Выбор моментного двигателя прямого и редукторного электроприводов

Появившиеся в конце прошлого века моментные электродвигатели сейчас широко применяются как в редукторных приводах, так и в прямом приводе, особенности которого рассмотрены в февральском выпуске журнала Control Engineering Россия за 2012 г. Наиболее распространены бесконтактные моментные двигатели с постоянными магнитами на роторе, различные варианты конструкции которых рассмотрены, например, в октябрьском выпуске того же журнала за 2007 г.

Конструкции моментных двигателей

Рис. 1. Коллекторный двигатель постоянного тока

Для пояснения проблемы выбора моментного двигателя рассмотрим типовую конструкцию классического коллекторного двигателя постоянного тока, показанную на рис. 1.

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.

Рис. 2. Моментный двигатель компании Kollmorgen

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. Например, на рис. 2 показан такой моментный двигатель компании Kollmorgen.

Здесь все тепло по-прежнему выделяется в роторе и отводится в основном через окружающую воздушную среду и частично – через вал ротора, не показанный на рисунке. Поэтому и здесь выбор двигателя по номинальной мощности вполне оправдан.

Рис. 3. Бесконтактный моментный двигатель серии STK компании Alxion

Совершенно иную конструкцию имеют бесконтактные моментные двигатели, например, двигатели серии STK компании Alxion (рис. 3) или серии ДБМ компании «Машиноаппарат» (рис. 4). В таких двигателях, в отличие от двигателей классической конструкции, обмотка размещена на статоре, а магниты – на роторе. Поэтому все выделяющееся тепло легко отводится на корпус привода.

Рис. 4. Бесконтактный моментный двигатель серии ДБМ компании «Машиноаппарат»

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 рис. 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.

Рис. 5. Моментный двигатель компаний Siemens серии 1FW6

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 двигателя

    Методика 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).

Рис. 6. График механической характеристики моментного двигателя

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 рис. 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 .

В выбранной рабочей точке (режиме) А двигатель будет развивать рабочий вращающий момент Mр при рабочей частоте вращения nр и рабочей механической мощности на валу Pр.

В двигателях номинального использования рабочая точка определяет номинальный режим двигателя, назначаемый разработчиком двигателя чаще всего в точке максимума КПД, лежащей левее точки максимальной механической мощности на валу. Для двигателей интенсивного использования рабочая точка может быть выбрана потребителем в любой точке механической характеристики: от режима холостого хода до пускового режима, в том числе и в точках максимума КПД или максимальной механической мощности на валу. Однако очевидно, что для исполнительных двигателей, т. е. двигателей сервоприводов и приводов регулируемой скорости, в отличие от нерегулируемых приводов, КПД не является решающим показателем, поскольку такой двигатель должен обеспечивать прежде всего точность и быстродействие привода.

Рассмотрим простой пример. Известно, что взрослый мужчина может толкать неисправную легковушку (или даже пустой двухосный вагон). Но если попросить его остановить у крыльца с точностью в 1 см, это будет воспринято как дурная шутка. Между тем тот же мужчина легко подведет карандаш на бумаге к заданной точке с ошибкой менее 1 мм. Отсюда следует известное практическое правило: чем точнее привод, тем он должен быть менее нагружен. Очевидно, что и для быстродействия двигатель должен располагать большими запасами по моменту.

Рис. 7. Регулировочная характеристика двигателя постоянного тока

Это же правило следует и из теории нелинейных систем автоматического управления. Рассмотрим, например, регулировочную характеристику двигателя постоянного тока, т. е. зависимость частоты вращения n от управляющего напряжения U при большом моменте нагрузки, показанную на рис. 7.

Ясно, что двигатель не запустится, пока управляющее напряжение не превысит напряжение трогания Uн, определяемое моментом нагрузки. Предельное значение скорости nмакс ограничено допустимым максимальным напряжением питания. Мерой нелинейности этой характеристики является отношение Uмакс/Uн. Очевидно, что чем она выше, тем привод ближе к линейному, и тем вероятнее возможность обеспечить его высокую точность, плавность и быстродействие.

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).

Рис. 8. Метод электротермических аналогий, упрощенная цепь

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. Для этого установившийся процесс отвода тепла от обмотки в окружающую среду представляется в виде упрощенной цепи, показанной на рис. 8, где:

• Tоб, Tст, Tр и Tср – установившиеся значения температуры обмотки, посадочной поверхности статора двигателя, радиатора и окружающей среды соответственно;
• Rт, Rп и Rр – тепловые (называемые иногда термическими) сопротивления двигателя, перехода статор – радиатор и радиатора соответственно.

Как видно из приведенного рисунка, в методе электротермических аналогий температура является аналогом напряжения, мощность электрических потерь – аналогом электрического тока, а тепловое сопротивление – аналогом электрического сопротивления цепи.

Тепловое сопротивление моментного двигателя интенсивного использования указывается в его паспортных данных. Тепловое сопротивление перехода статор – радиатор может быть уменьшено плотной посадкой, специальными пастами и смазкой, поэтому составляет обычно малую величину. Тепловое сопротивление радиатора или корпуса привода, в который встраивается моментный двигатель, подлежит определению и указанию в техническом задании на конструировании радиатора. Пример электропривода линейного движения с моментным двигателем типа ДБМ и радиатором приведен на рис. 9.

Рис. 9. Электропривод линейного движения с моментным двигателем типа ДБМ и радиатором

Для расчета требуемого теплового сопротивления радиатора в соответствии с рисунком 8 задаются допустимой температурой обмотки Тоб (которая должна быть ниже предельной максимально допустимой температуры для данного типа двигателя, например, 150 °С) и определяют установившуюся температуру статора и требуемое тепловое сопротивление радиатора и перехода статор – радиатор.

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, как это показано, например, для прямого привода в февральском выпуске журнала Control Engineering Россия за 2012 г. Разумеется, справедливость тепловых расчетов следует подтвердить испытаниями опытного образца.