Silnik liniowy

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Prototyp silnika liniowego
Nowy Jork – kolej AirTrain JFK. Element silnika liniowego znajduje się w osi toru. Zasilanie pociągów z trzeciej szyny.
Tokiorozjazd na linii Ō-Edo metra Toei. Kolej z silnikiem liniowym. Widoczne zasilanie górne ze sztywnych przewodników.
Szanghaj – kolej Transrapid z wykorzystaniem lewitacji. Elementy silnika liniowego znajdują się na obu skrajach toru.

Silnik liniowysilnik elektryczny generujący ruch postępowy bez użycia przekładni transformujących ruch obrotowy na postępowy. Działa na zasadzie podobnej do silnika obrotowego, w którym stator i rotor zostały rozwinięte do postaci liniowej i odpowiednio przedłużone lub skrócone w celu uzyskania odpowiedniego zakresu ruchu. Idea maszyny powstała z przekształcenia silnika indukcyjnego wirującego przez przecięcie stojana i wirnika wzdłuż powierzchni bocznej walca i rozwinięcie ich na płaszczyźnie.

Podział silników liniowych[edytuj | edytuj kod]

Silniki liniowe dzielą się na:

  • prądu stałego,
  • indukcyjne,
  • synchroniczne, reluktancyjne i krokowe,
  • elektromagnetyczne,
  • o ruchu drgającym.

Rodzaje[edytuj | edytuj kod]

Wyróżniamy kilka rodzajów silników liniowych:

  • jednostronny – część pierwotna oddziałuje na część wtórną tylko z jednej strony,
  • dwustronny – dwie części pierwotne oddziałują na część wtórną z obu jej stron,
  • pojedynczy – o jednej części pierwotnej,
  • podwójny – dwie lub więcej części pierwotnych oddziałują na jedną część wtórną,
  • tubowy – powierzchnia aktywna cylindryczna,
  • płaski – powierzchnie aktywne są płaskie w kształcie prostokąta,
  • pompa liniowa indukcyjna – częścią wtórna jest metal ciekły nieferromagnetyczny.

Budowa[edytuj | edytuj kod]

Silniki elektryczne liniowe są zwykle budowane jako silniki indukcyjne, aczkolwiek istnieje możliwość budowy maszyn liniowych prądu stałego i prądu przemiennego synchronicznych (ich wada to konieczność zasilenia części pierwotnej i wtórnej). Najczęściej spotykanym typem jest indukcyjny silnik trójfazowy, w którym pole jest wytwarzane w części pierwotnej (wzbudniku), a część wtórna z płaską klatką do przepływu prądów wirowych (bieżnik) jest zasilana na zasadzie indukcyjnej.

W silniku wirującym wyróżniamy stojan oraz wirnik, natomiast w silniku liniowym możemy odróżnić:

  • część pierwotną (zasilaną) nazywaną induktorem,
  • część wtórną, w której indukują się prądy wywołane strumieniem magnetycznym wzbudzającym w części pierwotnej (zwana również bieżnikiem).

Induktor jest zbudowany w formie pakietu blach z uzwojeniem trójfazowym.

Bieżnik stanowi ferromagnetyczna warstwa przewodząca (np. szyna aluminiowa), która spełnia rolę klatki.

Silnik liniowy płaski[edytuj | edytuj kod]

Budowa najczęściej wykorzystywanych typów silników liniowych, np. silnik liniowy płaski, Najczęściej są to silniki z jednostronnym lub dwustronnym induktorem. Rdzeń magnetyczny induktora jest wykonany z blach elektrotechnicznych, element przewodzący prąd w części wtórnej może być wykonany z blachy aluminiowej, miedzianej albo tkaniny, której osnowa (w kierunku zgodnym z prędkością stanowią mocne nitki nośna, a wątek (kierunek prostopadły do prędkości) stanowi linka miedziana), rdzeń magnetyczny części wtórnej może być wykonany z płyty żelaznej.

Silnik liniowy tubowy[edytuj | edytuj kod]

Występuje również silnik liniowy tubowy, który powstaje gdy rdzeń stojana i wirnika zostaną rozwinięte do powierzchni płaskich, a potem zwinięte wokół osi przechodzących wzdłuż tych rdzeni. W takim silniku część pierwotną i część wtórną stanowią cylindry ustawione względem siebie współosiowo. Część wtórna jest umieszczona wewnątrz części pierwotnej silnika. Wytworzone w części pierwotnej pole magnetyczne porusza się w kierunku osiowym, pociągając za sobą nieuzwojoną, ferromagnetyczną część wtórną.

Silnik liniowy dwufazowy[edytuj | edytuj kod]

W silnikach tych część ruchomą stanowi induktor złożony z dwóch współpracujących części, pomiędzy którymi znajduje się aluminiowy bieżnik. Cewki o numerach nieparzystych są połączone szeregowo, zasilane napięciem o stałej amplitudzie Cewki o numerach parzystych, też są połączone szeregowo, zasilane napięciem o amplitudzie przesuniętym w fazie o 90°. Otrzymane pole magnetyczne przesuwa się względem induktora z prędkością synchroniczną. Prędkość liniowa nie zależy od ilości par biegunów

Małe silniki są wykonywane z induktorem jednoczęściowym. Bieżnia w nich musi mieć podłoże magnetyczne, po przeciwnej stronie niż induktor oraz szczególnie staranne powinno być łożyskowanie – ze względu na duże siły przyciągania do bieżni.

W silnikach bardzo małej mocy część rozruchową stanowią induktory o wielu kolumnach i induktorach wytwarzających pole, w których przesuwa się aluminiowa lub miedziana płytka.

Zasada działania[edytuj | edytuj kod]

Prąd płynący w uzwojeniach części pierwotnej wytwarza pole magnetyczne wędrujące (gdy umieścimy uzwojenie na obwodzie rdzenia otrzymamy pole magnetyczne wirujące), które oddziałuje z prądem płynącym w części wtórnej,w ten sposób otrzymujemy siłę ciągu przyśpieszającą jedną z części maszyny. Częścią ruchomą może być zarówno induktor, jak i bieżnik.

W ruchu postępowym siła jest odpowiednikiem momentu obrotowego w ruchu obrotowym. Dlatego zamiast momentu elektromagnetycznego określamy wyrażenie na siłę elektromagnetyczną:

lub

gdzie:

– energia elektromagnetyczna [J/],
– zmienna liniowa (zmienna odległość od pewnego punktu stojana),
– moc elektromagnetyczna przeniesiona przez strumień magnetyczny z części pierwotnej do wtórnej [W],
– prędkość synchroniczna pierwszej harmonicznej indukcji.

Wzór uwzględniający moc elektromagnetyczną jest mniej dokładny, ponieważ trudno jest określić rezystancję wewnętrzną obwodu wtórnego.

Prędkość liniowa dla fali indukcji wznieconej przez prąd trójfazowy płynący przez trójfazowe uzwojenie, opisana również jako prędkość synchroniczna wynosi:

gdzie:

– prędkość liniowa [],
– długość podziałki biegunowej silnika [cm],
– częstotliwość napięcia zasilającego [Hz].

Zjawisko poślizgu występuje i jest opisane w tym artykule.

Prędkość silnika liniowego w dużym stopniu zależy od siły obciążenia i różni się od prędkości synchronicznej o wartość poślizgu:

gdzie:

– prędkość silnika liniowego,
– prędkość synchroniczna silnika liniowego,
– poślizg.

Długość podziałki biegunowej silnika:

– średnica maszyny [m],
– liczba par biegunów.

Dzięki podanej wyżej zależności możemy zauważyć, że zmiana podziałki biegunowej, jak i prędkości synchronicznej przy jest tylko możliwa poprzez zmianę liczby biegunów. Gdy wykonamy trójfazowe uzwojenie na płaskim rdzeniu otrzymujemy wtedy pole magnetyczne wędrujące i silnik liniowy płaski. Prędkość synchroniczna liniowa pierwszej harmonicznej tego pola o długości fali równa się i nie zależy już od liczby biegunów, tylko od długości podziałki biegunowej i częstotliwości napięcia zasilania

Równania ruchu[edytuj | edytuj kod]

Przyjmując konwencję, że moc mechaniczna (oddana) jest dodatnia, bilans sił silnika liniowego, dla osi x, ma następującą postać:

gdzie:

– siła elektromagnetyczna,
– siła hamująca zewnętrzna,
– siła tarcia wywołana oporami w prowadnicach silnika,
– siła dynamiczna, powodująca przyspieszenie.

Dla stanu ustalonego

Gdy pominiemy siłę tarcia silnika otrzymujemy:

Siła hamująca jest funkcją prędkości, jej postać zależy od oporów stawianych przez urządzenie napędzane.

W najprostszym przypadku można założyć co odpowiada w silniku wirującym.

Równanie bilansu sił dla osi (ustawionej prostopadle do ):

gdzie:

– siła dynamiczna działająca w kierunku osi ( – prędkość w kierunku osi ),
– siła zewnętrzna działająca w kierunku osi
– siła dynamiczna działająca w kierunku osi

Przy pewnej prędkości, może być słuszna równość:

Występuje wtedy siła odpychania, co powoduje zmniejszenie sił tarcia. Siła odpychania jest równoważona przez siłę ciężkości, silnik może być wtedy unoszony przez powstająca poduszkę magnetyczną, bez stosowania dodatkowych urządzeń.

Zjawisko lewitacji magnetycznej dla silników liniowych[edytuj | edytuj kod]

Zjawisko lewitacji magnetycznej polega na unoszeniu i zawieszeniu w powietrzu ciał ferromagnetycznych lub przewodzących prąd elektryczny za pomocą pola magnetycznego na tzw. poduszce magnetycznej. Do uzyskania poduszki wymagana jest spełnienie warunku prędkości (opisanego w poprzedniej części artykułu), ale można też wykorzystać układy lewitacji elektromagnetycznej lub elektrodynamicznej.

Lewitacja elektromagnetyczna jest to unoszenie ciał ferromagnetycznych przy wykorzystaniu siły elektromagnetycznej do przyciągania magnetycznego.

W układach lewitacji elektromagnetycznej siłą unoszącą pojazd jest siła odpychania zwory stalowej prowadnicy przez elektromagnes zabudowany w pojeździe o regulowanym prądzie. Szczelina powietrzna pomiędzy zworą a elektromagnesem wynosi w praktyce kilka milimetrów.

Siła ta wynosi:

gdzie:

– siła lewitacji,
– pole powierzchni szczeliny powietrznej pod jednym biegunem,
– prąd elektromagnesu,
– liczba zwojów cewki,
– długość szczeliny powietrznej,
– przenikalność magnetyczna próżni.

Lewitacja elektrodynamiczna jest to unoszenie ciał przewodzących prąd elektryczny przy wykorzystaniu sił oddziaływania dynamicznego pola indukcji magnetycznej elektromagnesu lub magnesu stałego na prądy indukowane przez to pole w ciele zawieszonym. W układach lewitacji elektrodynamicznej wykorzystuje się siły odpychania między elektromagnesem zamocowanym w pojeździe a płytą aluminiową (prowadzącą) umieszczoną w torze.

Właściwości[edytuj | edytuj kod]

  • Pole magnetyczne maszyny liniowej ma początek i koniec, nie ma charakteru zamkniętego.
  • Jedna z części maszyny musi mieć długość równą całemu zakresu ruchu.
  • Występuje asymetria magnetyczna (w stojanie zezwoje na początkach i końcach różnych faz mają różne położenie względem elementów krańcowych).
  • Pojawia się niezrównoważenie sił przyciągania magnetycznego części pierwotnej i wtórnej.
  • Maszyna może mieć nieparzystą lub nawet ułamkową liczbę biegunów magnetycznych.
  • Idealnie cicha praca, proste sterowanie.
  • Łatwość tworzenia zespołów o dużej mocy, łączenie kilku silników.
  • Korzystna charakterystyka siły w funkcji prędkości.

Zastosowanie[edytuj | edytuj kod]

Silniki liniowe znajdują zastosowanie między innymi w:

Lista kolei napędzanych silnikiem liniowym[edytuj | edytuj kod]

(z latami otwarcia pierwszych odcinków; bez kolei testowych)

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]