Stanowisko do testowania silników liniowych: Siła ciągu, Falowanie prędkości, i weryfikacja dokładności pozycjonowania

Silniki liniowe stanowią inny problem testowy

Silniki liniowe przekształcają energię elektryczną bezpośrednio w siłę translacyjną bez pośredniego mechanizmu w postaci skrzyni biegów, pasek, lub śruba kulowa. Ta elegancja napędu bezpośredniego – wysoka dynamika, zerowy luz, długa żywotność — oznacza również brak mechanicznego filtrowania tętnienia siły. Każde drżenie, każdą harmoniczną prądu, każda nieregularność skoku szczeliny objawia się bezpośrednio jako zaburzenie w obciążeniu. Dla stopnia płytki półprzewodnikowej, który musi być ustawiony na ±10 nm, lub obrabiarkę, która musi utrzymywać wykończenie powierzchni poniżej Ra 0.2 um, Dlatego testowanie silników liniowych jest w równym stopniu zadaniem z zakresu metrologii precyzyjnej, co charakterystyką maszyn elektrycznych.

W tym przewodniku omówiono główne elementy badań liniowych silników z magnesami trwałymi (LPM), specyficzne wyzwania związane z oprzyrządowaniem, oraz w jaki sposób wyniki testów wpływają na decyzje projektowe w zastosowaniach o wysokiej wydajności.

Krajobraz technologii silników liniowych

W zastosowaniach przemysłowych i transportowych najczęściej pojawiają się trzy rodziny:

• LPM z żelaznym rdzeniem szczelinowym (Kanał U lub łóżko płaskie): Wysoka gęstość ciągu; wyraźna siła nacisku. Stosowany w obrabiarkach, systemy bramowe, prasy krawędziowe.
• Bez szczelin (Siłownik powietrzny lub bezżelazny): Prawie zerowe uzębienie; mniejsza gęstość ciągu; bardzo niska masa ruchoma. Dominuje w litografii półprzewodnikowej, etapy metrologii, i wybierz i umieść.
• Rurowy silnik liniowy: Symetryczna ścieżka strumienia; zwarty przekrój; stosowane przy formowaniu wtryskowym, opakowanie, i moduły transportu liniowego.

Czwartą pojawiającą się kategorią są silniki liniowe z długim stojanem stosowane w systemach szyn magnetycznych (MAGLEV, koncepcje Hyperloopa), gdzie stojan może mieć długość kilometrów, a wyzwanie testowe sprowadza się do charakteryzacji na poziomie pojazdu, a nie do testowania podzespołów.

Podstawowe elementy testowe

1. Szczytowa i ciągła siła ciągu

Podstawowym parametrem ocenianym jest ciąg. Stanowisko testowe ogranicza siłę (część ruchoma) w kierunku jazdy, mierząc wytwarzaną siłę za pomocą czujnika wagowego. Dla bezżelaznych siłowników, szczytowy ciąg jest zwykle 2–4 razy większy od ciągłego (ograniczone termicznie) ocena. Do siłowników z rdzeniem żelaznym, szczytowy ciąg może osiągnąć 3–6 × ciągły. Siłę mierzy się na siatce amplitud prądu i kątów fazowych (d-q bieżąca przestrzeń), wytwarzając siłę ciągu w stosunku do prądu (F-I) mapa definiująca stałą siły (kF, w nie dotyczy) i jego zmiany wraz z nasyceniem prądu.

Kluczowe wskaźniki: siła stała liniowość ±2% do 80% prądu szczytowego; szczytowy ciąg wewnątrz 5% celu projektowego; ciągły ciąg przy znamionowej temperaturze uzwojenia w granicach 3%.

2. Siła zębata i zatrzymująca

Siła zaczepienia (pozbawiony napięcia, okresowe z podziałką szczelinową) jest dominującym zaburzeniem w maszynach z rdzeniem żelaznym. Ławka porusza siłownikiem ze stałą, małą prędkością (1–5 mm/s) w stanie pozbawionym napięcia i mierzy siłę za pomocą ogniwa obciążnikowego o wysokiej rozdzielczości (rezolucja < 0.1 N). Siła zatrzasku — oddziaływanie efektów końcowych siłownika o skończonej długości na układ magnesów — dodaje składnik o dłuższym okresie. Obydwa muszą zostać scharakteryzowane, ponieważ tabele kompensacji wyprzedzającej w serwonapędzie wymagają dokładnej zawartości harmonicznych do 5. lub 6. rzędu.

3. Tętnienie prędkości i sztywność dynamiczna

Tętnienie prędkości jest odpowiednikiem tętnienia momentu obrotowego w maszynach obrotowych. Stół napędza siłownik z zadaną stałą prędkością, podczas gdy interferometr laserowy lub enkoder w skali szklanej mierzy rzeczywiste położenie i prędkość z rozdzielczością submikrometrową. Tętnienie prędkości wyrażane jest jako odchylenie międzyszczytowe od wartości zadanej, zwykle określane przy wielu prędkościach (np., 10, 50, 500 mm/s) oraz jako widmo harmoniczne. Sztywność dynamiczną mierzy się poprzez nałożenie sinusoidalnych zaburzeń sił o różnych częstotliwościach i pomiar odchyłki położenia.

Kluczowe wskaźniki: tętnienie prędkości < 0.1% Na 100 mm/s; powtarzalność pozycjonowania ±0,5 µm (żelazny rdzeń), ±0,05 μm (bez żelaza).

4. Mapowanie termiczne i opór cieplny

Silniki liniowe mają ograniczoną ścieżkę przepływu ciepła — siłownik traci ciepło głównie przez płytę dociskową i łańcuch wleczony kabla, w przeciwieństwie do silnika obrotowego z obudową 360°. Ławka mierzy temperaturę uzwojenia (Termistory PTC lub czujniki PT100 wbudowane w każdą fazę) i temperaturę powierzchni płyty przy ciągłym ciągu w stanie ustalonym. Opór cieplny (K/W) z uzwojenia do chłodziwa jest wyodrębniany na podstawie nachylenia temperatury w funkcji mocy rozproszonej. Chłodzone cieczą bezżelazne wymuszacze do sprzętu półprzewodnikowego są szczególnie wrażliwe, ponieważ natężenie przepływu chłodziwa wpływa na stałą powtarzalność siły poprzez zmianę temperatury magnesu.

5. Identyfikacja parametrów elektrycznych

Rezystancja fazowa (w temperaturze roboczej), indukcyjność uzwojenia (Ld, Lq na wielu poziomach prądu), i stała napięcia zwrotnego EMF (kE) są mierzone na stanowisku badawczym przy użyciu metody z ramą odniesienia ze stałym wirnikiem. Do silników bezżelazowych o znikomym zaistnieniu (Ld ≈ Lq), sprowadza się to do prostego pomiaru rezystancji i indukcyjności. Do silników z rdzeniem żelaznym, Krzywe nasycenia są mierzone niezależnie przez prąd przemiatający w osiach d i q.

6. Izolacja i wytrzymałość dielektryczna

Siłowniki silników liniowych często działają w środowiskach z agresywnymi chłodziwami, oleje obróbcze, lub nawilżacze do pomieszczeń czystych. Ławka wykonuje hipot AC (2×Uznane + 1,000 V zgodnie z IEC 60664-1) i pomiar rezystancji izolacji (1,000 Test megaomów V DC) po cyklach termicznych i po cyklach namaczania chłodziwa, jeśli ma to zastosowanie.

Wyzwania instrumentacyjne

Najbardziej znaczącym wyzwaniem w testowaniu silników liniowych jest połączenie czujnika tensometrycznego do pomiaru siły z wózkiem siłownika bez wprowadzania momentów zginających. Niezbędne są ogniwa obciążnikowe sprzężone elastycznie z podatnością jednej osi w kierunkach poprzecznych; sztywne mocowanie błędnie odczyta siłę ciągu ze względu na różnice w płaskości płyty. Zasięg podróży ogranicza również charakterystykę: siłacz poruszający się 3 m/s ponad a 0.5 m tor magnetyczny wykonuje jedno przejście 167 SM, co ogranicza czas akwizycji pomiarów termicznych przy dużej prędkości.

Co to oznacza dla wyboru stanowiska testowego

Stanowiska do testowania silników liniowych są z natury specyficzne dla danego zastosowania. Stanowisko do wypychaczy półprzewodnikowych bez żelaza wymaga interferometrii o rozdzielczości nanometrowej i materiałów odpowiednich do pomieszczeń czystych; stanowisko do obsługi silników z rdzeniem żelaznym w obrabiarkach wymaga ogniw obciążnikowych o zakresie kiloniutonów i podawania chłodziwa zalewowego. Określenie zakresu siły, zakres prędkości, a wymagania dotyczące rozdzielczości pozycjonowania przed określeniem stanowiska zapobiegają kosztownym przeróbkom- lub niedostateczna specyfikacja.

Nasz zespół skonfigurował systemy do testowania silników liniowych dla architektur bezżelazowych i z rdzeniem żelaznym w różnych zakresach ciągu od 50 N do 20 kN. Aby omówić Twoje specyficzne wymagania, porozmawiaj z naszym zespołem inżynierów.