Хотя существует множество типов двигателей на выбор, бесщеточные серводвигатели обладают рядом преимуществ, которые делают их предпочтительными двигателями во многих областях применения.

Боб Меррилл
Менеджер по продукту Серводвигатели
АББ

Инженеры могут выбирать из множества типов двигателей, и какой из них является наилучшим, зависит от каждого конкретного применения. При принятии решения о том, может ли бесщеточный сервопривод быть лучшим решением для конкретного приложения, может помочь задать несколько основных вопросов.

Например, требует ли приложение:

• Небольшие размеры и вес (плотность крутящего момента)?
• Высокая эффективность?
• Высокая надежность?
• Быстрое время цикла?
• Точный контроль положения, направления и/или скорости?
• Предсказуемые характеристики (постоянный крутящий момент (K_t), постоянное напряжение (К_e), синхронная скорость)?

Если перечисленные выше требования желательны — или существенны — для конкретного применения, то бесщеточные серводвигатели могут стать решением проблемы. Причина, по которой бесщеточный серводвигатель может достигать таких характеристик, заключается в его конструкции.

Малый размер и вес
В большинстве случаев бесщеточные серводвигатели будут меньше по размерам и весить меньше, чем двигатели с аналогичным приводом. Такое уменьшение размеров возможно благодаря конструкции ротора и статора. Бесщеточный серводвигатель использует постоянные магниты (неодимовые для максимальной производительности), прикрепленные к ротору, для создания магнитного поля высокой интенсивности.

Производители двигателей обычно используют один из двух методов для изоляции и защиты обмоток статора в сборе: лакирование и герметизация. Лакирование является самым простым из двух методов и использует эпоксидное покрытие для защиты обмоток от загрязнения и короткого замыкания.

В то время как лакирование обеспечивает надлежащую защиту обмоток статора, при более эффективном способе изоляции для полной герметизации обмоток используется изолирующая смола. Двигатель, структура обмотки которого полностью покрыта изолирующей смолой, может выдерживать воздействие более суровых атмосферных условий, чем обычная покрытая лаком обмотка. Этот метод не только защищает обмотку от загрязнений, но и помогает отводить тепло от обмоток лучше, чем только воздух. Благодаря этому двигатель может выдерживать больший ток без перегрева — а больший ток приводит к большему крутящему моменту. Способность обмоток статора выдерживать больший ток без перегрева, наряду с сильным магнитным полем, создаваемым магнитами ротора, позволяет бесщеточной конструкции обеспечивать небольшие размеры корпуса, которые могут выдавать крутящий момент, сравнимый с другими типами двигателей, которые в два раза больше по размеру.

Высокая эффективность
Основная причина высокой эффективности серводвигателя может быть связана с конструкцией ротора. Как упоминалось ранее, магнитное поле ротора генерируется постоянными магнитами. Магниты могут быть частью внутреннего дизайна (магниты вставляются в пазы в слоистой оболочке ротора) или внешнего дизайна (магниты прикреплены к внешней поверхности ротора). Другие технологии, такие как синхронное сопротивление с усилением поля (FASR), которые могут похвастаться эффективностью IE5 (выше, чем NEMA Super Premium), также выигрывают от роторов с постоянными магнитами.

С точки зрения эффективности конструкция магнитного ротора превосходит типичный асинхронный двигатель, поскольку асинхронный двигатель должен индуцировать магнитное поле ротора, а с этим связаны потери. Эти потери устраняются благодаря конструкции ротора с постоянными магнитами. Кроме того, бесщеточные серводвигатели потребляют мощность только тогда, когда это необходимо. В отличие от некоторых других технологий, которые расходуют энергию впустую, серводвигатели потребляют ровно столько мощности, чтобы удовлетворить требованиям нагрузки, и когда они не выполняют работу, они не потребляют энергию. Поскольку для работы бесщеточного сервопривода требуется сервопривод, при необходимости он может изменять скорость. Это повышает общую эффективность системы, поскольку может замедлить работу двигателя.

Например, при перекачке расходом можно управлять, изменяя скорость двигателя и насоса, в отличие от поворота клапана для дросселирования насоса. В приложениях такого типа законы сродства могут быть использованы для достижения экономии энергии. Расход пропорционален скорости, а мощность пропорциональна кубу скорости. В типичном примере снижение скорости на 20% может привести к снижению потребляемой энергии почти на 50%.

Высокая надежность и быстрое время цикла

Высокая надежность
Надежность заложена в конструкцию двигателя. Как упоминалось ранее, статор может быть заключен в эпоксидную смолу, которая защищает обмотки от загрязнений и прочно удерживает обмотку на месте. Это также устраняет нежелательные эффекты короны (электрический разряд, вызванный ионизацией воздуха в зазорах обмотки) за счет удаления воздуха, необходимого для эффекта короны.

Подшипники, как правило, являются самым слабым звеном, когда речь заходит о надежности, но в большинстве случаев используются высококачественные шарикоподшипники, которые никогда не требуют повторной смазки (смазываются на весь срок службы). Если двигатель имеет соответствующие размеры для конкретного применения, он должен обеспечивать многолетнюю службу без необходимости технического обслуживания.

Быстрое время цикла
Хотя есть некоторые случаи, когда приложение не может работать быстрее
циклы без ущерба для качества производимого продукта, это, конечно, не всегда так. Дело в том, что в большинстве случаев, если задачу можно выполнить быстрее, то можно увеличить пропускную способность и снизить затраты на производство этого изделия. Бесщеточные серводвигатели специально разработаны с учетом такого рода производительности.

Диаметр
Бесщеточные серводвигатели намеренно сконструированы с как можно меньшим диаметром и обычно имеют несколько различных длин (стеков) в зависимости от размера рамы. Когда требуется большая мощность, двигатель будет изготавливаться более длинным, а не с увеличенным диаметром. Причина, по которой диаметр должен быть как можно меньше, заключается в сохранении низкой инерции. Чем меньше инерция, тем быстрее ротор может разгоняться и замедляться. Глядя на приведенную ниже формулу для определения момента ускорения, легко понять почему. Мы будем игнорировать момент трения (T_f) на данный момент.

T_акк = (J_t) (скорость ускорения) + T_f

Поскольку момент ускорения ограничен заданной величиной крутящего момента, диктуемой меньшей из пиковых мощностей привода или двигателя, если инерция (J_t) увеличивается, затем скорость ускорения снижается. Следовательно, инерция должна быть как можно ниже.

J = 1⁄2 Вт/г(R²)

где:

J = инерция
W = вес
g = гравитационная постоянная (386 дюймов/сек² или 9,81 м/сек²)
R = радиус

Глядя на формулу для инерции (J), длина влияет на вес (W), но диаметр оказывает большее влияние, поскольку результирующее значение радиуса возведено в квадрат (R²).

Точный контроль положения, направления или скорости
Электроника стала лучше и быстрее, и серводвигатели и приводы выиграли от этого. Энкодеры теперь могут выдавать миллионы отсчетов за оборот, а циклы тока, скорости и положения приводов стали достаточно быстрыми, чтобы использовать все эти отсчеты. Благодаря высокому разрешению двигатель может совершать колебания плюс-минус 100 отсчетов вокруг желаемого положения; однако это отклонение практически не приведет к отклонению от желаемого положения. Например, кодировщик с 23-битным разрешением может обеспечить более восьми миллионов отсчетов за оборот. Если двигатель совершает колебания на +/- 100 отсчетов, то при механическом отклонении это означает +/- 0,004°. Если бы двигатель был соединен с ремнем и шкивом, шариковым винтом или зубчатой передачей, фактическая нагрузка была бы еще меньше. Все это разрешение приводит к более жесткому контролю скорости и положения. Ввод привода в эксплуатацию упрощается, а несоответствие инерции между двигателем и нагрузкой может быть больше. Все эти преимущества являются результатом усовершенствований электроники, используемой приводом и энкодером.

Предсказуемые характеристики
Бесщеточные серводвигатели обладают предсказуемыми характеристиками, которые могут быть полезны в некоторых приложениях. Сервоприводы могут измерять величину тока, используемого двигателем. Инженеры-прикладники могут использовать эту информацию в своих интересах. Например, если бы они хотели знать, какой крутящий момент прилагается, они могли бы посмотреть на ток, используемый двигателем. С тех пор как К_t рассчитан в Нм/А, если известны силы тока, то можно рассчитать крутящий момент. Например, давайте предположим, что конкретный двигатель имеет K_t = 1 Нм/А, а ток, протекающий через обмотки этого двигателя, составляет 2 А.

Поскольку на каждый ампер тока генерируется 1 Нм крутящего момента, то 2 А приведут к 2 Нм крутящего момента. (2A x 1 Нм/A = 2 Нм).

Константы крутящего момента несколько изменяются в зависимости от температуры, поэтому при увеличении тока K_t значение изменится.
Во многих областях применения этот метод измерения крутящего момента обеспечивает адекватные результаты. Для критических применений следует рассмотреть возможность использования датчика крутящего момента.

Другой предсказуемой характеристикой является постоянная напряжения (K_e). Как и в двигателе постоянного тока, если вы приводите бесщеточный серводвигатель в действие с помощью внешнего источника для вращения вала двигателя, на обмотках двигателя будет генерироваться напряжение (BEMF). Как правило, К_e рассчитан в вольтах/1000 оборотов в минуту или (В/об/мин). Если вы должны были повернуть вал двигателя назад со скоростью 1000 об / мин и измерить 100 В переменного тока (BEMF) между выводами двигателя, то K_e измеренное значение составило бы 100 В переменного тока. С помощью K_e из известных двигателей, если бы вы приводили этот двигатель в действие при 2000 оборотах в минуту, вы ожидали бы измерения 200 В переменного тока.

Напряжение переменного тока можно измерить на любых двух из трех выводов двигателя с помощью вольтметра переменного тока. Для двигателя, подключенного по Y (три вывода), это будет напряжение от линии к линии.

Гораздо проще включить двигатель в обратном направлении и измерить K_e чем это делается для измерения K_t. По этой причине, как правило, K_e измеряется, и K_t вычисляется
от К_e.

Например, если K_e = 100 В переменного тока (среднеквадратичное значение), сначала преобразуем K_e от В/об/мин до вольт/радиан/секунда (В/рад/сек).

K_e = 100 Vac (rms) = (100V / (1,000 / (60 / (2 * pi)))) = 0.9549 V/rad/sec

Затем умножьте V/рад/сек на 3, (0,9549 * 3) = 1,654 Нм/A = K_t

Последняя предсказуемая характеристика, которую следует обсудить, — это синхронная скорость. В отличие от других технологий, которые могут изменять скорость (проскальзывание) при увеличении или уменьшении нагрузки, бесщеточный серводвигатель работает с синхронной скоростью (без проскальзывания). Поскольку магнитное поле ротора исходит от магнитов и не индуцируется статором, он всегда будет вращаться синхронно с магнитным полем статора. Например, если вы зададите 1800 оборотов в минуту, двигатель будет вращаться со скоростью 1800 оборотов в минуту, а не 1750 оборотов в минуту и т.д.

Хотя не для всех применений требуется технология бесщеточного сервопривода, легко понять, почему эта технология является очевидным выбором для многих требовательных применений. С ростом спроса на такие вещи, как электромобили, AGV, робототехника и беспилотные летательные аппараты, будущий спрос на бесщеточные серводвигатели выглядит лучше, чем когда-либо.

АББ
global.abb/group/ru