Серводвигатели. Устройство, характеристики, типы и виды серводвигателей.
Серводвигатели обладают следующими характеристиками:
• высокая динамика,
• высокая точность позиционирования,
• высокая перегрузочная способность в широком диапазоне частоты вращения.
Кроме того, серводвигатели имеют следующие особенности:
• высокая точность поддержания заданной частоты вращения;
• широкий диапазон регулирования частоты вращения;
• малое время разгона;
• малое время регулирования вращающего момента;
• большой пусковой момент;
• малый момент инерции;
• малая масса;
• компактная конструкция.
Рис. 1 Пример серводвигателей
Основными элементами конструкции серводвигателя являются:
• ротор;
• статор;
• элементы для подключения в виде штекерных разъемов или клеммной коробки;
• датчик обратной связи.
1. Обзор современных серводвигателей
Семейство серводвигателей можно разделить на следующие группы:
Рис. 2 Обзор серводвигателей
Важнейшие отличительные особенности обусловлены следующими факторами:
• конструкция двигателей (статор, ротор);
• необходимые системы регулирования;
• система обратной связи (датчики).
До недавних лет в качестве сервоприводов применялись бесщеточные двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Управление обеспечивали тиристорные или транзисторные преобразователи-регуляторы.
Благодаря техническому прогрессу в области силовых полупроводниковых приборов и микроконтроллеров в девяностых годах существенно выросло применение синхронных серводвигателей.
Сегодня синхронные серводвигатели переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов занимают больший сегмент рынка, чем асинхронные серводвигатели. Это обусловлено характеристиками двигателей.
Далее синхронные серводвигатели переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов и асинхронные серводвигатели переменного тока рассматриваются более подробно.
В данной статье для обозначения двигателей используются следующие термины:
• Синхронный серводвигатель - синхронный серводвигатель переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов.
• Асинхронный серводвигатель - асинхронный двигатель с датчиком обратной связи, специально спроектированным для работы от преобразователя частоты.
Синхронный линейный двигатель - линейный синхронный серводвигатель переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов.
2. Характеристики синхронных и асинхронных серводвигателей
| Характеристики синхронных серводвигателей | Характеристики асинхронных серводвигателей |
| Высокая динамика. | Средняя ... высокая динамика. |
| Умеренно хорошие характеристики регулирования при больших моментах инерции нагрузки. | Хорошие характеристики регулирования при больших моментах инерции нагрузки. |
| Высокая перегрузочная способность до 6 Мн (номинального момента, зависит от типа двигателя). | Высокая перегрузочная способность (почти 3-кратная). |
| Высокая допустимая тепловая нагрузка в длительном режиме по всему диапазону частоты вращения. | Высокая допустимая тепловая нагрузка в длительном режиме в зависимости от частоты вращения. |
| Охлаждение посредством конвекции, теплоотвода и теплового излучения. | Охлаждение крыльчаткой на валу или принудительное. |
| Высокое качество регулирования частоты вращения. | Высокое качество регулирования частоты вращения. |
| Возможность длительной работы с пусковым моментом на низких скоростях. | Из-за высокой тепловой нагрузки невозможна длительная работа в нижнем диапазоне частоты вращения без вентилятора принудительного охлаждения. |
| Широкий диапазон регулирования частоты вращения, 1:5000 и более (зависит от преобразователя). | Широкий диапазон регулирования частоты вращения, 1:5000 и более (зависит от преобразователя). |
| Пульсация вращающего момента (Cogging) на низкой частоте вращения. | Практически полное отсутствие пульсации вращающего момента (Cogging). |
3. Устройство синхронных серводвигателей
Основными элементами конструкции синхронного серводвигателя являются:
• ротор с постоянными магнитами;
• статор с соответствующей обмоткой;
• элементы для подключения в виде штекерного разъема или клеммной коробки;
• датчик обратной связи.
Различают следующие варианты синхронных серводвигателей:
• исполнение с корпусом - корпусные двигатели;
• исполнение без корпуса - бескорпусные двигатели.
Исполнение без корпуса означает, что роль корпуса двигателя выполняет пакет пластин статора. Это позволяет полностью использовать весь профиль пакета стальных пластин.
Далее оба варианта исполнения представлены на примере двигателей SEW:
• исполнение с корпусом: двигатель CMP;
• исполнение с корпусом: двигатель CM/DS;
• исполнение без корпуса: двигатель CMD.
3.1 Устройство двигателя CMP
Серводвигатели CMP отличаются очень высокой динамикой, низким моментом инерции ротора, компактностью и высокой удельной мощностью.
Серводвигатели CMP - это двигатели с корпусом.
Рис. 3. Устройство синхронного серводвигателя CMP компании SEW-EURODRIVE
1 - Компенсационная шайба
2 - Радиальный шарикоподшипник
3 - Ротор
4 - Радиальный шарикоподшипник
5 - Сигнальный штекерный разъем SM / SB
6 - Силовой штекерный разъем SM / SB
7 - Крышка корпуса
8 - Прокладка
9 - Резольвер
10 - Задний подшипниковый щит
11 - Корпус со статором
12 - Подшипниковый щит с фланцем
13 - Манжета
Характеристики и опции двигателя CMP
Перегрузочная способность до 4,5*Мн (номинального момента).
Статор с зубцовой обмоткой.
Возможность монтажа на стандартные редукторы и редукторы для сервопривода через адаптор.
Возможность прямого монтажа на редуктор.
Возможность установки резольвера или датчика абсолютного отсчета с высокой разрешающей способностью.
Изменяемое расположение штекерных разъемов.
Вентилятор принудительного охлаждения (опция).
Тормоз с катушкой 24 В (опция).
Датчик KTY для тепловой защиты двигателя.
3.2 Устройство двигателя CM/DS
Серводвигатели CM/DS отличаются широким диапазоном вращающего момента, хорошими характеристиками регулирования при больших моментах инерции нагрузки, применением мощного рабочего тормоза и разнообразием опций.
Серводвигатели CM/DS - это двигатели с корпусом.
Рис. 4. Устройство синхронного серводвигателя CM компании SEW-EURODRIVE
1 - Ротор
2 - Подшипниковый щит с фланцем
3 - Радиальный шарикоподшипник
4 - Корпус со статором
5 - Задний подшипниковый щит
6 - Радиальный шарикоподшипник
7 - Резольвер
8 - Корпус штекерного разъема
9 - Штекер силового кабеля, в сборе
10 - Штекер сигнального кабеля, в сборе
11 - Тормоз, в сборе
Характеристики и опции двигателя CM/DS
Перегрузочная способность до 4*Мн (номинального момента).
Статор с шаблонной обмоткой.
Возможность монтажа на стандартные редукторы и редукторы для сервопривода через адаптор.
Возможность прямого монтажа на редуктор.
Возможность установки резольвера или датчика абсолютного отсчета с высокой разрешающей способностью.
Штекерный разъем или клеммная коробка.
Вентилятор принудительного охлаждения (опция).
Рабочий тормоз (опция).
Датчик TF или KTY для тепловой защиты двигателя. 2-й вал со стороны датчика (опция).
Усиленные подшипники (опция).
3.3 Устройство двигателя CMD
Серводвигатели CMD отличаются особой компактностью, оптимальным выбором частоты вращения и набором опций для установок с прямым (безредукторным) приводом.
Серводвигатели CMD - это двигатели без корпуса.
Рис. 5. Устройство синхронного серводвигателя CMD компании SEW-EURODRIVE
1 - Ротор
2 - Подшипниковый щит с фланцем
3 - Радиальный шарикоподшипник
4 - Статор
5 - Задний подшипниковый щит
6 - Радиальный шарикоподшипник
7 - Резольвер
8 - Разъем сигнального кабеля
9 - Разъем силового кабеля
Характеристики и опции двигателя CMD
Почти 6-кратная перегрузочная способность.
Статор с шаблонной обмоткой.
Тормоз с катушкой 24 В (опция).
Возможность установки резольвера или датчика абсолютного отсчета с высокой разрешающей способностью.
Датчик KTY для тепловой защиты двигателя.
3.4 Конструкция ротора
Ротор синхронных серводвигателей оснащен постоянными магнитами.
Рис. 6. Наклеенные на ротор магниты
1 - Наклеенные магниты
Эти магниты, как правило, изготавливаются из спеченного редкоземельного материала неодим-железо-бор. Магнитные свойства этого материала значительно превосходят свойства обычных ферритовых магнитов. Это позволяет сделать конструкцию более компактной при равной выходной мощности.