Линейный синхронный двигатель

Линейный синхронный двигатель (ЛСД) — это электрическая машина, в которой механическое движение рабочего органа (ротора) является прямолинейным, а скорость его движения синхронизирована с частотой питающего напряжения, то есть равна скорости бегущего магнитного поля. Относится к классу линейных электрических двигателей и к подклассу синхронных машин. В отличие от традиционных вращающихся синхронных двигателей, статор и ротор ЛСД развёрнуты в плоскость, что позволяет получать поступательное перемещение без промежуточных механических преобразователей (редукторов, винтовых передач).

Принцип действия

Работа линейного синхронного двигателя основана на взаимодействии бегущего магнитного поля, создаваемого обмотками статора, с магнитным полем ротора. Если статор вращающейся синхронной машины мысленно разрезать вдоль оси и развернуть в ленту, то получится конструкция ЛСД. Обмотки статора, расположенные вдоль направления движения, питаются многофазным переменным током (обычно трёхфазным), в результате чего формируется магнитное поле, перемещающееся вдоль статора с линейной скоростью \( v = 2 \tau f \), где \( \tau \) — полюсное деление, \( f \) — частота тока.

Ротор ЛСД может быть выполнен в виде постоянных магнитов (наиболее распространённый вариант), обмотки возбуждения с питанием постоянным током или в виде пассивного ферромагнитного сердечника (реактивный ЛСД). В синхронном режиме ротор движется строго с той же скоростью, что и бегущее поле, без скольжения. Управление скоростью и тяговым усилием осуществляется изменением частоты и амплитуды питающего напряжения через преобразователь частоты.

Устройство и классификация

По типу ротора

• ЛСД с постоянными магнитами — ротор содержит ряд постоянных магнитов с чередующейся полярностью. Обеспечивает высокий КПД (до 90–95 %) и хорошие динамические характеристики. Используется в высокоскоростном транспорте и прецизионных позиционерах.
• ЛСД с электромагнитным возбуждением — на роторе расположена обмотка возбуждения, питаемая постоянным током через гибкий кабель или бесконтактную передачу энергии. Позволяет регулировать магнитный поток, но сложнее в эксплуатации.
• Реактивный ЛСД — ротор выполнен из магнитно-мягкого материала (пакета шихтованной стали) без постоянных магнитов и обмоток. Момент возникает из-за разницы магнитных сопротивлений в продольном и поперечном направлениях. Проще и дешевле, но имеет меньший КПД и коэффициент мощности.

По конструкции статора

• Длинный статор — обмотки уложены вдоль всей трассы движения. Применяется в транспортных системах (например, поезда на магнитной подушке), где перемещение осуществляется на большое расстояние. Недостаток — высокая стоимость и расход меди.
• Короткий статор — обмотки размещены только на движущейся части (экипаже), а на путевой структуре монтируются только пассивные ферромагнитные элементы (зубцы, рельсы) или магниты. Меньше материалоёмкость, но требуется передача энергии на подвижный объект (токосъёмник или бортовой источник).

По количеству сторон

• Односторонний — магнитное поле взаимодействует с ротором только с одной стороны статора. Проще конструктивно, но возникает нормальная сила притяжения.
• Двусторонний — ротор расположен между двумя статорами или наоборот. Поле действует с обеих сторон, компенсируя нормальные усилия; такой вариант используется для создания равномерного зазора.

Характеристики

Основные параметры ЛСД:

• Тяговое усилие — может достигать десятков килоньютонов в зависимости от размеров и мощности. Удельное усилие по воздушному зазору — до 50–80 кН/м².
• Скорость — от долей миллиметра в секунду (прецизионные станки) до нескольких сотен километров в час (транспортные системы).
• Воздушный зазор — обычно 1–10 мм; чем меньше зазор, тем выше КПД, но жёстче требования к точности монтажа.
• КПД — у мощных ЛСД с постоянными магнитами составляет 90–95 %, у реактивных — 70–85 %.
• Коэффициент мощности — для ЛСД с постоянными магнитами близок к 1, для реактивных — 0,5–0,7.

Применение

Высокоскоростной наземный транспорт

Линейные синхронные двигатели являются основой систем магнитного подвеса (маглев). Наиболее известные проекты:

• Transrapid (Германия) — испытательная трасса в Эмсланде (длиной 31,5 км), коммерческая линия в Шанхае (30,5 км, максимальная скорость 431 км/ч). Используется длинный статор с обмотками на путевой структуре и ротор с электромагнитами на экипаже.
• JR-Maglev (Япония) — тестовая линия на базе ЛСД с электронным переключением обмоток (LSM). В 2015 году установлен рекорд скорости 603 км/ч. Ротор — сверхпроводящие магниты, охлаждаемые жидким гелием.
• Hyperloop — концепция вакуумного транспорта (Илон Маск, 2013), где пассажирские капсулы движутся в трубе с разреженным воздухом. В ряде прототипов (Virgin Hyperloop, Hyperloop Transportation Technologies) использовались ЛСД с постоянными магнитами.

Промышленная автоматизация и станкостроение

ЛСД широко применяются в портальных станках с ЧПУ, роботизированных манипуляторах, линиях сборки и упаковки, где требуется высокая точность позиционирования (до ±1 мкм) и большие ускорения (до 10–20 g). Прецизионные линейные двигатели (например, от фирм Siemens, Bosch Rexroth, Kollmorgen) обеспечивают безызносное прямолинейное перемещение без люфтов, характерных для реечных или винтовых передач.

Ракетно-космическая техника

В СССР и России разрабатывались проекты электромагнитных катапульт для разгона космических аппаратов. Например, система «Магнитный разгонный комплекс» (1980-е годы, НИИЭФА им. Д. В. Ефремова) на основе ЛСД с криогенным охлаждением позволяла теоретически разогнать полезный груз до 1,5 км/с. В США проект Electromagnetic Launch System (NASA) предусматривал использование ЛСД для запуска беспилотных зондов с поверхности Земли.

Развлечения и спорт

Линейные синхронные двигатели применяются в современных горках-американских горках (например, модели с системой LSM — Linear Synchronous Motor от компании Intamin). Двигатели позволяют разгонять вагонетки до 100 км/ч за 2–3 секунды без цепных подъёмников. В России такие системы установлены на аттракционах «Квантовый скачок» (Сочи Парк) и «Молниеносный» (Парк Горького, Москва).

История

Первые теоретические исследования линейных электрических машин появились в конце XIX века. В 1895 году русский учёный Михаил Осипович Доливо-Добровольский описал конструкцию линейного асинхронного двигателя. Однако практическая реализация синхронного варианта стала возможна только после развития силовой электроники и постоянных магнитов.

В 1960-х годах в СССР под руководством академика Л. А. Арцимовича были проведены эксперименты с магнитной левитацией и линейными электродвигателями для транспортных целей. В 1970-х годах во Всесоюзном научно-исследовательском институте транспортных машин (ВНИИТМАШ) разработали первую отечественную экспериментальную тележку с ЛСД.

За рубежом активные разработки велись в Германии (компания Siemens, проект Transrapid с 1971 года) и Японии (Central Japan Railway Company, JR-Maglev с 1970-х). Коммерческая эксплуатация началась в 2004 году с открытием линии Transrapid в Шанхае.

В России в 2020-е годы ведутся работы над созданием отечественных систем магнитного левитационного транспорта. Например, в Новосибирском государственном техническом университете (НГТУ) разработан стенд с линейным синхронным двигателем мощностью 50 кВт для испытаний элементов транспорта на магнитном подвесе.

Интересные факты

• КПД линейного синхронного двигателя на высоких скоростях (более 300 км/ч) может быть выше, чем у любого тягового привода с редуктором, так как отсутствуют механические потери в зубчатых передачах.
• Для питания ЛСД в транспортных системах применяются преобразователи частоты мощностью до десятков мегаватт, что сравнимо с энергопотреблением небольшого города.
• В прецизионных станках позиционирование с помощью ЛСД позволяет достичь точности в 0,1 мкм без использования сервоконтуров обратной связи по положению (при наличии датчика линейного перемещения).
• В отличие от вращающихся машин, в ЛСД почти отсутствует вибрация, так как нет радиальных сил и неуравновешенных масс ротора.
• Первый в мире действующий поезд на магнитной подушке с ЛСД длиной в один километр был запущен в 1984 году в Бирмингеме (Великобритания), но проработал всего 11 лет.

Источники

• Копылов И. П. Электрические машины: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 2006.
• Бабаджанов Л. С. Линейные синхронные двигатели для транспортных систем: монография. — М.: Энергоатомиздат, 2012.
• Голубь И. М., Овсянникова З. А. Линейные электрические машины: теория и применение. — Новосибирск: Наука, 1998.
• Ямамура С. Магнитный подвес и линейные электродвигатели. — М.: Мир, 1988 (пер. с японского).
• Патент РФ № 2680756 «Линейный синхронный двигатель с постоянными магнитами и зубчатым ротором», 2018.
• Отчёт ОАО «РЖД» «Концепция развития высокоскоростного магнитолевитационного транспорта в России», 2019.