Lineární motory

Mnoho technických aplikací vyžaduje pohyb v rovině. Klasické řešení takového pohybu je využití točivých strojů s převodovkou a systémem, který převádí točivý pohyb na přímočarý (např. šroubová tyč s matkou). Tyto systémy jsou velké, nákladné a postupem času se snižuje jejich přesnost. U některých řešení může být zajímavé použití lineárního motoru. Lineární motory se vyznačují dlouhodobou stabilitou parametrů, vyšší přesností a dynamikou a umožňují navrhovat netradiční řešení. Nevýhodou tohoto řešení je ale vyšší cena.

V principu je lineární motor podobný motoru točivému, pokud rozvineme kruhový stator do plochy a necháme rotor pohybovat se vůči statoru. [1]

Obr. 1: Princip [4]

Lineární motory mohou být:

• asynchronní
• synchronní
• krokové

Výhody lineárních motorů oproti nepřímým lineárním pohonům:

• možnost použití více nezávislých jezdců na jednom statoru
• možnost pohybu rotoru ve dvou osách
• rychlost posuvu
• přesné polohování
• opakovatelnost
• dynamika
• délka pohybu

Nevýhody lineárních motorů:

• nelze si pomoci převodem menší síla
• cena
• přívod elektrické energie (případně chlazení) do jezdce – musí být dostatečně flexibilní a chráněn před mechanickým poškozením
• konstrukční řešení – stator x jezdec

U lineárních motorů sledujeme jiné parametry.

• moment -> síla
• otáčky -> rychlost

Parametry lineárních motorů

• síla 50 až 16000 N
• rychlost 0,01 mm.s-1 až 15 m.s-1
• polohování s přesností 5 µm
• dostupné provedení s integrovaným vodním chladičem a vyšší trvalou silou

Krokové lineární motory

Používají se k polohování lehčích těles. Vyrábějí se zpravidla jako dvoufázové a třífázové.

Obr. 2: Krokový lineární motor [5]

Jinak se princip těchto motorů a jejich ovládání neliší od klasických točivých krokových motorů. Z hlediska konstrukce je třeba vyřešit pohyblivý přívod napájecího napětí a vedení pohyblivé části. [2]

Obr. 3: Detail statoru s permanentními magnety [5]

Synchronní lineární motory

Obr. 4: Stator (primár) – trojfázové vinutí, rotor (sekundár) – pásky z PM ze vzácných zemin (Nd-Fe-B) [5]

Statorem je u lineárních motorů označován primární díl a rotorem sekundární díl. Primární část je tvořena stejně jako u klasických strojů feromagnetickým svazkem složeným z elektrotechnických plechů a trojfázového vinutí uloženého v jeho drážkách. Proti primárnímu dílu je konstrukčně uspořádána sekundární část tvořená permanentními magnety, které jsou nalepené na ocelové podložce. Pokud přivedeme do primární části (jezdec) řídicí proud, vznikne magnetické pole mezi oběma částmi a dojde k pohybu jezdce. Úrovní proudu pak mužeme ovládat rychlost pohybu. Téměř výhradně se pro řízení používají číslicové regulátory s kaskádovým uspořádáním tří zpětných vazeb: vnitřní proudové, střední rychlostní a vnější polohové. Někdy bývá i do obvodu zařazena smyčka regulace zrychlení. Sekundární díl tvoří ve většině uspořádání delší část stroje (magnetická dráha), kterou lze sestavovat do určitých délek. O části, která se má pohybovat, rozhoduje konstrukční uspořádání. V naprosté většině konstrukcí se pohybuje primární část (jezdec) po dráze tvořené libovolným počtem sekundárních dílů. Sekundární díly se zpravidla vyrábí v segmentech o délkách od 192 do 512 mm. Nevýhodou tohoto uspořádání je, že k pohybující se části musí být přiveden napájecí kabel, kabel snímače polohy a případně přívod chladicí kapaliny. Vše pak musí být umístěno ve vlečném řetězci, který chrání kabely před poškozením a zajištuje plynulý pohyb s jezdcem.

Obr. 5: Lineární vedení [5]

Tubulární synchronní lineární motory

Tubulární provedení lineárního motoru získáme stočením plochého motoru kolem osy rovnoběžné se směrem pohybu motoru . Tubulární motor může být vyroben jednostranný i oboustranný a může mít různé průřezy (kruhový, čtvercový, obdélníkový). 

Asynchronní lineární motory

Asynchronní lineární motory pracují na principu asynchronního stroje:

• primární část - trojfázové vinutí
• sekundární vinutí
• klecové vinutí uložené do drážek
• hliníkový pás připevněný na ocelové podložce

Jsou jednostranné nebo oboustranné (vinutí je umístěno po obou stranách sekundární části vyrovnání radiálních sil).

Podle rozmístění cívek primární části:

• motory s podélným tokem – indukční čáry toku jsou rovnoběžné ke směru pohybu (tažné síly)
• motory s příčným tokem – indukční čáry toku jsou kolmé ke směru pohybu (tažné síly), nižší magnetizační proud, ale menší tahová síla

Obr. 6: Asynchronní lineární motor [5]

Postupné pole indukuje podle Lenzova zákona v kotvě vířivé proudy, jejichž směr je takový, že jejich pole působí proti postupnému poli a vzniklá síla je zdrojem pohybu

Magnetická levitace - MAGLEV

Maglev – zkráceně z magnetické levitace – je nejmodernější, nejrychlejší, ale nejdražší druh kolejové dopravy. Vlak se pohybuje na polštáři magnetického pole, které je vytvářeno soustavou supravodivých magnetů, zabudovaných v trati i ve vlaku. Tento vlak má tedy místo kol speciální systém magnetů, včetně lineárních motorů a pohybuje se několik centimetrů nad kolejnicí. V Evropě se používá vzdálenost okolo pěti centimetrů, v Japonsku kvůli geologické aktivitě okolo 10 cm. Tratě pro Maglev jsou poměrně nákladné a musejí být z bezpečnostních důvodů stavěny na mostech nebo v tunelech, což rozvoj této technologie také prodražuje.

Rychlost vlaků není teoreticky téměř nijak omezená, rychlostní rekord, který vytvořili Japonci (2005), je 581 km/h. V praxi je rychlost limitovaná spotřebou energie a aerodynamickým odporem, tento problém se snažil vyřešit projekt Swissmetro tím, že navrhuje provozovat dráhu v tunelech zbavených vzduchu až ke hranici vakua (vactrain). Takové řešení bylo navrženo i pro tzv. transatlantický tunel. V pravidelném provozu je Maglev jako příměstská dráha na letiště v Šanghaji. V Japonsku plánují zprovoznit roku 2027 dráhu Tokio - Nagoja připravenou na prodloužení do Ósaky. Zajímavé video najdete tady. [3]

Obr. 7: MAGLEV [6]

Využití lineárních motorů:

• obráběcí stroje
• stroje pro výrobu a osazování plošných spojů
• speciální stroje
• zdravotnická technika
• doprava

Zdroje

[1] VUES Brno. Lineární motory [online]. [cit. 2014-8-22]. Dostupný na www: http://www.vues.cz/file/424/CZ_LIN-OBECNE_020909.PDF

[2] VŠB-TU Ostrava, FEI. Pohony s lineárními motory [online]. [cit. 2014-8-22]. Dostupný na www: http://www.fei1.vsb.cz/kat430/data/erp2/ERP%20-%20Pohony%20s%20linearnimi%20motory.pdf

[3] Wikipedie. Maglev [online]. [cit. 2014-8-22]. Dostupný na www: http://cs.wikipedia.org/wiki/Maglev

Obrázky

[4] VUES Brno. Lineární motory [online]. [cit. 2014-8-22]. Dostupný na www: http://www.vues.cz/file/424/CZ_LIN-OBECNE_020909.PDF

[5] TU Liberec. Lineární pohony [online]. [cit. 2014-8-22]. Dostupný na www: https://www.pslib.cz/pe/skola/studijni_materialy/…/linear_motor.pps

[6] Wikipedie. Maglev [online]. [cit. 2014-8-22]. Dostupný na www: http://cs.wikipedia.org/wiki/Maglev