Современному станку нужно двигаться быстро, останавливаться точно и делать это тысячи раз в минуту. И по мере того как привычные в прежние годы решения все чаще оказываются слишком медленными или недостаточно точными, в машиностроении растет интерес к их альтернативе — линейным серводвигателям. В этой статье рассматриваются принцип работы, конструкция, достоинства и область применения этого типа электродвигателей.

 

 

Устройство и принцип работы

 

 

В привычном для нас вращающемся электродвигателе ротор вращается внутри статора. Если разомкнуть и расположить прямо статор и ротор обычной машины, то мы получим конфигурацию линейной машины.

 

Как и традиционные приводы, имеющие в своем устройстве две основные составные части — статор и ротор, так и линейный сервопривод имеет неподвижную часть — магнитный путь и движущуюся часть — движущуюся катушку.

 

Магнитный путь представляет собой ряд постоянных магнитов, точно расположенных на несущих пластинах.

 

Движущаяся катушка — это сердцевина из шихтованного железа, в которой заготовлены пазы. В них укладывается медная обмотка, точно так же, как и обычная статорная обмотка.

 

В общем случае катушка располагается на магнитном пути, вдоль которого она и перемещается. Также есть двусторонние типы устройств, в которых магнитный путь располагается с двух сторон по отношению к движущейся катушке. Такое расположение осуществляется для более эффективного использования магнитного потока с обеих сторон.

 

Для лучшего понимания принципа работы линейного двигателя стоит вспомнить принцип работы традиционного вращательного двигателя (рис. 1).

 

Рис. 1. Аналогия между круговой и линейной электрической машиной

 

Рис. 2. Конструкция линейного электродвигателя

 

Принцип работы синхронного двигателя основан на взаимодействии переменного и постоянного магнитных полей статора и ротора соответственно (рис. 2). На обмотки статора подается трехфазное напряжение переменного тока, это создает вращающееся электромагнитное поле. Магниты ротора создают постоянное электромагнитное поле, полюса которого притягиваются к противоположным полюсам переменного поля. Если частота вращения переменного поля невелика для того, чтобы постоянное магнитное поле успело зацепиться с ним, то тогда сила взаимодействия двух полей начинает вращать ротор с синхронной скоростью.

 

Теперь перейдем к рассмотрению принципа работы линейной машины (рис. 3).

 

Рис. 3. Конструкция серводвигателя с постоянными магнитами

 

Здесь, по аналогии с вышеприведенным примером, обмотки движущейся катушки подключаются к источнику трехфазного напряжения переменного тока, благодаря чему создается магнитное поле, движущееся прямо, эквивалентное вращающемуся полю в обычном синхронном двигателе. Постоянное магнитное поле, создаваемое магнитным путем, взаимодействует с переменным электромагнитным полем подобно тому, как это происходит в машине кругового вращения, в связи с чем и возникает смещение движущейся катушки. При этом скорость движения поля, как и скорость самой движущейся катушки, определяется как:

Vs = 2 ∙ t ∙ fs [м/с],

где t — шаг полюсов, fs — частота питающей сети.

 

 

Типовые конструктивные исполнения

 

 

Рассмотрим ряд конструкций на примере двигателей, встречающихся у различных производителей.

 

Модель без сердечника (Coreless model, рис. 4).
Подвижная катушка не имеет сердечника и изготовлена из точно отлитых полимерных обмоток. Магнитный путь выполнен из двух пластин с магнитами по бокам.
Отсутствие силы магнитного притяжения помогает продлить срок службы направляющих и свести к минимуму шум в применениях, требующих высокой точности с небольшим усилием.

 

Рис. 4. Сервомотор без сердечника
 

 

Модель с F-образным сердечником (Model with F-type Iron Cores, рис. 5).
Подвижная катушка состоит из шихтованной железной сердцевины с пазами для обмоток.
Магнитное притяжение между катушкой и магнитным путем делает движение более жестким. Компактные профили экономят место.

 

Рис. 5. Сервомотор с F-образным сердечником
 

 

 

Модель с Т-образным сердечником (Model with T-type Iron Cores, рис. 6).
Уникальная Т-образная структура (разработана YASKAWA) с расположением магнитов с двух сторон сердечника.
Сводит на нет эффекты магнитного притяжения, что снижает требования к прочности направляющих.

 

Рис. 6. Сервомотор с Т-образным сердечником
 

 

 

Преимущества линейных электродвигателей

 

 

Назовем некоторые преимущества линейных серводвигателей перед сервоприводом с шарико-­винтовой парой (ШВП), а также с пневмо- и гидроцилиндрами (рис. 7).

 

Рис. 7. Различные типы приводов для линейных перемещений

 

Динамика. Скорость перемещения и особенно темпы разгона и торможения линейных машин существенно выше, чем у электромеханических линейных модулей, пневмо- и гидроприводов.
 

Усилие. Усилия (в среднем диапазоне) при перемещении в горизонтальной плоскости сопоставимы с гидроприводом при более приемлемых габаритах.
 

Точность. За счет типа управления и отсутствия механических передач (винт, ремень) линейный привод обеспечивает существенно большую точность и повторяемость перемещений.
 

Эффективность. Несмотря на относительно высокую стоимость, линейные электродвигатели обеспечивают более высокий КПД по сравнению с пневмо-, гидроприводом и электромеханическими модулями, что сокращает потребление электроэнергии.

 

 

Области применения

 

 

Линейные двигатели находят применение в оборудовании, где требуется сочетание высокой скорости, точности и динамики:
• Станки лазерного и гидроабразивного раскроя (высокая скорость и точность перемещения, рис. 8).

 

Рис. 8.

 

• Оси подач в металлообработке.
• Высокоскоростное осуществление движения челнока на ткацких станках.
• Монтаж и изготовление печатных плат.
• Измерительная техника высокой точности.
• Оборудование для работы с наноточностью (микроэлектроника, биомедицина), требующее очень малых и медленных перемещений.
• Научно-­исследовательские и испытательные установки.
• Высокопроизводительная упаковка.

 

Рис. 9. Пример манипулятора на линейных двигателях

 

 

Заключение

 

В статье приведены базовые сведения о линейных сервомоторах, но мы надеемся, что они послужат отправной точкой для российских специалистов в развитии нашего машиностроения, создании нового высокоэффективного оборудования.

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 2-2026