Механотронные модули в системах управления движением

В соответствии с тенденцией сокращения механических узлов в электроприводах машин и механизмов стремятся к объединению в единое целое электродвигателя и исполнительного органа машины. Этим повышают качество и производительность механизмов. Такие объединенные устройства называются механотронными модулями. Их использование целесообразно в широко распространенных механизмах, так как появляется возможность унификации модулей и создания их широкой номенклатуры для разнообразных областей применения. К таким модулям относятся: электрошпиндели металлообрабатывающих станков; мотор-колеса электротранспортных средств; приводные модули звеньев промышленных манипуляторов, статоры и роторы которых располагаются на смежных звеньях манипуляторов; мотор-барабаны тяговых лебедок; двигатели-ролики и двигатели-цилиндры, предназначенные для транспортирования материалов.
Применение высокоскоростных электрошпинделей в шлифовальных станках позволяет повысить качество обработки при малых размерах привода. Наибольший диапазон регулирования частоты вращения электрошпинделей 8:1, регулирование может осуществляться в режиме со снижающейся мощностью. Выбор мощности электрошпинделя при регулируемом приводе определяется диапазоном регулирования и технологическими особенностями станка.
Одним из наиболее важных узлов электрошпинделей являются его опоры: шариковые, воздушные или гидравлические. Шариковые опоры наиболее просты, но при их использовании применяют специальные системы смазывания — установки масляного тумана. Воздух из пневмосети поступает в устройство очистки, регулируемый редуктор и установку масляного тумана. Создаваемая смесь минерального масла и воздуха передается шлангом к электрошпинделю на расстояние до 1 м. Применение масляного тумана обеспечивает проникновение смазочного материала, охлаждение всех элементов подшипников и исключает загрязнение опор электрошпинделя. Недостатком такого способа является загрязнение атмосферы цеха туманом, выходящим из электрошпинделя. При большом числе работающих станков это создает опасность значительной концентрации масляного тумана в цехе.
Большим недостатком шариковых опор является существование предельного значения произведения диаметра опоры (в миллиметрах) на частоту вращения (мин-1)- Для лучших образцов оно не превышает 1 млн. Таким образом, с ростом частоты вращения снижается допустимый диаметр вала шпинделя и, следовательно, его жесткость, поэтому возникает ограничение мощности, которую может развить электрошпиндель при увеличении частоты вращения.
Применение подшипников с воздушной смазкой позволяет повысить жесткость шпинделя путем увеличения диаметра шеек вала.
Условием номинальной работы шпинделя с воздушными опорами является надежная очистка сжатого воздуха от пыли, воды и масла. Для этого используют пульт питания сжатым воздухом. Давление воздуха на входе опор 0,5...0,6 МПа.
При мощности шпинделей до 10 кВт требуемое давление достигает 1,5 МПа. В этом случае применяют автономные компрессорные установки, так как в заводских пневматических сетях давление не превышает 0,6 МПа. Срок службы пневматических опор во много раз превышает срок службы шариковых опор, составляя 2000 ч и более.
Санитарные условия эксплуатации таких опор намного лучше, чем шариковых, так как из шпинделя выходит очищенный от пыли воздух.
При использовании гидравлических опор требуется специальная гидростанция высокого давления с большими радиаторами для охлаждения масла. Масло подается в опоры под давлением, достаточным для создания масляной пленки независимо от частоты вращения вала. Так как эти агрегаты должны находиться непосредственно у станка, то это существенно повышает уровень шума в цехе и ухудшает условия работы станочников.
Другой важной проблемой конструирования электрошпинделей является отвод тепла, выделяемого в опорах и в электродвигателе. Применяют воздушное и жидкостное охлаждения. Воздушное охлаждение используют при незначительной мощности электрошпинделя (до 1 кВт). Целесообразность выбора такого варианта определяется типом опор. Большинство электрошпинделей имеет рубашки охлаждения корпуса антикоррозионной жидкостью, подаваемой специальным насосом из гидробака. В электрошпинделях используются частотно-регулируемые электродвигатели переменного тока — асинхронные короткозамкнутые и вентильные.
Мотор-колеса применяются в автомобильных транспортных средствах, где имеется источник электроэнергии. Наиболее часто их применяют на большегрузных автосамосвалах. В качестве источника электроэнергии используется синхронный генератор, установленный на валу первичного двигателя — высокоскоростного дизеля или газовой турбины. В мотор-колесе применяется двигатель постоянного тока последовательного возбуждения или двигатель переменного тока — асинхронный короткозамкнутый или вентильный. Система «синхронный генератор — управляемые полупроводниковые преобразователи — двигатели мотор-колес» образует электромеханическую трансмиссию.
Например, для автосамосвала БелАЗ-75501 с колесной формулой 4x4, грузоподъемностью 280 т, мощностью 2317 кВт и максимальной скоростью 40 км/ч в электромеханической трансмиссии используются четыре мотор-колеса с реверсивными электродвигателями постоянного тока последовательного возбуждения номинальными мощностями по 575 кВт. Для торможения автосамосвала применяются электродинамическое и гидромеханическое торможения.
К мотор-колесам предъявляются жесткие требования по минимизации размеров и массы, а также по достижению высоких энергетических показателей, что важно в связи с соизмеримостью суммарной мощности мотор-колес с мощностью источника электропитания.
Для мотор-колес легких электрических транспортных средств (электровелосипеды, мотороллеры, легкие автомобили, инвалидные кресла) перспективно применение вентильно-индукторных электродвигателей. Стоимость такого двигателя меньше стоимости вентильного двигателя почти в 3 раза при прочих одинаковых технических параметрах.
Вентильно-индукторный двигатель имеет статор с п полюсами, несущими сосредоточенные обмотки, и пассивный явнопо-люсный ротор с полюсами. Ротор может использоваться как основа мотор-колеса. Обмотки статора подсоединены к источнику питания (батарее) через коммутатор, построенный на силовых ключах, обычно управляемых от датчика положения ротора (ДПР). Для формирования импульсов тока используется микроконтроллерное управление.
Ключи периодически подключают фазные обмотки статора к батарее в последовательности Aa-Bb-Cc-Dd, что благодаря магнитному притяжению приводит к смещению соответствующих полюсов пассивного ротора в направлении ближайших возбужденных полюсов статора. В результате ротор вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля статора.
Описанные конструкция и принцип действия определяют главные преимущества ВИП: простоту, низкую стоимость и высокую надежность двигателя. Эти свойства, а также благоприятные рабочие и энергетические характеристики могут быть реализованы только при соответствующем управлении углами коммутации при включении и отключении фаз и соответствующей форме импульсов тока. Неадекватное управление, даже в случае, когда используется датчик положения ротора, приводит к сильной вибрации, шуму и значительному ухудшению эксплуатационных характеристик привода.
Датчик положения ротора нежелательно использовать в ВИП массового применения, поскольку он значительно усложняет его конструкцию. Исключение датчика положения ротора и снижение шума благодаря соответствующему управлению являются необходимыми условиями для широкого использования привода.
Первая проблема решается применением специально разработанного оригинального способа управления коммутацией, когда текущая информация о значении токов используется для определения углов коммутации в любом режиме работы. Бездатчиковое управление сравнительно просто реализуется для приводов большой мощности (киловатты и более), когда удельное сопротивление обмотки относительно мало. Для приводов малой мощности (сотни ватт) происходит изменение сопротивления при повышении температуры, что учитывают при разработке алгоритма управления.
Снижения шума и вибраций добиваются путем управления формой импульсов токов.
Мотор-барабаны, двигатели-ролики, двигатели-цилиндры, применяющиеся для намотки и транспортирования гибких материалов, конструктивно могут выполняться в двух вариантах. В первом варианте вал барабана, ролика или цилиндра одновременно является валом ротора двигателя. Во втором варианте барабаны, цилиндры представляют собой массивные роторы обращенных асинхронных электродвигателей, статорные обмотки которых располагаются на неподвижных валах. Подвод питания статорных обмоток осуществляется через полые части неподвижных валов. Применяется частотное регулирование скорости роторов от преобразователей частоты. Выполняется это подобно регулированию скорости обычных асинхронных короткозамкнутых электродвигателей.