Motore lineare - Linear motor

Schema a corpo libero di un motore lineare sincrono a canale U. La vista è perpendicolare all'asse del canale. Le due bobine al centro sono collegate meccanicamente, e sono eccitate in " quadratura " (cioè uno sfasamento di 90° (π/2 radianti ) tra il flusso dei magneti e il flusso delle bobine). Le bobine inferiore e superiore in questo caso particolare hanno una differenza di fase di 90°, rendendolo un motore bifase. (Non in scala)
I motori lineari sincroni sono versioni raddrizzate dei motori a rotore a magneti permanenti

Un motore lineare è un motore elettrico che ha avuto il suo statore e rotore "srotolati" quindi invece di produrre una coppia ( rotazione ) produce una forza lineare lungo la sua lunghezza. Tuttavia, i motori lineari non sono necessariamente diritti. Caratteristicamente, la sezione attiva di un motore lineare ha delle estremità, mentre i motori più convenzionali sono disposti ad anello continuo.

Una tipica modalità di funzionamento è come un attuatore di tipo Lorentz , in cui la forza applicata è linearmente proporzionale alla corrente e al campo magnetico .

I motori lineari si trovano di gran lunga più comunemente nelle applicazioni di ingegneria ad alta precisione. È un fiorente campo di ricerca applicata con conferenze scientifiche dedicate e libri di testo di ingegneria.

Sono stati proposti molti progetti per i motori lineari, che rientrano in due categorie principali, motori lineari a bassa accelerazione e ad alta accelerazione. I motori lineari a bassa accelerazione sono adatti per i treni Maglev e altre applicazioni di trasporto a terra. I motori lineari ad alta accelerazione sono normalmente piuttosto corti e sono progettati per accelerare un oggetto a una velocità molto elevata, ad esempio vedere il coilgun .

I motori lineari ad alta accelerazione sono tipicamente utilizzati negli studi sulle collisioni iperveloci , come armi o come motori di massa per la propulsione di veicoli spaziali . Di solito sono del design del motore a induzione lineare CA (LIM) con un avvolgimento trifase attivo su un lato del traferro e una piastra conduttrice passiva sull'altro lato. Tuttavia, il railgun del motore lineare omopolare a corrente continua è un altro progetto di motore lineare ad alta accelerazione. I motori a bassa accelerazione, alta velocità e alta potenza sono generalmente del design del motore sincrono lineare (LSM), con un avvolgimento attivo su un lato del traferro e una serie di magneti a poli alternati sull'altro lato. Questi magneti possono essere magneti permanenti o elettromagneti . Il motore del treno Maglev di Shanghai , ad esempio, è un LSM.

tipi

Senza spazzole

I motori lineari brushless sono membri della famiglia dei motori sincroni. Sono tipicamente utilizzati in fasi lineari standard o integrati in sistemi di posizionamento personalizzati ad alte prestazioni . Inventato alla fine degli anni '80 da Anwar Chitayat presso Anorad Corporation, ora Rockwell Automation , ha contribuito a migliorare la produttività e la qualità dei processi di produzione industriale.

Spazzola

I motori lineari a spazzole (elettrici) sono stati utilizzati nelle applicazioni di automazione industriale prima dell'invenzione dei motori lineari Brushless. Rispetto trifase motori brushless, che sono tipicamente utilizzati oggi, motori a spazzola opera con una sola fase. I motori lineari a spazzole hanno un costo inferiore poiché non necessitano di cavi mobili e servoazionamenti trifase. Tuttavia, richiedono una maggiore manutenzione poiché le loro spazzole si consumano.

Sincrono

In questo progetto la velocità di movimento del campo magnetico è controllata, solitamente elettronicamente, per seguire il movimento del rotore. Per ragioni di costo i motori lineari sincroni usano raramente commutatori , quindi il rotore contiene spesso magneti permanenti o ferro dolce . Gli esempi includono coilgun e motori utilizzati su alcuni sistemi maglev , così come molti altri motori lineari. Nell'automazione industriale di alta precisione i motori lineari sono tipicamente configurati con uno statore magnetico e una bobina mobile. Il sensore ad effetto Hall è collegato al rotore per tracciare il flusso magnetico dello statore. La corrente elettrica è tipicamente fornita da un servoazionamento fisso alla bobina mobile da un cavo mobile all'interno di un portacavi .

Induzione

Un tipico motore a induzione lineare trifase. Una piastra di alluminio sulla parte superiore spesso forma il "rotore" secondario.

In questo progetto, la forza è prodotta da un campo magnetico lineare in movimento che agisce sui conduttori nel campo. Qualsiasi conduttore, sia esso una spira, una bobina o semplicemente un pezzo di lamiera, che viene posto in questo campo avrà delle correnti parassite indotte in esso creando così un campo magnetico opposto, secondo la legge di Lenz . I due campi opposti si respingono, creando così movimento mentre il campo magnetico attraversa il metallo.

omopolare

Schema del cannone a rotaia

In questo progetto una grande corrente viene fatta passare attraverso un sabot metallico attraverso contatti striscianti che sono alimentati da due binari. Il campo magnetico che questo genera fa sì che il metallo venga proiettato lungo le rotaie.

Piezoelettrico

Azione del motore piezoelettrico

L'azionamento piezoelettrico viene spesso utilizzato per azionare piccoli motori lineari.

Storia

Questo treno della metropolitana di Guangzhou della linea 6 prodotto da CRRC Sifang e Kawasaki Heavy Industries si spinge utilizzando una striscia di induzione in alluminio posizionata tra le rotaie.

Bassa accelerazione

La storia dei motori elettrici lineari può essere fatta risalire almeno fino al 1840, al lavoro di Charles Wheatstone al King's College di Londra , ma il modello di Wheatstone era troppo inefficiente per essere pratico. Un motore lineare ad induzione fattibile è descritto nel brevetto USA 782.312 (1905 - inventore Alfred Zehden di Francoforte sul Meno), per la guida di treni o ascensori. L'ingegnere tedesco Hermann Kemper costruì un modello funzionante nel 1935. Alla fine degli anni '40, il dottor Eric Laithwaite dell'Università di Manchester , in seguito professore di ingegneria elettrica pesante all'Imperial College di Londra, sviluppò il primo modello funzionante a grandezza naturale. In una versione unilaterale la repulsione magnetica allontana il conduttore dallo statore, facendolo levitare e trascinandolo nella direzione del campo magnetico in movimento. Ha chiamato le versioni successive di esso fiume magnetico .

Un motore lineare per i treni che circolano Toei Ōedo Line

A causa di queste proprietà, i motori lineari sono spesso utilizzati nella propulsione a maglev , come nella linea ferroviaria giapponese a levitazione magnetica Linimo vicino a Nagoya . Tuttavia, i motori lineari sono stati utilizzati in modo indipendente di levitazione magnetica, come nei Bombardier avanzata Rapid Transit sistemi in tutto il mondo e una serie di moderne metropolitane giapponesi, tra cui Tokyo 's Toei Oedo .

Una tecnologia simile è utilizzata anche in alcune montagne russe con modifiche ma, al momento, è ancora poco pratica sui tram che circolano su strada , anche se ciò, in teoria, potrebbe essere fatto seppellendolo in un condotto asolato.

Al di fuori del trasporto pubblico, i motori lineari verticali sono stati proposti come meccanismi di sollevamento nelle miniere profonde e l'uso di motori lineari sta crescendo nelle applicazioni di controllo del movimento . Sono spesso utilizzati anche su porte scorrevoli, come quelle dei tram a pianale ribassato come l' Alstom Citadis e il Socimi Eurotram . Esistono anche motori lineari a doppio asse. Questi dispositivi specializzati sono stati utilizzati per fornire un movimento X - Y diretto per il taglio laser di precisione di tessuti e lamiere, la stesura automatizzata e la formatura di cavi. La maggior parte dei motori lineari in uso sono LIM (motore lineare a induzione) o LSM (motore sincrono lineare). I motori DC lineari non vengono utilizzati a causa dei costi più elevati e l'SRM lineare soffre di una scarsa spinta. Quindi per il lungo periodo in trazione è per lo più preferito LIM e per il breve periodo LSM è per lo più preferito.

Primo piano della superficie piana del conduttore passivo di un motore Sawyer con controllo del movimento

Alta accelerazione

I motori lineari ad alta accelerazione sono stati suggeriti per una serie di usi. Sono stati considerati per l'uso come armi , poiché le attuali munizioni perforanti tendono a consistere in piccoli proiettili con un'energia cinetica molto elevata , per i quali proprio tali motori sono adatti. Molte montagne russe lanciate nei parchi di divertimento ora utilizzano motori a induzione lineare per spingere il treno ad alta velocità, in alternativa all'utilizzo di un ascensore . La Marina degli Stati Uniti utilizza anche motori a induzione lineare nel sistema di lancio di aerei elettromagnetici che sostituirà le tradizionali catapulte a vapore sulle future portaerei. Sono stati anche suggeriti per l'uso nella propulsione di veicoli spaziali . In questo contesto vengono solitamente chiamati driver di massa . Il modo più semplice per utilizzare i driver di massa per la propulsione di veicoli spaziali sarebbe quello di costruire un driver di massa di grandi dimensioni in grado di accelerare il carico fino alla velocità di fuga , sebbene sia stato studiato anche l' assistenza al lancio di RLV come StarTram verso l' orbita terrestre bassa .

I motori lineari ad alta accelerazione sono difficili da progettare per una serie di motivi. Richiedono grandi quantità di energia in brevissimi periodi di tempo. Un progetto di lanciarazzi richiede 300 GJ per ogni lancio nello spazio di meno di un secondo. I normali generatori elettrici non sono progettati per questo tipo di carico, ma possono essere utilizzati metodi di accumulo di energia elettrica a breve termine. I condensatori sono ingombranti e costosi, ma possono fornire grandi quantità di energia rapidamente. I generatori omopolari possono essere utilizzati per convertire molto rapidamente l'energia cinetica di un volano in energia elettrica. I motori lineari ad alta accelerazione richiedono anche campi magnetici molto forti; infatti, i campi magnetici sono spesso troppo forti per consentire l'uso di superconduttori . Tuttavia, con un'attenta progettazione, questo non deve essere un grosso problema.

Sono stati inventati due diversi design di base per i motori lineari ad alta accelerazione: railguns e coilguns .

Utilizzo

I motori lineari sono comunemente usati per azionare apparecchiature di automazione industriale ad alte prestazioni. Il loro vantaggio, a differenza di qualsiasi altro attuatore comunemente usato, come vite a ricircolo di sfere , cinghia di distribuzione o cremagliera e pignone , è che forniscono qualsiasi combinazione di alta precisione, alta velocità, forza elevata e corsa lunga.

I motori lineari sono ampiamente utilizzati. Uno dei principali usi dei motori lineari è per azionare la navetta nei telai .

I motori lineari sono stati utilizzati per porte scorrevoli e vari attuatori simili. Inoltre, sono stati utilizzati per la consegna dei bagagli e anche per il trasporto di materiali sfusi su larga scala.

I motori lineari sono talvolta utilizzati per creare il movimento rotatorio, ad esempio sono stati utilizzati negli osservatori per affrontare l'ampio raggio di curvatura.

I motori lineari possono essere utilizzati anche come alternativa ai tradizionali pendii di sollevamento a catena per le montagne russe. Il coaster Maverick a Cedar Point utilizza uno di questi motori lineari al posto di un ascensore a catena.

Un motore lineare è stato utilizzato per accelerare le auto per i crash test .

Automazione industriale

La combinazione di alta precisione, alta velocità, forza elevata e corsa lunga rende i motori lineari brushless interessanti per il pilotaggio di apparecchiature di automazione industriale. Servono industrie e applicazioni come stepper a semiconduttore , tecnologia elettronica a montaggio superficiale , robot a coordinate cartesiane automobilistiche , fresatura chimica aerospaziale , microscopio elettronico ottico , automazione di laboratori sanitari , pick and place di alimenti e bevande .

Macchine utensili

Gli attuatori per motori lineari sincroni , utilizzati nelle macchine utensili, forniscono elevata forza, alta velocità, alta precisione e elevata rigidità dinamica, con conseguente elevata fluidità di movimento e tempi di assestamento ridotti. Possono raggiungere velocità di 2 m/s e precisioni a livello di micron, con tempi di ciclo brevi e una finitura superficiale liscia.

Propulsione del treno

Rotaie convenzionali

Tutte le seguenti applicazioni sono in rapido transito e hanno la parte attiva del motore nelle vetture.

Metropolitana Bombardier Innovia

Originariamente sviluppato alla fine degli anni '70 dall'UTDC in Canada come sistema di transito a capacità intermedia (ICTS). Una pista di prova è stata costruita a Millhaven, in Ontario , per test approfonditi di auto prototipo, dopo di che sono state costruite tre linee:

ICTS è stata venduta a Bombardier Transportation nel 1991 e in seguito conosciuta come Advanced Rapid Transit (ART) prima di adottare il suo marchio attuale nel 2011. Da allora, sono state effettuate diverse altre installazioni:

Tutti i sistemi Innovia Metro utilizzano l' elettrificazione della terza rotaia .

Metropolitana lineare giapponese

Una delle maggiori sfide affrontate dagli ingegneri ferroviari giapponesi negli anni '70 e '80 sono stati i costi di costruzione sempre crescenti delle metropolitane. In risposta, la Japan Subway Association iniziò a studiare la fattibilità del "mini-metro" per soddisfare la domanda di traffico urbano nel 1979. Nel 1981, la Japan Railway Engineering Association studiò l'uso di motori lineari a induzione per metropolitane di questo tipo di piccolo profilo e dal 1984 stava indagando sulle applicazioni pratiche dei motori lineari per la ferrovia urbana con il Ministero giapponese del Territorio, delle Infrastrutture, dei Trasporti e del Turismo . Nel 1988, una dimostrazione di successo fu fatta con il Limtrain a Saitama e influenzò l'eventuale adozione del motore lineare per la Nagahori Tsurumi-ryokuchi Line a Osaka e la Toei Line 12 (l'attuale Toei Oedo Line ) a Tokyo .

Ad oggi, le seguenti linee della metropolitana in Giappone utilizzano motori lineari e utilizzano linee aeree per la raccolta di energia:

Inoltre, Kawasaki Heavy Industries ha anche esportato la metropolitana lineare nella metropolitana di Guangzhou in Cina; tutte le linee della metropolitana lineare a Guangzhou utilizzano l'elettrificazione della terza ferrovia:

Monorotaia

  • Esiste almeno un sistema monorotaia noto che non è levitato magneticamente, ma utilizza comunque motori lineari. Questa è la monorotaia di Mosca . In origine, dovevano essere utilizzati motori e ruote tradizionali. Tuttavia, è stato scoperto durante le corse di prova che i motori e le ruote proposti non sarebbero riusciti a fornire una trazione adeguata in alcune condizioni, ad esempio quando il ghiaccio appariva sulla rotaia. Quindi, le ruote sono ancora utilizzate, ma i treni utilizzano motori lineari per accelerare e rallentare. Questo è forse l'unico uso di una tale combinazione, a causa della mancanza di tali requisiti per altri sistemi ferroviari.
  • Il TELMAGV è un prototipo di un sistema monorotaia anch'esso non levitato magneticamente ma che utilizza motori lineari.

Levitazione magnetica

La navetta internazionale Maglev di Birmingham
  • Treni ad alta velocità:
    • Transrapid : primo utilizzo commerciale a Shanghai (aperto nel 2004)
    • SCMaglev , in costruzione in Giappone (treno più veloce del mondo, prevista per l'apertura entro il 2027)
  • Transito rapido:

Giostre

Ci sono molte montagne russe in tutto il mondo che utilizzano i LIM per accelerare i veicoli da corsa. Il primo è stato Flight of Fear a Kings Island e Kings Dominion , entrambi aperti nel 1996. Battlestar Galctica: Human VS Cylon e Revenge of the Mummy presso gli Universal Studios di Singapore sono stati aperti nel 2010. Entrambi usano i LIM per accelerare da un certo punto delle giostre. La vendetta della mummia si trova anche presso gli Universal Studios Hollywood e gli Universal Studios Florida . Anche l'incredibile Hulk Coaster e il VelociCoaster di Universal's Islands of Adventure utilizzano motori lineari. Rock 'n' Roller Coaster Starring Aerosmith è stato aperto nel 1999 nei Disney's Hollywood Studios che utilizza un LSM per lanciare i veicoli nel recinto della corsa al coperto con luce nera .

Lancio di aerei

Proposto e ricerca

  • Circuito di lancio : un sistema proposto per il lancio di veicoli nello spazio utilizzando un circuito alimentato da un motore lineare
  • StarTram – Concept per un motore lineare su scala estrema
  • Sistema di catapulta con cavo Tether
  • Aérotrain S44 – Un prototipo di hovertrain per pendolari suburbani
  • Veicolo di prova di ricerca 31 – Un veicolo di tipo hovercraft guidato da un binario
  • Hyperloop - un sistema di trasporto concettuale ad alta velocità proposto dall'imprenditore Elon Musk
  • Ascensore "ThyssenKrupp Elevator: ThyssenKrupp sviluppa il primo sistema di ascensori senza funi al mondo per consentire al settore edile di affrontare le sfide dell'urbanizzazione globale:" . Archiviato dall'originale il 03/03/2016 . Estratto 02-06-2015 .
  • Ascensore "Tecnologia: gli ascensori a motore sincrono lineare diventano realtà" . Archiviato dall'originale il 30/03/2015 . Estratto 02-06-2015 .
  • Magway - un sistema di consegna merci nel Regno Unito in fase di ricerca e sviluppo che mira a consegnare merci in cialde tramite tubazioni di 90 cm di diametro sotto e sopra terra.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno