29 января 2017г.
Многочисленные исследования и конструкторские разработки линейных электродвигателей для привода различных сельскохозяйственных механизмов [2 – 5, 7] обосновывают целесообразность применения ЛАД. Однако широкого применения они не находят, что объясняется большим многообразием конструкций сельскохозяйственных машин, спецификой проектирования линейного двигателя под конкретную машину, а также осторожным отношением производителей и потребителей сельхозоборудования к новому (для сельского хозяйства) виду электродвигателя.
Линейные двигатели производятся серийно и широко представлены на мировом и российском рынке практически всеми известными производителями сервоприводов и систем управления: Baumueller (BAUMULLER Nurnberg GmbH, Германия), Boschrexroth (Германия), Siemens (Siemens AG, Германия), Dunkermotoren (Германия), Faulhaber (Германия), SEW-Eurodrive (Германия), Rodriguez GmbH (Германия), FANUC Corporation (Япония), Yaskawa (Япония), Mitsubishi electric (Япония), Nippon Pulse Company (NPC, Япония), Orientalmotor (Япония), JMC Hillstone (Япония), Sodick (Япония), Parker Hannifin Corp. (США), Ametec Inc. (США), Baldor (США), Nitek linear motors (Италия), Israel Aerospace Industries (IAI, Израиль), NTI AG (Швейцария), Etel (Швейцария), Motion Сontrol Products Ltd. (Англия), HIWIN Technologies Corp. (Тайвань), PBA Systems (Сингапур), ChangshaEPOCH NC Machine Tool Co., Ltd (Китай), ООО «Рухсервомотор» (Белоруссия).
Широкое развитие электрической сети переменного тока определяет целесообразность применения линейных электродвигателей переменного тока – плоских асинхронных (ЛАД) и синхронных (ЛСД), цилиндрических (ЦЛАД, ЦЛСД), а также конструктивной разновидности ЛАД – дугостаторных асинхронных двигателей (ДАД), применяемых для получения вращательного движении рабочего органа машины с низкой частотой вращения.
Большинство производителей ориентированы на производство плоских ЛСД и ЦЛСД с постоянными магнитами, что объясняется большей однородностью и равномерностью создаваемого тягового усилия, простотой конструкции, приемлемыми энергетическими показателями.
Важными потребительскими свойствами применимо к сельскому хозяйству являются: простота конструкции, ремонта и технического обслуживания, энергоэффективность, надежность, стоимость.
Линейный электродвигатель содержит первичную часть (статор, индуктор) и вторичную часть (бегун, слайдер, ротор), разделенные воздушным зазором. При этом одна из частей совершает линейное перемещение относительно другой (в ДАД цилиндрический ротор вращается внутри дуги статора). Конструкция линейного электродвигателя проста, в ней почти нечему ломаться, т.к. первичный элемент – это сердечник из электротехнической стали с обмоткой переменного тока, а вторичный элемент – стальная рейка с наклеенными под определенным углом (для повышения плавности движения) высокоэнергетическими магнитами из сплава NdFeB. Поскольку подвижная часть линейного двигателя жестко закреплена на рабочем органе машины, то тяговое усилие передается без трения, а, следовательно, без износа элементов двигателя. Это повышает долговечность, сокращает сроки и увеличивает интервалы межсервисного обслуживания, снижает стоимость содержания оборудования.
Принцип работы линейных электродвигателей аналогичен электродвигателям традиционной конструкции, что позволяет применять известные способы регулирования координат электропривода [1, 6].
В [8, 9] рассмотрены варианты повышения энергоэффективности сельскохозяйственного оборудования за счет применения энергоэффективных электродвигателей, а также линейных двигателей. Существующие международные стандарты регламентируют КПД электродвигателей вращательного движения нормальной конструкции и не распространяются на линейные электродвигатели. Вследствие разомкнутой конструкции магнитопровода и сложного протекания энергетических процессов линейные электродвигатели имеют достаточно низкий КПД (0,4…0,8), что далеко от стандартов энергоэффективности. Поэтому повышение энергоэффективности электрооборудования в данном случае возможно только за счет исключения потерь в механических передачах, а также за счет снижения установленной мощности электродвигателя. Следовательно, эффективность применения линейного двигателя тем выше, чем сложнее кинематическая схема заменяемого базового варианта привода. Поэтому даже при высоком КПД приводного двигателя обычной конструкции КПД привода с механическими преобразователями движения будет сопоставим с КПД линейного двигателя. В [10] указано, что требуемая мощность ДАД составляет 0,4…0,9 мощности заменяемого им обычного АД.
На долю эксплуатационных отказов общепромышленных двигателей нормальной конструкции приходится 50% всех отказов, из них: 85% - отказы обмоток статора, 8% - подшипниковый узел, 7% - другое. В конструкции линейных двигателей отсутствуют подшипники, поэтому о надежности линейного электродвигателя можно судить по надежности его обмотки, которая не отличается от обмотки обычного электродвигателя переменного тока.
Основным фактором, определяющим срок службы изоляции обмотки, является тепловое старение, поэтому важным этапом проектирования или выбора электродвигателя для конкретного привода является нагрев в рабочем режиме. Нагрев электродвигателя зависит от многих факторов: режима работы, характера изменения нагрузки, частоты включений, характера протекания переходных процессов. Специфика работы линейных электродвигателей состоит в ограниченных рабочих ходах, а также частых остановках и реверсах. Исключение составляют линейные электродвигатели конвейеров, тяговых транспортных средств, линейные электродвигатели для получения вращательного движения, а также ДАД. Низкий КПД линейных двигателей является следствием значительных электрических потерь и потерь в стали сердечника, ухудшающих тепловой режим.
Следует учитывать также негативное влияние высоких температур в сочетании с высокой влажностью, которая сопровождает многие процессы переработки сельхозпродукции, на постоянные магниты. Срок службы постоянных магнитов составляет 15…30 лет, однако вибрации, склонность к коррозии при повышенной влажности и размагничивание при температурах 150° С и выше (в зависимости от марки) могут уменьшить его до 3..5 лет.
В ЛСД плоской конструкции теплоотвод затруднен и температура в рабочем режиме может достигать 100 °С даже при наличии системы охлаждения.
При воздушной системе охлаждения ЛСД серии SL2 фирмы SEW-Eurodrive [11] ЛСД встраивается в монтажно-охлаждающую платформу (радиатор), а для повышения интенсивности теплоотвода применяется принудительное охлаждение вентиляторами. Область применения ЛСД с вентиляторами ограничена степенью защиты IP54 (пылезащищенное, что соответствует большинству применений в сельском хозяйстве), а без вентиляторов может соответствовать IP65.
Жидкостная система охлаждения (серия 1FN3 фирмы Siemens [12]) эффективнее воздушной, но значительно сложнее, что удорожает ЛСД. Она состоит из первичной части с основным радиатором, дополнительного прецизионного радиатора направленного охлаждения и охлаждающих контуров вторичной части. В качестве охлаждающей жидкости применяется вода с антикоррозионными добавками. Известны конструкции с масляным охлаждением, отличающиеся высокой эффективностью и надежностью. Температура окружающей среды должна находиться в пределах 35 °С. При повышении температуры необходимо снижать тяговое усилие ЛСД, поэтому его величина при жидкостном охлаждении в два раза больше, чем при воздушном.
В случае с ДАД при вращающемся вторичном элементе в виде полого ротора или диска в каждый данный момент в магнитном поле дугового статора находится лишь часть вторичного элемента, ограниченная центральным углом a* дуги, которая выделяет теплоту, равную потерям энергии. Остальная часть вторичного элемента (1-a*), обеспечивает отвод теплоты. При полом цилиндрическом вторичном элементе (роторе) вся его внутренняя поверхность также отводит теплоту. Поэтому суммарная поверхность рассеяния теплоты в этом случае равна 2 - a* [10]. При таком значительном соотношении поверхностей рассеяния теплоты и нагрева можно получать небольшой нагрев ротора (5…20 °С) даже при пятикратной линейной нагрузке по сравнению с нагрузкой эквивалентного АД.
Малый нагрев в рабочем режиме имеют также ЦЛСД. Так, превышение температуры ЦЛСД фирмы Sodick над температурой наружного воздуха в рабочем режиме составляет 2…5 °С.
ЦЛСД имеют ряд преимуществ перед ЛСД плоской конструкции: отсутствие дополнительной системы охлаждения благодаря более эффективной теплоотдаче и отсутствию стального сердечника первичной части, высокая плавность движения из-за отсутствия дополнительных сил притяжения между первичной и вторичной частями, максимальное использование потока постоянных магнитов вследствие симметрии конструкции, что позволяет использовать в 2 раза меньше дорогостоящих постоянных магнитов и снижать стоимость электродвигателя, меньшее энергопотребление, простота монтажа/демонтажа.
Стоимость ЛСД с постоянными магнитами высока из-за использования высокоэнергетических магнитов из сплава NdFeB, дефицит которых наблюдается на мировом рынке редкоземельных материалов.
Список литературы
1. Клюшин А.Е. Разработка нечёткого регулятора для систем вентиляции с переменным расходом воздуха // Труды VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014, т. 1. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2014, с. 220-223.
2. Литвин В.И., Сафонов А.С. Совершенствование электроприводов колебательного движения в условиях АПК // Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. 2006, №1, с.236-237.
3. Мамедов Ф.А., Литвин В.И., Сафонов А.С. Встроенные электромеханические системы непосредственного электропривода // Тракторы и сельхозмашины. № 9, 2010, с. 21-23.
4. Мамедов Ф.А., Литвин В.И., Сафонов А.С. Линейный асинхронный двигатель модульной конструкции в приводе сельскохозяйственных машин // Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. 2007, №3, с. 180.
5. Мамедов Ф.А., Литвин В.И., Сафонов А.С. Хромов Е.В. Линейный электропривод классификатора стебельных кормов // Техника в сельском хозяйстве. № 3, 2010, с.7-8.
6. Онищенко Г.Б. Теория электропривода: Учебник. – М.: ИНФРА-М, 2015. -294 с.
7. Сафонов А.С., Литвин В.И., Мамедов А.Ф. Измельчитель кормов // Патент на изобретение RUS 2168296 01.08.2000. Опубл. в Б. И. 2001. № 16.
8. 8. Сафонов А.С. Основные мероприятия по повышению энергоэффективности электрооборудования АПК // Тракторы и сельхозмашины. № 6, 2014. с. 48-51.
9. Сафонов А.С. Применение энергоэффективных электродвигателей в сельском хозяйстве // Труды II Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки и техники», выпуск II. Россия, г. Самара, 7 апреля 2015. ИЦРОН, 2015. С. 157-159.
10. Фридкин П.А. Безредукторный дугостаторный электропривод. – Л.: Энергия, 1970.
11. 11. http://www.sew-eurodrive.ru/
12. http://www.siemens.com/entry/cc/en/
