Линейные двигатели нового поколения

Линейные двигатели нового поколения

Приводы подач всех современных металлообрабатывающих станков с ЧПУ, в том числе и электроэрозионных (ЭЭ) строятся по традиционной схеме. Так, в одном из типажей ЭЭ станков перемещения рабочего органа РО (каретки подач) осуществляется от двигателя постоянного тока через ременную передачу на ходовой винт. Через шариковую гайку (она скреплена с РО пружинами механизма защиты от соударений) вращение винта трансформируется в продольное перемещение РО.

Ременный привод станков

Более надежные и современные приводы выполнены без ременной передачи. В этих приводах высокомоментный двигатель переменного тока непосредственно соединен с ходовым винтом.

Непосредственный привод

Недостатки указанных видов приводов достаточно известны и очевидны:

• большое количество промежуточных элементов от источника энергии до РО;
• громадная инерционность этих элементов, особенно в крупногабаритных станках;
• наличие зазоров в передающих устройствах;
• >трение во множестве сопрягаемых деталей (резко изменяющееся при переходе системы из состояния покоя в состояние движения);
• температурные и упругие деформации практически всех передающих звеньев;
• износ сопрягаемых элементов в процессе эксплуатации и потеря исходной точности;
• погрешности в шаге ходового винта и накопленная погрешность по длине.

Поскольку эти недостатки определяют основные качественные характеристики приводов (точность и равномерность хода РО, величину мертвого хода при реверсе, допустимые ускорения и скорости РО), конструкторская мысль станкостроителей давно пытается как-то уменьшить их влияние на работу приводов и оборудования в целом. Например, в соединении ходового винта с гайкой для уменьшения трения уже давно используют дорогое и сложное шариковинтовое соединение; для ликвидации зазоров в соединение винта с гайкой вводятся специальные устройства натяга соединения; ходовые винты особо точных станков изготавливают по классу эталонных; погрешности шага винтов пытаются скомпенсировать системами компенсаторов; в борьбе с температурными деформациями создаются изощрённые системы охлаждения и т.д. Проблемы, проблемы, проблемы. И уже давно ясно, что проблемы приводов с ходовыми винтами не решить никогда из-за их физико-технической сущности и построенного типа, как такового.

Архаичность рассмотренных приводов давно очевидна и передовая конструкторская мысль уже много лет работала над задачей кардинальной замены типовых приводов в металлообрабатывающем оборудовании на какие-то другие, более совершенные. Как говорят, гениальное — просто. И таким гениальным решением было использовать в качестве приводов подач станков линейные двигатели.

Электромагнитная система

Принцип линейного двигателя (ЛД) не нов и, в общем, известен даже школьнику, поскольку прототипом ЛД является простейшая электромагнитная система. Такая система состоит из металлического сердечника-магнита и статорной обмотки. При подаче тока определенной полярности в обмотку сердечник сместится в ту или иную сторону, причем практически мгновенно. Изменение полярности сигнала на обмотку приведет к обратному ходу сердечника. Как видим, от источника энергии к РО нет никаких промежуточных элементов, передача энергии осуществляется через воздушный зазор, ничего не надо вращать, сразу возможно осуществление главной задачи — продольного движения РО. Гениальность решения, естественно, сразу была оценена по достоинству. На рассмотренном принципе уже десятилетия работают все элементы электроавтоматики, системы электротормозов, системы защиты, специальное оборудование ударного типа и т.д. Громадный опыт использования электромагнитных систем четко выявил их потрясающие достоинства: удивительная простота конструкции и применения, почти мгновенная остановка, мгновенный реверс, сверх быстрота срабатывания, большие усилия, простота настройки. Но не было только одного — возможности регулировать скорость РО в электромагнитной системе и обеспечивать тем самым регулируемое поступательное движение РО (сердечника). А без этой возможности применить электромагнитный привод (несмотря на его гениальность), как движитель в оборудовании, было невозможно.

Линейный электродвигатель

Потребовались многие годы работы ученых и конструкторов в разных странах, прежде чем был достигнут успех. Особенно интенсивно велись работы в Японии, где электромагнитный привод (уже как линейный привод) был впервые успешно использован как движитель для сверхскоростных поездов. Там же были попытки создания линейных приводов для металлообрабатывающих станков, но они имели существенные недостатки: создавали сильные магнитные поля, грелись, а главное не обеспечивали равномерности в движении РО. Лишь на пороге нового тысячелетия начался серийный выпуск станков (пока в основном электроискровых (электроэрозионных)) с принципиально новыми линейными двигателями, в которых решены все проблемы по обеспечению равномерным движением РО станков со сверхвысокой точностью, с большим диапазоном регулирования скорости, с громадными ускорениями, мгновенным реверсом, с простотой обслуживания и наладки и др.

В принципе, конструкция ЛД изменилась не сильно. Собственно двигатель состоит всего из 2 (!) элементов: электромагнитного статора и плоского ротора, между которыми лишь воздушный зазор. Третий обязательный элемент – оптическая или другая измерительная линейка с высокой дискретностью (0,1 мкм). Без нее система управления станка не может определить текущие координаты. И статор, и ротор выполнены в виде плоских, легко снимаемых блоков: статор крепится к станине или колонне станка, ротор — к рабочему органу (РО). Ротор элементарно прост: он состоит из ряда прямоугольных сильных (редкоземельных) постоянных магнитов. Закреплены магниты на тонкой плите из специальной высокопрочной керамики, коэффициент температурного расширения которой в два раза меньше чем у гранита. Использование керамики совместно с эффективной системой охлаждения решило многие проблемы линейных приводов, связанные с температурными факторами, с наличием сильных магнитных полей, с жесткостью конструкции и т.п.

Точная и равномерная подача РО во всем диапазоне скоростей и нагрузок обеспечивается двумя техническими решениями:

• крепление постоянных магнитов под определенным фиксированным углом, который был открыт в ходе длительных экспериментов;
• реализация высокоэффективной 6-ти фазной импульсной системы управления (система SMC).

Компания «СОДИК» организовала на своих заводах серийный выпуск широкой гаммы ЛД с характеристиками: с ходом подач от 100 до 2220 мм, с максимальной скоростью перемещения РО до 180 м/мин с ускорениями до 20G (. ) при точности исполнения заданных перемещений (в нормальном режиме работ) равной 0,0001мм (0,1 мкм). Нагрев этих ЛД при работе не превышает + 2° С от температуры помещения. Обеспечивается практически мгновенная остановка РО, реверс, моментальная реакция привода на команды системы ЧПУ и т.д. На один и тот же рабочий орган монтируется (например, для увеличения мощности) несколько линейных двигателей. Так, в частности, устроен привод оси Z всех ЭЭ прошивочных станков «СОДИК».

Как указывалось, и статор, и ротор ЛД предельно просты. Статор исполнен в виде прямоугольного блока и крепится несколькими болтами к несущей конструкции станка. В приводе оси Z — два статора. Они размещены по обе стороны вертикального ползуна. К каждому статору крепятся два патрубка системы охлаждения статора и кабели подвода энергии и управления. Пластина ротора жестко крепится болтами к подвижной каретке (РО ). Так как в приводе оси Z два ЛД, то на каретке крепятся, соответственно, два ротора , каждый напротив своего статора. Система специальных направляющих и пневмопротивовес обеспечивают исключительную легкость хода каретки, практически без усилий. Приводы по осям X, Y прошивочных станков и в приводах X, Y, U, V проволочно-вырезных станков проще — в них всего по одному ЛД.

Особенно следует отметить простоту обслуживания ЛД, простоту периодической чистки (при необходимости), профилактики и ремонта. Так, чтобы заменить ротор ЛД, достаточно открутить несколько болтов, крепящих ротор к РО. Для замены статора помимо болтов нужно лишь снять две трубки системы охлаждения статора и отсоединить кабель. Сравните эти действия, например, с комплексом работ по снятию шаровой гайки или замене подшипника ходового винта.

Эффективность применения новых приводов сразу же нашло убедительное подтверждение. Новая серия ЭЭ станков с ЛД имеет резко повышенные технико-технологические и эксплуатационные характеристики по сравнению с аналогичными станками, имеющими традиционные приводы. Так, производительность ЭЭ прошивных станков с ЛД выше, чем у станков с обычными приводами как минимум в 2 раза, а ЭЭ проволочно-вырезных – на 50%. Повысилась точность станков, расширились диапазоны параметров обрабатываемых деталей и т.д. Для объяснения этого необходимо рассматривать определенные тонкости ЭЭ технологий и работы ЭЭ оборудования, а это уже тема другая.

Нижеследующая таблица позволяет зрительно сопоставить рассматриваемые привода.

Назад

Вперед

Автор статьи — к.т.н. Серебреницкий П.П., БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова

Подпишитесь на наши новости

Получайте первыми актуальную информацию от ООО «Электропривод»

Сделано в России: компактные высокомоментные электродвигатели для робототехники

В рамках деятельности по импортозамещению НПО «Андроидная техника» разработало и освоило технологию производства синхронных электродвигателей для применения в робототехнике. Одной их областей применения этих изделий являются роботы-манипуляторы.

Электродвигатели имеют высокий крутящий момент и предназначены для стыковки с любыми видами редукторов. Они имеют бескорпусное исполнение и предназначены для интеграции непосредственно в корпус узлов и шарниров.

Диаметр электродвигателей: от 50 до 115 мм, мощность: от 150 до 750 вт.

Бесколлекторные электродвигатели представляют собой новое и перспективное направление в семействе компактных высокомоментных электродвигателей.

Конструкция электродвигателя позволяет осуществить его
установку в изделия различного назначения.

• высокие моментные характеристики
• высокий показатель пикового крутящего момента
• компаунд обмоток статора устойчив к термическим ударам от -60 С до +170 С
• бескорпусное исполнение
• полый ротор
• гибкая настройка характеристик привода в пределах 20%
• возможность изменения способа соединения обмоток.

НАША СПРАВКА:

АО “НПО “Андроидная техника” , инновационное предприятие, созданное в 2009 году, специализируется на разработке, производстве, обслуживании робототехнических комплексов (РТК) различного назначения, в том числе биоморфных.

Это компания с большим опытом выполнения государственных контрактов, в число ключевых компетенций которого входят работы в области механики, электромеханики, мехатроники, сенсорных систем, систем управления, разработки предприятия применяются в сферах образования, медицины и освоения космоса.

За десять лет на предприятии было разработано более пятидесяти робототехнических систем и комплексов различного назначения, часть из них производится серийно.

НПО “АТ” является обладателем охраняемой интеллектуальной собственности (более пятнадцати патентов).
Предприятие выполняет работы, заказчиками которых выступают: Минпромторг России, Министерство обороны РФ, Минобрнауки РФ, Минздрав РФ, ФПИ, ФСБ РФ, ГК «Роскосмос», ГК «Ростех», ГК «Росатом», крупнейшие предприятия ОПК и другие предприятия.
НПО “АТ” принимает активное участие в работе межведомственной рабочей группы «Лаборатория робототехники» при Военно-промышленной комиссии РФ: возглавляет подпрограмму «Приоритетных работ по развитию ключевой технологии «Датчики внутреннего состояния, приводы и манипуляторы», необходимой для создания РТК нового поколения на 2015-2025 годы.

Компания целенаправленно разрабатывает робототехнические продукты для образовательной сферы. В шестнадцати российских университетах уже открыты научно-исследовательские лаборатории и центры антропоморфной робототехники, ведется образовательная и научная деятельность в рамках университетских и государственных программ финансирования. Действуют также соглашения о сотрудничестве со ста десятью университетами РФ и зарубежья.

Высокомоментные двигатели

Электрические моментные двигатели постоянного тока широко используются в качестве исполнительных элементов в современных системах автоматики, телемеханики, измерительной техники.

Теория, разработка и применение этих двигателей в последние годы получили значительное развитие.

Разработчики различных систем управления при выборе исполнительного двигателя сталкиваются с рядом задач. Это – определение целесообразности применения моментных двигателей, которые наряду с крупными достоинствами нередко имеют значительно большие энергопотребление и массу, чем быстроходные двигатели с редуктором. Кроме того, это выбор структуры и значений параметров системы управления при условии сравнительно большой электромеханической постоянной времени. При проектировании моментных двигателей для конкретной системы необходимо выбирать технические данные на его разработку по известным характеристикам нагрузки и входного воздействия, а также, исходя из требований к системе, выбирать конструкцию двигателя, выполнять необходимые расчеты.

Целью настоящего проекта является разработка универсального лабораторного стенда для исследования высокомоментного двигателя.

1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Моментным двигателем (МД) называется электромеханический преобразователь, на вход которого подается электрический сигнал постоянного или переменного тока, а выходом является электромагнитный момент, при котором в рабочем режиме ротор либо неподвижен, либо вращается с весьма малой скоростью.

Область применения МД

В коррекционных устройствах гидросистем (для компенсации возмущающих моментов, вызывающих прецессию оси гироскопа).

В стабилизирующих устройствах (система управления положением разных более крупных объектов: антенна, прицел и т.п.).

В устройствах силовой компенсации (в системах с отрицательными о.с.).

Используются в качестве электрических пружин.

Используют в качестве натяжных устройств, чтобы регулировать или сохранять неизменной силу натяжения провода, ленты, цепи и т.п.

В качестве поворотных электромагнитов управляющих заслонками, клапанами, тормозными устройствами и т.п.

В тиристорных, транзисторных электроприводах (далее ЭП) и в приводах подач металлорежущих станков.

Основные требования к МДПМ

Заданный диапазон углов поворота ротора 1 .

Заданная зависимость момента от положения ротора 1 .

Заданная зависимость момента от сигнала, подаваемого в ОУ. В большинстве случаев эта зависимость линейная.

Отношение, что особенно важно при маломощных источниках питания. С увеличением M эм и размеров МДПМ потребляемая мощность на единицу момента обычно уменьшается.

При отсутствии тока в ОУ, остаточный момент должен быть весьма мал (вообще отсутствовать).

T эм , T э должны быть как можно меньше. Большие постоянные времени снижают быстродействие и могут привести к неустойчивости следящей системы.

Чувствительность, определяемая наименьшей мощностью сигнала, на которую система начинает реагировать, должна быть высокой.

Масса и габариты  min.

Устойчивость по отношению к внешним воздействиям (температура, вибрация, удары, давление, влажность, ускорение, радиация и т.п.).

Достоинства высокомоментного двигателя

Благодаря отсутствию обмотки возбуждения (ОВ) и потерь в этих обмотках машины с постоянными магнитами имеют по сравнению с машинами электромагнитного возбуждения более высокий КПД, облегченные условия охлаждения.

Малые габариты и масса.

Более стабильное возбуждение (поток постоянных магнитов не зависит ни от частоты вращения ни от напряжения ни от температуры).

Простота конструктивного исполнения, когда магнитная система представляет собой намагниченное определенным образом кольцо из магнитотвердого материала.

Наличие постоянных магнитов (ПМ) обеспечивает высокие значения углового ускорения в переходных режимах работы.

Наличие ПМ обеспечивает равномерный ход при малых частотах вращения.

Наличие ПМ обеспечивает способность выдерживать большую перегрузку по току без размагничивания магнитной системы.

Недостатки высокомоментного двигателя

Напряжение генераторов и частоту вращения двигателей невозможно регулировать изменением поля возбуждения.

При мощности более десятков ватт они уступают по габаритным размерам, массе и стоимости машинам электромагнитного возбуждения.

Материалы, входящие в состав сплавов для ПМ дефицитны.

Технология изготовления и намагничивания ПМ отличается большой сложностью.

Существенное размагничивающее действие МДС якоря.

Запрещается в МДПМ вытаскивать ротор без замены его на какое-нибудь металлическое тело таких же размеров.

1.5 Конструктивные разновидности высокомоментного двиателя

Следует отметить, что у некоторых МД с неограниченным углом поворота ротора частота вращения в установившемся режиме может оказаться довольно значительной (в таких случаях нельзя провести четкую грань между МД и тихоходным двигателем). Однако если этот МД используется в следящей системе, и он, работая в режиме частых пусков и реверсов, в основном вращается с малой частотой; следовательно, и в этом случае также можно считать, что энергия, подводимая из сети, почти полностью выделяется в виде тепла в обмотках. МД постоянного тока широко применяются в качестве исполнительных элементов в современных системах автоматики, телемеханики, измерительной техники. Эти двигатели используются в гироскопах и акселерометрах, в приводах антенн, телескопов, фотоаппаратов, солнечных и звездных датчиков, роботов и манипуляторов; в автоматических построителях графиков; в качестве силовых компенсаторов в измерительных системах; в качестве элементов электрогидравлических и электропневматических приводов; в качестве электрических пружин поворотных электромагнитов и т. д. .

Если МД работает в режиме слежения, то его роль аналогична роли быстроходного исполнительного двигателя в сочетании с редуктором. Однако МД, нередко обладая большими, чем у редукторного привода, энергопотреблением, массой и электромеханической постоянной времени, имеет по сравнению с редукторным приводом весьма существенные преимущества. К ним относятся высокая разрешающая способность МД вследствие отсутствия неизбежных в редукторе МД постоянного тока широко применяются в качестве исполнительных элементов в современных системах автоматики, телемеханики, измерительной техники. Эти двигатели используются в гироскопах и акселерометрах, в приводах антенн, телескопов, фотоаппаратов, солнечных и звездных датчиков, роботов и манипуляторов; в автоматических построителях графиков; в качестве силовых компенсаторов в измерительных системах; в качестве элементов электрогидравлических и электропневматических приводов; в качестве электрических пружин поворотных электромагнитов и т. д. .

Если МД работает в режиме слежения, то его роль аналогична роли быстроходного исполнительного двигателя в сочетании с редуктором. Однако МД, нередко обладая большими, чем у редукторного привода, энергопотреблением, массой и электромеханической постоянной времени, имеет по сравнению с редукторным приводом весьма существенные преимущества. К ним относятся высокая разрешающая способность МД вследствие отсутствия неизбежных в редукторе люфтов и трений, стабильность механических свойств при изменении условии окружающей среды, высокая резонансная частота, возможность установки на одном валу и в общем корпусе с исполнительным механизмом, простота конструкции, более высокая надежность.

МД выпускаются на моменты от нескольких десятитысячных до нескольких тысяч ньютон-метров при потребляемой мощности от долей ватт до десятков киловатт, массе до сотен килограммов, длине до 0,3 м и выше и диаметре до 1,2 м.

Качество МД тем выше, чем больше отношения момента, развиваемого МД, к объему, массе, потребляемой мощности, мощности управления, чем меньше электромагнитная и электромеханическая постоянные времени, а также чем меньше остаточный момент (момент трогания) при нулевом сигнале, возникающий в МД вследствие трения, гистерезиса, неравномерности воздушного зазора, неоднородности магнитных материалов и несбалансированности ротора.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Высокомоментный электродвигатель

Высокомоментный электродвигатель — это электродвигатель постоянного тока, у которого вместо электромагнитного возбуждения используют возбуждение от постоянных магнитов. Высо-комоментные электродвигатели применяют в электроприводах подач станков с числовым программным управлением. Они позволяют получать большие крутящие моменты при непосредственном соединении с ходовым винтом без промежуточных передач. Благодаря наличию возбуждения от постоянных магнитов, эти двигатели выдерживают значительные перегрузки и отличаются высоким быстродействием, так как способны кратковременно развивать большой ( 50 — 20-кратный) крутящий момент при малых частотах вращения. Отсутствие обмотки возбуждения, нагревающейся при работе двигателя с электромагнитным возбуждением, обусловливает меньший нагрев двигателя с постоянными магнитами. [1]

Высокомоментные электродвигатели ( ВМЭД) — относительно тихоходные двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Эти двигатели применяются в замкнутых системах ЧПУ. Структурная схема привода подач с ВМЭД показана на рис. 17.26. В приводе подач станков с ЧПУ применяют беззазорные редукторы, передающие вращение от двигателя к ходовому винту. [3]

Весьма перспективно использование малоинерционных высокомоментных электродвигателей . [4]

Для точности позиционирования используются высокомоментные электродвигатели постоянного тока , которые соединяют непосредственно с винтом подач через бесшпоночные соединения, образуя жесткую передачу без кинематической цепи. Также используются электродвигатели, мощность которых в комплекте с гидроусилителями моментов служит для управления более мощными приводами и другие устройства. [5]

Следующим направлением является разработка новых малоинер-цнонных высокомоментных электродвигателей со сравнительно низкой номинальной частотой вращения ( 800 — 1200 об / мин) без обмоток возбуждения, в которых для создания магнитного поля возбуждения применяют постоянные магниты из магнитных материалов с высокой коэрцитивной силой. Это позволило значительно снизить потери, габариты, массу и получить высокую кратность тока и момента по отношению к номинальным без размагничивания основного поля двигателя, а также получить весьма низкие частоты вращения ( 0 1 об / мин) при равномерном вращении. [6]

Повысить качество систем управления можно, используя высокомоментные электродвигатели и исключив из кинематических схем ПМ круговых движений. Схемы рис. 3.2, а, в аналогичны схемам рис. 3.1, а, б, г. В схеме рис. 3.2, б ДС и ДП присоединены к ротору двигателя через точный приборный передаточный механизм. В качестве ДП используется ВТ. [7]

Приводами движений продольной и поперечной подач служат высокомоментные электродвигатели постоянного тока : для движения продольной подачи М2, для движения поперечной MS. Регулирование скоростей подач — бесступенчатое. [8]

Перемещения всех исполнительных органов станка осуществляются от высокомоментных электродвигателей с постоянными магнитами. [9]

Привод подач МС чаще всего состоит из высокомоментного электродвигателя постоянного тока с бесступенчатым регулированием. Электродвигатель через редуктор соединяется с парой винт — гайка качения. В крупных станках вместо редуктора используют двухступенчатые коробки скоростей с электромагнитными муфтами. Применяют и гидроприводы подач. [10]

В приводах движения подачи станков с ЧПУ используют высокомоментные электродвигатели серии ПБВ с возбуждением обмотки от постоянных магнитов или двигатели постоянного тока серии 2П или ПБС с электромагнитным возбуждением обмотки. [11]

В приводе буровых лебедок первого поколения морских установок использовались тихоходные высокомоментные электродвигатели , соединяемые с валом барабана напрямую, что позволяло использовать их одновременно в качестве тормозных машин при спуске бурильных и обсадных колонн. [13]

В последнее время значительное распространение получили мотор-редукторы, которые более экономичны, чем тихоходные высокомоментные электродвигатели , они имеют более высокие КПД и пусковой момент. [14]

Для следяще-регулируемых электроприводов металлорежущих станков с числовым программным управлением ( ЧПУ) выпускают специальные малоинерционные высокомоментные электродвигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов типа ПБВ. В двигатели встроен датчик скорости. Эти двигатели допускают более чем семикратные кратковременные перегрузки по моменту и в следяще-регулируемых тнристорных электроприводах обеспечивают регулирование скорости в диапазоне 10000: 1 с минимальной скоростью, равной 0 01 рад / с. Использование таких высокомоментных широкорегулнруемых двигателей для приводов подач станков позволяет полностью исключить не только коробку подач, но и редуктор и соединить вал двигателя непосредственно с ходовым винтом механизма подачи, что упрощает его конструкцию. Такие электроприводы и преобразователи разработаны для главных приводов и приводов подач. Для приводов подач выпускают тиристорные электроприводы мощностью 0 1 — 11 кВт с регулированием скорости вниз от основной, изменяя напряжение на якоре двигателя. В приводах используют электрические двигатели серий СЛ, ПС, ПСТ, ПБСТ, 2П, ПГТ и с печатным якорем. Для электроприводов подач станков с ЧПУ выпускают следяще-регулируемые электроприводы мощностью 0 18 — 9 кВт с двигателями серий ПБВ и с печатным якорем. Эти приводы имеют следящую систему и регулируемый тиристор-ный преобразователь. [15]