Введение

Линейный двигатель — это электродвигатель, у которого статор и ротор "развернуты", таким образом, вместо создания крутящего момента (вращения) он производит линейную силу вдоль своей длины. Однако линейные двигатели не обязательно имеют прямую форму. Характерно, что активная секция линейного двигателя имеет концы, в то время как более традиционные двигатели организованы в виде непрерывного контура. Типичный режим работы — это привод типа Лоренца, в котором приложенная сила линейно пропорциональна току и магнитному полю. Линейные двигатели наиболее часто используются в высокоточных инженерных приложениях. Существует множество конструкций линейных двигателей, которые можно разделить на две основные категории: линейные двигатели с низким и высоким ускорением. Линейные двигатели с низким ускорением подходят для поездов на магнитной подушке и других наземных транспортных систем. Высокоускорительные линейные двигатели обычно довольно короткие и предназначены для разгона объекта до очень высокой скорости; например, как в электромагнитной пушке (coilgun). Высокоускорительные линейные двигатели обычно используются в исследованиях гиперскоростных столкновений, в качестве оружия или в качестве ускорителей массы для космической тяги. Они обычно представляют собой линейный индукционный двигатель переменного тока (ЛИД) с активной трехфазной обмоткой с одной стороны воздушного зазора и пассивной проводящей пластиной с другой. Однако однополярный линейный двигатель постоянного тока является еще одной конструкцией высокоускорительного линейного двигателя. Двигатели с низким ускорением, высокой скоростью и большой мощностью обычно имеют конструкцию линейного синхронного двигателя (ЛСД) с активной обмоткой с одной стороны воздушного зазора и массивом магнитов с чередующейся полярностью с другой стороны. Эти магниты могут быть постоянными магнитами или электромагнитами. Например, двигатель поезда Шанхайского маглева — это ЛСД.

Без кистей

Линейные безщеточные двигатели относятся к семейству синхронных двигателей. Они обычно используются в стандартных линейных приводах или интегрируются в специализированные высокопроизводительные системы позиционирования. Изобретенные в конце 1980-х годов Анваром Читаятом в компании Anorad Corporation, ныне Rockwell Automation, они способствовали повышению производительности и качества промышленных производственных процессов.

Щетка

Линейные двигатели с щетками (электрические) использовались в приложениях промышленной автоматизации до изобретения безщеточных линейных двигателей. По сравнению с трехфазными бесколлекторными двигателями, которые обычно используются в настоящее время, двигатели с щетками работают от однофазной сети. Линейные двигатели с щетками имеют более низкую стоимость, поскольку не требуют подвижных кабелей или трехфазных сервоприводов. Однако они нуждаются в более частом обслуживании из-за износа щеток.

Синхронные

В этой конструкции скорость движения магнитного поля контролируется, как правило, электронным способом, для синхронизации с движением ротора. В целях снижения стоимости синхронные линейные двигатели редко оснащаются коммутаторами, поэтому ротор часто содержит постоянные магниты или мягкое железо. Примеры включают электромагнитные ускорители (coilguns) и двигатели, используемые в некоторых системах магнитной левитации, а также множество других линейных двигателей. В высокоточной промышленной автоматизации линейные двигатели обычно имеют магнитный статор и подвижную катушку. К ротору прикреплен датчик Холла для отслеживания магнитного потока статора. Электрический ток обычно подается от стационарного сервопривода к подвижной катушке по движущемуся кабелю, расположенному внутри кабельной цепи.

Индукция

В этой конструкции сила создается движущимся линейным магнитным полем, воздействующим на проводники, находящиеся в этом поле. Любой проводник – будь то контур, катушка или просто кусок листового металла – помещенный в это поле, будет содержать индуцированные вихревые токи, которые создадут встречное магнитное поле в соответствии с законом Ленца. Эти два встречных поля будут отталкиваться друг от друга, тем самым создавая движение по мере перемещения магнитного поля через металл.

Гомополярный

В этой конструкции большой ток пропускается через металлический сабот через скользящие контакты, подключенные к двум рельсам. Магнитное поле, которое при этом возникает, приводит к разгону металла вдоль рельсов.

Трубчатый

Эффективная и компактная конструкция для замены пневматических цилиндров.

Пьезоэлектрические

Пьезоэлектрический привод часто используется для управления небольшими линейными двигателями.

Низкое ускорение

История линейных электродвигателей прослеживается как минимум до 1840-х годов, к работам Чарльза Уитстоуна в Королевском колледже Лондона, однако модель Уитстоуна была слишком неэффективной для практического применения. Работоспособный линейный индукционный двигатель был описан в 1905 году изобретателем Альфредом Зехденом из Франкфурта-на-Майне для привода поездов или лифтов. Немецкий инженер Герман Кемпер построил рабочую модель в 1935 году. В конце 1940-х годов доктор Эрик Лейтвейт из Манчестерского университета, впоследствии профессор тяжелой электротехники в Имперском колледже Лондона, разработал первую полноразмерную рабочую модель. В односторонней версии силы магнитного отталкивания удаляют проводник от статора, заставляя его левитировать и перемещаясь в направлении движущегося магнитного поля. Позднее он назвал эти версии «магнитная река». Эти технологии впоследствии были применены в 1984 году в шаттле Air Rail Link, соединяющем аэропорт Бирмингема с прилегающей железнодорожной станцией. Благодаря этим свойствам линейные двигатели часто используются в системах магнитной левитации, как, например, на японской линии поездов с магнитной левитацией Linimo возле Нагои. Однако линейные двигатели применялись и независимо от магнитной левитации, например, в системах метро Bombardier Innovia по всему миру и в ряде современных японских линий метро, включая линию Toei Ōedo в Токио. Аналогичная технология также используется в некоторых американских горках с модификациями, но в настоящее время все еще непрактична для трамваев, работающих на улицах, хотя теоретически это возможно путем прокладки двигателя в специальном канале. Помимо общественного транспорта, вертикальные линейные двигатели предлагаются в качестве подъемных механизмов в глубоких шахтах, а применение линейных двигателей растет в системах управления движением. Они также часто используются в раздвижных дверях, например, у трамваев с низким полом, таких как Alstom Citadis и Socimi Eurotram. Существуют также линейные двигатели с двумя осями. Эти специализированные устройства используются для обеспечения прямого движения по осям X и Y при высокоточной лазерной резке ткани и листового металла, автоматизированном черчении и формовке кабелей. Большинство используемых линейных двигателей – это ЛИД (линейный индукционный двигатель) или ЛСД (линейный синхронный двигатель). Линейные двигатели постоянного тока не используются из-за их более высокой стоимости, а линейные двигатели с реактивным ротором (SRM) страдают от недостаточной тяги. Поэтому для больших расстояний в тяговых системах предпочтительнее ЛИД, а для коротких расстояний – ЛСД.

Высокое ускорение

Высокоускорительные линейные двигатели были предложены для множества применений. Их рассматривали для использования в качестве оружия, поскольку современные бронебойные снаряды, как правило, состоят из небольших снарядов с очень высокой кинетической энергией, для разгона которых такие двигатели вполне подходят. Многие американские горки в парках развлечений теперь используют линейные индукционные двигатели для разгона вагонетки до высокой скорости, в качестве альтернативы подъему на холм. Военно-морской флот США также использует линейные индукционные двигатели в Электромагнитной системе запуска самолетов (EMALS), которая заменит традиционные паровые катапульты на будущих авианосцах. Их также предлагали для использования в космических двигателях. В этом контексте они обычно называются массовыми ускорителями. Самый простой способ использования массовых ускорителей для космической тяги – построить крупный ускоритель, способный разгонять грузы до первой космической скорости, хотя также изучается возможность использования для помощи в запуске многоразовых ракет-носителей (RLV), например, проект StarTram для вывода на низкую околоземную орбиту. Высокоускорительные линейные двигатели сложны в проектировании по ряду причин. Они требуют огромного количества энергии за очень короткий промежуток времени. Один из проектов ракетной установки предусматривает 300 ГДж для каждого запуска менее чем за секунду. Обычные электрические генераторы не рассчитаны на такие нагрузки, но можно использовать методы кратковременного накопления электроэнергии. Конденсаторы громоздки и дороги, но способны быстро выдавать большое количество энергии. Гомополярные генераторы могут быстро преобразовывать кинетическую энергию маховика в электрическую энергию. Высокоускорительные линейные двигатели также требуют очень сильных магнитных полей; более того, эти поля часто настолько сильны, что не позволяют использовать сверхпроводники. Однако при грамотном проектировании это не обязательно будет серьезной проблемой. Для высокоускорительных линейных двигателей были разработаны две основные конструкции: рельсотроны и катушечные двигатели.

Использование

Линейные двигатели обычно используются для привода высокопроизводительного промышленного автоматизированного оборудования. Их преимущество, в отличие от любого другого распространенного привода, такого как шариковый винт, зубчатый ремень или реечная передача, заключается в том, что они обеспечивают любую комбинацию высокой точности, высокой скорости, большой силы и большого хода. Линейные двигатели широко применяются. Одно из основных применений линейных двигателей – для перемещения шаттла в ткацких станках. Линейные двигатели использовались для раздвижных дверей и различных подобных приводов. Они применялись для обработки багажа и даже для транспортировки больших объемов сыпучих материалов. Линейные двигатели иногда используются для создания вращательного движения. Например, они использовались в обсерваториях для работы с большими радиусами кривизны. Линейные двигатели также могут использоваться как альтернатива традиционным цепным подъемам для американских горок. На американских горках "Маверик" в парке "Сидар-Пойнт" один из таких линейных двигателей используется вместо цепного подъемника. Линейный двигатель использовался для разгона автомобилей при краш-тестах.

Промышленная автоматизация

Сочетание высокой точности, высокой скорости, большой силы и большого хода делает бесщеточные линейные двигатели привлекательными для привода промышленного оборудования автоматизации. Они применяются в таких отраслях и сферах, как полупроводниковые шаговые двигатели, технология поверхностного монтажа в электронике, автомобильные роботы с декартовой системой координат, аэрокосмическое химическое травление, электронные микроскопы для оптики, автоматизация медицинских лабораторий, а также системы захвата и размещения в пищевой и напитковой промышленности.

Машины-инструменты

Синхронные линейные двигатели, применяемые в станках, обеспечивают высокую силу, высокую скорость, высокую точность и высокую динамическую жесткость, что обеспечивает плавность движения и короткое время установления. Они способны достигать скорости до 2 м/с и точности в уровне микрон, с коротким временем цикла и гладкой обработкой поверхности.

Обычные рельсы

Все следующие применения относятся к рельсовому транспорту и имеют активную часть двигателя в вагонах.

Монорельсовая

Существует по крайней мере одна известная монорельсовая система, не использующая магнитную левитацию, но тем не менее применяющая линейные двигатели. Это Московский монорельс. Изначально планировалось использовать традиционные двигатели и колеса. Однако в ходе тестовых прогонов было обнаружено, что предложенные двигатели и колеса не обеспечивают достаточного сцепления в определенных условиях, например, при образовании льда на рельсе. Поэтому колеса по-прежнему используются, но для разгона и торможения поезда применяются линейные двигатели. Вероятно, это единственное в своем роде сочетание, обусловленное отсутствием подобных требований к другим железнодорожным системам. TELMAGV – это прототип монорельсовой системы, также не использующей магнитную левитацию, но применяющей линейные двигатели.

Веселые аттракционы

Во всем мире существует множество американских горок, использующих LIM для разгона вагонеток. Первыми стали "Flight of Fear" в парках Kings Island и Kings Dominion, открытые в 1996 году. "Battlestar Galactica: Human VS Cylon" и "Revenge of the Mummy" в Universal Studios Singapore открылись в 2010 году. Обе используют LIM для разгона в определенных точках трассы. "Revenge of the Mummy" также находится в Universal Studios Hollywood и Universal Studios Florida. Костеры "The Incredible Hulk Coaster" и "VelociCoaster" в Universal Islands of Adventure также используют линейные двигатели. В Walt Disney World, "Rock 'n' Roller Coaster Starring Aerosmith" в Disney's Hollywood Studios и "Guardians of the Galaxy: Cosmic Rewind" в Epcot используют LSM для запуска вагонеток в закрытые участки трассы. В 2023 году гидравлическая стартовая горка "Top Thrill Dragster" в Cedar Point (Огайо, США) была реконструирована, а гидравлический старт заменен более слабой многоступенчатой системой запуска с использованием LSM, создающей меньшую перегрузку.