От лифтов до хирургических роботов: ученые Пермского Политеха уменьшили размер и повысили эффективность линейного двигателя

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.