В приводах подач и главного движения большинства станков с ЧПУ наибольшее применение получили электродвигатели постоянного тока,которые могут изменять скорость вращения при высоком быстродействии и обладают довольно большой перегрузочной способностью. Одной из характерных особенностей этих машин является наличие коллекторного узла, отчего их часто называют коллекторными. Коллектор — изменяет направления тока в проводниках обмотки якоря (ротора), когда он переходит из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности, т. е. для создания постоянного (направленного в одну сторону) вращающегося электромагнитного момента.
Двигатели общепромышленного назначения
Конструкция электродвигателя постоянного тока общепромышленного назначения изображена на рис. 2.1.
Главные полюсы статора состоят из сердечников 4 и обмоток главного полюса 3.
Чаще всего из листов электротехнической стали набирают сердечники (шихтуют). Якорь двигателя состоит из сердечника 5, обмотки 2, коллектора с щеткодержателем 6 и вала якоря
где: I — вентилятор, 2 — обмотка якоря, 3— обмотка главного полюса, 4 — сердечник главного полюса, 5 — сердечник якоря, 6 — коллектор
Из листов электротехнической стали набирается также и сердечник. Предварительно эти листы покрывают перед сборкой изолирующим лаком, чтобы уменьшить величину вихревых токов, которые возникают в результате перемагничивания. В пазы якоря уложена обмотка, которая состоит из секций. Концы ее припаиваются к пластинам коллектора. Для охлаждения двигателя на валу закрепляют вентилятор. Положение якоря фиксируется подшипниковыми щитами с подшипниками качения или скольжения. С помощью графитовых щеток осуществляют электрический контакт с внешней цепью питания электроэнергией. В щеткодержателе находятся щетки и прижимаются к коллектору пружинами.
Создание магнитного поля в машине постоянного тока называют возбуждением. По способу возбуждения машины подразделяют на:
- машины с независимым возбуждением. У них обмотку возбуждения подключают к независимому источнику тока и электрически она не соединяется с обмоткой якоря;
- машины с параллельного возбуждения (шунтовые). У такого рода машин обмотку возбуждения подключают параллельно к обмотке якоря и они запитываются от одного источника;
- машины с последовательного возбуждения (сериесные). У них обмотку возбуждения включают последовательно с обмоткой якоря;
- машины со смешанного возбуждения (компаундные) — имеет и последовательную и параллельную обмотку возбуждения;
- возбуждение от постоянных магнитов.
Электротехническая промышленность для станкостроения выпускает электродвигатели постоянного тока серии 2П с независимым, параллельным или смешанным возбуждением. Большой диапазон мощностей (0,37—200 кВт), а также частоты вращения вала(750— 3000 об/мин) двигателей этой серии. И они имеют довольно широкий диапазон регулирования скорости вращения вала делают их незаменимыми в автоматизированных электроприводах главного движения и подач.
Номинальные напряжения для двигателей данной серии 110, 220, 340, 440 В и соответственно частоты вращения 750, 1000, 1500, 2200 и 3000 об/мин. По конструктивным признакам, по роду защиты и охлаждения различают защитное, защищенное и закрытое исполнения, двигатели с самовентиляцией, с независимой вентиляцией, с естественным охлаждением, с обдувом от постоянного вентилятора. Выпускаются также двигатели со встроенными тахогенераторами. Конструктивное исполнение, наличие или отсутствие тахогенератора, охлаждение, габаритные размеры и климатическое исполнение указываются в обозначении двигателя. Например, 2ПФ160ЬГУ4 — электродвигатель постоянного тока серии 2П. Тип исполнения – защищенное. Охлаждение производится независимой вентиляцией от постороннего вентилятора (Ф). Высота оси вращения 160 мм, второй длины (Ь). С тахогенератором (Г), климатическое исполнение — У, категория размещения — 4.
Благодаря созданию новых магнитных материалов (таких, как магниты типа «альнико», самарийкобальтовые магниты, ферриты, редкоземельные магниты), обладающих отличными магнитными характеристиками, все более широкое применение получают двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. В настоящее время только высокая стоимость магнитных материалов препятствует вытеснению ими двигателей с электромагнитным возбуждением.
Для использования в приводах подач станков с ЧПУ помимо двигателей традиционного исполнения также применяют малоинерционные и высокомоментные двигатели постоянного тока.
Малоинерционные двигатели
В малоинерционных двигателях значительное быстродействие достигается в результате снижения момента инерции якоря путем уменьшения его массы или создания нетрадиционной торцевой конструкции с дисковым якорем. Якорь таких двигателей выполняется в виде диска из гетинакса, на обеих сторонах которого размещена обмотка в виде печатного монтажа. Малоинерционный двигатель серии ПЯ с печатной обмоткой (рис. 2.2) изготовляют в закрытом фланцевом исполнении с естественным охлаждением и с возбуждением от постоянных магнитов.
двигатель постоянного тока
где: 1 — корпус, 2 — статор с постоянными магнитами, 3,5 — электромагнитные кольца, 4 — щеткодержатель, 6 — якорь с печатной обмоткой.
Наличие намагниченного якоря исключает изменение магнитного потока, а значит, и колебания вращающего момента и частоты вращения, что особенно важно при работе на малых частотах вращения. Недостатком малоинерционных двигателей в связи с небольшой массой якоря и незначительным «временем их нагрева является недопустимость длительной работы с моментом нагрузки, превышающим номинальный. Как и двигатели серии 2П, малоинерционные двигатели соединяются с ходовым винтом станка с ЧПУ промежуточной механической передачей.
Высокомоментные двигатели постоянного тока
Высокомоментные двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов имеют низкую номинальную частоту вращения. Низкие номинальные скорости вращения позволяют устанавливать их в станки и механизмы без редукторов. Это довольно существенно упрощает конструкцию электроприводов и дает возможность приблизить источник движения к исполнительному органу станка. Номинальная частота вращения высокомоментных двигателей составляет обычно 1000 об/мин. Он может работать значительное время при больших перегрузках.
Обычно высокомоментные двигатели выпускают со встроенными электромагнитным тормозом, тахогенератором и датчиком положения. На рис. 2.3 показан пример компоновки такого двигателя.
где: 1 — корпус, 2 — постоянные магниты, 3 — якорь, 4 — электромагнитный тормоз, 5 — тахогенератор, 6 — датчик положения (резольвер), 7 — механическая передача, 8 — соединительная муфта.
Тормоз 4 служит для предотвращения аварий в случае отключения напряжения питания сети, а также для быстрого торможения подвижных узлов станка. Тахогенератор 5 является датчиком скорости двигателя в системе обратной связи его управления. Для обратной связи при управлении двигателем служит также и датчик положения 6, выдающий электрический сигнал, пропорциональный углу поворота вала двигателя. Такая | встроенная конструкция позволяет не только снизить габаритные I размеры привода, но и в результате упрощения связей повысить точность позиционирования.
В свою очередь, наличие постоянных магнитов позволяет уменьшить габаритные размеры системы возбуждения и самого двигателя и улучшить его энергетические и динамические характеристики. Таким образом, эффект от применения высокомагнитных двигателей в станках с ЧПУ складывается из повышения производительности станка и упрощения его кинематической схемы. Повышение же производительности двигателя достигается в результате увеличения скорости быстрых перемещений, большого диапазона регулирования скорости и малой его инерционности.
Отечественной промышленностью для работы в электроприводах станков с ЧПУ выпускают высокомоментные двигателя серий ПВБ, ПВ и ДК, отличающиеся формой и материалом постоянных магнитов и якоря. Эти отличия вызваны стремлением снизить диаметр якоря и соответственно момент его инерции. Наличие встроенных устройств, а также степень их защиты и габаритные размеры указываются в условном обозначении типа двигателя. Например, ПБВ160ЬСУЗ — двигатель постоянного тока (П). исполнение — закрытое (Б); высокомоментный, возбуждение производится от постоянных магнитов (В). Высота оси вращения 160 мм, второй длины (Ь). Имеет в наличии встроенный тахогенератор (С). Климатическое исполнение и категория размещения УЗ.
Целесообразность применения машин постоянного тока и способы регулирования скорости вращения этих машин
Важнейшим достоинством всех рассмотренных машин постоянного тока является возможность плавного регулирования их частоты вращения в широких пределах.
В электроприводах с машинами постоянного тока это регулирование чаще всего осуществляется следующими способами: изменением напряжения в цепи якоря, импульсным питанием якорной цепи, изменением основного магнитного потока.
При регулирования напряжения в цепи якоря машины постоянного тока с независимым возбуждением подключается к источнику питания где возможна регулировка напряжения (генератор постоянного тока или полупроводниковые преобразователи). Скорость вращения при таком регулировании изменяется прямо пропорционально напряжению. Такое регулирование позволяет изменять скорость вращения двигателя только в сторону понижения от номинального значения, так как напряжение на якоре свыше номинального недопустимо. Обмотка возбуждения при этом питается от другого источника напряжения. В случае необходимости изменения направления вращения двигателя (реверсирования) изменяют направление тока якоря или возбуждения путем переключения полярности напряжения на соответствующих обмотках.
При регулировании скорости вращения импульсным питанием якоря его цепь периодически прерывается. Во время замыкания цепи якоря к его обмотке подводится напряжение и появляется ток. При размыкании этой цепи ток резко убывает. Таким образом, к обмотке якоря подводится некоторое среднее напряжение, которое зависит от частоты прерывания тока. Соответственно среднему напряжению изменяется и скорость вращения.
В машинах с электромагнитным возбуждением частота вращения регулируется третьим способом — изменением основного магнитного потока. Если уменьшить ток в обмотке возбуждения, то и уменьшится магнитный поток и возрастет скорость вращения вала. Так как токи возбуждения невелики, этот способ регулирования является довольно экономичным. Такой способ, в отличие от предыдущих способов, позволяет регулировать частоту вращения в сторону увеличения от номинального значения.
Для расширения диапазона регулирования скорости как в сторону повышения, так и в сторону понижения для машин постоянного тока с электромагнитным возбуждением применяют одновременное регулирование частоты вращения изменением токов якоря и обмотки возбуждения — или двухзонное регулирование.
