolben und anderen Maschinen) ausführen ).

Die Umwandlung der Drehbewegung in die Translationsbewegung erfolgt über spezielle kinematische Verbindungen: Spindelmutter, Kugelgewindetrieb, Zahnstange, Kurbeltrieb und andere.

Für die Konstrukteure von Arbeitsmaschinen ist es selbstverständlich, Motoren zu verwenden, deren Rotor sich linear bewegt, um die Arbeitskörper anzutreiben, die eine Vorwärts- und Hin- und Herbewegung ausführen.

Derzeit werden elektrische Antriebe mit linearen Asynchron-, Ventil- und Ventilantrieben entwickelt Schrittmotoren… Prinzipiell kann aus einem Rotationsmotor jede Art von Linearmotor gebildet werden, indem der zylindrische Stator linear in einer Ebene bewegt wird.

Eine Vorstellung vom Aufbau eines linearen Induktionsmotors erhält man, indem man den Stator des Induktionsmotors in eine Ebene dreht. In diesem Fall bewegt sich der Vektor der Magnetisierungskräfte des Stators linear entlang der Spannweite des Stators, d. h. Dabei entsteht kein rotierendes (wie bei herkömmlichen Motoren), sondern ein wanderndes elektromagnetisches Feld des Stators.

Als Sekundärelement kann ein ferromagnetischer Streifen verwendet werden, der mit einem kleinen Luftspalt entlang des Stators angeordnet ist. Dieser Streifen fungiert als Zellrotor. Das Sekundärelement wird vom beweglichen Statorfeld getragen und bewegt sich linear mit einer Geschwindigkeit, die um den Betrag des linearen absoluten Schlupfes geringer ist als die Geschwindigkeit des Statorfelds.

Die lineare Geschwindigkeit des wandernden elektromagnetischen Feldes beträgt

wobei τ, m – Polteilung – der Abstand zwischen benachbarten Polen eines linearen Asynchronmotors.

Geschwindigkeit des Sekundärelements

wobei sL – relativer linearer Schlupf.

Wenn der Motor mit Standardfrequenzspannung versorgt wird, sind die resultierenden Feldgeschwindigkeiten ausreichend hoch (mehr als 3 m/s), was den Einsatz dieser Motoren zum Antrieb industrieller Mechanismen erschwert. Solche Motoren werden für Hochgeschwindigkeitstransportmechanismen verwendet. Um niedrigere Laufgeschwindigkeiten und Drehzahlregelung eines linearen Induktionsmotors zu erreichen, werden seine Wicklungen von einem Frequenzumrichter gespeist.

Reis. 1. Das Design des linearen einachsigen Motors.

Für den Entwurf eines linearen Induktionsmotors stehen mehrere Optionen zur Verfügung. Eine davon ist in Abb. dargestellt. 1.Hier bewegt sich das Sekundärelement (2) – ein mit dem Arbeitskörper verbundenes Band – entlang der Führungen 1 unter der Wirkung eines vom Stator 3 erzeugten elektromagnetischen Wanderfelds. Diese Konstruktion ist jedoch für den Zusammenbau mit einer Arbeitsmaschine geeignet ist mit erheblichen Leckströmen des Statorfeldes verbunden, wodurch der cosφ des Motors niedrig wird.

Feige. 2. Zylindrischer Linearmotor

Um die elektromagnetische Verbindung zwischen Stator und Sekundärelement zu erhöhen, wird dieses in die Nut zwischen den beiden Statoren eingesetzt oder der Motor wird als Zylinder ausgeführt (siehe Abb. 2). In diesem Fall ist der Motorstator ein Rohr (1), in dessen Inneren sich zylindrische Wicklungen (2) befinden, die die Statorwicklung darstellen. Die ferromagnetischen Scheiben 3 werden zwischen den Spulen platziert, die Teil des Magnetkreises sind. Das Sekundärelement ist ein rohrförmiger Stab, der ebenfalls aus einem ferromagnetischen Material besteht.

Lineare Induktionsmotoren können auch eine umgekehrte Bauweise haben, bei der die Sekundärseite stationär ist, während sich der Stator bewegt. Diese Motoren werden im Allgemeinen in Fahrzeugen eingesetzt. Dabei wird als Sekundärelement eine Schiene oder ein Spezialband verwendet und der Stator auf einem beweglichen Schlitten platziert.

Der Nachteil linearer Asynchronmotoren ist der geringe Wirkungsgrad und die damit verbundenen Energieverluste, hauptsächlich im Sekundärelement (Schlupfverluste).

Seit kurzem werden sie zusätzlich zu asynchronen verwendet Synchronmotoren (Ventilmotoren).… Der Aufbau eines solchen Linearmotors ähnelt dem in Abb. 1. Der Stator des Motors wird in eine Ebene gedreht und auf der Sekundärseite werden Permanentmagnete angebracht.Eine umgekehrte Konstruktionsvariante ist möglich, bei der der Stator ein bewegliches Teil und das Permanentmagnet-Sekundärelement stationär ist. Die Statorwicklungen werden abhängig von der relativen Position der Magnete geschaltet. Zu diesem Zweck ist in der Konstruktion ein Positionssensor (4 – in Abb. 1) vorgesehen.

Lineare Schrittmotoren werden auch effektiv für Positionsantriebe eingesetzt. Wenn der Stator des Schrittmotors in einer Ebene angeordnet ist und das Sekundärelement in Form einer Platte hergestellt ist, auf der durch Fräsen von Kanälen Zähne gebildet sind, funktioniert das Sekundärelement bei geeigneter Schaltung der Statorwicklungen eine diskrete Bewegung, deren Schritt sehr klein sein kann – bis auf Bruchteile eines Millimeters. Ein umgekehrtes Design wird häufig verwendet, wenn die Sekundärseite stationär ist.

Die Geschwindigkeit eines linearen Schrittmotors wird durch den Wert des Zahnabstands τ, die Anzahl der Phasen m und die Schaltfrequenz bestimmt

Das Erreichen hoher Bewegungsgeschwindigkeiten bereitet keine Schwierigkeiten, da die Erhöhung der Teilung und Häufigkeit der Zahnräder nicht durch technologische Faktoren begrenzt ist. Für den Mindestwert von τ bestehen Einschränkungen, da das Verhältnis der Teilung zum Spalt zwischen Stator und Sekundärseite mindestens 10 betragen muss.

Die Verwendung eines diskreten Antriebs vereinfacht nicht nur die Konstruktion von Mechanismen, die eine lineare eindimensionale Bewegung ausführen, sondern ermöglicht auch die Erzielung zwei- oder mehrachsiger Bewegungen mit einem einzigen Antrieb.Wenn zwei Wicklungssysteme orthogonal auf dem Stator des beweglichen Teils angeordnet sind und im Sekundärelement Nuten in zwei senkrechten Richtungen angebracht sind, führt das bewegliche Element eine diskrete Bewegung in zwei Koordinaten aus, d. h. sorgen für Bewegung in einer Ebene.

In diesem Fall stellt sich das Problem, eine Abstützung für das bewegliche Element zu schaffen. Um dieses Problem zu lösen, kann ein Luftkissen verwendet werden – der Druck der Luft, die dem Raum unter den beweglichen Elementen zugeführt wird. Lineare Schrittmotoren bieten einen relativ geringen Schub und einen geringen Wirkungsgrad. Ihre Hauptanwendungsgebiete sind Lichtmanipulatoren, Lichtmontagemaschinen, Messmaschinen, Laserschneidmaschinen und andere Geräte.