Lineární motory a monorail aneb "Nově do Prahy?"

Ohlas na jednu letitou čítankovou povídku a další pokračování bádání nad elektřinou (podle původního číslování by příspěvek měl mít název " Co se děje kolem elektřiny 19".  

obsah

1/ Monorail pro Prahu

2/ monorail - jednokolejnicová dráha - rozdělení

3/ lineární motory

4/ opakovatelnost - hystereze

1/

MONORAIL PRO  PRAHU

Vlak se řítil po jediné kolej...

ˇÁ - vinohradský tunel - ten tu zůstal pořád !"

"Kolik kolejí měl vlak?" zeptala se paní učitelka

"No přece vlak má dvě koleje"

"ale, ale, tomu teda říkám pozorná četba"

" a jak si město vlastně představujete"

"takové barevné hrady nebo zámky"

"a ony tam budou asi krychle"

Zhruba takto nějak začínal jeden čítankový článek a nějak takto probíhala krátká debata v hodině češtiny...

A protože v čítankové povídce byl zmíněn zcela nový typ železničního prostředku - tzv. monorail, není od věci zmínit několik poznámek k nekonvenčním drahám a také elektrickým lineárním motorům - které jsou typickým - nikoli však jediným poháněcí prostředkem pro jednokolejnicové dráhy - neboli monoraily - čímž následuje další, spíše technická část příspěvku.

2/ MONORAIL - jednokolejnicová dráha - rozdělení

Možná malá úvodní poznámka - monoraily nemusí být vždy důsledně jednokolejnicové - ani s elektrickým pohonem - svým způsobem lze k monorailu zařadit jené nekonvenční dráhy - které s monorailem nemají téměř nic společného - jako třeba potrubní vlak.

MONORAIL

Monorail neboli jednokolejnicová dráha, je speciální druh železniční infrastruktury, který užívá
jen jedné kolejnice pro vedení a nesení vozidel.
Pod tímto obecným názvem se ale skrývá řada různorodých originálních konstrukcí.
Myšlenka jednokolejnicové dráhy byla živá již v 19. století. Jedním z konstruktérů lokomotiv pro
tyto dráhy byl již v dobách parního provozu i A. Mallet. Konstruktéři si od těchto drah slibovali
následující výhody:
- nižší náklady
- menší zastavěná plocha
- lepší přizpůsobení terénu nebo reliéfu měst
Ve velké většině případů se ale tyto předpoklady naplnily jen částečně nebo nenaplnily vůbec.

MONORAIL rozdělení

nepravý monoreil
třeba monoreily prvních konstrukcí s podpůrnou kolejí

například Patiala State Monorail Trainways (PSMT) - tedy dráhy či trati v Indii- která je určitou kombinací železničního a silničního dopravního prostředku

Monoreil s konvenčním nebo nekonvenčním železničním pohonem
- běžný monorail (vozy jedou po kolejnici)
- závěsný monorail (vozy jsou na kolejnici zavěšené)
- průmyslové varianty

Pohon jednokolejek se obvykle provádí pomocí elektromotorů, ikdyž experimenty byly
provedeny také s parním pohonem a spalovacími motory. V případě nekonvenčního pohonu by se mělo jednat o například o pohon vrtulí a proudem vzduchu - nebo jiný neobvyklý způsob pohonu.

Monoreil s pohonem lineárním elektrickým motorem

Dopravní prostředek - který by bylo možno vyhodnotit jako téměř stoprocentní monoreil - protože lineární elektrický motor je zcela typický nebo příznačný právě pro monoreily.

K dalším druhům jednokolejnicových drah náleží například

Magnetická dráha - "Maglev"

Dráha na vzduchovém polštáři

a konečně volně lze k monorailům zařadit i poněkud více odlišné dráhy - jakóu například může být

Potrubní vlak .

3/ LINEÁRNÍ MOTOR

Lineární motor 
pracuje na elektromagnetickém principu a skládá se z pohyblivého "forceru"  - neboli pojezdu a možná také běhohounu. stacionární desky.

Ačkoli byly lineární motory zmíněny v souvislosti s lineárními dráhami - monoraily - daleko četnější je uplatnění lineárních motorů jinde v průmyslu - ale zdaleka nejen v průmyslu. Častým účelem lineárních motorů - podobně jako servomotorů jsou různé doplňkové činnosti - třeba změna nastavení polohy a tak dále. 

Stejnosměrný lineární motor
Asynchronní lineární motor
Krokový lineární motor

Snadný způsob, jak vytvořit lineární motor - například  stejnosměrný, je rozvinout běžný rotační stejnosměrný motor a rozvinout do roviny. Tedy alespoň rozvinout stator - ale čistý lineární motor má rozvinutý i rotor. I když výše byl zmíněn lineární motor v souvislosti s jednokolejnicovými dráhami - monoraily - lineární motory se uplatňují zejména v průmyslu u různých strojů.

Stejnosměrný lineární motor

Stator menšího  stejnosměrného  lineárního motor může byt vyhotoven  jako lišta  permanentních magnetů s pohyblivou cívkou jakožto rotorem - která může mít buď plochý - nebo kruhový tvar. . Mohou to být ploché nebo kruhové tvary. Inženýři tovární automatizace a robotických aplikací stáli před úkolem sestrojit  rychlý, přesný a výkonný elektrický pohon - u kterého se nepřekládá, že by fungoval permanentně - ale spíš jen občas - například jako doplňkový pohon třeba pro nastavení .polohy nějakého jiného zařízení. Typickým užitím stejnosměrných lineárních motorů jsou třeba nemocniční lůžka.- kde se lineární motory používají právě pro změnu polohy. a vlastně pohybují nastavujícími šrouby - přesněji závitová nebo vřetenová část je instalována v trubce, která se vlastně uplatňuje jako matice - kde se vřeteno poháněné elektromotorem pohybuje. 
 

Výhody:
Hlavní výhodou stejnosměrného lineárního motoru jsou rychlosti. I menší motory mohou dosáhnout značného zrychlení. 
Další výhodou je provozní životnost. Vzhledem k tomu, že neexistuje ozubení a jedinými třecími
body jsou lineární vodítka, je životnost proto poměrně dlouhá. Motory se vzduchovými ložisky mohou pracovat nepřetržitě při vysokých otáčkách bez opotřebení. Vzduchová ložiska umožňují menší vzduchovou mezeru, což vede k větším motorovým silám.

Nevýhody:
Lineární stejnosměrné motory mají poměrně nízkou sílu nebo zejména velmi nízký gradient síly ve srovnání se stejnosměrným rotačním  pohonem.

Jinou  jistou nevýhodou  je třeba komplikovanější převodování než u rotačních stejnosměrných motorů. 

Zprozňování 

Lineární stejnosměrné motory mají velmi nízkou sílu nebo zejména velmi nízký gradient síly ve srovnání se stejnosměrným rotačním  pohonem..

Obzvláště důležitá je potřeba porovnat parametry různých výrobců - které mají různí výrobci často odlišně katalogově zpracovány. Těmito parametry mohou být třeba Maximální síla, brzdná síla, jmenovitá síla, přidržovací síla, zpět hnací síla. Poměrně důležitým parametrem je třeba silový gradient. 

Zkouška silového gradientu

Nejkomplexnější zkouškou před zapojením motoru je zkouška  silového gradientu. udávaného v jednotkách sekundu za Newton (m/s/N).
To lze vypočítat nebo vám informativní společnosti
dodá číslo představující honotu za sekundu za Newton (m/s/N). 
Gradient  rychlosti nárustu zátěže podává informaci, jak moc se motor zpomaluje při každém nárustu zátěže - tedy síly v Newton(ech).. Současně vlastně jde o test  pevnosti.motoru..

Výrobci z různých částí světa často používají zcela odlišné katalogizování - asi je tedy namístě posoudit, zda se porovnávají tytéž veličiny.

Asynchronní (Indukční) lineární motor LIM

Motory založené na principu elektromagnetické indukce podobně jako standartní asynchronní elektromotory - u kterých magnetické pole indukované statorem otáčí rotorem - jehož rychlost je  ve srovnání s magnetickým polem o něco pomalejší - odtud název asynchroní. Typickým uplatněním lineárních motorů jsou třeba právě výše zmíněné vlaky - a to vlaky standartní na dvou kolejnicích - tak vlakové soupravy monorailů - přičemž tyto dva druhy pohonů či motorů se od sebe dost zásadně odlišují - viz dále. Nicméně funkci statoru právě plní kolej - kde jsou instalovány cívky - napájené třífázovým proudem.  Lineární motory na principu indukce se dále například hojně uplatňují  u CNC obráběcích strojů třeba jako náhrady náhrady mechanických převodů , kde je magnetický pohyb přesnější než mechanickými převody, jež trpí vůlemi.

Asynchronní (Indukční) lineární motor LIM s lineárním statorem a kruhovým rotorem

Asynchronní (Indukční) lineární motor LIM s lineárním statorem a lineárním rotorem

Jak bylo naznačeno výše - jsou konstruovány dva poněkud odlišné typy motorů. Například v případě železničního pohonu u standartních dvoukolejnicových tratí - kde je kolej vlastně statorem funkci rotoru plní vlastně přímo železniční kolo.

Trochu jiná situace je u monorailu - kde i rotor je vlastně lineární pojezd.

Krokový lineární motor

Lineární krokový motor  je zvláštní typ krokových motorů. Rovněž krokový motor jako další lineární pracuje na elektromagnetickém principu a skládá se z pohyblivého "forceru" a stacionární desky. kterou je  ozubená ocelová tyč obvykle z nerezu. Krokový motor se od ostatních lineárních motorů odlišuje krokovou - čili v zásadě nespojitou činností , alespoň z úhlu velmi krátkého časového intervalu - podobně jako běžné rotační krokové motory. Specifikum konstrukce lineárního motoru  Konstrukce motoru spočívá v ozubení statorového pásu - čímž se odlišuje od jiných lineárních motorů. Stator u krokového lineárního motoru  je pás se zuby – pólovými nástavci. Rotor, který je složen nejméně ze dvou střídavě napájených cívek, se nad pásem statoru  pohybuje prostřednictvím  vytvářených magnetických sil ..

Režimy lineárního krokového motoru

Činnost Lineární krokové motory je odstupňována v souladu s odebíraným elektrickým proudem  ve dvou režimech, podobně jako u rotačních krokových motorů a to režimech

- micro-stepper
a – vyšší rozlišení

4/ OPAKOVATELNOST - HYSTEREZE

Opakovatelnost - hystereze Dalším specifikem lineárních krokových motorů jsou poměrně příznivé a přesné hodnoty a spolehlivost  při jednotlivých polohách opakujících se pracovních cyklů. 

Jednosměrná opakovatelnost měřená opakovatelnými pohyby do stejných výchozích  bodů  z různých vzdáleností se nazývá hystereze - možná přesněji magnetická hystereze, neboť tento fyzikální jev souvisí především s magnetismem a magnetizací  v podstatě – hystereze je "magnetická vůle" v motoru při změně směru. Jev zvaný hystereze - či  opakovatelnost popisuje tzv hysterezní křivka  - která má význam v různých oborech fyziky - například definuje interval mezi zapnutím a vypnutím přístrojů. 

3/ LINEÁRNÍ MOTOR (pokračování)

Aspekty přesnosti v lineárních krokových motorech
Lineární krokové motory mohou pracovat bez zpětné vazby v otevřené smyčce, což z nich z nich dělají velmi nákladově efektivní lineární pohon.

Zatímco některé aplikace vyžadují absolutní přesnost polohování, jiné se obávají vysokého stupně
opakovatelnosti. Opakovatelnost je definována schopností předku vrátit se do stejného bodu ve stejném směru. A tento jev - tedy opakovatelnost popisuje tzv hysterezní křivka  - která má význam v různých oborech fyziky - například definuje interval mezi zapnutím a vypnutím přístrojů. 

a další typy lineárních motorů alespoň v názvech

Lineární synchronní motory LSM

Lineární spínané reluktanční motory LSRM

Lineární synchronní reluktanční motory LSRELM