Конспект лекций по КММ

Бесконтактный двигатель содержит синхронную машину и датчик углового положения ротора. Бесконтактный двигатель постоянного тока имеет инверсное (обращенное) исполнение, т.е. обмотка якоря расположена в пазах статора, а на роторе размещены постоянные магниты с одной или двумя парами полюсов.

В качестве датчиков положения ротора применяют сельсины, си- нусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (резольверы), датчики Холла.

При дискретном способе управления используют цифровые датчики положения.

Срок службы современных бесконтактных двигателей превышает

10000 ч.

Примером высокооборотных бесконтактных двигателей являются двигатели серии БК.

Технические характеристики и геометрические параметры некоторых типов электродвигателей постоянного тока приведены в табл.

8.1.

Т а б л и ц а 8.1

Технические характеристики и геометрические параметры электродвигателей постоянного тока

8.1.2. Электродвигатели переменного тока

В мехатронных модулях широко применяют бесколлекторные электродвигатели переменного тока ввиду длительности их службы (гарантийный срок службы более 40000 ч), больших кратковременных перегрузок по току, возможности использования в агрессивных средах, так как отсутствует механический контактный коллектор источник искрового и дугового разрядов, небольших массогабаритных параметров, удобного охлаждения обмотки якоря, потому что она расположена на неподвижном статоре.

По массогабаритным показателям электродвигатели переменного тока, как правило, превосходят коллекторные электродвигатели постоянного тока.

Электродвигатели переменного тока бывают асинхронные и синхронные.

Асинхронные электродвигатели широко применяют в различ-

ных сферах промышленности разных модификаций: однофазные, двухфазные и трехфазные, с короткозамкнутым и фазным роторами. В настоящее время в мехатронных модулях находят наибольшее применение трехфазные короткозамкнутые электродвигатели.

Регулирование скорости асинхронного короткозамкнутого электродвигателя проводят путем регулирования задаваемой частоты и тока электродвигателя. Такое регулирование называют частотнотоковым.

В табл. 8.2 представлены технические характеристики и геометрические параметры асинхронных электродвигателей серий ДАТ и

4А.

Синхронные электродвигатели применяют в различных облас-

тях техники из-за хорошей управляемости, высокого КПД, бесконтактности, широких функциональных возможностей и т.п.

Применение синхронных электродвигателей в мехатронных модулях обеспечивает им высокую частоту вращения, малое время (менее 0,1 с) разгона от нуля до максимальной частоты вращения вала, отсутствие пульсаций момента, малые массу и габариты, небольшой момент инерции собственной массы, высокую перегрузочную способность в циклическом режиме, широкий диапазон регулирования частоты вращения вала.

Электромагнитный момент синхронного электродвигателя зависит от магнитного потока возбуждения, тока и пространственного угла между векторами магнитного потока и тока. Он достигает максимума при =90°.

У синхронных электродвигателей угол положения ротора относительно статора контролируется дискретным датчиком. Равномерность регулирования в пределах шага достигается путем регулирования тока. Система управления замкнутая. Такой режим работы называют режимом бесконтактного электродвигателя постоянного тока.

При работе в режиме бесконтактной машины постоянного тока синхронный электродвигатель имеет механические и регулировочные характеристики, аналогичные электродвигателю постоянного тока.

Т а б л и ц а 8.2

Технические характеристики и геометрические параметры асинхронных электродвигателей серий ДАТ и 4А (220 В)

Однако наиболее хорошие регулировочные свойства синхронный электродвигатель приобретает не при дискретном, а при непрерывном контроле положения ротора и отслеживании равенства угла =90°, тем самым формируя синусоидальное значение тока в каждой фазе электродвигателя. При этом электродвигатель имеет самые высокие энергетические характеристики.

Примером синхронных вентильных электродвигателей являются электродвигатели серий: ДВУ – на магнитах из феррита-стронция с номинальным моментом от 7 до 170 Нм и частотой вращения 2000...3000 об/мин; 2ДВУ – на редкоземельных магнитах с номинальным моментом от 0,05 до 7 Нм и частотой вращения 2000...6000 об/мин; 3ДВУ – дисковые на редкоземельных магнитах с номинальным моментом от 1 до 47 Нм и частотой вращения 2000...6000 об/мин.

Максимальный момент этих электродвигателей Tmax≈5Tн.

Все электродвигатели серий ДВУ имеют пристраиваемый комплексный датчик типа ПДФ-8 или ПДФ-9, включающий бесколлекторный тахогенератор, бесконтактный датчик положения ротора и датчик положения или встроенный датчик аналогичного назначения. Электродвигатели имеют модификацию со встроенным электромагнитным тормозом.

Технические характеристики и геометрические параметры электродвигателей серии ДВУ приведены в табл. 8.3.

Т а б л и ц а 8.3

Технические характеристики и геометрические параметры синхронных электродвигателей серии ДВУ

Следует отметить новое направление в конструктивном исполнении электродвигателей. Это проектирование и создание электродвигателей для непосредственного встраивания в механизм, а не принятого универсального присоединения к механизму. В состав таких электродвигателей не входят вал, опорные щиты и подшипники. Такая конструкция позволяет конструировать механический преобразователь, исключив дублирование вала, опорных щитов и подшипников.

Примером такого исполнения являются вентильные бесконтактные электродвигатели серии ДБМ (рис.8.2). Они имеют плоскую встраиваемую конструкцию, состоящую из статора 1 и ротора 2 и

предназначены для работы в шаговом и регулируемом режимах. Такое исполнение обеспечивает пакетирование для увеличения

требуемого момента, т.е. конструкция двигателя в этом случае представляет собой пакет синхронных машин с общим датчиком положения ротора.

Условное обозначение вентильного бесконтактного моментного электродвигателя серии ДБМ, например ДБМ-63-0,06-3-2, расшифровывают следующим образом: ДБМ – двигатель бесконтактный моментный; 63 – внешний диаметр корпуса, мм; 0,06 - номинальный момент, Нм; 3 – номинальная частота вращения, тыс. об/мин; 2 – число фаз.

Двигатели серии ДБМ спроектированы для работы с малыми скоростями и большими моментами и обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными бесконтактными двигателями: повышенным ресурсом работы; большим отношением вращающего момента к моменту инерции ротора, что обеспечивает высокое быстродействие; высокой разрешающей способностью из-за отсутствия упругих связей и люфтов.

Использование таких электродвигателей в мехатронных модулях позволяет во многих случаях отказаться от преобразователя движения.

Вбольшинстве случаев электродвигатели серии ДБМ используют

врежиме бесконтактной машины постоянного тока.

В качестве датчика положения ротора в мехатронном модуле с бесконтактным моментным двигателем серии ДБМ используют бесконтактный синусно-косинусный вращающийся трансформатор типа редуктосин.

Технические характеристики и геометрические параметры электродвигателей серии ДБМ приведены в табл. 8.4.

Т а б л и ц а 8.4

Технические характеристики и геометрические параметры электродвигателей серии ДБМ

8.2. Линейные электродвигатели

Принцип действия и конструктивная схема линейного двигателя (ЛД) известны давно.

Прототипом линейного двигателя является электромагнитная система, состоящая из металлического сердечника-магнита и статорной обмотки (рис.8.3). При подаче тока определенной полярности в статорную обмотку сердечник-магнит смещается в ту или иную сторону. Между источником энергии и подвижным звеном нет промежуточных элементов. Передача энергии осуществляется через воздушный зазор между статорной обмоткой и подвижным звеном. На этом принципе действия уже много лет работают различные системы электроавтоматики, электротормозов, защиты и т.п.

Достоинством этих систем является: простота конструкции, сверхбыстрота срабатывания, почти мгновенный останов и реверс, большие осевые усилия, простота настройки и применения.

Для идеальной работы этих систем не хватало только возможности регулировать скорость подвижного звена. А без этого сконструировать линейный двигатель было невозможно.

Потребовались многие годы работы ученых и конструкторов в разных странах, прежде чем был достигнут успех. В Японии впервые был успешно использован линейный привод как движитель сверхскоростных поездов. Попытки создания линейных двигателей для металлообрабатывающих станков приводили к возникновению сильных магнитных полей, нагреву двигателя, неравномерности движения подвижного звена. И только на пороге третьего тысячелетия Японская компания SODICK Co., Ltd. первой сумела решить сложнейшие кон- структорско-технологические задачи, позволившие приступить к серийному выпуску станков (пока в основном электроэрозионных) с принципиально новыми линейными двигателями, в которых решены все проблемы по обеспечению равномерности движения подвижного звена станка со сверхвысокой точностью, с большим диапазоном регулирования скорости, громадными ускорениями, мгновенным остановом и реверсом, простотой обслуживания и наладки и др.

Линейный двигатель может быть "получен" из двигателя углово-

го движения (рис. 8.4,а) в результате продольного разреза статора (рис. 8.4,б) и развертки его в прямую линию. Ротор также выпрямляют (рис. 8.4,в). В результате движение "ротора" становится линейным. Обратная свертка линейного двигателя (рис. 8.5,а) только относительного его поперечной оси приводит к появлению линейного двигателя иного типа (рис. 8.5,б).

Следует отметить, что двигаться может либо "ротор", либо "статор". Все зависит от того, что закреплено. Если закреплен "статор" движется "ротор", при закреплении

"ротора" движется "статор".

а)

Таким образом, линейный двигатель состоит из двух основных элементов: электромагнитного "статора" 1 и плоского "ротора" 2 (рис.8.6, а, б), между которыми воздушный зазор. Для определения текущих координат подвижного звена на неподвижном звене устанавливают измерительную линейку с высокой дискретностью (0,1 мкм). "Ротор" 2 (рис.8.6, б) состоит из ряда прямоугольных сильных (редкоземельных) постоянных магнитов 3, закрепленных под определенным фиксированным углом на тонкой плите 4 из специальной высокопрочной керамики, коэффициент температурного расширения которой в два раза меньше, чем у гранита. Применение керамики совместно с эффективной системой охлаждения и использование высо-

ходом подвижного звена от 100 до 2220 мм, максимальной скоростью перемещения до 3 м/с, ускорением до 20g при точности исполнения заданных перемещений 0,1 мкм, практически мгновенной остановкой и реверсом, моментальной реакцией на команды системы управления. Нагрев ЛД при работе не превышает +2°С от температуры помещения.

Для увеличения мощности на один рабочий орган устанавливают несколько линейных двигателей. Так, на электроэрозионных прошивочных станках фирмы SODICK для вертикального перемещения рабочего органа установлены два линейных двигателя (рис.8.7).

В настоящее время многоцелевые станки с линейными двигателями производят многие фирмы (табл.8.5).

Рис. 8.7