Tendence vývoje v oblasti průmyslových elektrických lineárních pohonů (2)

Tendence vývoje v oblasti průmyslových elektrických lineárních pohonů (2)

Ing. Ota Roubíček, DrSc.,
MECHATRONIKA Praha

Originální, i když ne právě typické použití stejnosměrné lineární techniky je patrné z obr. 11. Stejnosměrný lineární aktuátor (součást technického zařízení umožňující způsobit změny v okolním postředí, např. „ruka„ robota – pozn. red.) v podvozku trakčního kolejového vozidla zvětšuje svým vertikálním silovým působením součinitel adheze za deštivého počasí. V experimentu jeho pokles pod 0,15 znamenal zmenšení tažné síly o asi 45 %, zatímco při působení aktuátoru tato klesla pouze o 20 %. Vertikální tah aktuátoru je na rychlosti téměř nezávislý (pokles z 50 na 40 kN při 20 m·s^–1). Brzdná tažná síla kolmá na směr pohybu je o 2 řády menší a roste přibližně lineárně s rychlostí (na 0,5 kN při 20 m·s^–1).

Na obr. 12 je znázorněn princip piezoelektrického lineárního motorku s povrchovou suvnou mechanickou vlnou akustické frekvence. Výhodnější je konstrukce motorku s krátkým statorem a dlouhým běžcem, umožňující prodlužování dráhy. Dobrý přenos pohybu z povrchu statoru na běžec zajišťuje dostatečné tření, vyvozované přídavným zatížením běžce. Pokusný motorek se statorem z LiNbO₃ piezoelektrického materiálu rozměrů 15 × 60 × 1 mm byl opatřen silikonovým běžcem délky 145 mm, pneumaticky zatíženým silou až 270 N a vedeným proti statoru mechanickým lineárním vedením. Motorek při délce dráhy okolo 100 mm vykazoval tažnou sílu až 23 N, rychlost do 160 mm·s^–1 a nejmenší délku kroku 10 nm.

Tažnou sílu piezoelektrického lineárního mikropohonu je možné zvětšovat použitím několika shodných sestav stator – běžec na jednom zařízení (viz příklad na obr. 13).

Zmínku o bezkontaktním vedení v odstavci 2.1.1 lze doplnit ukázkou konkrétního řešení pro kabinu výtahu (obr. 14). Funkci složité kladkové vodicí jednotky se sklony k hluku a vibracím nahradí magnetický obvod tvaru E s permanentními magnety a korekčními cívkami, napájenými z rychlého dvoupolohového regulátoru proudu. Vzduchové mezery se pohybují v řádu několika milimetrů a jsou měřeny snímačem délky v měřicím členu regulátoru.

Elektromagnetický závěs se úspěšně vyvíjí mj. též pro šetrnou dopravu tabulí plechů tloušťky 0,3 až 1,4 mm (např. pro výrobu karoserií aut), při níž nehrozí nebezpečí vzniku povrchových trhlin nebo prasklin. Dobré stability závěsu a potlačení parazitních pohybů dopravovaných plechů (kmitání, ohýbání, kroucení atd.) se dosahuje umístěním několika skupin hlavních a korekčních závěsných elektromagnetů nad plochou tabule (obr. 15). Automatická regulace pevné žádané vzduchové mezery pod hlavním elektromagnetem každé skupiny se doplňuje vlečnou regulací vzduchové mezery pod korekčními elektromagnety se signálem skutečné mezery pod hlavním elektromagnetem jako žádanou hodnotou vlečné regulace. Vzduchové mezery a jejich odchylky při působení regulačních poruch (např. vnějších sil) se pohybují v řádu jednotek milimetrů.

2.2 Lineární pohony s kmitavým pohybem
Rovněž zde se obor téměř výlučně orientuje na kmitavé synchronní lineární motory s permanentními magnety vesměs typu Nd-Fe-B. Také zde je možné k výpočtům využívat účelově přizpůsobenou, až trojrozměrnou metodiku konečných prvků. Dále, jelikož přenos elektrické energie do pracovního procesu zařízení s kmitavým pohybem je fyzikálně podstatně složitější než u jiných druhů lineárních pohonů, se v tomto případě věnuje mnohem více pozornosti systémovým syntézám celých automaticky regulovaných elektro-mechanicko-technologických soustav. Jde o dynamicky kompenzované (mechanicky laděné) systémy z oblasti průmyslové vibrační a podobné techniky, chemických zařízení s kmitavým pohybem atd. Příznačné je dlouhodobé opakování prací zaměřených na monoblokové konstrukce pístových strojů, zejména malých bezolejových plynových (chladicích) nebo vzduchových kompresorů s vysokou celkovou účinností a s pokud možno co nejnižší hlučností (např. pro domácnosti, pro ordinace lékařů apod.). Tyto tzv. konstrukce s volně kmitajícím pístem jsou mechanicky velmi jednoduché a nabízejí snadné bezeztrátové řízení výstupního tlaku nebo průtočného množství.

Podotýkáme, že vůbec první taková jednotka s elektronickým řízením chodu byla postavena ve Výzkumném ústavu silnoproudé elektrotechniky (VÚSE) v Praze-Běchovicích již v roce 1978 (a informace o ní poprvé publikovány v roce 1979), a to v rámci tuzemského výzkumu a vývoje průmyslových lineárních pohonů.

Obr. 16. Kmitavý synchronní lineární pohon kompresoru pro chlazení v domácnostech

Konstrukční schéma válcového kmitavého synchronního lineárního motoru, určeného k pohonu pístových plynových kompresorů pro klimatizační zařízení, domácí chladničky apod., a vyvinutý monoblok ekvivalentní monobloku s rotačním indukčním motorem jmenovitého příkonu asi 120 W jsou na obr. 16. Účinnost použitého lineárního motoru dosahuje až 95 % (při normální teplotě) a jeho parametry jsou navrženy tak, aby chod kompresoru nepotřeboval snímač polohy pístu proti dnu válce a na něj navázanou automatickou regulaci (motor sám se chová jako snímač pro svou autoregulaci). To podstatně zvyšuje spolehlivost i cenové předpoklady pro levnou hromadnou výrobu. Kalkulace využití lineárního pohonu v podobných aplikacích naznačují možné úspory energie až o 30 % a při současných systémově pojatých úpravách chladicí části až o 50 %. Životnost diskutované konstrukční koncepce má přesáhnout deset let.

Za ukázku kmitavého synchronního lineárního motoru rotačně symetrické modulární konstrukce, použitého pro monoblok pístového plynového kompresoru kryogenního chlazení s výkonem 75 W a účinností 75 %, může posloužit obr. 17. Amplituda tažné síly modulu je až 140 N a pracovní rezonanční frekvence celé soustavy se třemi moduly se pohybuje okolo 55 Hz. Součástí monobloku s celkovou hmotností asi 9 kg jsou snímač polohy pístu proti dnu válce a snímač výstupního tlaku chladiva, jež jsou použity k automatické regulaci kompresoru. Návazný vývoj směřuje ke zvyšování účinnosti nad 85 %.

Podobné konstrukce motorů, též kvádrového tvaru, se zdvihem do asi 1 cm jsou vyvíjeny i pro malé membránové vzduchové kompresory.

2.3 Bezpřevodové pohony s více stupni mechanické volnosti

2.3.1 Všeobecně
Mezi lineární pohony jsou zařazovány (i když z etymologického hlediska poněkud nelogicky) též pohony s bezpřevodovými motory s více stupni mechanické volnosti. Všechny tyto pohony však mají společný technický znak – bezpřevodové motory s pohybem po nezakřivených geometrických útvarech (přímkách nebo rovinách).

Značná pozornost je věnována rovinným (planárním) pohonům s kompaktními, mechanicky jednoduchými rovinnými motory se dvěma stupni mechanické volnosti pro pohyb v souřadné soustavě x-y. Uplatňují se hlavně jako přesné polohovací jednotky s velmi dobrými dynamickými vlastnostmi např. ve výrobě elektronických součástek nebo jemné mechaniky, v zařízeních pro mikrotechnologie, u některých obráběcích strojů apod.

Motory jsou nejčastěji elektromagnetického typu, založené na aktivním krokovém nebo synchronním principu. I zde se v konstrukcích výrazně uplatňují permanentní magnety typu Nd-Fe-B, popř. též Sm-Co. Na rozdíl od dřívějších konstrukčních koncepcí bývá reakční část, nesoucí permanentní magnety, pohyblivá, takže odpadají problémy s přívody. Vinutím se opatřuje pevná akční část. Vedení akční části proti reakční části zajišťuje dvouosá soustava lineárních uložení nebo bezdotykové (pneumatické apod.) uložení. To však většinou vyžaduje, aby povrch reakční části ve vzduchové mezeře byl hladký.

Z důvodů obdobných těm, které byly zmíněny v odstavci 2.1, jsou i u rovinných synchronních motorů vytvářeny konstrukce s akční částí bez feromagnetika.

K výpočtům elektromagnetických obvodů rovinných motorů se používá též příslušně modifikovaná metodika konečných prvků, včetně trojrozměrné verze.

Méně obvyklé piezoelektrické motorky bývají píďalkového typu. V rovině pohybu umožňují i rotaci a jsou vhodné zejména k aplikacím s nejjemnějším nastavováním polohy.

Pro řízení rovinných pohonů, především k přesnému a dynamicky kvalitnímu polohování v rovině, u krokových verzí často přímému, se navrhují systémy s počítačem úrovně PC. Při řízení s uzavřenou polohovou smyčkou přichází v úvahu též laserové odměřování jednotlivých souřadnic, jež má význam hlavně u rovinných motorů s pneumatickým či jiným bezkontaktním uložením pohyblivé části.

2.3.2 Některé zajímavé případy
Krokový rovinný motor s válcovými póly místo klasických drážek ukazuje obr. 18. Póly akční části jsou uspořádány do trojúhelníkové mříže podle šesti paprsků se středem ve středu akční části. Paprsky mezi sebou svírají úhel 60°. Každý z pólů se napájí impulsy z kombinačního spínače, řízeného počítačem. Póly reakční, pohyblivé části tvoří malý počet permanentních magnetů. Ty jsou osazeny s malým přesahem, zajišťujícím vznik přestavné tažné síly (obdobně jako u drážkovaných provedení). Ověřovaný šestnáctifázový model s dráhou několika centimetrů ve směru obou os a s tažnou silou do 20 N měl na akční části 64 pólů Ć15 × 15 mm, na pohyblivé reakční části devět pólů Ć 15 × 5 (permanentní magnety Sm-Co) a vzduchovou mezeru 0,5 mm. Základní délku kroku 6,67 mm/impuls lze elektronicky dělit až na deset dílů při rychlosti od 2 mm·s^–1 do 0,2 m·s^–1.

Popsané uspořádání s válcovými póly je možné realizovat i na nerovinných plochách. Využívá se ve stavbě kulového (sférického) krokového motoru (obr. 19), umožňujícího pohyb a polohování po kulové ploše (včetně rotace). Obvodová tažná síla současných provedení je řádu až desítek newtonů.

Mikropohon, pro jehož krokový rovinný motorek byla vyvinuta speciální technologie, je uvažován v posuvech a polohování pro mikrotechnologie. Silikonová akční část tloušťky několika mikrometrů má po povrchu rozměru 20 × 20 mm pravidelně rozmístěno 36 (8 × 8) plochých malých cívek, každou z deseti závitů plochého měděného vodiče 0,1 mm × 3 µm s polyamidovou izolací. Reakční (pohyblivou) částí je tenká permalloyová (magneticky měkká slitina železa a niklu, popř. s přídavkem jiných kovů – pozn. red.) destička o rozměru 0,1 × 8,5 × 8,5 mm se čtyřmi permanentními magnety 1,5 × 1,5 mm v rozích. Její hmotnost činí 0,152 g. Základní délka kroku je asi 1,7 mm a při počítačovém řízení ji lze dělit. Tažná síla nepřekročí řád 10^–3 N a dráha ve směru každé z obou os nepřekroční několik milimetrů. Optimální rychlost je 75 mm·s^–1. Vedení akční části proti reakční části zajišťuje poháněný mikromechanismus. Dráhu lze odměřovat laserovými snímači s mezní chybou 10 µm.

Suvná magnetická pole ve směru každé ze souřadnic má synchronní rovinný motor s akční částí bez feromagnetika uvažovaný s jednostrannou (obr. 20) či oboustrannou pohyblivou reakční částí. Trojfázová vinutí akční části pro směry obou souřadnic jsou napájena z měničů frekvence napětími nebo proudy různé velikosti i frekvence (jednotky až desítky hertzů). Pohyblivá reakční část je opatřena dvěma permanentními magnety kruhového průřezu. Spojnice jejich středů je vychýlena o 45° proti přímým úsekům cívek vinutí. Mechanická vzduchová mezera činí 1 mm. Dosažitelná tažná síla se pohybuje od jednotek do desítek newtonů.

Pohyb se třemi stupni mechanické volnosti (posuv ve směru souřadných os x a y a rotace kolem osy kolmé k rovině posuvu) umožňuje uspořádání piezoelektrického píďalkového motorku s běžcem podle obr. 21, jenž se pohybuje po desce z uhlíkové oceli. Pohyb se vyvolává řízením s různými kombinacemi současného prodlužování piezoelektrických jednotek a zapínání či vypínání fixačních sil tření (elektromagnety pro přítah). Motorek s běžcem rozměrů 38 × 66 × 16 mm, o hmotnosti asi 40 g (piezoelektrické hranolky 5 × 5 × 20 mm s roztažností 11,6 µm/100 V a fixační elektromagnety 9 × 10 × 14 mm hmotnosti okolo 4,5 g) a pracující s mezní frekvencí 7 kHz vykoná krok až 8,8 µm/cyklus, fixační třecí síla je 1,4 N. K indikaci polohy běžce pro počítačové řízení je určen snímač na bázi vířivých proudů.

3. Závěr

V předložené přehledové práci bylo poukázáno na hlavní směry rozvoje průmyslové lineární pohonné techniky, jejíž aplikace nabývají s postupem doby stále většího významu [3]. Že některé z fyzikálních principů uplatňovaných při jejím vývoji vedou již dnes k projektům zařízení připomínajících spíše obrazy z oblasti sci-fi, dokládá např. obr. 22. Znázorňuje schéma levitovaného závěsu pro výtah na nízkou zemskou orbitu, jenž je tvořen supravodivým kabelem se supravodičem typu Nb-Ti [6]. Levitační síly vytváří proud kabelu, zemské magnetické pole a vlastní magnetické pole smyčky závěsu, jehož rovina musí být orientována ve směru západ-východ. Poloměr R nosných oblouků 2 a 4, a tedy i vzdálenost přímého manipulačního úseku 3 délky L od zemského povrchu s kotvicí částí 1 délky L + 2R, může dosahovat při proudu I okolo 15 MA až asi 200 km. Výtahem s lineárním (popř. jiným) pohonem lze na manipulační úsek dopravovat různá tělesa, která odtud mohou být raketovým, elektromagnetickým nebo kombinovaným pohonem urychlena na orbitální či vyšší rychlost výhodněji, energeticky a ekologicky mnohem šetrněji než přímo ze zemského povrchu (např. hustota atmosféry je zde na úrovni dobrého pozemského vakua). Při intenzivním využívání výtahu a při předpokládané měrné ceně transportu okolo 30 USD/kg by se měl projekt 200km výtahu amortizovat po přibližně deseti letech.

K podrobnějšímu přiblížení těch skutečností z oblasti rozvoje průmyslových lineárních pohonů, které jsou významné nebo zajímavé pro tuzemskou praxi, se bude možné dostat v některých z příštích čísel ELEKTRO.