
Новый тип интегрированного гибридного серводвигателя находит применение в системах с прямым приводом, где он обеспечивает более низкую стоимость, меньшие размеры и более высокую эффективность, чем обычные серводвигатели.
Дональд Лабриола П.Э.
QuickSilver Controls, Inc.
Ни один отдельный тип двигателя не имеет преимуществ в каждом случае применения. Приложения с прямым приводом предпочитают так называемые гибридные сервоприводы, в то время как высокоскоростные приложения с пониженным приводом, как правило, предпочитают обычные серводвигатели. Неправильное применение обычного сервопривода в системах с прямым приводом может привести к снижению эффективности на треть и обеспечить только 40% непрерывной мощности при обычной скорости работы. Это приводит к тому, что обычный встроенный серводвигатель рассеивает на 160 — 450% больше тепла по сравнению со встроенным гибридным серводвигателем аналогичного размера NEMA 23 frame (длиной 4 дюйма).
Существует несколько типов встроенных серводвигателей – традиционные бесщеточные двигатели переменного тока с низким числом полюсов и гибридные сервоприводы, в которых используются бесщеточные двигатели переменного тока с высоким числом полюсов – последние также могут использоваться в разомкнутом контуре в качестве шаговых двигателей. Встроенные гибридные серводвигатели, используемые в этом сравнении, работают как настоящие серводвигатели с использованием векторных приводов. Эти сравнения не справедливы для приводов с шаговым двигателем в режиме предотвращения потери шага, даже если может использоваться двигатель того же типа. Эта разница в производительности замкнутого контура по сравнению с разомкнутым контуром также характерна для двигателей с низким числом полюсов; один и тот же двигатель работает значительно лучше при использовании полного сервоуправления, чем когда тот же двигатель приводится в действие приводом с переменной скоростью.
Фундаментальные моторные различия
Гибридные серводвигатели основаны на двигателях с большим количеством полюсов (обычно 100 полюсов), которые обычно называются шаговыми двигателями при работе в разомкнутом контуре. Традиционные серводвигатели обычно используют двигатели с меньшим количеством полюсов (обычно от 4 до 16 полюсов). Учитывая, что другие коэффициенты двигателя одинаковы, постоянная крутящего момента (Нм / А) для двигателя увеличивается с увеличением числа полюсов, а скорость уменьшается в том же соотношении. Постоянная крутящего момента (если потери учитываются отдельно) равна постоянной напряжения, выраженной в вольтах/радиан/сек. В этом примере сравнения встроенный серводвигатель марки “А” показывает постоянное напряжение 6,6 В/ 1000 об/мин, что соответствует 0,06 В/Радиан/сек, что также равно 0,06 Нм/А, и сопротивление обмотки 1,1 Ом. Встроенный гибридный сервопривод от QuickSilver имеет измеряемую постоянную напряжения 0,227 В/радиан/сек и сопротивление обмотки 0,66 Ом. Это означает, что обычному сервоприводу требуется более чем в 3,5 раза больше тока для создания того же крутящего момента на валу, что и гибридному сервоприводу.
Потери мощности в медных обмотках рассчитываются по Pпотеря = Я2R. Это соответствует более чем в 20 раз большей мощности, рассеиваемой только для поддержания того же крутящего момента при остановке двигателей. Таким образом, высокая постоянная крутящего момента выгодна на низких и средних скоростях. Однако высокая постоянная крутящего момента также вызывает более высокую обратную ЭДС двигателя при заданной скорости, что снижает напряжение, доступное для подачи тока в двигатель при более высоких скоростях. Это условие ограничивает максимальную скорость двигателя. Эти различия делают гибридный серводвигатель полезным для многих применений с прямым приводом, но ограничивают его использование в высокоскоростных приложениях, где двигатель с меньшим числом полюсов выигрывает.
Сравнение кривой
Просмотр кривых крутящего момента для двух типов двигателей указывает на ряд вещей. Кривые показывают, что гибридный сервопривод имеет больший непрерывный крутящий момент примерно до 2000 об / мин, а более непрерывный крутящий момент, чем двигатель “А”, имеет пиковый крутящий момент примерно до 1500 об/мин. Это важные скорости для систем с прямым приводом, то есть когда двигатель непосредственно приводит в движение груз без редуктора. Обычный ходовой винт (¼ дюйма, длина 24 дюйма, оба конца закреплены одним подшипником) имеет критическую скорость примерно 1600 об/мин, в то время как удлинение ходового винта до 36 дюймов снижает критическую скорость до чуть более 700 об/мин. Типичная ременная передача с прямым приводом (шкив диаметром 1 дюйм = 3,14 дюйма/об) движется со скоростью 52 дюйма/сек при вращении со скоростью 1000 об/мин.
Диаграмма зависимости выходной мощности от скорости показывает, что гибридный сервопривод имеет примерно постоянную мощность от 700 об / мин до почти 1500 об /мин, что опять же соответствует требованиям прямого привода. Это означает, что скорость можно выбирать в пределах этого диапазона и при этом полностью использовать возможности двигателя. Обычные данные сервопривода показывают потерю мощности при 7000 оборотах в минуту, но они были усечены, чтобы соответствовать графику. В то время как непрерывная мощность двигателя “А” достигает 226 Вт на более высоких скоростях, непрерывная мощность при 1000 об /мин составляет всего 35 Вт по сравнению с 90 Вт для гибридного сервопривода QCI-X23C-3. Таким образом, определение предпочтительного типа двигателя определенно зависит от области применения, в которой используется двигатель.
Эффективность двигателя для гибридного сервопривода QuickSilver была измерена непосредственно, в то время как эффективность для традиционного сервопривода была приблизительно рассчитана на основе крутящего момента и I2Потери R и предполагаемые потери, связанные со скоростью, а также входной ток 6,6 А при 48 В, производящий 0,33 Нм при 6 500 об / мин (226 Вт на выходе, 318 Вт на входе, около 92 Вт рассеивается в виде тепла). Поскольку кривая непрерывного крутящего момента указана как основанная на температуре корпуса 85 °C, мощность, рассеиваемая двигателем, была принята для этих расчетов как приблизительно непрерывная во всем диапазоне скоростей. Что совершенно очевидно, так это то, что гибридный серводвигатель и контроллер значительно эффективнее обычного серводвигателя примерно до 3200 оборотов в минуту. При 1000 оборотах в минуту, что является средним показателем для многих применений с прямым приводом, гибридный сервопривод примерно на 225% эффективнее, чем при непрерывной работе обычного серводвигателя, и примерно на 300% эффективнее по сравнению с пиковой кривой крутящего момента обычного двигателя с низким числом полюсов (который по-прежнему выдает только около 64 % от крутящего момента гибридного сервопривода). Опять же, гибридный серводвигатель имеет широкий диапазон скоростей для высокоэффективной работы.
Здесь кривая была несколько усечена, чтобы показать диапазон скоростей прямого привода; система “А” в конечном итоге достигает КПД 71% при номинальной непрерывной мощности 6500 оборотов в минуту. Хотя это может быть полезно для приложений, которым действительно нужна такая скорость, это недоступно для большинства приложений с прямым приводом.
Хотя оба типа двигателей имеют нулевую эффективность при нулевой скорости, гибридной сервосистеме требуется всего около 20 Вт для поддержания нагрузки 1,2 Нм при остановке, по сравнению с примерно 90 Вт, необходимыми для поддержания обычного сервопривода на 0,31 Нм, и примерно 250 Вт для максимального удерживающего момента 0,56 Нм. когда остановился. Это различие важно при склеивании приспособлений, захватов, вертикальных нагрузок, зажимов и аналогичных нагрузок, которые проводят значительную часть своего времени, остановленные при наличии крутящего момента.
Типичные области применения с прямым приводом
Для многих применений с прямым приводом требуется частота вращения двигателя от 250 до 2000 оборотов в минуту. Например, поршневые насосы прямого действия для точной подачи обычно работают в диапазоне от 250 до 500 оборотов в минуту, в то время как ременные передачи — от 200 до 1000 оборотов в минуту. Ходовые винты обычно имеют диапазон от 500 до 1500 оборотов в минуту для широкого спектра применений, причем скорость ограничивается не только критической скоростью (первый резонанс) ходового винта, но и номинальной скоростью ходовой гайки, что часто может ограничивать скорость даже коротких ходовых винтов.
Двигатели, используемые для гибридных сервоприводов, основаны на шаговых двигателях. В конструкциях используется значительно меньшее количество магнитных материалов, и обычно один магнит (с длинным двигателем с 3 блоками, имеющим 3 магнита) выровнен по оси с ротором, что облегчает установку, которая не требует тщательного выравнивания и шлифования. Несмотря на большое количество полюсов, один магнит распределен между всеми полюсами ротора благодаря продуманной гомополярной конструкции. Эти двигатели также являются двигателями с внутренними постоянными магнитами (IPM), технология которых только начинает использоваться для сервоприводов более высокого класса и высокоэффективных двигателей. Использование конструкции IPM позволяет использовать методы ослабления поля, что позволяет расширить диапазоны максимальной мощности и эффективной скорости. Методы ослабления поля также позволяют увеличить максимальную скорость двигателя (хотя и при уменьшенном крутящем моменте) сверх той, которая обычно приводит к остановке двигателя из-за обратной ЭДС, превышающей напряжение привода. Из-за большего числа полюсов частота коммутации для этих двигателей значительно выше, чем для двигателей с низким числом полюсов, но увеличение скорости в цифровых сигнальных процессорах (DSP) сделало это меньшей проблемой.
Высокий непрерывный крутящий момент, обеспечиваемый двигателем с большим числом полюсов, позволяет двигателю фактически достигать максимальной мощности во многих системах прямого привода без необходимости в зубчатой головке для согласования частоты вращения двигателя со скоростью приложения. Это означает, что фактическая номинальная мощность может быть использована на необходимой скорости. Использование двигателя с более высокой номинальной частотой вращения в типичном приложении с прямым приводом означает покупку двигателя мощностью 200 Вт и привода, а затем возможность подключить к приложению только 30 или 40 Вт или добавление редуктора (что с его увеличенными размерами, стоимостью и сниженной надежностью действительно меняет сравнение). Правильное соответствие скоростных характеристик двигателя требованиям нагрузки значительно снижает энергопотребление и, как следствие, потери тепла. Этот результат может показаться нелогичным, если учесть, что ожидается высокая эффективность традиционного сервопривода, но эта высокая эффективность доступна только в узком диапазоне, близком к оптимальной рабочей скорости: эффективность намного ниже при работе ниже этой скорости. Также помните, что при позиционировании требования к удерживающей мощности могут фактически доминировать над общим нагревом.
QuickSilver Controls, Inc.
www.QuickSilvercontrols.com
Свежие комментарии