Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 12/2016 vyšlo tiskem
7. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 6. 1. 2017. 

Téma: Měření, měřicí přístroje a měřicí technika; Zkušebnictví a diagnostika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu (2. část – dokončení)

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Tendence vývoje v oblasti průmyslových elektrických lineárních pohonů (1)

číslo 3/2004

Hlavní článek

Tendence vývoje v oblasti průmyslových
elektrických lineárních pohonů
(1)

Ing. Ota Roubíček, DrSc.,
MECHATRONIKA Praha

1. Úvod

Elektrické pohony s bezpřevodovými lineárními motory (viz např. [1], [2]) mají pro průmyslovou praxi stále větší význam. Velké množství pracovních strojů a technologických zařízení získalo systémovým užitím těchto pohonných prostředků novou, často nezastupitelnou a jinak nerealizovatelnou technickou kvalitu a účinky.

Obr. 1

Od svého vzniku (vynález principu indukčního lineárního motoru Angličanem Charlesem Wheatstoneem v roce 1841), přes první reálné uplatnění v praxi (letecké katapulty na válečných lodích za druhé světové války), přes průkopnická léta počínajících průmyslových aplikací (poválečná léta) a mnohou skepsí provázený, avšak již zcela zřetelný počátek rozmachu průmyslových aplikací lineárních pohonů různých typů (poslední dvě tři desetiletí minulého století) dospělo toto odvětví k dnes již všeobecně uznávanému postavení užitečného a pro další technický pokrok nezbytného oboru.

Tuto skutečnost potvrzují mj. i specializovaná mezinárodní symposia na téma elektrických lineárních pohonů pro průmyslové aplikace, pravidelně konaná od roku 1995 a vždy uvádějící více než sto původních příspěvků z celého světa. Materiály z těchto a podobných akcí umožňují učinit si celkovou představu o směrech, jimiž se rozvoj lineárních pohonů v poslední době ubírá. Vzhledem k mimořádné četnosti i tematické šíři publikovaných poznatků je však možné poskytnout zde pouze rámcový pohled do aktuální tematiky [3].

2. Hlavní směry rozvoje lineárních pohonů

2.1 Lineární pohony s postupným (translačním) pohybem

Obr. 2

2.1.1 Všeobecně
S cenovým zpřístupněním moderních materiálů pro permanentní magnety, především typu Nd-Fe-B, nastaly zásadní změny v posuzování použitelnosti lineárních pohonů. Výrazně vzrostl význam pohonů se synchronními lineárními motory. Jde především o rozsáhlou oblast různých přesných polohovacích zařízení (např. posuvů u obráběcích a jiných výrobních strojů), mechanismů pro horizontální i vertikální transport apod. Použití dříve dominantních indukčních lineárních pohonů se v těchto případech omezuje na méně náročné aplikace (např. jednoduché posuvy a přísuvy), na trasy s dlouhou dráhou (několik metrů až desítky metrů) a na aplikace, kde má význam především jednoduchost a robustnost stavby indukčního lineárního motoru (např. ve znečištěném, velmi teplém, vlhkém či mokrém a jinak nestandardním provozním prostředí, včetně prostředí nevylučujícího možnost mechanického poškození).

Zmíněné dva druhy lineárních pohonů jsou v současnosti pro průmyslové aplikace nejdůležitější.

Obr. 3

Speciálním případem uplatnění akčních (ze sítě napájených) částí indukčního lineárního motoru je bezkontaktní přenos elektrické energie na pohyblivý objekt (např. na kabinu nebo podvozek transportního prostředku s dlouhou dráhou). Pohonný uzel tohoto typu s plochým oboustranným synchronním nebo indukčním lineárním motorem s pohyblivou akční částí doplněný bezkontaktním magnetickým závěsem znázorňuje obr. 1.

Oba již zmíněné typy lineárních motorů vykazují v porovnání s rotačními motory s převodem některá fyzikální znevýhodnění. Podélně otevřený magnetický obvod konečné délky vyvolává podélné okrajové (či koncové) efekty, které zhoršují vlastnosti lineárního motoru, zejména co se týče generování tažné síly ve směru pohybu a účinnosti. K tomu přistupují u plochých jednostranných typů s feromagnetikem na akční i reakční (ze sítě nenapájené) části několikanásobně, až o řád větší přitažlivé síly mezi oběma částmi (kolmé na směr užitečné tažné síly), kladoucí vyšší nároky na konstrukci motoru a znesnadňující přesné polohové řízení pohonu. V synchronních lineárních motorech s permanentními magnety a akční částí s feromagnetikem vznikají i další okrajové efekty. Vyvolává je působení hran permanentních magnetů reakční části a zubů akční části, jejichž důsledkem jsou parazitní přídržné síly a kolísání tažné síly motoru. Tyto jevy rovněž vadí při přesném polohovém řízení. Zároveň s nepravidelnostmi ve vzduchové mezeře (např. nevhodné kvádrové tvary permanentních magnetů apod.) způsobují též mechanické vibrace a hluk.

Obr. 4

Je tudíž logické, že mnoho prací se věnuje zdokonalování teorie, optimalizačních postupů a výpočtových metod pro synchronní a indukční lineární motory, jejichž cílem je potlačování nežádoucích úkazů a co nejefektivnější využívání možností skýtaných fyzikálními principy těchto motorů. Součástí uvedeného úsilí jsou i studie nových konstrukčních uspořádání i nových typů především synchronních lineárních motorů, včetně provedení s akční částí bez feromagnetika. Při numerických řešeních se běžně využívá metoda konečných prvků, včetně trojdimenzionální verze.

Dříve výrazné konstrukční i funkční odlišení krokových lineárních pohonů se postupně smazává. Dochází k tomu splýváním s fyzikálně obdobnými synchronními lineárními pohony, zčásti též vzhledem k možnosti uplatnění vypracovaných a technicky i ekonomicky přístupných způsobů přesného i velmi přesného polohového řízení při spojitém pohybu.

Podobné je to u hybridních lineárních pohonů (s výjimkou pohonů na bázi hybridních lineárních motorů čistě indukčního principu). Avšak ty jsou používány zřídka, pouze ve speciálních manipulačních operacích.

Obr. 5

S rozvojem techniky statických měničů zřetelně poklesl zájem o stejnosměrné lineární pohony. Stále, i když v menší míře, se však tyto pohony uplatňují v aplikacích do prostorů se stejnosměrnými rozvody (paluby vozidel, hutní provozy apod.) a dosti často jako inovační skupiny instalované místo hydraulických nebo pneumatických lineárních pohonů. Pozornost je tedy věnována především optimalizaci návrhů motorů, vývoji konstrukcí uvedených motorů s permanentními magnety, s velkou tažnou sílou a rychlou odezvou na řízení, jakož i metodám kvalitního polohového řízení pohonů s nimi.

Mikropohony s piezoelektrickými lineárními motorky (viz např. [4]) využívají k pohybu jezdce (reakční části) frikčního přenosu (frikce – tření) postupné vlny z povrchu aktivní části z piezoelektrického materiálu nebo již z minulosti známý tzv. píďalkový efekt. Vzhledem k pohybu v inkrementech (přírůstcích) až řádu nanometrů se nabízí jejich použití u různých mikromanipulací, jako je např. posun preparátů pod mikroskopem, polohování ve výrobě integrované elektroniky apod. U delších drah s konečným velmi přesným polohováním je možné mikropohon kombinovat se zařízením pro hrubší posuv.

Obr. 6

Se zdokonalováním lineárních motorů jsou bezprostředně spojeny práce zaměřené na zlepšené nebo nové syntézy automatické regulace lineárních pohonů, zejména co se týče přesného a dynamicky kvalitního polohového a rychlostního řízení. Pokročily i metody simulace kompletních pohonných soustav. Pro oba účely je k dispozici větší počet specializovaných počítačových programů.

Též v průmyslových aplikacích lineárních pohonů roste zájem o bezkontaktní vedení pohybujících se částí proti pevným drahám (s magnetickým závěsem nebo podpěrou – levitace). Je tomu tak hlavně u dopravních zařízení pro velmi čisté prostory. V poslední době přicházejí v úvahu i běžná menší transportní zařízení, včetně výtahů. Základní konstrukční jednotkou bývá různě modifikovaný magnetický obvod s permanentními magnety (viz obr. 2) a s korekcí jejich přitažlivé (popř. odpudivé) síly pomocí vinutí, napájených z výstupu rychlého spojitého nebo dvoupolohového regulátoru polohy, jehož měřicí člen snímá délku vzduchové mezery proti vodicí dráze. Při délce vzduchové mezery několik milimetrů umožňuje vývoj síly až stovek newtonů.

2.1.2 Některé zajímavé případy
Na obr. 3 je princip kompenzace podélného okrajového efektu plochého jednostranného indukčního lineárního motoru rotačním kompenzátorem s permanentními magnety (polarita je vyznačena zde i dále písmeny S a N). Obr. 7 Jeho činnost je založena na poznatku, že vlivy zmíněného okrajového efektu lze kompenzovat reakcí přídavného pole vířivých proudů, vytvořeného kompenzátorem v oblasti náběhové hrany akční části motoru. Rychlost otáčení f/p kompenzátoru s p pólovými dvojicemi je za pohybu konstantní, synchronizovaná s napájecí frekvencí f motoru. Kompenzační účinek roste s růstem rychlosti. Ověření na motoru s pohyblivou akční částí délky 2 156 mm a šířky 300 mm, se jmenovitou tažnou silou asi 7,5 kN (bez kompenzace), při jmenovitém skluzu 0,17 a se jmenovitou frekvencí 22 Hz (pohon vozů metra) ukázalo po zařazení čtyřpólového kompenzátoru průměru 312 mm nárůst tažné síly o asi 45 % a účiníku a účinnosti o přibližně 15 %.

Princip synchronního lineárního motoru bez permanentních magnetů, buzeného jednopulsně usměrněným proudem, indukovaným z trojfázové akční části do budicího vinutí pólů pohyblivé reakční části, ukazuje obr. 4. Buzení je bezkartáčové a póly mohou mít optimální tvar, jenž omezuje nežádoucí účinky nerovnoměrností ve vzduchové mezeře motoru uváděné v předchozím popisu.

Obr. 8

Stále je aktuální uspořádání pohyblivé reakční části synchronního lineárního motoru podle Hallbacha [5], viz obr. 5. Přináší totiž mnoho výhod. Přídržné síly výrazně poklesnou a u ověřovaného plochého jednostranného motoru vzrostla – při srovnání s konvenčním motorem se stejným objemem a kvalitou permanentních magnetů – jmenovitá statická tažná síla na jednotku hmotnosti reakční části až o 80 %, při nárůstu kolísání tažné síly o pouhých 3 až 10 %. Buzení hlavního magnetického pole je až o 40 % silnější. Téměř bez přídržných sil a s nepatrným kolísáním tažné síly je motor této koncepce s akční částí bez feromagnetika. Uvedené okolnosti významně přispívají k racionalizaci návrhů motorů a ke zjednodušení struktury obvodů přesného polohového řízení.

Ukazuje se, že u běžných konstrukcí plochých synchronních lineárních motorů s feromagnetikem a s akční částí se zuby se daří nepříjemné přídržné síly zmenšit o asi 80 % vhodnou volbou poměru délky permanentního magnetu k drážkové rozteči, o zhruba 50 % při akční části s polozavřenými drážkami, asi o 85 % ustavením permanentních magnetů tak, aby jejich konce vyvozovaly přídržné síly přibližně v protifázi, a o asi 90 % kombinací prvního a třetího opatření. Dobré výsledky přináší též růst počtu drážek, jejich zešikmení nebo zešikmení hran permanentních magnetů.

Velmi malé přitažlivé sily mezi akční a reakční částí ploché verze lineárních motorů mají oboustranná uspořádání s krátkou pohyblivou akční nebo reakční částí bez feromagnetika (obr. 6). Pohyblivá reakční část však při delších dráhách vyžaduje spínání sekcí akční části podle okamžité polohy reakční části. Takto konstruovaný synchronní lineární motor s pohyblivou akční částí dále vykazuje nepatrné kolísání tažné síly, dobrou linearitu mezi proudem a tažnou silou a velmi malou elektrickou i mechanickou setrvačnost. Proto je vhodný pro dynamicky náročné aplikace nebo pro aplikace vyžadující přesnost polohování.

Obr. 9

Velkou měrnou tažnou sílu má plochá konstrukce podle obr. 7, uváděná jako synchronní lineární motor s vnitřními magnety (přestože spíše jde o krokové uspořádání). Pokroku bylo dosaženo zejména optimalizací rozměrů zubů akční a reakční části. Permanentní magnety reakční části jsou magnetizovány ve směru pohybu. Ve srovnání s obvyklými typy menších synchronních motorů může být tažná síla na jednotku objemu motoru až dvojnásobná a na jednotku povrchu vzduchové mezery a příkonu až 1,8krát větší. Experimentálně byl ověřován motor s tažnou silou 100 N.

Podobně dobré tahové vlastnosti a podstatně menší oteplení vinutí při generování tažné síly má plochý synchronní lineární motor, znázorněný na obr. 8 nahoře. Pokusná konstrukce motoru se jmenovitou tažnou silou 880 N dosahovala ve srovnání s obvyklými motory (např. na obr. 8 dole) až 2,7krát větší tažné síly na jednotku příkonu a při zatěžovacích zkouškách byl zaznamenán rozdíl oteplení vinutí asi 60 °C ve prospěch diskutovaného typu. Tento typ je výhodný pro pohony s vyšší frekvencí.

Obr. 10

Jedním z perspektivních uplatnění synchronního lineárního pohonu je pohon výtahu bez lana pro výškové budovy (obr. 9). Dlouhé lano má velkou hmotnost, vyžaduje velký objem k navíjení, náročnou kontrolu a údržbu a za provozu se může nebezpečně podélně rozkmitat. Velká měrná tažná síla synchronního lineárního motoru umožňuje optimální využití obestavěného prostoru a snadné uvedení motoru do generátorického chodu zhospodárňuje provoz rekuperací energie sestupující kabiny. Nepřítomnost protizávaží totiž musí být nahrazena co nejvyšší účinností pohonu. Model délky 4,5 m s tažnou silou 240 N a kabinou hmotnosti 20 kg měl ustálenou rychlost 2,4 m·s–1 a jeho účinnost se pohybovala v závislosti na konstrukčních modifikacích a provozních stavech mezi 0,85 až 0,95.

Krokový lineární pohon pro prstovou podporu (částečnou protézu – náhradu nefunkčních prstových svalů) s miniaturním válcovým motorkem hmotnosti 90 g s přestavnou nebo přídržnou tažnou silou 1,7 N (proud fáze 2 A)/0,75 N (0 A) a dráhou do 8 mm ukazuje obr. 10. Pohon je řízen signály řádu desetin milivoltů s frekvencí 20 až 400 Hz, vysílanými do invalidního svalu, jenž by měl ovládat příslušný prst. Signály jsou snímány elektrodou, přitmelenou ke kůži. Kompletní protéza může obsloužit všech pět prstů.

(pokračování)