Особенности и конструкция моментного двигателя прямого и редукторного электроприводов.

Методика выбораТрадиционная методика выбора электродвигателя для любого привода давно известна. Для этого вычисляется усредненная механическая мощность, необходимая для движения объекта управления (рабочего механизма) с заданными скоростями и ускорениями в различных режимах работы. Далее выбирается максимальное значение этой мощности, называемое требуемой мощностью, которое сравнивается с номинальной мощностью на валу двигателя, указанной в его паспортных данных или даже на его шильдике. Однако для бесконтактных моментных двигателей проблема состоит в том, что для них такой параметр, как номинальная мощность, обычно не указывается.
Конструкции моментных двигателей
Для пояснения проблемы выбора моментного двигателя рассмотрим типовую конструкцию классического коллекторного двигателя постоянного тока. В корпусе с постоянными магнитами на статоре установлен ротор с подшипниками и щеточно-коллекторным узлом. Обмотка двигателя, называемая якорем, размещена на роторе, поэтому все тепло за счет потребляемого электрического тока выделяется только в роторе, поскольку постоянные магниты сами не нагреваются. Все это тепло отводится от ротора в корпус, в основном через воздух с торцов и через воздушный зазор, поскольку через подшипники и щетки поток тепла незначителен. Далее корпус двигателя охлаждается конвекцией воздуха, а часть тепла уходит через торец корпуса, которым двигатель соединяется с конструкцией привода. Таким образом, точный расчет температуры обмотки как основного повреждающего фактора при различных моментах, скоростях и режимах (например, частом реверсировании) весьма сложен, поскольку изменяются условия теплоотвода. Поэтому разработчики коллекторных электродвигателей испытывают двигатель в каком-то одном, так называемом номинальном режиме (в номинальной точке), с номинальными моментом, скоростью и мощностью, на валу, который и рекомендуют потребителю. Превышение усредненного момента нагрузки или механической мощности на валу двигателя больше номинального значения не допускается, даже если, например, двигатель используется при температуре окружающей среды ниже максимально допустимой, или потребитель обдувает двигатель воздухом или устанавливает на его корпус радиатор. Это объясняется тем, что прямой пересчет температуры обмотки в новой точке, отличной от номинальной, затруднен, поэтому требуются новые испытания двигателя в этой новой точке.
Таким образом, для классических коллекторных двигателей постоянного тока назначение номинальной мощности на валу двигателя как основного фактора при его выборе по традиционной методике вполне оправдано. Положение не сильно меняется для встраиваемого моментного двигателя коллекторного типа. По характеру нормирования параметров бесконтактные моментные двигатели могут быть номинального и интенсивного использования. В первом случае аналогично двигателям классической конструкции для фиксированной схемы включения и управления задаются номинальные рабочий режим и механическая мощность на валу, которые гарантируются либо для двигателя без корпуса (при конвективном теплообмене), или при рекомендуемой конструкции теплоотвода. Например, моментные двигатели компаний Siemens или Ruch Serwomotor снабжаются дополнительным жидкостным охлаждением. Пример такого двигателя серии 1FW6 компании Siemens показан на рисунке 5, где в центре хорошо видны патрубки для подвода охлаждающей жидкости. Таким образом, в двигателях номинального использования функциональные возможности двигателя сильно ограничены, однако выбор таких двигателей может производиться по классической методике.В отличие от двигателей номинального использования бесконтактные моментные двигатели интенсивного использования как правило:имеют секционированную обмотку якоря, которую потребитель может включить по своему усмотрению, например, по 5 вариантам при двухфазной 4-секционной обмотке и по 18 вариантам при трехфазной 6-секционной обмотке;
допускают управление по любому закону при гармонической и импульсной форме тока якоря;
разрешают кратковременную работу при повышенном напряжении питания и т.д.
Очевидно, что при традиционном номинальном использовании в этом случае потребовалось бы задавать множество номинальных режимов и точек, в каждой из которых двигатель нужно испытывать отдельно.
Чтобы этого избежать, разработчики бесконтактных моментных двигателей интенсивного использования разрешают любые схемы включения, управления и режимы – при условии, что максимальная температура обмотки никогда не превышает заданного предельного значения (для моментных двигателей серий ДБМ и ДБМВ это +150 °С). Таким образом, под интенсивным использованием понимается возможность эффективного применения двигателя во всех условиях и режимах.Однако при этом у потребителя возникают две проблемы:как выбрать рабочую точку и тип моментного двигателя?
как спроектировать соответствующий теплоотвод статора, предотвращающий перегрев обмотки?
Оба этих вопроса рассматриваются в следующем разделе.Методика выбора бесконтактного моментного двигателяМетодика выбора бесконтактного моментного двигателя включает следующие этапы:назначение (выбор) рабочей точки;
вычисление требуемой максимальной механической мощности на валу двигателя;
выбор моментного двигателя редукторного или прямого привода;
вычисление мощности потерь в обмотке;
расчет теплоотвода (радиатора).
Первые два этапа требуют построения механической характеристики моментного двигателя в виде зависимости частоты вращения ротора n и мощности на валу P от вращающего момента M. Пример такой характеристики показан на рисунке 6, где: nх – частота вращения холостого хода, Mп – пусковой момент, а Pмакс – максимальная механическая мощность на валу двигателя, определяемая по формуле:
Pмакс = 0,25 Mп*nх.
Применительно к моментным двигателям мерой нелинейности привода является коэффициент линейности (называемый иногда коэффициентом плавности), равный отношению пускового момента к рабочему:
kпл = Мп / Мр.
Значение коэффициента линейности рекомендуется выбирать в пределах:
kпл = 3 – 20,
где минимальное значение этого коэффициента назначается для простых, не очень точных приводов, а максимальное – для особо точных следящих или регулируемых приводов. С этой точки зрения ситуация, показанная на рисунке 7, является неприемлемой, поскольку здесь kпл = 2.
Таким образом, выбор коэффициента линейности определяет рабочую точку А двигателя, и если за рабочую механическую мощность на валу принять требуемую мощность двигателя Pр = Pтр, то на рисунке 6 легко найти максимальную механическую мощность на валу по формуле:
P_макс=P_р (kпл^2)/4(kпл-1) .
Это позволяет легко выбрать из каталога подходящий типономинал моментного двигателя по его максимальной механической мощности на валу. Затем, построив его механическую характеристику, можно вычислить рабочую частоту вращения двигателя и необходимое передаточное отношение редуктора с учетом его КПД и нужных запасов по скорости.
Для прямого привода редуктор отсутствует, поэтому моментный двигатель выбирается по требуемому пусковому моменту
Мп ≥ kпл Мтр,
где Мтр – требуемый момент объекта управления (рабочего механизма).
Этап выбора типономинала двигателя завершается нахождением мощности электрических потерь в обмотке статора. Для этого по известным методикам вычисляется эквивалентный (среднеквадратичный) момент двигателя, зависящий от рабочего режима, а по нему – амплитуда фазного тока статора и мощность электрических потерь в обмотке (потерь в меди) Pэ. Необходимо, однако, учитывать, что при работе в режиме вентильного двигателя помимо синфазной составляющей тока, образующей вращающий момент, в обмотке протекает квадратурная составляющая тока, вызванная запаздыванием в электронной части. Кроме того, дополнительный нагрев вызывают высокочастотные составляющие фазных токов за счет негармонической формы тока, широтно-импульсной модуляцией и т. д.
Расчет теплоотвода (радиатора) проводится методом электротермических аналогий.
По тепловому сопротивлению радиатора или корпуса с помощью известных методик определяют их конструкцию, а также решают вопрос о необходимости дополнительного обдува или жидкостного охлаждения. Для предотвращения перегрева обмотки в корпус встраивается термореле или датчик перегрева. Разумеется, справедливость тепловых расчетов следует подтвердить испытаниями опытного образца. https://chastotnik.com.ua/motor/