Silnik indukcyjny liniowy - Linear induction motor
Liniowy silnik indukcyjny ( LIM ) jest prąd zmienny (AC), asynchroniczny silnik liniowy że prace tych samych ogólnych zasadach, jak inne silniki indukcyjne , ale jest zazwyczaj przeznaczone do bezpośredniego wytwarzania ruchu w linii prostej. Charakterystyczne, że liniowe silniki indukcyjne mają skończoną długość pierwotną lub wtórną, co generuje efekty końcowe, podczas gdy konwencjonalny silnik indukcyjny jest umieszczony w pętli bez końca.
Pomimo swojej nazwy, nie wszystkie liniowe silniki indukcyjne wytwarzają ruch liniowy; niektóre liniowe silniki indukcyjne są wykorzystywane do generowania obrotów o dużych średnicach, gdzie zastosowanie ciągłego elementu pierwotnego byłoby bardzo kosztowne.
Podobnie jak w przypadku silników obrotowych, silniki liniowe często pracują na zasilaniu trójfazowym i mogą obsługiwać bardzo wysokie prędkości. Istnieją jednak efekty końcowe, które zmniejszają siłę silnika i często nie jest możliwe zamontowanie skrzyni biegów w celu kompromisu siły i prędkości. Silniki indukcyjne liniowe są zatem często mniej wydajne energetycznie niż normalne silniki obrotowe przy dowolnej wymaganej mocy wyjściowej.
LIM, w przeciwieństwie do swoich obrotowych odpowiedników, mogą dawać efekt lewitacji. Dlatego są często używane tam, gdzie wymagana jest siła bezkontaktowa, gdzie wymagana jest niewielka konserwacja lub gdy cykl pracy jest niski. Ich praktyczne zastosowania obejmują lewitację magnetyczną , napęd liniowy i siłowniki liniowe. Były również używane do pompowania ciekłych metali.
Historia
Historia liniowych silników elektrycznych sięga co najmniej lat 40. XIX wieku do prac Charlesa Wheatstone'a w King's College w Londynie, ale model Wheatstone'a był zbyt nieefektywny, aby mógł być praktyczny. Możliwy do zrealizowania liniowy silnik indukcyjny jest opisany w patencie US 782312 (1905; wynalazca Alfred Zehden z Frankfurtu nad Menem) i służy do napędzania pociągów lub wind. Niemiecki inżynier Hermann Kemper zbudował działający model w 1935 roku. Pod koniec lat czterdziestych profesor Eric Laithwaite z Imperial College w Londynie opracował pierwszy pełnowymiarowy model roboczy.
W wersji jednostronnej pole magnetyczne może wytwarzać siły odpychania, które odpychają przewodnik od stojana, unosząc go i przenosząc wzdłuż kierunku poruszającego się pola magnetycznego. Laithwaite nazwał późniejsze wersje rzeką magnetyczną . Te wersje liniowego silnika indukcyjnego wykorzystują zasadę zwaną strumieniem poprzecznym, w której dwa przeciwległe bieguny są umieszczone obok siebie. Pozwala to na użycie bardzo długich tyczek, a tym samym pozwala na dużą prędkość i wydajność.
Budowa
Pierwotny silnik liniowy zazwyczaj składa się z płaskiego rdzenia magnetycznego (zwykle laminowanego) z poprzecznymi szczelinami, które są często prosto wycięte z cewkami ułożonymi w szczelinach, przy czym każda faza daje zmienną biegunowość, tak aby różne fazy fizycznie zachodziły na siebie.
Drugorzędny to często arkusz aluminium, często z żelazną płytą nośną. Niektóre moduły LIM są dwustronne, z jedną pierwotną po każdej stronie wtórnej i w tym przypadku nie jest potrzebne żelazne podłoże.
Istnieją dwa typy silników liniowych: krótki pierwotny , w którym cewki są ścięte krócej niż wtórny, oraz krótki wtórny , w którym przewodząca płytka jest mniejsza. Krótkie wtórne LIM są często nawijane jako równoległe połączenia między cewkami o tej samej fazie, podczas gdy krótkie wtórne są zwykle uzwojone szeregowo.
Pierwotne elementy LIM o strumieniu poprzecznym mają szereg bliźniaczych biegunów leżących poprzecznie obok siebie o przeciwnych kierunkach nawijania. Słupy te są zwykle wykonane albo z odpowiednio przyciętą laminowaną płytą nośną, albo z szeregiem poprzecznych rdzeni w kształcie litery U.
Zasady
W tej konstrukcji silnika elektrycznego siła jest wytwarzana przez poruszające się liniowo pole magnetyczne działające na przewodniki w tym polu. Każdy przewodnik, czy to pętla, cewka, czy po prostu kawałek blachy metalowej, który zostanie umieszczony w tym polu, będzie miał w sobie indukowane prądy wirowe , tworząc w ten sposób przeciwstawne pole magnetyczne zgodnie z prawem Lenza . Dwa przeciwstawne pola będą się odpychać, tworząc ruch, gdy pole magnetyczne przenika przez metal.
gdzie f s to częstotliwość zasilania w Hz, p to liczba biegunów, a n s to synchroniczna prędkość pola magnetycznego w obrotach na sekundę.
Wzorzec pola jezdnego ma prędkość:
gdzie v s jest prędkością pola przemieszczania się liniowego w m/s, a t jest skokiem biegunowym.
Dla poślizgu s prędkość wtórna w silniku liniowym jest dana wzorem
Siły
Pchnięcie
Napęd generowany przez liniowe silniki indukcyjne jest nieco podobny do konwencjonalnych silników indukcyjnych; siły napędowe wykazują z grubsza podobny charakterystyczny kształt w stosunku do poślizgu, chociaż modulowane przez efekty końcowe.
Istnieją równania do obliczania ciągu silnika.
Efekt końcowy
W przeciwieństwie do okrągłego silnika indukcyjnego, liniowy silnik indukcyjny wykazuje „efekty końcowe”. Te efekty końcowe obejmują straty w wydajności i sprawności, które, jak się uważa, są spowodowane odprowadzeniem energii magnetycznej i utratą jej na końcu pierwotnego przez względny ruch pierwotnego i wtórnego.
W przypadku krótkiego wtórnego zachowanie jest prawie identyczne jak w przypadku maszyny rotacyjnej, pod warunkiem, że ma ona długość co najmniej dwóch biegunów, ale z krótką redukcją ciągu pierwotnego, która występuje przy małym poślizgu (poniżej około 0,3), aż do osiągnięcia ośmiu lub więcej biegunów.
Jednakże, ze względu na efekty końcowe, silniki liniowe nie mogą „pracować lekko” – normalne silniki indukcyjne są w stanie uruchomić silnik z niemal synchronicznym polem w warunkach niskiego obciążenia. W przeciwieństwie do tego, efekty końcowe powodują znacznie większe straty w silnikach liniowych.
Lewitacja
Ponadto, w przeciwieństwie do silnika obrotowego, pokazana jest elektrodynamiczna siła lewitacji , która wynosi zero przy zerowym poślizgu i daje w przybliżeniu stałą wartość siły/szczeliny w miarę wzrostu poślizgu w każdym kierunku. Dzieje się tak w silnikach jednostronnych, a lewitacja zwykle nie występuje, gdy żelazna płyta nośna jest używana na wtórnym, ponieważ powoduje to przyciąganie, które przytłacza siłę podnoszenia.
Występ
Silniki indukcyjne liniowe są często mniej wydajne niż konwencjonalne silniki indukcyjne obrotowe; efekty końcowe i stosunkowo duża szczelina powietrzna, która często występuje, zwykle zmniejszają siły wytwarzane dla tej samej mocy elektrycznej. Podobnie sprawność podczas pracy generatora (hamowanie/rekuperacja elektryczna) z liniowym silnikiem indukcyjnym została zgłoszona jako stosunkowo niska ze względu na efekty końcowe. Większa szczelina powietrzna zwiększa również indukcyjność silnika, co może wymagać większych i droższych kondensatorów.
Jednak silniki indukcyjne liniowe mogą uniknąć konieczności stosowania skrzyń biegów i podobnych układów napędowych, które mają własne straty; a praktyczna wiedza na temat znaczenia czynnika dobroci może zminimalizować skutki większej szczeliny powietrznej. W każdym razie zużycie energii nie zawsze jest najważniejszą kwestią. Na przykład w wielu przypadkach liniowe silniki indukcyjne mają znacznie mniej ruchomych części i wymagają bardzo niewielkiej konserwacji. Ponadto zastosowanie silników indukcyjnych liniowych zamiast silników obrotowych z przekładniami obrotowo-liniowymi w systemach sterowania ruchem umożliwia większą przepustowość i dokładność systemu sterowania , ponieważ przekładnie obrotowo-liniowe wprowadzają luz, tarcie statyczne i/lub podatność mechaniczną w system sterowania.
Zastosowania
Ze względu na te właściwości, silniki liniowe są często używane w napędzie maglev , jak w japońskiej linii pociągu lewitacji magnetycznej Linimo w pobliżu Nagoi .
Pierwszym na świecie komercyjnym zautomatyzowanym systemem maglev był powolny wahadłowiec maglev, który kursował z terminalu lotniska Birmingham do pobliskiego dworca kolejowego Birmingham International w latach 1984-1995. Długość toru wynosiła 600 metrów (2000 stóp), a pociągi „latały” na wysokości 15 milimetrów (0,59 cala), lewitowane przez elektromagnesy i napędzane silnikami indukcyjnymi liniowymi. Działał przez prawie jedenaście lat, ale problemy z przestarzałymi systemami elektronicznymi sprawiły, że był zawodny w późniejszych latach. Jeden z oryginalnych wagonów jest obecnie wystawiany na Railworld w Peterborough , razem z pojazdem z poduszką RTV31 .
Jednak silniki liniowe zostały wykorzystane niezależnie od lewitacji magnetycznej, takich jak Tokio „s Toei Oedo linii . Innovia Metro Bombardier jest przykładem zautomatyzowany system, który wykorzystuje LIM napędu. Najdłuższym szybkim systemem tranzytowym wykorzystującym taką technologię jest metro w Kantonie , z około 130 km (81 mil) trasy przy użyciu pociągów metra z napędem LIM wzdłuż linii 4 , linii 5 i linii 6 . Są one również wykorzystywane przez Tomorrowland Transit Authority PeopleMover w Walt Disney World Resort w Bay Lake , Florydzie oraz w Subway People Mover na George Bush Intercontinental Airport w Houston , Texas , które wykorzystują ten sam wzór.
Technologia liniowego silnika indukcyjnego jest również stosowana w niektórych wprowadzonych na rynek kolejkach górskich . Obecnie jest to nadal niepraktyczne w tramwajach jeżdżących po ulicach , chociaż teoretycznie można to zrobić, zakopując go w rurze szczelinowej.
Poza transportem publicznym, pionowe silniki liniowe zostały zaproponowane jako mechanizmy podnoszące w kopalniach głębinowych , a zastosowanie silników liniowych rośnie w aplikacjach sterowania ruchem . Są one również często stosowane w drzwiach przesuwnych, takich jak w tramwajach niskopodłogowych, takich jak Alstom Citadis i Eurotram .
Istnieją również dwuosiowe silniki liniowe. Te wyspecjalizowane urządzenia zostały wykorzystane do zapewnienia bezpośredniego ruchu X - Y do precyzyjnego cięcia laserowego tkanin i blach, automatycznego rysowania i formowania kabli. Zastosowano również liniowe silniki indukcyjne z cylindrycznym wtórnym w celu zapewnienia jednoczesnego ruchu liniowego i obrotowego do montażu urządzeń elektronicznych na płytkach drukowanych.
Większość używanych silników liniowych to LIM (liniowe silniki indukcyjne) lub LSM (liniowe silniki synchroniczne). Liniowe silniki prądu stałego nie są używane, ponieważ są one bardziej kosztowne, a liniowy SRM cierpi na słaby ciąg. Tak więc w przypadku długich przejazdów w trakcji preferowany jest LIM, a w przypadku krótkich przejazdów LSM.
Silniki indukcyjne liniowe były również używane do wystrzeliwania samolotów, system Westinghouse Electropult z 1945 r. był wczesnym przykładem, a elektromagnetyczny system uruchamiania samolotów (EMALS) miał zostać dostarczony w 2010 r.
Silniki indukcyjne liniowe są również stosowane w krosnach, lewitacja magnetyczna umożliwia szpulkom unoszenie się między włóknami bez bezpośredniego kontaktu.
Pierwsza bezlinowa winda wynaleziona przez ThyssenKrupp wykorzystuje liniową moc napędu indukcyjnego.