ВЫБОР ПРАВИЛЬНОГО ТИПА И РАЗМЕРА ДВИГАТЕЛЯ
Какой двигатель является правильным (или лучшим) для использования в приложении управления движением? Учитывая множество вариантов выбора типа, размера и производительности, неудивительно, что нет простого выбора двигателя, который дал бы ответ на этот вопрос.
При рассмотрении проекта управления движением выбор правильного типа и размера двигателя может показаться непосильной задачей. Как правило, следует учитывать три основных типа двигателей: шаговые двигатели, щеточные двигатели постоянного тока и бесщеточные двигатели постоянного тока. Для данного размера существует выбор материала магнита и конфигурации обмотки. Действительно, нестандартные обмотки часто являются нормой.
Вы, должно быть, задаетесь вопросом, существует ли процесс, который может помочь разобраться во всей этой информации и помочь вам выбрать лучший двигатель для приложения. К счастью, есть! В Simplexity мы называем этот процесс «Расчет двигателя». Я расскажу больше о размерах двигателя, но сначала давайте разберемся с различными типами двигателей.
ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Шаговые двигатели получили свое название из-за того факта, что когда двигатель коммутируется (фазовые катушки приводятся в движение последовательно), выходной вал поворачивается на заданный угол. В результате размер шага, указанный в градусах, является ключевой характеристикой для этих двигателей. Общие размеры шага 0,9°, 1,8°, 7,5° и 15°. Тип конструкции, используемый для изготовления двигателя, оказывает прямое влияние как на размер шага, так и на максимальное рабочее число оборотов в минуту.
Рис. 1. Иллюстрирует профиль крутящего момента для шагового двигателя с биполярной обмоткой, коммутируемого в полношаговом режиме.
Обратите внимание, что профиль крутящего момента отдельной фазы является синусоидальным, и именно перекрытие этих отдельных профилей крутящего момента посредством коммутации обеспечивает более стабильный выходной крутящий момент. Существует значительное количество пульсаций крутящего момента, что приводит к шуму и вибрации. Пульсации крутящего момента можно свести к минимуму, используя более сложные методы коммутации. Шаговые двигатели обычно лучше всего подходят для работы в диапазоне низких и средних оборотов.
Шаговые двигатели имеют фиксированный внешний статор и магнитный ротор. Они имеют бесщеточную конструкцию, поскольку ротор предварительно намагничен, а электрически соединен только статор. Эти двигатели изготавливаются в стиле «консервная банка» и «ламинат». В стиле жестяной банки используются штампованные компоненты из листового металла для формирования половинок статора. Эти компоненты размещаются вокруг предварительно намотанных катушек. Конструкция проста и недорога.
Одним из недостатков является то, что жестяные двигатели обычно доступны только с самыми большими шагами. Другими недостатками по сравнению со стилем ламината являются более низкая максимальная частота шагов и эффективность. Это в первую очередь связано с более слабыми допусками сборки и необходимостью использования менее магнитоэффективной стали в процессе штамповки статора.
Двигатели ламинированного типа имеют статор, изготовленный из штампованных стальных пластин, подобных тем, которые используются в трансформаторах. Высота штабеля может увеличиваться с шагом для формирования статоров разной длины. После того, как статор собран, катушки наматываются на него по отдельности. Благодаря лучшим магнитным свойствам стали статора и более жестким допускам сборки шаговые двигатели становятся более прочными, быстрыми и эффективными. Они стоят значительно дороже, чем консервные, но часто имеют такие тонкости, как шарикоподшипники и возможность установки энкодеров.
Шаговые двигатели имеют репутацию «простых в использовании», поскольку они обычно не требуют энкодера для обратной связи по положению.
Кроме того, ими можно управлять просто с помощью транзисторных переключателей или Н-моста без ШИМ-управления. Однако на практике часто приходится платить высокую цену за выбор «простого» подхода. Для работы в разомкнутом контуре (без энкодера) и с простой схемой привода двигатель часто завышается по крутящему моменту и скорости. Цель состоит в том, чтобы динамические характеристики двигателя преобладали над поведением системы, что помогает гарантировать, что на двигатель можно положиться, чтобы он выполнял команды.
Проблема с этим простым подходом заключается в том, что слишком часто конечным результатом является шумная и подверженная вибрации система. С дальнейшими усилиями и более сложными топологиями драйверов многие из этих ограничений могут быть преодолены. Преимущества отсутствия щеток, работы без обратной связи и удержания положения при обесточивании часто оправдывают дополнительные усилия.
ЩЕТОЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА (DC)
Коллекторные двигатели постоянного тока имеют магниты, расположенные в статоре, и вращаются катушки, встроенные в узел якоря.
В отличие от шаговых и бесщеточных двигателей постоянного тока, двигатели постоянного тока являются самокоммутирующими за счет геометрии щеток и коммутационного кольца, расположенного на валу ротора. Фазовые катушки автоматически переключаются в правильной последовательности при вращении ротора. Проще говоря, эти двигатели создают крутящий момент, линейно пропорциональный току двигателя. Они легко управляются через Н-мост и ШИМ-управление.
Якорь изготовлен из ламинированного материала, такого как ламинированный шаговый двигатель, и поэтому обладает улучшенными магнитными свойствами. Важным отличием является то, что у многослойного шагового двигателя катушки намотаны внутри статора, что сложно и требует много времени, в то время как у якоря двигателя постоянного тока катушки намотаны снаружи, что намного проще. Двигатели постоянного тока обычно имеют формованные металлические банки для внешнего узла статора. Хотя типы стали, необходимые для процесса формовки, не так эффективны, как в якоре, это оказывает незначительное влияние на производительность двигателя, поскольку все магнитные переключения происходят в якоре.
Коллекторные двигатели постоянного тока можно использовать в разомкнутом контуре, но результаты часто неудовлетворительны. Работая в замкнутом режиме, они могут предложить широкий спектр профилей движения. Поскольку выходной крутящий момент является плавным и адаптированным для обеспечения только того, что необходимо, результирующее движение является плавным, а работа механизма бесшумной. Двигатели постоянного тока могут использоваться в диапазоне от очень низких до высоких скоростей.
Был проделан большой объем работ в области линейного анализа и анализа систем управления с использованием этого типа двигателя. В результате, существуют общепринятые методы проверки проектного запаса и стабильности в конструкциях, использующих эти двигатели. Это может иметь особое значение в критически важных приложениях или приложениях с большими объемами.
По сравнению с системой шагового двигателя хорошо спроектированная система серводвигателя постоянного тока очень часто менее дорогая, предлагая при этом более высокий уровень производительности и качество, воспринимаемое потребителем.
БЕСЩЕТОЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА (BLDC)
Бесщеточные двигатели постоянного тока ведут себя как нечто среднее между шаговыми двигателями и двигателями постоянного тока. Их преимущество в том, что они бесщеточные, что обеспечивает длительный срок службы и бесшумную работу, как и шаговые двигатели. Используя сложные схемы управления, их можно рассматривать как линейный источник крутящего момента, подобный двигателю постоянного тока. С надлежащей обратной связью двигатели BLDC можно использовать в диапазоне от низких до очень высоких оборотов.
Электродвигатель BLDC может иметь фиксированный внутренний статор, конструкция которого аналогична якорю электродвигателя постоянного тока. Внешний ротор содержит магнитное кольцо. Конструкции внешнего ротора, подобные этой, превосходно работают на высоких скоростях и просты в изготовлении. Конструкция внутреннего ротора имеет статор, построенный так же, как у шагового двигателя с многослойным сердечником, а магнит представляет собой ротор.
Хотя обычно BLDC с внутренним ротором обеспечивает меньшую скорость, он легче рассеивает тепло.
Для правильной работы BLDC двигатель должен коммутироваться в правильной точке его вращения. Это требует обратной связи в той или иной форме. Исторически это делалось с помощью датчиков Холла, встроенных в двигатель. Обмотки двигателя коммутируются на основе выходных значений датчика Холла. В последнее время существуют схемы управления, которые основаны на измерении пересечения нуля синусоидальным напряжением противоэлектродвижущей силы (BEMF) в отдельных катушках. Доступны интегральные схемы, которые могут выполнять это измерение и выполнять коммутацию автоматически. Некоторые поставщики предлагают двигатели BLDC со встроенными цепями и, таким образом, обеспечивают работу, аналогичную двигателю постоянного тока. В зависимости от требований к производительности доступны еще более сложные схемы управления.
ТАК КАК РАЗМЕРЫ ДВИГАТЕЛЯ ПОМОГАЮТ МНЕ ВЫБРАТЬ, КАКОЙ ТИП ДВИГАТЕЛЯ ИСПОЛЬЗОВАТЬ?
Выбор двигателя — это процесс, через который проходит инженер по системам управления движением, чтобы выбрать двигатель для данного приложения.
Это анализ на системном уровне, в ходе которого инженер многократно оценивает доступные варианты двигателей в соответствии с целями приложения и проектными ограничениями. По сути, процесс заключается в том, чтобы следовать инженерной «спирали проектирования» для достижения желаемого результата в виде конструкции системы серводвигателя, отвечающей требованиям приложения. Рисунок 2. Иллюстрирует типичную спираль проектирования для этого процесса.
С ЧЕГО НАЧАТЬ?
Хорошей отправной точкой является определение целей и проектных ограничений для приложения. Сюда могут входить:
- Общая стоимость сервосистемы
- Ограничения размера приложения
- Наличие двигателя и стоимость
- Минимальное доступное напряжение питания
- Максимально допустимый ток питания
- Сложность и стоимость схемы драйвера
- Средний и пиковый предел мощности
- Пределы тока и рассеиваемой мощности драйвера IC
- Требования к сервоускорению и скорости
- Требования к точности сервопривода
- Нагрузка на трение и массу
- Ограничения по шуму и вибрации
На данный момент может быть доступно достаточно информации, чтобы сделать обоснованный выбор типа двигателя для данного конкретного применения.
При этом вы определите компромиссы дизайна во всей системе. Например, вы можете обнаружить, что указанная выходная мощность блока питания в целом достаточна, но другой уровень напряжения приведет к снижению стоимости системы. Следует отметить, что каждый тип двигателя требует уникального проектирования и возможностей отладки для реализации хорошего проекта. Ваша способность предоставить эти возможности должна быть принята во внимание при анализе компромиссов на уровне системы.
В конечном итоге будут определены подходящие варианты двигателя. Это первый шаг в процессе определения размера двигателя. Теперь инженер по системам управления движением может приступить к подробному анализу выявленных вариантов и рассмотреть размеры корпуса двигателя, параметры обмотки и топологию управления.
Ответы на семь общих вопросов о работе генераторов и двигателей
Вращающееся оборудование настолько распространено, но так неправильно понимается, что даже очень опытные электрики и инженеры часто сталкиваются с вопросами об их работе. В этой статье мы ответим на семь наиболее часто задаваемых вопросов. Объяснения краткие и практичные из-за ограниченного места; тем не менее, они позволят вам лучше понять это оборудование.
Вопрос №1: Якорь, поле, ротор, статор: что есть что?
Статор по определению состоит из всех невращающихся электрических частей генератора или двигателя. Также по определению ротор включает в себя все вращающиеся электрические части.
Поле машины — это часть, которая создает прямое магнитное поле. Ток в поле не переменный. Обмотка якоря – это та, которая генерирует или имеет приложенное к ней переменное напряжение.
Обычно термины «якорь» и «поле» применяются только к генераторам переменного тока, синхронным двигателям, двигателям постоянного тока и генераторам постоянного тока.
Генераторы переменного тока . Поле синхронного генератора представляет собой обмотку, на которую подается постоянный ток возбуждения. Якорь – это обмотка, к которой подключена нагрузка. В малых генераторах обмотки возбуждения часто находятся на статоре, а обмотки якоря — на роторе. Однако большинство больших машин имеют вращающееся поле и неподвижный якорь.
Синхронный двигатель практически идентичен синхронному генератору. Таким образом, якорь — это статор, а поле — это ротор.
Машины постоянного тока . В машинах постоянного тока, как двигателях, так и генераторах, ротором является якорь, а статором — поле. Поскольку якорь всегда является ротором в машинах постоянного тока, многие электрики и инженеры ошибочно полагают, что ротором всех двигателей и генераторов является якорь.
Вопрос № 2: Я ослабил натяжение пружины на щетках, но они по-прежнему изнашиваются слишком быстро. Почему?
Износ щеток происходит по двум основным причинам: механическое трение и электрический износ.
Механическое трение вызывается трением щеток о коллектор или контактное кольцо. Электрический износ вызван искрением и искрением щетки, когда она движется по коллектору. Механическое трение увеличивается с давлением щетки; Электрический износ уменьшается с давлением щетки.
Для любой установки щетки существует оптимальное давление щетки. Если давление снижается ниже этой величины, общий износ увеличивается, поскольку увеличивается электрический износ. Если давление увеличивается выше оптимального значения, общий износ снова увеличивается из-за увеличения механического трения.
Всегда следите за тем, чтобы давление щетки было установлено на уровне, рекомендованном производителем. Если износ по-прежнему чрезмерный, следует изучить тип и размер используемой щетки. Помните, что плотность тока (ампер на квадратный дюйм щетки) должна соответствовать применению. Надлежащая плотность тока необходима для того, чтобы на коллекторе или контактном кольце образовалась смазочная проводящая пленка.
Эта пленка состоит из влаги, меди и углерода. Недостаточная плотность тока препятствует образованию этой пленки и может привести к чрезмерному износу щеток.
Кроме того, среда с очень низкой влажностью не обеспечивает достаточного количества влаги для образования смазочной пленки. Если в такой среде возникает проблема чрезмерного износа щеток, возможно, вам придется увлажнить место, где работает машина.
Вопрос № 3: Что такое сервис-фактор?
Эксплуатационный коэффициент — это нагрузка, которая может быть приложена к двигателю без превышения допустимых значений. Например, если двигатель мощностью 10 л.с. имеет эксплуатационный фактор 1,25, он будет успешно развивать мощность 12,5 л.с. (10 x 1,25) без превышения заданного повышения температуры. Обратите внимание, что при таком приводе выше номинальной нагрузки на двигатель должно подаваться номинальное напряжение и частота.
Однако имейте в виду, что двигатель мощностью 10 л.с. с эксплуатационным коэффициентом 1,25 не является двигателем мощностью 12,5 л.
с. Если двигатель мощностью 10 л.с. будет постоянно работать при мощности 12,5 л.с., срок службы его изоляции может сократиться на две трети от нормального. Если вам нужен двигатель мощностью 12,5 л.с., купите его; эксплуатационный коэффициент следует использовать только для кратковременных условий перегрузки.
Вопрос № 4: Что такое вращающееся магнитное поле и почему оно вращается?
Вращающееся магнитное поле — это поле, северный и южный полюса которого движутся внутри статора, как если бы внутри машины вращался стержневой магнит или магниты.
Посмотрите на статор трехфазного двигателя, показанный на прилагаемой схеме. Это двухполюсный статор с тремя фазами, расположенными с интервалом 120 [градусов]. Ток от каждой фазы входит в катушку на одной стороне статора и выходит через катушку на противоположной стороне. Таким образом, если одна из катушек создает магнитный северный полюс, другая катушка (для той же фазы) создаст магнитный южный полюс на противоположной стороне статора.
В Позиции 1 фаза B создает сильный северный полюс вверху слева и сильный южный полюс внизу справа. А-фаза создает более слабый северный полюс внизу слева и более слабый южный полюс внизу. C-фаза создает общее магнитное поле с северным полюсом в левом верхнем углу и южным полюсом в правом нижнем углу.
В Позиции 2 фаза А создает сильный северный полюс внизу слева и сильный южный полюс вверху справа; таким образом, сильные полюса повернулись на 60 [градусов] против часовой стрелки. (Обратите внимание, что это магнитное вращение на 60 [градусов] точно соответствует электрическому изменению фазных токов на 60 [градусов].) Слабые полюса также повернулись на 60 [градусов] против часовой стрелки. Фактически это означает, что общее магнитное поле повернулось на 60 [градусов] от положения 1. фаз изменяется более чем на 60 электрических градусов. Анализ позиций 3, 4, 5 и 6 показывает, что магнитное поле продолжает вращаться.
Скорость, с которой вращается магнитное поле, называется синхронной скоростью и описывается следующим уравнением:
S = (f x P) / 120, где S = скорость вращения в оборотах в минуту f = частота подаваемого напряжения (Гц ) P = количество магнитных полюсов во вращающемся магнитном поле
Если бы в этот статор был помещен постоянный магнит с валом, который позволял бы ему вращаться, его толкали бы (или тянули) вперед с синхронной скоростью.
Точно так же работает синхронный двигатель, за исключением того, что магнитное поле ротора (поля) создается электромагнетизмом, а не постоянным магнитом.
Ротор асинхронного двигателя состоит из короткозамкнутых обмоток, и в обмотках ротора индуцируется ток, когда вращающееся магнитное поле пересекает их. Этот ток создает поле, противодействующее вращающемуся полю. В результате ротор толкается (или притягивается) вращающимся полем. Обратите внимание, что ротор асинхронного двигателя не может вращаться с синхронной скоростью, поскольку вращающееся поле должно прорезать обмотки ротора, чтобы создать крутящий момент. Разница между синхронной скоростью и фактической скоростью вращения ротора называется процентным скольжением; она выражается в процентах.
Однофазные двигатели также имеют вращающееся магнитное поле. Вращающееся поле, необходимое для запуска двигателя, создается второй обмоткой, называемой пусковой обмоткой. После разгона двигателя пусковая обмотка отключается, и вращающееся поле создается за счет взаимодействия основной обмотки статора и ротора.
Вопрос № 5: Как работает асинхронный генератор?
Асинхронный генератор по конструкции идентичен асинхронному двигателю. Обмотки статора подключены к трехфазной системе питания, и три фазы создают вращающееся магнитное поле. Ротор асинхронного генератора вращается первичным двигателем, который вращается быстрее синхронной скорости. Когда обмотки ротора пересекают вращающееся поле, в них индуцируется ток. Этот индуцированный ток создает поле, которое, в свою очередь, прорезает обмотки статора, создавая выходную мощность для нагрузки.
Таким образом, асинхронный генератор получает питание от энергосистемы, к которой он подключен. Асинхронный двигатель должен иметь синхронные генераторы, подключенные к его статору, чтобы начать генерировать. После того, как асинхронный генератор работает, конденсаторы могут использоваться для питания возбуждения.
Вопрос № 6: Почему подшипники генератора и двигателя изолированы?
Магнитное поле внутри двигателя или генератора не совсем однородно.
Таким образом, при вращении ротора на валу в продольном направлении (непосредственно вдоль вала) возникает напряжение. Это напряжение вызовет протекание микротоков через смазочную пленку на подшипниках. Эти токи, в свою очередь, могут вызвать незначительное искрение, нагрев и, в конечном итоге, выход из строя подшипника. Чем больше машина, тем хуже становится проблема.
Чтобы избежать этой проблемы, корпус подшипника со стороны ротора часто изолируется от стороны статора. В большинстве случаев будет изолирован по крайней мере один подшипник, обычно самый дальний от первичного двигателя для генераторов и самый дальний от нагрузки для двигателей. Иногда оба подшипника изолированы.
Вопрос № 7: Как генераторы переменного тока регулируют переменную, напряжение и мощность?
Хотя элементы управления генератором взаимодействуют, верны следующие общие положения.
- Выходная мощность генератора контролируется его первичным двигателем.
- Вклад напряжения и/или реактивной мощности генератора контролируется уровнем тока возбуждения.
Например, предположим, что к выходу генератора подключена дополнительная нагрузка. Добавленный поток тока увеличит силу магнитного поля якоря и заставит генератор замедлиться. Чтобы поддерживать частоту, регулятор генератора увеличивает мощность, подводимую к первичному двигателю. Таким образом, дополнительная мощность, необходимая для генератора, регулируется вводом первичного двигателя.
В нашем примере чистый магнитный поток в воздушном зазоре уменьшится, так как увеличение якоря противодействует потоку поля. Если не увеличить поток поля, чтобы компенсировать это изменение, выходное напряжение генератора уменьшится. Таким образом, ток возбуждения используется для управления выходным напряжением.
Давайте посмотрим на другой пример для дальнейшего пояснения. Предположим, к нашему генератору добавлена дополнительная нагрузка VAR. В этом случае выходной ток генератора снова возрастет. Однако, поскольку новая нагрузка не является «настоящей» мощностью, первичный двигатель необходимо увеличивать только настолько, чтобы компенсировать дополнительное падение IR, создаваемое дополнительным током.
