Как стать автором
Обновить

Альтернатива стандартным приводным системам: цилиндрический линейный двигатель

Время на прочтение 7 мин
Количество просмотров 31K
Всего голосов 73: ↑71 и ↓2 +69
Комментарии 57

Комментарии 57

С винтовой передачей, достаточно просто можно реализовать датчик положения с необходимой точностью. Как с этим обстоят дела с линейным приводом?

И как обстоят дела с силой которую может выдать такой двигатель? Кажется что на чпу фрезер такой поставить будет проблематично.

Насчет силы: на плоской версии этого двигателя - движутся электропоезда ;-) . А цилиндрический - это тоже самое что плоский, только лишенный его недостатков. Так что с силой там всё отлично!

Насчет точности: мне тоже был очень интересен этот вопрос, но в понятных величинах (мм, мкм и т.д.) найти не удалось.

Но пишут, что на основе такого принципа построены роботы для поверхностного (smd) монтажа электронных компонентов. Так что, полагаю, точность там на уровне (если датчик положения приделать).

Насчет применения в ЧПУ: весьма активно применяется. Причем цилиндрический гораздо лучше плоского линейного из-за отстутствия паразитного нагрева из-за вихревых токов Фуко (привод греет станину станка, тепловое расширение, всё корёжит. В итоге- неточности в обрабатываемой детали. Цилиндрический - лишен всего этого).

Ну на поезде нет таких габаритных ограничений. С "классическим" круглым двигателем когда не хватает момента, можно пожертвовать скоростью, поставить редуктор и "профит".

Всетаки теоритическая механика говорит что прямолинейное движение это частный случай движения по окружности, а не на оборот.

Мне кажется что линейный двигатель хорошо когда нужно большая скорость, но не большая сила (как ваш пример с автоматами по установке эл. компонентов). или когда нужно уменьшить вес "движущейся" части двигателя (пуля, ракета, поезд).

На поезде да, но в остальных случаях в чем проблема поставить редуктор? Да, выглядеть он будет немного непривычно, но по сути принцип тот же.

Тут, скорее, рычаг (коромысло), а не редуктор просится...

Только если вам, к примеру, нужно нажатие с силой в 500кг, но НЕ критична так уж скорость, обычным двигателем вы это достигните в обьеме до 10л, а вот сколько займет такой же линейный еще и с нужной точностью?

Думаю тут кардинальной разницы нет: по конструкции нет больших отличий от обычного движка, значит и усилия примерно одинаковые, а 500кг что тут что там через редуктор или рычаг можно получить, проблем прикрутить редуктор или рычаг к линейному приводу нет.

Больше волнует прочность штока - он же тут сборный, из дорогих магнитов. Возможно лучше взять что-то более прочное, типа стали или магнитного сплава, и перемагнитить зонально.

Есть. Чем выше обороты движка, тем лучше его соотношение масса-мощность. Поскольку можно выдать большие перепады полей и лучше охладить. Тут обороты практически нулевые. Тоесть минимальная мощность и нужно сложнее охлаждение.

У меня был древний CD-ROM с передвижением по дорожкам на основе линейного (магнитного) двигателя прямого привода. Тяжелый!

на плоской версии этого двигателя - движутся электропоезда

Не считово)) На кусках ткани движутся тысячетонные парусники - на носовом платке далеко ли улетите?

Далее: дело в использовании для фрезеров даже не в точности, а в пульсациях момента такого двигателя, особенно на малых скоростях.

Да, но вот только у линейных меньше усилие из за отсутствия магнитопровода, при тех же размерах. А так же у линейного вал гнется. Так как он висит. В то время как плоский на станине и ничего не гнется. Зазор выдерживается идеально.

Меня мучает вопрос, а некий резольвер из такой конструкции можно сделать?

Датчик можно сделать оптической системы. У той же винтовой передачи есть энкодер, который может быть магнитным, либо оптическим (может ещё какой системы, которой я не знаю). Ничего не мешает на направляющую нанести соответствующие риски, и считывать их.

Тоже вариант. Я бы использовал датчик Холла аналоговый- всё равно же система ездит над "колбасой" с магнитами. Почему бы не воспользоваться их полем, для анализа положения каретки...:-)

Почему аналоговый: он учитывает "градиент" изменения поля. Другими словами, у него не просто констатация факта, как у цифрового "вкл/выкл" - а он может показать, когда едет над магнитом- в начале он, в середине магнита или в конце. И когда один магнит закончился и начался другой...

придётся от катушек далеко выносить, иначе будет не датчик положения а датчик тока. железных полюсов нет, только катушки и постоянные магниты — поля хорошо вываливаются наружу.

На принтере, такой движок гоняет печатную голову массой килограмм в 50-70. Только вжууух-вжууух стоит. 720 на 720 спокойно выдаёт.

Есть подставить пальцы, отшибает с гематомами на раз.

Проблема больше с подвесом.

В точке ноль стоит индукционный датчик. А далее, считает по шагам.

Получить обратную связь можно по линейке, можно тросик до энкодера дотянуть. В ЧПу такая штука не прижилась потому что усилие мелкие.

Обычно их используют во всяких КИМ, и других задачах где нужно большое ускорение.

Возьмите любуе решение на аэростатике то увидите линейные двигателя.

В тех же 3d принтерах вполне возможно, только дорого это будет по итогу и не приживется.

На промышленных станках обычно ставят цифровые линейки микронной точности на любую длину, с защитой от масла и пыли, для УЦИ. Пару лет назад одна ось стоила около 6к, т.е. доступно даже для любителя, ну а как сейчас хз. Самое главное - абсолютная точность и никаких велосипедов. Полностью закрывает проблему с точностью и координатами.

Сейчас в принципе оно тоже доступно, гугл выдает например это: http://ooo-asteko.ru/tsifrovaya-lineyka-dlya-stanka/

Блок считывающих головок в HDD кажется работает на линейном эл. двигателе и я не нашёл там датчика положения(или не увидел/не понял что это он). Может электроника сама умеет положение вычислять, по затраченному току.
там обратная связь положения идёт по данным, что сама головка с пластины читает.
как и у CD/DVD где линза на «магнитной подвеске»
Очень классное решение, даже задумался такой себе собрать. Но у подобного двигателя видится мне один существенный недостаток, ограничивающий его применение. Например в металлорежущих станках, возьмём для примера, плазморез, образуется металлическая взвесь, которая будет с удовольствием примагничиваться к направляющим, тем самым увеличивая их износ.
Поэтому закрытые двигатели намного более просты в этой ситуации.
Однако применение при работе с пластиками, и различными немагнитными материалами может дать много преимуществ. Например, для 3D-принтера может быть уменьшением веса общей конструкции.

В любом случае спасибо за идеи, о такого типа двигателях не задумывался. Я всё более думал об асинхронном линейном двигателе.

Но у подобного двигателя видится мне один существенный недостаток

Тоже хотел это добавить. В "классичесом" двигателе основные рабочие повехности закрыты в двигателе и обеспечить их чистоту проще. Хороший пример это направляющий на больших фрезерных станках, на которых приходится городить "шторы".

В 3D принтерах не сильно уменьшит вес конструкции, так как направляющую одной из осей там в любом случае придётся «таскать» над столом, а это значительная часть. Но вот рябь на стенках, возникающую от проскальзывания зубчатых ремней, такой двигатель уберёт.
Рябь можно убрать использованием ШВП.

Шаговые двигатели способны давать по 200 положений на оборот, при применении в 3д принтере с шестерёнками - дать точность линейного перемещения порядка 0.1 мм.

В линейном двигателе, если я правильно понимаю, потребуется точность в размещении магнитов в 0.1 мм, причём на протяжении всего штока. И не раскрыта тема размера самих магнитов : если в линейном двигателе их размер будет, например, 1 см, то для перемещения штока на 0.1 мм потребуется очень точно управлять током в катушках.

По поводу размера магнитов, надо почитать в диссертации, которую я приложил - там вроде было это...Насчет точности: берем esp32, которая может выдавать ШИМ с частотами в десятки тысяч. И будет всё вполне недурно.

Принтер на линейнике, печатает 720 на 720.

Правда у нас электромагниты везде.

В линейных двигателях, что применяются в ЧПУ, за точность отвечает оптическая линейка(линейный энкодер с разрешением, например, 0.5мкм) стоящая параллельно оси (так же как в сервоприводах энкодер на валу двигателя), а не устойчивое положение ротора и статора как в шаговиках. Да, естественно драйвер очень точно и с большой частотой управляет током, как и в любом другом сервоприводе переменного тока с замкнутым контуром.

https://www.instagram.com/p/CQbT5qapPW1/?igshid=YmMyMTA2M2Y=

200 положений на оборот - это очень старые двигатели и контроллеры. У меня есть промышленный комплект двигатель + контроллер от Applied Motion, который даёт 8 тысяч шагов на оборот. И это без редукторов.

Так ведь в nema двигателях число делений положения не равно числу магнитов. И оно не 200, а сильно меньше, причем кратно 8, как правило - 8, 16, 32... А вот дробные деления - это уже промежуточные положения и зависят от драйвера ШД, некоторые поддерживают до 1/256. Ну, по крайней мере, ТМС различные.

Я имел ввиду вот такой двигатель:

https://purelogic.ru/data/pics/article/stepper-inside.jpg

Примерно 50 зубьев шестерёнки, две фазы. Одна фаза от другой отличается на половину зубчика (1/100 оборота). Включение двух фаз одновременно даёт промежуточное положение между ними - (1/200 оборота). Возможно, я ошибаюсь в деталях.

Получается, что из коробки, без ШИМ и сложного управления, такой двигатель способен двигаться с шагом в 1/200 оборота, а у линейного двигателя с магнитами из статьи "базовый" шаг будет намного больше и нужны более хитрые подходы.

аа, интересный мотор!

Кстати говоря, частный случай такого линейного двигателя, - известный фокус:

Нужно в паблики с вечными двигателями такое видео вставлять. )

Ничто не ново под Луной… В PDP-11 позиционирование головок «блинов» (накопители емкостью 2.5 Mb на диск) осуществлялось системой, очень похожей на цилиндрический линейный двигатель. Но без постоянных магнитов — оба цилиндра были электромагнитами. И это 1970-е годы.

Данный тип двигателя давно уже называется "звуковая катушка".

И не только в PDP-11, но и в IBM PC ставились винчестеры на 120 Мб с точно такой же системой.

А как дела у свободнопоршневых двигателей с линейными генераторами?
Выглядит перспективно, нет кривошипношатунного механизма(дешево), нет бокового износа (долговечно) поршня, нет ограничений по оборотам из-за высоких нагрузок на кривошипно-шатунный механизм (мощно)
Из того что я читал раньше не взлетело из-за сложностей управления таким двигателем... но ведь электроника шустро развивается, неужто до сих пор проблему не решили?

нет кривошипношатунного механизма(дешево), нет бокового износа
(долговечно) поршня, нет ограничений по оборотам из-за высоких нагрузок
на кривошипно-шатунный механизм (мощно)

И есть большая разбалансировка если поршень 1, а если 2, то нужно как-то решать вопрос их синхронизации без наличия механической связи.

1)неужели современная электроника не может решить вопрос синхронизации?
2)зачем нам балансировать двигатель одноцилиндровый двигатель? закрепить его на рельсе и пусть там мотыляется по рельсу влево-вправо. А по другим осям всё сбалансировано.

электроника не может решить вопрос синхронизации

Электроника может решить "когда и куда" нужно что-то подвинуть. А вот как это сделать, она уже не поможет.

закрепить его на рельсе и пусть там мотыляется по рельсу влево-вправо

т.к. мы живём не в идеальном мире в одни прекрасный момент этот двигатель на рельсе либо уедет по этому рельсу на расстояние большее чем провод который с него забирает эл-во, либо упрётся в конец этого рельса и начнёт "долбить" по стенкам коробки в которой он расположен. Есть такой предмет в инженерных вузах, ТММ (теория машин и механизмов) на нём как раз учат такие вещи рассчитывать.

Электроника может решить "когда и куда" нужно что-то подвинуть. А вот как это сделать, она уже не поможет.

Электроника может регулировать количество воздуха, топлива, момент зажигания, силу торможения поршня генератором. Этого более чем достаточно чтобы регулировать частоту хода поршня.

т.к. мы живём не в идеальном мире в одни прекрасный момент этот двигатель на рельсе либо уедет по этому рельсу на расстояние большее 

Я думал слабенькая пружина для центрирования двигателя на рельсе настолько сама собой разумеется, что даже не стоит упоминания.

регулировать количество воздуха, топлива, момент зажигания, силу торможения поршня генератором

Это много разных средств воздействия, которые не однородные, сегодня одно топливао, в этом закаулке воздух в котором меньше кислорода и т. д. В теории это конечно возможно, но система получается не менее сложной.

слабенькая пружина для центрирования двигателя

Если она слабенькая, то она ничего не сможте сделать с "болтающимся" поршнем. Пружиной это не ограничится, её сила сопротивления пропорциональная степени сжатия, для "остановки" колебаний этого недостаточно, нужно ещё ставить демпфер, который будет гасить колебания. Но опять же, хороший пример это "простой" ДВС в автомобиле, даже при наличии в нём "балансировки" движения прошней, колебания всёравно часто передаются на корпус. Что уж говорить про систему у которой внутри нет баланса.

В общем сложная очень конструкция получается, в результате пока экономическая выгода такого двигателя не делает его эффективнее чем КШМ.

Это много разных средств воздействия, которые не однородные, сегодня одно топливао, в этом закаулке воздух в котором меньше кислорода и т. д. В теории это конечно возможно, но система получается не менее сложной.

вы можете выбрать что-то одно.
топливо и воздух меняются одинаково для разных цилиндров.

Если она слабенькая, то она ничего не сможте сделать с "болтающимся" поршнем. 

А она ничего и не должна сделать с болтанием.
она должна сделать так, чтобы двигатель болтался около средней точки

Но опять же, хороший пример это "простой" ДВС в автомобиле, даже при наличии в нём "балансировки" движения прошней, колебания всёравно часто передаются на корпус. 

вот рельса и нужна чтобы не передавалось. В отличии от классического ДВС нам нужно не передавать колебания только в одном направлении. в 2-х других колебаний нет.

Это много разных средств воздействия, которые не однородные, сегодня одно топливао, в этом закаулке воздух в котором меньше кислорода и т. д.

Уже несколько десятилетий существуют контроллеры инжекторных двигателей, которые умеют автоматически, на ходу, корректировать состав смеси, угол опережения зажигания и т.д.

Вполне нормально обстоят дела кстати (дела с линейными электрическими генераторами). Да, всё верно пишут комментаторы, что сложность регулирования и т.д.- но это всё уже давным давно решено, еще в "докомпьютерную" эпоху.

Пруфы с кучей конструкций:

https://www.freikolben.ch/basics-de.shtml
https://www.freikolben.ch/lineargeneratoren.shtml

Тойота вроде хотела такой двигатель встраивать в подпол машины (как у Теслы - батарея. Только тут - двигатель). Он очень оборотистый, надежный. Количество выхлопов его таково, что он используется для вращения турбин электрических.

Например, таким способом запитываются расположенные далеко от жилья людей, находящиеся далеко в тайге - промежуточные компрессорные станции, которые поддерживают давление газа в магистральных газопроводах. То есть - чуток газа отбирают из трубы и на нём работает линейный газогенератор, выхлоп которого крутит турбину и питает оборудование станции.

в примерах не видно как решили вопрос вибрации, а в одном примере его точно не решили.
С газогенератором не понял. Зачем там линейный двигатель если там всё равно турбина стоит? чем ГТД не устраивает? Или у линейного КПД больше? А выхлоп используют как бесплатную добавку.

Насчет КПД, к сожалению, ничего не могу сказать - не знаю. Но вот о таком интересном применении - читал (в качестве газогенератора).

У меня в универе в ВКР была часть с проектированием линейного привода станка. Как раз использовал линейный двигатель. Подробностей не вспомню, но линейный я тогда не выбрал, так как на больших длинах есть проблема с провисанием стержня. Её пытаются решить компромисными путями, размыкают цилиндр и делают П образные катушки. А ещё с плоскими двигателями есть проблема, с тем, что две части пытаются оттолкнуться друг от друга.

а что с ценами? все что гуглится "цена по запросу" вроде это = дорого)

Вот моя разработка такого двигателя от расчётов до разработки ПО по векторном управлению.

https://youtube.com/shorts/C_YTRQ453vM?feature=share

Идея была сделать активную эл.магнитную подвеску в автомобиль.

А это опытный образец по мощности 1:5

Интересует также идея электромагнитной подвески. У вас в двигателе используются постоянные магниты или линейный асинхронный двигатель? За счёт магнитов вибрация не появляется (cogging) ?

Постоянные магниты. Это bldc двигатель. Cogging присутствует, но в работе он может быть устранен программно.

Спасибо! В моём проекте основная цель - демпфирование/устранение вибраций (без регулировки крена и высокоамплитудных воздействий, двигатель работает параллельно с пассивной стойкой) На данном этапе разрабатываю конструкцию двигателя и не хотелось бы добавлять собственные вибрации из-за cogging.

Хочу у вас поинтересоваться ещё насчёт использования асинхронного линейного двигателя , вы не рассматривали такой тип двигателя?

По соотношениям: развиваемое усилие/габариты, кпд/габариты линейный bldc выигрывает ?

Местами ерунда написана. Вот плоский двигатель без сердечника.

А вот цилиндрический с сердечниками.

Важно понимать что наличие сердечника значительно повышает максимальный момент привода в тех же габаритах (за счёт многократного уменьшения магнитного зазора и кратного увеличения индукции), но создаёт "зубчатый" эффект (неравномерность момента) и дополнительные потери на перемагничивание. А влияние токов фуко при использовании пластинчатых сердечников вообще незначительно.

Алюминиевая прокладка в вашем примере нужна не для облегчения веса, а собственно это зазор через который и выходит магнитное поле.

И абсолютно не поднята проблема "концевых" эффектов, которые отсутствуют в классических двигателях, но сильно портят равномерность момента в линейных двигателях.

В приложениях где требуется большой момент (ЧПУ металлообрабатывающие станки и т.д.) двигатель получается сильно дороже обычного двигателя + ШВП, больше по габаритам.

больше всего подходит для мышц роботов )

"линейные двигатели" трудно назвать двигателем, но технология интересна хотя бы тем, что с помощью линейных ускорителей можно выводить шатлы на орбиту. Понадобится большая (вакуумная) труба, но это может быть круче чем SpaceX и экономически вполне оправданно. Такой себе - "трамвайчик в космос" :)

Вы вес этой "трубы" посчитайте

Зарегистрируйтесь на Хабре , чтобы оставить комментарий