3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что делает двигатель станка

Что делает двигатель станка

Потихоньку начинаем разбирать станок. Поскольку планируется полная модернизация станка, то для начала нужно разобраться с состоянием электромотора. То, что на нём отсутствует шкив нам не принципиально, так как для новой модификации станка в планах выточить новые шкивы под поликлиновидный ремень. Но вот то, что вал мотора практически не вращается, это в последствии может стать проблемой. И дело даже не в самих подшипниках, больше волнует состояние обмоток, которые могли сконюздрица от плохого охлаждения (на двигателе аж пять слоёв краски) и затруднённого пуска (из-за плохого вращения подшипников). Ладно, разберём мотор — увидим.

Демонтируем двигатель со станка.

Внешне состояние мотора не вызывает каких-либо вопросов (или ответов).

Информационная табличка закрашена в несколько слоёв краски. Пошёркав её немного наждачной бумагой можно идентифицировать агрегат.

Электродвигатель АОЛ21-2, ЗФ, 50Гц, 400 Вт, 2800 об/мин., статор: треугольник/ звезда, 220В/380В, КПД 72% 1986г.

Теперь будем разбирать сам мотор. Снимаем защитный кожух вентилятора охлаждения. Демонтируем вентилятор. Далее, откручиваем два винта стягивающие крышки из алюминиевого сплава. После этого, аккуратно, через деревянную поставку, вместе с одной из крышек выбиваем вал ротора. Теперь противоположная крышка с корпуса мотора просто снимается, а вторую крышку с выбитого вала ротора демонтируем при помощи съёмника. В завершении откручиваем основание подставку и снимаем защитный кожух электроконтактов. Двигатель разобран.

Худшие опасения подтвердились. Одна из трёх обмоток с обгоревшей изоляцией. Прозвонив обмотки тестером поставил итоговый диагноз. Двигатель либо подлежит перемотке, либо замене.

Начнём с рассмотрения варианта перемотки обмоток электродвигателя.

Что делает двигатель станка

Статья посвящена общему представлению о шпиндель-моторах, особенностях конструкции, а также их применения в промышленности.

В традиционном понимании шпиндель — это вал, который оснащен зажимным устройство для инструмента или заготовки, на который посредство ременной передачи передается крутящий момент от отдельного привода.

Мотор-шпиндель или иначе называемый электрошпиндель — это шпиндель, обладающей совмещённой конструкцией вала и двигателя. Совмещённый с валом электродвигатель исторически впервые появился на внутришлифовальных и сверлильных станках, где нужны большие обороты при малых диаметрах инструмента.

Шпиндель-мотор представляет собой корпус со статором, внутрь которого помещён вал с пакетом ротора. На передней и задней части вала устанавливаются высокоскоростные радиально-упорный подшипники, для обеспечения жесткости и точности, а также для восприятия осевых нагрузок.

В электрошпинделях создают преднатяг подшипников для увеличения жесткости. Чаще передние подшипники представляют собой дуплексные пары, иногда триплексы, в зависимости от параметров мотора и области его применения, что влияет на величину и разнообразность нагрузок, а так как большую часть напряжения воспринимает именно передний подшипниковый узел, его и усиливаю.

Сзади, чаще с завода стоят одиночные шарико-радиальные подшипники под преднатягом пружин, посредством чего такой подшипник работает, как радиально-упорный и способен к восприятия части несильных осевых нагрузок.

Вообще мотор шпиндели конструктивно похожи и как правило состоят из двух опор и самого электродвигателя (ротор и статор) Однако существует масса вариаций конструкции подшипниковых узлов, все это зависит от назначения шпинделя.

Например скоростные гравировальные и внутришлифовальные имеют по одной опоре спереди и сзади и преднатягом, заданным с помощью пружин, а чисто фрезерные моторы, как правило, имеют мощную переднюю опору по схеме DB, воспринимающую все нагрузки, и более мелкий подшипник сзади, поддерживающий вал и воспринимающий часть радиальной нагрузки через рычаг образованый инструментом, опорой и валом.

Мотор-шпиндель подключается к частотному преобразователю, посредством которого асинхронный двигатель раскручивает до необходимой частоты и, соответственно, нужных оборотов вала.

Широкое распространение мотор-шпниделей связано именно с развитием и удешевлением полупроводниковой преобразовательной техники, до этого момента преобразователи могли занимать целый шкаф и иметь вес десятки килограмм.

Шпиндель-моторы бывают двух видов: с автоматической и ручной сменой инструмента. Отличия у этих двух видом электрошпинделей выражаются в особенностях их конструкции.

Шпиндель-моторы с автоматической сменой инструмента конструктивно представляют собой корпус асинхронного электродвигателя с валом и пакетом ротора, а также внутри самого вала располагается механизм захвата инструментальной оправки.

В качестве зажимного элемента могут выступать металлические шарики или же металлические лепестки (под оправки стандарта HSK), для примера ниже показано фото механизма с металлическими шариками в качестве элемента зажима, сделанное во время ремонта шпиндель-мотора HSD ES919A:

Шпиндель-моторы с ручной сменой инструмента конструктивно проще, чем с автосменой. Для шпинделей с ручной сменой существует целый ряд стандартов присоединения инструмента.

Например, на фрезерных очень популярен внутренний конус 8 градусов стандарта ER, есть и другие варианты внутреннего конуса. на шлифовальниках распространено простое цилиндрическое крепление с резьбовым хвостовиком, на шлифовальных моторах с инструментами большого диаметра (диски) распространен внешний конус 1:5 или 1:10 так как в подобных электрошпинделях нет пружины, а вместо самого захватного элемента выступает резьба на валу, на которую накручивается инструментальная гайка с цангой соответствующего размера.

Мотор-шпиндели имеют 2 типа охлаждения: жидкостное (при жидкостном охлаждении охлаждающая жидкость циркулирует под давлением внутри корпуса по специально отведенным каналам); воздушное (может быть реализовано с помощью охлаждающего вентилятора на задней части шпинделя или же посредством воздушного потока от пневматической системы). Жидкостная нужна для эффективного отвода тепла из небольшого и высоконагруженного двигателя и там, где очень много агрессивной пыли и брызги жидкости.

Читать еще:  Что значит прошивка двигателя

Воздушное охлаждение используется там, где среда не такая агрессивная, например, деревообработка, к тому же это проще конструктивно и дешевле.

Подобные мотор-шпинделя применяются при обработке различных типов материала, начиная от деревообработки и цветных мягких сплавов и до обработки чёрных металлов.

Высокоскоростные электрошпиндели имеют достаточно высокую популярность в области деревообработки. С автоматической сменой чаще всего устанавливаются на деревообрабатывающих центрах, с ручной сменой на станках, где обработка ведётся, большую часть, одним инструментов и не требует быстрой, постоянной смены.

Для примера представлены шпиндель-мотор с автоматической и ручной сменой инструмента.

С автоматической сменой инструмента HSD ES929 5.5 kW:

Выбор электродвигателей для станков

Электродвигатели для станков используются в самых разных отраслях индустрии, среди которых:

  • Деревообработка (пилильные и строгальные агрегаты).
  • Металлообработка (сверлильные, токарные, шлифовальные, фрезерные машины).
  • Бумагоделательное производство (гильотины).
  • Транспорт (электропоезда, троллейбусы и трамваи).
  • Строительство (насосы, крановые установки) и т.д.

Подбирая двигатель для того или иного вида работ, следует обращать внимание на такие параметры, как:

  • мощность;
  • скорость вращения;
  • число оборотов на выходном валу;
  • возможность работы от сети 220В (актуально для ЧП и небольших производственных предприятий, оборудующих цеха в жилых или общественных зданиях и не имеющих доступа к промышленным электросетям).

Требования к электродвигателям для деревообрабатывающих станков

На оборудовании для обработки древесины устанавливаются движки самой разной мощности (в диапазоне от 1 до 10 кВт). Обычно это асинхронные трехфазные агрегаты, которые не возбраняется подключать в бытовую сеть. Электродвигатели этого класса характеризуются:

  • компактностью в сочетании с достаточно высокой мощностью;
  • надежной защитой конструкции от попадания влаги в механизм;
  • высокой скоростью вращения;
  • значительным запасом ресурса;
  • долговечностью;
  • способностью сохранять первоначальные характеристики после долгой эксплуатации.

Поскольку главное требование к такому электродвигателю – возможность ежедневной работы в течение нескольких часов при смене режимов, производители обращают особое внимание на степень надежности механизма, прочность конструкции и стойкость корпуса к внешним воздействиям (химическим и механическим). При выборе модели необходимо учитывать уровень рабочих нагрузок.

Требования к электродвигателям для металлообрабатывающих станков

В металлообрабатывающем производстве применяются более мощные агрегаты, так как нагрузка на них несравнима с той, что приходится на движки деревообрабатывающих станков. Основные операции выполняются на сверлильных и токарных станках. В зависимости от масштаба предприятия на них устанавливаются движки мощностью от 2 до 7.5 кВт, которые должны выдавать 2000 оборотов в минуту.

Наиболее распространенные типы электродвигателей для металлообрабатывающих станков – это:

  • Асинхронные. При изменении нагрузки они могут поддерживать постоянную скорость вращения шпинделя.
  • Шаговые с блоком управления.
  • Линейные прямого привода с преобразователями частоты.
  • Асинхронные реверсивные мощностью до 15 кВт (для сверлильных станков). При колебаниях нагрузки они способны незначительно изменять частоту вращения.

Поскольку рентабельность производства во многом зависит от динамических показателей механизма, сейчас ведется работа над улучшением его способности менять частоту вращения при перегрузке (на данный момент у самых совершенных моделей этот показатель составляет 10-12%). Поэтому многие электродвигатели для станков оснащены сложными системами управления и датчиками скорости.

Выбор шагового двигателя

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЖИМАХ РАБОТЫ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Модель работы идеального шагового двигателя

Шаговый двигатель — устройство с постоянной мощностью, если мощность определить как момент, умноженный на скорость. Это означает, что крутящий момент обратно пропорционален скорости. Чтобы уяснить, почему мощность мотора не зависит от скорости, представим себе идеальный шаговый двигатель.

В идеальном двигателе нет трения, его момент пропорционален амперо-виткам обмоток и единственной электрической характеристикой является индуктивность. Индуктивность L характеризует способность обмотки запасать энергию в магнитном поле. Индуктивности обладают свойством индуктивного сопортивления, т.е. сопротивления переменному току, которое тем больше, чем быстрее меняется ток, а значит, индуктивное сопротивление возрастает вместе со скоростью вращения двигателя. По закону Ома ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален полному сопротивлению, откуда следует, что ток обмотки уменьшается при увеличении скорости вращения. Т.к. момент пропорционален амперо-виткам, а ток обратно пропорционален скорости, то момент также будет обратно пропорционален скорости. Т.е. при нулевой скорости момент стремится к бесконечности, при увеличении скорости момент(и ток) начинает стремиться к нулю.

Электрически, реальный двигатель отличается от идеального в основном ненулевым сопротивлением обмотки, а также ферромагнитными составляющими, которым свойствоенно насыщаться магнитным полем, что приводит к гистерезисным потерям и потерям на вихревые токи. Насыщение ограничивает момент, а вихревые токи и гистерезисные потери вызывают нагрев мотора. Рассмотрим кривую зависимости крутящего момента шагового двигателя от скорости.

Как видно из графика, при скорости ниже определенного предела, момент, а следовательно и ток, возрастают очень быстро, вплоть до уровней, приводящих к повреждению мотора. Чтобы этого избежать, драйвер должен ограничивать нарастание тока до определенной величины. Поскольку момент пропорционален току, момент будет постоянен начиная с момента удержания до порогового значения скорости, а при скорости выше порога — ток будет ограничен индуктивностью обмоток.

В результате, скорость-моментная характеристика идеального двигателя будет начинаться с отрезка, где момент постоянный, до точки, когда мотор перестанет генерировать и потреблять реактивную мощность. Реальный шаговый двигатель обладает потерями, которые изменяют идеальную скорость-моментную характеристику. Особенно велик вклад момента от зубцовых гармоник магнитного поля(его иногда указывают в документации на двигатель). Потери в двигателе есть всегда, и чем быстрее вращается вал шагового мотора, тем больше потери, и их также необходимо вычитать из идеальной характеристики.

Читать еще:  Блок дистанционного запуска двигателя шерхан

Обратите внимание, как реальная мощность падает вместе с ростом скорости, в том числе и на отрезке «постоянной мощности». Скругление на переходной точке обусловлено переходным процессом в цепи — драйвер постепенно превращается из источника тока в источник напряжения.

Резонанс на средних частотах

Шаговый двигатель сильно подвержен резонансу, являясь по факту аналогом маятника «подвешенный на пружине груз», где грузом является ротор, а пружиной — магнитное поле, и имеет частоту собственных колебаний, зависящую от силы тока и инерции ротора. В момент, когда разность фаз момента и скорости достигает величины 180 град., возникает резонанс – изменение магнитного поля начинает совпадать со скоростью, и скорость ротора при позиционировании на новый шаг становится слишком велика. При резонансе значительная часть энергии магнитного поля уходит на преодоление инерции ротора при колебании около положения равновесия, что выражается в значительном падении крутящего момента на валу. Накопленная кинетическая энергия ротора расходуется при возникновении резонанса примерно за 1-10 сек, поэтому разогнать двигатель можно, пройдя зону резонанса без последствий, но работать сколь-нибудь продолжительное время не удастся – вал остановится. Для устранения этого явления в драйверах используются различные антирезонансные алгоритмы.

Мощность двигателя

Выходная мощность двигателя (скорость×момент) пропорциональна напряжению, деленному на квадратный корень из индуктивности. Если мы увеличим вдвое напряжение ШИМ, то получим другую кривую СМХ, лежащую выше, и мощность на участке постоянной мощности вырастет вдвое. С током иная картина. Рисунок ниже показывает, что будет при выставлении на драйвере тока в 2 раза больше номинального для двигателя. Мотор начинает выделять в 4 раза больше тепла, а момент на низких оборотах увеличивается менее чем в 2 раза из-за насыщения сердечников обмоток.

Как можно видеть, мощность не увеличивается вовсе. Всегда рекомендуется выставлять ток на драйвере равным номинальному значению для двигателя. Это в том числе снизит вибрации на низких частотах, улучшит характеристики хода в микрошаговом режиме.

Напряжение питания и нагрев двигателя

Основные причины нагрева двигателя: потери на сопротивлении обмоток и ферромагнитные потери. Первая часть всем знакома – это тепловая энергия, выделяющяяся на активном сопротивлении проводов обмоток, равная I2R. Вклад этого слагаемого велик только когда двигатель находится в режиме удержания, и резко уменьшается с возрастанием скорости двигателя. Ферромагнитными потерями назваются потери на токи Фуко и гистерезисные потери. Они зависят от изменения тока и, следовательно, от питающего напряжения, и выделяются в виде тепла. Как было сказано выше, мощность двигателя растет прямо пропорционально напряжению, однако ферромагнитные потери тоже растут, причем, в отличие от мощности, — нелинейно, что и ограничивает максимальное напряжения, которое можно использовать для драйвера. Можно сказать, что максимальная полезная мощность шагового двигателя определяется количеством тепла, которое может на нем безопасно выделяться. Поэтому не следует стараться выжать полкиловатта из двигателя 57 серии, подключив драйвер к источнику в 10 кВ – у напряжения есть разумные пределы. Их можно рассчитывать разными способами. Эмпирически было получено несколько оценок сверху для максимального питающего напряжения ШИМ-драйвера: оно не должно превышать номинальное напряжение обмоток более чем в 25 раз или величину 32√ L, где L – индуктивность обмотки.

Для наглядности ниже показан график, показывающий ферромагнитные потери для двигателя с номинальными характеристиками 4 А, 3 В.

Кратко о мощности шагового двигателя

Выбор двигателя и питающего напряжения целиком зависят от задач. В идеале, двигатель должен выдавать достаточный момент на максимальной планируемой скорости. Необходимо отличать момент от мощности двигателя: большой момент на низких скоростях не означает, что двигатель мощный. Выходная мощность – другой, более важный параметр, её примерно можно оценить по кривой скорости-момента. Теоретически, максимальная мощность, которую можно стабильно получать с драйвера, питаемого напряжением 80 В и выходным током 7 А примерно 250 Ватт(1/3 л.с.), в реальности же для этого потребуется 2 или 3 двигателя NEMA 34. Двигатели NEMA 23 слишком малы для отвода тепла, а NEMA 42 из-за размера не подходят по импедансу: если их номинальный ток меньше, чем 7 А, то напряжение будет больше 80 В, и наоборот. Момент от зубцовых гармоник в моторах NEMA 42 существенно больше, чем в малых моторах, и обязательно должен быть учтен при расчете выходной мощности. Другими словами, выходная мощность двигателей NEMA 42 падает быстрее, чем у меньших двигателей. NEMA 42 следует использовать, если требуется получить высокий момент на низких скоростях и нет смысла использовать мотор-редуктор.

О ЧЕМ ГОВОРЯТ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Если вы опустили все, написанное выше, или прочитали, но мало что поняли, данная глава поможет разобраться, как перейти к практической части. Несколько слов о размере двигателя. Развитие производства шаговых двигателей достигло больших успехов, и теперь шаговые двигатели одного размера разных производителей обладают очень схожими характеристиками. Именно размер двигателя задает рамки, в которых может изменяться его главная характеристика — кривая скорости-момента. Индуктивность обмотки показывает, насколько крута будет кривая СМХ при одинаковом напряжении питания драйвера с ШИМ: если мы возьмем 2 двигателя индентичного размера с разной индуктивностью, и будем управлять ими одним драйвером с одним и тем же питающим напряжением, полученные кривые СМХ будут отличаться крутизной.

Читать еще:  Двигатель tddi что это

Большая индуктивность потенциально дает вам возможность получить больший крутящий момент, но чтобы произвести такую конверсию, потребуется драйвер с большим напряжением питания — тогда кривая СМХ поднимется вверх пропорционально увеличению напряжения. На практике почти все фирмы производят моторы одного размера в двух исполнениях — «медленный» и «быстрый», с большой и малой индуктивностью. Причем «быстрые» модели пользуются большей популярностью — для них на высоких оборотах требуется меньшее напряжение, а значит более дешевые драйверы и источник питания. А если вдруг не хватает мощности — можно взять двигатель побольше. «Медленные» модели остаются для специфических применений — в случаях, когда от шагового привода не требуется больших скоростей, нужен большой момент удержания и т.п. Ток обмотки косвенно связан с крутящим моментом, но в основном он говорит о том, какой драйвер нужно будет подобрать к этому двигателю — он должен быть способен выдавать именно такой уровень тока. Напряжения питания обмотки показывает, какое постоянное(не ШИМ) напряжение можно подавать на обмотку — таково значение напряжения, используемое драйверами постоянного напряжения. Оно пригодится при вычислении максимально допустимого напряжения питания драйвера с ШИМ, и тоже косвенно связано с максимальным крутящим моментом.

АЛГОРИТМ ПОДБОРА ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Так как же выбрать двигатель? Зависит от того, какими вы данными обладаете. По большому счету, выбор двигателя сводится к выбору 4 вещей — производителя, вида двигателя, размера и индуктивности. Первый параметр поддается оценке с трудом — мало у кого репрезентативная выборка образцов от разных поставщиков. Что касается вида двигателя, мы рекомендуем всегда, когда есть неопределенность в выборе, использовать биполярные шаговые двигатели с 4 выводами и малой индуктивностью. Т.е. выбор в основном заключается в выборе размера двигателя(в пределах одного размера характеристики двигателей с одной индуктивностью почти всех производителей практически совпадают). Для выбора конкретной модели можно использовать следующий алгоритм:

  • Рассчитайте максимальную скорость вращения V в об/сек, которую хотите получить от привода, и момент M, который необходимо получить от него на этой скорости(закладывайте в это значение запас в 25-40%).
  • Переведите скорость вращения в частоту полных шагов PPS, для стандартного двигателя с шагом 1.8 град PPS = 200 * V.
  • Выберите примерно подходящий на первый взгляд размер двигателя, из числа доступных моделей этого размера выберите двигатель с не самой большой индуктивностью.
  • Воспользуйтесь кривой СМХ, приводимой производителем, найдите на ней ваше значение PPS. Сверьтесь, достаточен ли момент, указанный на кривой.
  • Если момент, указанный на кривой слишком мал, рассмотрите двигатель размером побольше, если слишком велик — размером поменьше.

Однако, часто этот способ дает неверные результаты по причине большого количества факторов и допущений при расчете момента. Запросто можно получить, что для управления небольшим портальным фрезером с порталом весом 15 кг вдруг потребуются двигатели ST86-114. Чаще используют эмпирические способы, и они оказываются точнее. Один из таких способов — определение двигателей по весу портала и размеру рабочего поля. Например, выбор шагового мотора для горизонтальной передачи(оси X и Y) можно осуществить исходя из веса подвижной части, передачи, направляющих и материалов, планируемых к обработке. Для портальных станков классической компоновки, с передачей ШВП, шагом 5 мм на оборот, для обработки дерева и пластика, скорость холостого хода до 4000 мм/мин, в предположении, что направляющие оси без преднатяга и отъюстированы так, что подвижная часть ходит по ним без какого-либо сопротивления, можно порекомендовать следующие значения:

  • Вес подвижной части менее 5 кг — двигатель серии PL42 или аналогичный.
  • Вес подвижной части 5-10 кг — двигатель PL57-56 или аналогичный.
  • Вес подвижной части 10-23 кг — двигатель PL57-76 или аналогичный.
  • Вес подвижной части 23-35 кг — двигатель PL86-80 или аналогичный.
  • Вес подвижной части 35-50 кг — двигатель PL86-114 или аналогичный.

Совместно с этими оценками можно использовать оценки для размеров рабочего поля: Рабочее поле 0,1-0,5 кв.м. — двигатели PL57-76 или аналогичные. Рабочее поле 0,5-1 кв.м. — двигатели PL86-80 или аналогичные. Рабочее поле 1-1,5 кв.м. — двигатели PL86-114 или аналогичные. Если характеристики Вашего станка находятся в пограничных интервалах, скажем, вес портала 23 кг, поле около 0,5 кв. м., стоит использовать дополнительные оценочные методы. Еще один распространенный подход заключается в анализе готовых станков на рынке, которые близки к конструируемому по размерам и характеристикам — проверенная конструкция означает, что двигатели уже подобраны оптимальным образом, и можно взять их характеристики за основу.

И последнее, что можно порекомендовать — обратиться за консультацией к опытным специалистам.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector