От лифтов до хирургических роботов: ученые Пермского Политеха уменьшили размер и повысили эффективность линейного двигателя
Для движения электрического транспорта, лифтов высотных зданий, насосов, работы станков, медицинских томографов и хирургических роботов используются линейные двигатели. Они обеспечивают точность, скорость и надежность работы. Однако существующие конструкции нередко сталкиваются с проблемами: высокое напряжение, сложность изготовления и перегрев приводят к низкой эффективности, риску короткого замыкания и остановки оборудования. Ученые Пермского Политеха модернизировали линейный двигатель: уменьшили его размер, снизили напряжение и упростили производство, что особенно важно для мембранных насосов, которые используются в самых различных сферах – например, в системах кондиционирования для подачи топлива в двигателях, перекачки сточных вод и создания давления в дыхательных медицинских аппаратах.
Фото: Simon Kadula, Unsplash
Статья опубликована в журнале «Russian Electrical Engineering», том 95, №11, 2024. Проект выполнен при поддержке Федерального государственного бюджетного учреждения «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Фонд содействия инновациям), договор № 4790ГС1/80304 от 23.11.2022.
Линейные двигатели — это устройства, которые преобразуют электрическую энергию в движение без дополнительных механических передач, что повышает надежность и снижает износ составляющих. Они используются в лифтах, заводских станках, электронике и некотором медицинском оборудовании. Их конструкция состоит из неподвижной части (статор – корпус с магнитами или катушками) и подвижного элемента (ротор). Когда на катушки подается ток, создается магнитное поле, которое «бежит» подобно волне, а ротор «догоняет» его, двигаясь по прямой линии. Таким образом создается не вращение, как в обычных электродвигателях, а прямолинейное движение. Это позволяет механизму работать быстрее при меньшем износе.
Для небольших систем, где важна точность позиционирования – в мембранных насосах, вентилях, клапанах, затворах, хирургических роботах и топливных системах автомобилей – используется одна из разновидностей линейных двигателей – короткоходовые. Это «рабочие лошадки» для задач, где важны скорость, точность и миниатюрность – например, в современной микроэлектронике, медицине и высокоточном производстве.
Однако при существующем методе проектирования для равномерного длительного движения такого механизма требуется большее напряжение и меньший ток, а крупные габариты усложняют изготовление. Это ограничивает их применение в компактных устройствах, таких как мембранные насосы, которые используются во многих областях – от нефтегазовой отрасли до водоочистки и медицины.
Ученые Пермского Политеха разработали схему модернизации короткоходового линейного двигателя, которая позволит устранить эти недостатки, сделав его более компактным и надежным.
— Мы поменяли режим работы машины, что привело к изменению методики расчета. Благодаря этому габариты устройства стали меньше, само оно легче, и производство стало проще — теперь его части помещаются на небольшие токарные станки. Замена внешних подшипников на внутренние позволяет поддерживать воздушный зазор по всей длине, а установка мощных магнитов — отказаться от питания движимого штока, – комментирует Денис Опарин, старший преподаватель кафедры «Электротехника и электромеханика» ПНИПУ.
Уменьшение размеров двигателя позволяет использовать удобные крепления и не делать внутренние системы жидкостного охлаждения, ограничившись только внешними вентиляторами.
Двигатель с новой конструкцией прошел серию тестов в программе для моделирования Ansys Maxwell, где проверялась его работоспособность при различных условиях. Был создан прототип, где измерялись его максимальное усилие, ускорение и нагрев. Результаты показали увеличение силы тяги, лучшее позиционирование и стабильное функционирование даже при повышенных нагрузках. Так, максимальная сила двигателя (если кратковременно увеличить ток) составляет 50 кг, в то время как обычная рабочая сила — 41.21 кг. Он не перегревается: стабильная температура равна 51°C. При резком старте двигатель кратковременно совершает «рывок силы» на 2250 Ватт.
Модернизированный линейный двигатель с коротким ходом демонстрирует значительный прогресс в области компактных и эффективных приводов. Его улучшенные характеристики открывают новые возможности для применения в промышленности, медицине и робототехнике.
