Motor lineal - Linear motor

Diagrama de cuerpo libre de un motor lineal síncrono de canal en U. La vista es perpendicular al eje del canal. Las dos bobinas en el centro están conectadas mecánicamente y se energizan en " cuadratura " (es decir, una diferencia de fase de 90 ° (π / 2 radianes ) entre el flujo de los imanes y el flujo de las bobinas). Las bobinas inferior y superior en este caso particular tienen una diferencia de fase de 90 °, lo que lo convierte en un motor bifásico. (No a escala)
Los motores lineales síncronos son versiones enderezadas de motores de rotor de imán permanente

Un motor lineal es un motor eléctrico al que se le ha "desenrollado" el estator y el rotor, por lo que, en lugar de producir un par ( rotación ), produce una fuerza lineal a lo largo de su longitud. Sin embargo, los motores lineales no son necesariamente rectos. De manera característica, la sección activa de un motor lineal tiene extremos, mientras que los motores más convencionales están dispuestos como un bucle continuo.

Un modo de funcionamiento típico es el de un actuador de tipo Lorentz , en el que la fuerza aplicada es linealmente proporcional a la corriente y al campo magnético .

Los motores lineales se encuentran, con mucho, con mayor frecuencia en aplicaciones de ingeniería de alta precisión. Es un próspero campo de investigación aplicada con conferencias científicas dedicadas y libros de texto de ingeniería.

Se han propuesto muchos diseños para motores lineales, que se dividen en dos categorías principales, motores lineales de baja aceleración y motores lineales de alta aceleración. Los motores lineales de baja aceleración son adecuados para trenes maglev y otras aplicaciones de transporte terrestre. Los motores lineales de alta aceleración son normalmente bastante cortos y están diseñados para acelerar un objeto a una velocidad muy alta, por ejemplo, vea la pistola de bobina .

Los motores lineales de alta aceleración se utilizan normalmente en estudios de colisiones a hipervelocidad , como armas o como impulsores de masa para la propulsión de naves espaciales . Por lo general, tienen un diseño de motor de inducción lineal de CA (LIM) con un devanado trifásico activo en un lado del entrehierro y una placa conductora pasiva en el otro lado. Sin embargo, el cañón de riel de motor lineal homopolar de corriente continua es otro diseño de motor lineal de alta aceleración. Los motores de baja aceleración, alta velocidad y alta potencia suelen tener un diseño de motor síncrono lineal (LSM), con un devanado activo en un lado del espacio de aire y una serie de imanes de polos alternos en el otro lado. Estos imanes pueden ser imanes permanentes o electroimanes . El motor del tren maglev de Shanghai , por ejemplo, es un LSM.

Tipos

Sin escobillas

Los motores lineales sin escobillas son miembros de la familia de motores síncronos. Por lo general, se utilizan en etapas lineales estándar o se integran en sistemas de posicionamiento personalizados de alto rendimiento . Inventado a fines de la década de 1980 por Anwar Chitayat en Anorad Corporation, ahora Rockwell Automation , ayudó a mejorar el rendimiento y la calidad de los procesos de fabricación industrial.

Cepillar

Los motores lineales (eléctricos) con escobillas se utilizaron en aplicaciones de automatización industrial antes de la invención de los motores lineales sin escobillas. En comparación con trifásicos Los motores sin escobillas, que típicamente se utilizan hoy en día, motores de los cepillos opera con una sola fase. Los motores lineales de escobillas tienen un costo menor ya que no necesitan cables móviles ni servoaccionamientos trifásicos. Sin embargo, requieren un mayor mantenimiento ya que sus cepillos se desgastan.

Sincrónico

En este diseño, la velocidad de movimiento del campo magnético se controla, generalmente de forma electrónica, para seguir el movimiento del rotor. Por razones de costo, los motores lineales síncronos rara vez usan conmutadores , por lo que el rotor a menudo contiene imanes permanentes o hierro dulce . Los ejemplos incluyen pistolas de bobina y los motores utilizados en algunos sistemas de levitación magnética , así como muchos otros motores lineales. En la automatización industrial de alta precisión, los motores lineales se configuran típicamente con un estator magnético y una bobina móvil. El sensor de efecto Hall está conectado al rotor para rastrear el flujo magnético del estator. La corriente eléctrica se proporciona típicamente desde un servoaccionamiento estacionario a la bobina móvil mediante un cable móvil dentro de un portacables .

Inducción

Un motor de inducción lineal trifásico típico. Una placa de aluminio en la parte superior a menudo forma el "rotor" secundario.
Artículo principal: motor de inducción lineal

En este diseño, la fuerza es producida por un campo magnético lineal en movimiento que actúa sobre los conductores en el campo. Cualquier conductor, ya sea un bucle, una bobina o simplemente una pieza de placa metálica, que se coloque en este campo tendrá corrientes parásitas inducidas en él creando así un campo magnético opuesto, de acuerdo con la ley de Lenz . Los dos campos opuestos se repelerán entre sí, creando así movimiento a medida que el campo magnético atraviesa el metal.

Homopolar

Esquema de cañón de riel
Artículo principal: Railgun

En este diseño, una gran corriente pasa a través de un casquillo de metal a través de contactos deslizantes que se alimentan desde dos rieles. El campo magnético que esto genera hace que el metal se proyecte a lo largo de los rieles.

Piezoeléctrico

Acción del motor piezoeléctrico
Artículo principal: Motor piezoeléctrico § Acciones paso a paso

El accionamiento piezoeléctrico se utiliza a menudo para impulsar pequeños motores lineales.

Historia

Este tren de la Línea 6 del Metro de Guangzhou fabricado por CRRC Sifang y Kawasaki Heavy Industries se propulsa mediante una tira de inducción de aluminio colocada entre los rieles.

Baja aceleración

La historia de los motores eléctricos lineales se remonta al menos hasta la década de 1840, hasta el trabajo de Charles Wheatstone en el King's College de Londres , pero el modelo de Wheatstone era demasiado ineficiente para ser práctico. Un motor de inducción lineal factible se describe en la patente estadounidense 782,312 (1905 - inventor Alfred Zehden de Frankfurt-am-Main), para conducir trenes o ascensores. El ingeniero alemán Hermann Kemper construyó un modelo de trabajo en 1935. A finales de la década de 1940, el Dr. Eric Laithwaite de la Universidad de Manchester , más tarde profesor de Ingeniería Eléctrica Pesada en el Imperial College de Londres, desarrolló el primer modelo de trabajo de tamaño completo. En una versión de un solo lado, la repulsión magnética obliga al conductor a alejarse del estator, levitando y llevándolo en la dirección del campo magnético en movimiento. Llamó a las versiones posteriores de él río magnético .

Un motor lineal para trenes que circulan por la línea Toei Ōedo

Debido a estas propiedades, los motores lineales se utilizan a menudo en levitación magnética de propulsión, como en el japonés Linimo levitación magnética tren de línea cerca de Nagoya . Sin embargo, los motores lineales han sido utilizados de manera independiente de la levitación magnética, como en los Bombardier avanzada Rapid Transit sistemas en todo el mundo y una serie de pasos subterráneos japonesas modernas, incluyendo Tokio 's Toei Oedo .

También se utiliza una tecnología similar en algunas montañas rusas con modificaciones, pero, en la actualidad, todavía no es práctica en los tranvías que circulan por la calle , aunque esto, en teoría, podría hacerse enterrándola en un conducto ranurado.

Fuera del transporte público, se han propuesto motores lineales verticales como mecanismos de elevación en minas profundas , y el uso de motores lineales está creciendo en aplicaciones de control de movimiento . También se utilizan a menudo en puertas correderas, como las de los tranvías de piso bajo como el Alstom Citadis y el Socimi Eurotram . También existen motores lineales de doble eje. Estos dispositivos especializados se han utilizado para proporcionar un movimiento X - Y directo para el corte láser de precisión de telas y láminas de metal, dibujo automatizado y conformado de cables. La mayoría de los motores lineales en uso son LIM (motor de inducción lineal) o LSM (motor síncrono lineal). Los motores lineales de CC no se utilizan debido a su mayor costo y el SRM lineal sufre de un empuje deficiente. Por lo tanto, para recorridos largos con tracción, se prefiere principalmente LIM y para recorridos cortos, se prefiere principalmente LSM.

Primer plano de la superficie plana del conductor pasivo de un motor Sawyer de control de movimiento

Alta aceleración

Se han sugerido motores lineales de alta aceleración para varios usos. Se han considerado para su uso como armas , ya que las municiones perforantes actuales tienden a consistir en pequeños proyectiles con una energía cinética muy alta , para los cuales estos motores son adecuados. Muchas montañas rusas lanzadas a parques de atracciones ahora usan motores de inducción lineales para impulsar el tren a alta velocidad, como una alternativa al uso de una colina elevadora . La Marina de los Estados Unidos también está utilizando motores de inducción lineales en el Sistema de Lanzamiento de Aeronaves Electromagnético que reemplazará a las tradicionales catapultas de vapor en los futuros portaaviones. También se han sugerido para su uso en la propulsión de naves espaciales . En este contexto, se les suele llamar conductores de masas . La forma más sencilla de utilizar impulsores de masa para la propulsión de naves espaciales sería construir un impulsor de masa grande que pueda acelerar la carga hasta la velocidad de escape , aunque también se ha investigado la asistencia de lanzamiento de RLV como StarTram a la órbita terrestre baja .

Los motores lineales de alta aceleración son difíciles de diseñar por varias razones. Requieren grandes cantidades de energía en períodos de tiempo muy cortos. Un diseño de lanzacohetes requiere 300 GJ por cada lanzamiento en el espacio de menos de un segundo. Los generadores eléctricos normales no están diseñados para este tipo de carga, pero se pueden utilizar métodos de almacenamiento de energía eléctrica a corto plazo. Los condensadores son voluminosos y caros, pero pueden suministrar grandes cantidades de energía rápidamente. Los generadores homopolares se pueden utilizar para convertir la energía cinética de un volante en energía eléctrica muy rápidamente. Los motores lineales de alta aceleración también requieren campos magnéticos muy fuertes; de hecho, los campos magnéticos suelen ser demasiado fuertes para permitir el uso de superconductores . Sin embargo, con un diseño cuidadoso, esto no tiene por qué ser un problema importante.

Dos diseños básicos diferentes se han inventado para motores lineales de alta aceleración: cañones de riel y coilguns .

Uso

Los motores lineales se utilizan comúnmente para accionar equipos de automatización industrial de alto rendimiento. Su ventaja, a diferencia de cualquier otro actuador de uso común, como husillo de bolas , correa de distribución o piñón y cremallera , es que proporcionan cualquier combinación de alta precisión, alta velocidad, alta fuerza y ​​largo recorrido.

Los motores lineales se utilizan ampliamente. Uno de los principales usos de los motores lineales es impulsar la lanzadera en telares .

Se han utilizado motores lineales para puertas correderas y varios actuadores similares. Además, se han utilizado para la manipulación de equipajes e incluso para el transporte de materiales a granel a gran escala.

Los motores lineales se utilizan a veces para crear movimiento rotatorio, por ejemplo, se han utilizado en observatorios para hacer frente al gran radio de curvatura.

Los motores lineales también se pueden utilizar como una alternativa a los montacargas de elevación de cadena convencionales para montañas rusas. La montaña rusa Maverick en Cedar Point utiliza uno de esos motores lineales en lugar de un elevador de cadena.

Se ha utilizado un motor lineal para acelerar automóviles para pruebas de choque .

Automatización industrial

La combinación de alta precisión, alta velocidad, alta fuerza y ​​largo recorrido hace que los motores lineales sin escobillas sean atractivos para impulsar equipos de automatización industrial. Sirven industrias y aplicaciones, tales como semiconductores steppers , la electrónica de montaje en superficie tecnología , automotriz coordenadas cartesianas robots , aeroespacial fresado químico , la óptica del microscopio electrónico , la asistencia sanitaria de automatización de laboratorio , alimentos y bebidas de recogida y colocación .

Herramientas de máquina

Los actuadores de motor lineal síncrono , utilizados en máquinas herramienta, proporcionan alta fuerza, alta velocidad, alta precisión y alta rigidez dinámica, lo que da como resultado una gran suavidad de movimiento y un bajo tiempo de asentamiento. Pueden alcanzar velocidades de 2 m / sy precisiones a nivel de micras, en ciclos cortos y con un acabado superficial liso.

Propulsión del tren

Rieles convencionales

Todas las siguientes aplicaciones están en tránsito rápido y tienen la parte activa del motor en los automóviles.

Metro Bombardier Innovia
Artículo principal: Metro Bombardier Innovia

Desarrollado originalmente a fines de la década de 1970 por UTDC en Canadá como el Sistema de tránsito de capacidad intermedia (ICTS). Se construyó una pista de prueba en Millhaven, Ontario , para realizar pruebas exhaustivas de prototipos de automóviles, después de lo cual se construyeron tres líneas:

ICTS se vendió a Bombardier Transportation en 1991 y más tarde se conoció como Advanced Rapid Transit (ART) antes de adoptar su marca actual en 2011. Desde entonces, se han realizado varias instalaciones más:

Todos los sistemas de Innovia Metro utilizan electrificación de tercer carril .

Metro lineal japonés

Uno de los mayores desafíos que enfrentaron los ingenieros ferroviarios japoneses en los años setenta y ochenta fue el aumento constante de los costos de construcción del metro. En respuesta, la Asociación de Metro de Japón comenzó a estudiar la viabilidad del "mini-metro" para satisfacer la demanda del tráfico urbano en 1979. En 1981, la Asociación de Ingeniería de Ferrocarriles de Japón estudió el uso de motores de inducción lineales para estos subterráneos de perfil pequeño y en 1984 estaba investigando las aplicaciones prácticas de los motores lineales para ferrocarriles urbanos con el Ministerio de Tierras, Infraestructura, Transporte y Turismo de Japón . En 1988, se realizó una demostración exitosa con el Limtrain en Saitama e influyó en la eventual adopción del motor lineal para la línea Nagahori Tsurumi-ryokuchi en Osaka y la línea Toei 12 (actual línea Toei Oedo ) en Tokio .

Hasta la fecha, las siguientes líneas de metro en Japón usan motores lineales y usan líneas aéreas para la recolección de energía:

Además, Kawasaki Heavy Industries también ha exportado el metro lineal al metro de Guangzhou en China; todas las líneas de metro lineal de Guangzhou utilizan electrificación de tercer carril:

Monocarril

Artículo principal: Monorraíl
  • Existe al menos un sistema de monorraíl conocido que no levita magnéticamente, pero que, no obstante, utiliza motores lineales. Este es el monorraíl de Moscú . Originalmente, se usaban motores y ruedas tradicionales. Sin embargo, se descubrió durante las pruebas de funcionamiento que los motores y las ruedas propuestos no proporcionarían la tracción adecuada en algunas condiciones, por ejemplo, cuando aparecía hielo en el riel. Por lo tanto, todavía se usan ruedas, pero los trenes usan motores lineales para acelerar y desacelerar. Este es posiblemente el único uso de tal combinación, debido a la falta de tales requisitos para otros sistemas ferroviarios.
  • El TELMAGV es un prototipo de un sistema de monorraíl que tampoco levita magnéticamente sino que utiliza motores lineales.

Levitación magnética

Artículo principal: Maglev (transporte)
La lanzadera Birmingham International Maglev
  • Trenes de alta velocidad:
    • Transrapid : primer uso comercial en Shanghai (inaugurado en 2004)
    • SCMaglev , en construcción en Japón (el tren más rápido del mundo, cuya inauguración está prevista para 2027)
  • Tránsito rápido:

Atracciones de feria

Artículo principal: Lista de atracciones

Hay muchas montañas rusas en todo el mundo que utilizan LIM para acelerar los vehículos. El primero fue Flight of Fear en Kings Island y Kings Dominion , ambos inaugurados en 1996. Battlestar Galctica: Human VS Cylon & Revenge of the Mummy en Universal Studios Singapore se inauguró en 2010. Ambos usan LIM para acelerar desde cierto punto en las atracciones. Revenge of the Mummy también se encuentra en Universal Studios Hollywood y Universal Studios Florida . The Incredible Hulk Coaster y VelociCoaster en Universal's Islands of Adventure también usan motores lineales. Rock 'n' Roller Coaster Starring Aerosmith se inauguró en 1999 en Disney's Hollywood Studios que utiliza un LSM para lanzar los vehículos al interior del recinto de paseo con luz negra .

Lanzamiento de aeronaves

Propuesta e investigación

  • Bucle de lanzamiento : un sistema propuesto para lanzar vehículos al espacio utilizando un bucle alimentado por motor lineal.
  • StarTram : concepto para un motor lineal a gran escala
  • Sistema de catapulta de cable de sujeción
  • Aérotrain S44 - Un prototipo de tren aerodeslizador suburbano
  • Vehículo de prueba de investigación 31 : un vehículo tipo aerodeslizador guiado por una pista
  • Hyperloop : un sistema de transporte conceptual de alta velocidad propuesto por el empresario Elon Musk
  • Ascensor "ThyssenKrupp Elevator: ThyssenKrupp desarrolla el primer sistema de ascensores sin cables del mundo para permitir que la industria de la construcción se enfrente a los desafíos de la urbanización global:" . Archivado desde el original el 3 de marzo de 2016 . Consultado el 2 de junio de 2015 .
  • Lift "Tecnología: los ascensores de motor lineal síncrono se convierten en una realidad" . Archivado desde el original el 30 de marzo de 2015 . Consultado el 2 de junio de 2015 .
  • Magway : un sistema de entrega de carga del Reino Unido en investigación y desarrollo que tiene como objetivo entregar mercancías en contenedores a través de tuberías de 90 cm de diámetro debajo y sobre el suelo.

Ver también

Referencias

enlaces externos