Електрическият двигател се състои от ротор, поставен във въртящо се магнитно поле. Под въздействието на това въртящо се магнитно поле роторът придобива въртящ момент, което го кара да се върти. Асинхронните двигатели работят в широк диапазон на мощност, от няколко вата до десетки хиляди киловата, осигурявайки мощност за различни механични съоръжения и домакински уреди.
Електродвигателят (обикновено наричан "мотор") е електромагнитно устройство, което преобразува или предава електрическа енергия въз основа на принципа на електромагнитната индукция. Неговата основна функция е да генерира задвижващ момент, служейки като източник на енергия за електрически уреди или различно механично оборудване.
Основната функция на генератора е да преобразува електрическата енергия в механична.
Електрическият двигател се състои главно от намотка на електромагнит или разпределени намотки на статор за генериране на магнитно поле, въртяща се арматура или ротор и други аксесоари. Под въздействието на въртящото се магнитно поле, създадено от намотките на статора, токът протича през алуминиевата рамка на -катерица на арматурата. Този ток взаимодейства с магнитното поле, карайки арматурата да се върти.
Статор (неподвижна част) Ядро на статора: Компонент от магнитната верига на двигателя, върху който са монтирани намотките на статора; Намотки на статора: Електрическата верига на двигателя, през която протича три{0}}фазен променлив ток за генериране на въртящо се магнитно поле; Рамка: Закрепва ядрото на статора и капаците на предния/задния край, за да поддържа ротора, като същевременно осигурява защита, разсейване на топлината и други функции;
Ротор (въртяща се част)
Сърцевина на ротора: Служи като част от магнитната верига на двигателя и помещава намотките на ротора в неговите слотове;
Намотки на ротора: Прорязват въртящото се магнитно поле на статора, за да генерират индуцирана електродвижеща сила и ток, създавайки електромагнитен въртящ момент, който задвижва въртенето на двигателя;
【Анимация на двигателния принцип】
Двигател с постоянен магнит ▼
DC двигател ▼
Квантов магнитен мотор ▼
Еднофазен{0}}асинхронен двигател ▼
Принцип на работа на стъпковите двигатели ▼
Балансен мотор ▼
Принципът на генериране на електрически ток ▼
Три{0}}фазен статор ▼
Напречен-разрез на мотора ▼
Електрически двигател ▼
DC двигатели▼
Разлики между ремонт на двигатели с променлива честота и конвенционални двигатели
Методите за ремонт на двигатели с променлива честота са същите като тези за конвенционалните двигатели. Въпреки това, поради уникалните характеристики на захранващите устройства с променлива честота, изискванията за изолация на намотките на двигателя с променлива честота са по-строги, отколкото за конвенционалните двигатели. Трябва да се вземат следните мерки за подобряване на изолационните условия:
1. Изберете електромагнитен проводник с отлична устойчивост на корона, за да отговаря на изискванията на двигателя за устойчивост на импулси с висока-честота и частичен разряд.
Обикновено се използва полиестеримид/полиамидеимид композитен емайлиран проводник или устойчив на корона -електромагнитен проводник.
2. Техники за конструиране на навиване и вмъкване на слот.
Стриктното управление е от съществено значение по време на процесите на навиване, вмъкване на слота и свързване на двигатели с променлива честота. Особено внимание трябва да се обърне на предотвратяването на повреда на проводника по време на навиване и поставяне на слота. Вмъкването на слота трябва да гарантира правилното поставяне на изолацията на слота, фазовата изолация и изолацията от-{3}}слой. Фазовата изолация трябва да използва материали, лесно проникващи от изолационен лак. Краищата на намотките трябва да бъдат подсилени с връзки и закрепвания, за да се гарантира, че образуват неразделна единица.
Подсилващата изолация в долната част на слота на двигателя, между фазите, между слоевете и при началните/крайните завои на бобината подобрява диелектричната якост на двигателя.
3. Основната изолация трябва-да включва изолация без празнини.
Въздушните междини в изолационната структура на двигателите с променлива честота са основната причина за коронния разряд. За да се гарантира липсата на въздушни междини в цялостната изолационна структура, съгласно националния стандарт GB/TZ1707-2008 „Спецификации за изолация за три-фазни асинхронни двигатели за управление на скоростта с променлива честота“, използваният импрегниращ лак не трябва да бъде по-нисък от F-клас без разтворител лак със съдържание на летливи вещества под 10% и VPI процес трябва да бъде заети. Този процес също така подобрява цялостната механична якост на изолационната структура.
4. Осигурете правилно съвпадение между инвертора, кабелите и двигателя и ограничете дължината на кабелите между двигателя и източника на захранване.
Поради несъответствие на импеданса в електропроводите, амплитудата на пренапрежението в края на двигателя се увеличава с дължината на кабелите между инвертора и двигателя, което лесно може да причини частичен разряд. Следователно, въз основа на специфичните характеристики на захранването с променлива честота и действителните изисквания, дължината на свързващия кабел трябва да бъде сведена до минимум, доколкото е възможно, за да се намали амплитудата на пренапрежението в края на двигателя и количеството на частичното разреждане, като по този начин се удължи експлоатационният живот на двигателя. Захранващите кабели за двигатели с променлива честота обикновено използват специализирани кабели, известни също като кабели с променлива честота със симетричен проводник, които са от серията 3P+3N/E. Това означава, че оригиналната 3+1 конфигурация разделя единичния неутрален проводник на три отделни проводника.
Стъпков двигател
Фигура 1.1 илюстрира принципа на работа на дву-фазен стъпков двигател, който включва две намотки. Когато една намотка е под напрежение, нейният полюс на статора генерира магнитно поле, което привлича ротора, за да се изравни с този полюс. Ако намотките се захранват последователно под управляващи импулси-, преминаващи през състоянията A`A→B`B→`AA→`BB-двигателят се върти по посока на часовниковата стрелка. Когато се захранва в последователността A`A→`BB→`AA→B`B, моторът се върти обратно на часовниковата стрелка. Всеки управляващ импулс променя посоката на захранване, карайки двигателя да се движи с една стъпка (90 градуса). Четири импулса завършват едно пълно завъртане. По-високата честота на импулса води до по-бързо въртене на двигателя.
Изходният въртящ момент на стъпковия двигател е пропорционален на ефективния обем на двигателя, оборотите на бобината, магнитния поток и тока. Следователно по-големият ефективен обем, повече завъртания на бобината и по-малката въздушна междина между статора и ротора водят до по-голям въртящ момент и обратно.
Фигура. 2 Схема на структурата на механизма на стъпковия двигател
Структурата на стъпковия двигател се състои от ротор (ядро на ротора, постоянен магнит, вал, сачмени лагери), статор (намотки, ядро на статора) и предни и задни капачки. Най-типичният дву-фазен хибриден стъпков двигател включва статор с 8 големи зъба и 40 малки зъба, докато роторът има 50 малки зъба. Статорът на трифазен двигател има 9 големи зъба и 45 малки зъба, като роторът също има 50 малки зъба.
Броят на фазите на стъпков двигател се отнася до броя на групите бобини в двигателя. Често използваните типове включват дву-фазни, три-фазни, четири-фазни и пет-фазни стъпкови двигатели. Различният брой фази води до различни ъгли на стъпка: обикновено дву-фазните двигатели имат ъгли на стъпка от 0,9 градуса /1,8 градуса, три-фазните двигатели имат 0,75 градуса /1,5 градуса, а пет{12}}фазните двигатели имат 0,36 градуса /0,72 градуса. Без микростъпков драйвер потребителите избират основно стъпкови двигатели с различен брой фази, за да отговорят на необходимите им спецификации за ъгъл на стъпка. Когато използвате микростъпков драйвер, „броят на фазите“ става без значение; потребителите могат просто да регулират разделителната способност на микростъпките на драйвера, за да променят ъгъла на стъпката.
Независимо дали става въпрос за дву-фазен четири{1}}жилен, четири-фазен пет-жилен или четири-фазен шест-жилен стъпков двигател, вътрешната конструкция остава последователна. Разликата между четири-жични, пет-жични или шест-жични конфигурации зависи от това дали двойките A и ~A, или двойките B и B~, споделят връзка с общ терминал (COM). Ако и двете групи A и B имат свои собствени специални клеми COM, двигателят е шест{11}}жилен. Ако общите клеми за A и B са свързани заедно, това е пет-жица.
Следователно, за да определите конфигурацията на окабеляването на стъпков двигател, просто отделете групите A и B и ги тествайте с мултицет.
Четири{0}}проводник:Тъй като в четири{0}}проводна конфигурация няма общ (COM) проводник, групите A и B са напълно изолирани и не-проводими една спрямо друга. Така, когато се тества с мултицет, една група няма да покаже непрекъснатост.
Пет{0}}проводник:В пет{0}}проводна конфигурация общите клеми на групите A и B са свързани заедно. При тестване с мултицет, ако един проводник показва стойност на съпротивление, подобна на другите проводници, този проводник е общият терминал. За задвижване на пет-жилен стъпков двигател, общият терминал може да бъде оставен несвързан и моторът ще продължи да работи.
Шест{0}}проводник:Общите клеми на групите A и B не са свързани. По същия начин, използвайки мултицет за измерване на съпротивлението, ако единият проводник показва идентично съпротивление с другите два проводника, този проводник е com клемата, а другите два проводника образуват група. За задвижване на четири-фазен шест{3}}жилен стъпков двигател, моторът може да се задвижва и без свързване на двата общи клеми за комуникация.
Концепции, свързани със стъпков двигател:
Брой фази: Броят на двойките възбуждащи намотки, генериращи различни двойки N и S магнитни полюси. Обикновено се обозначава с m.
Брой импулси:Броят импулси или проводими състояния, необходими за завършване на един цикъл на магнитно поле, означен с n. Като алтернатива, това се отнася до броя на импулсите, необходими на двигателя, за да завърти един ъгъл на наклон. Например в четири-фазен двигател:
Ъгъл на стъпка:Ъгловото преместване на ротора на двигателя, съответстващо на един импулсен сигнал, означено с θ. θ=360 градуса / (зъбци на ротора J × номер на работния такт). За конвенционални дву- или четири-фазни двигатели с 50 зъба на ротора: При четири-фазна работа ъгълът на стъпка е θ=360 градуса /(50*4)=1.8 градуса (обикновено наричан пълна стъпка). При осем-фазова работа ъгълът на стъпка е θ=360 градуса /(50*8)=0.9 градуса (обикновено наричан половин стъпка).
Задържащ въртящ момент:Присъщият блокиращ въртящ момент на ротора на двигателя, когато-е без ток (причинен от хармоници на зъбния профил на магнитното поле и механични грешки).
Статичен въртящ момент:Заключващият момент на вала на двигателя, когато двигателят е под номинална статична електрическа сила, но не се върти. Този въртящ момент служи като стандарт за оценка на размера на двигателя (геометрични размери) и не зависи от задвижващото напрежение или захранването.
Задвижване на стъпков двигател:Задвижването на стъпков двигател по същество включва алтернативно прилагане на непрекъснати импулси към групите A и B на двигателя, което позволява на двигателя да работи.
Пропусната стъпка:Действителният брой стъпки, направени по време на работа на двигателя, не съответства на теоретичния брой стъпки.
Пример:Разлики между дву-фазни и пет{1}}фазни стъпкови двигатели
Стъпковите двигатели се класифицират основно по броя на фазите, като дву-фазните и пет-фазните стъпкови двигатели са най-разпространените на текущия пазар. Повечето дву-фазни стъпкови двигатели могат да бъдат подразделени на максимум 400 равни стъпки на оборот, докато пет-фазните двигатели могат да бъдат подразделени на 1000 равни стъпки. Следователно, пет-фазните стъпкови двигатели показват превъзходни работни характеристики, по-кратки времена за ускорение/забавяне и по-ниска динамична инерция.
Сравнение на разликите между дву{0}}фазни и пет{1}}фазни стъпкови двигатели:
| Дву{0}}фазен стъпков двигател | Пет{0}}фазен стъпков двигател | |
| Резолюция | 1,8 градуса/0,9 градуса (200, 400 микростъпки) | 0,72 градуса/0,36 градуса (500, 1000 микростъпки), 2,5 пъти повече от дву-фазните стъпкови двигатели |
| Вибрационни характеристики | Ниско{0}}скоростен резонансен диапазон между 100-200 PPS, значителни вибрации | Няма значителни резонансни точки, ниска вибрация |
| Характеристики на скоростта и въртящия момент | По-ниска скорост | Висока скорост, висок въртящ момент |
1. Разлики в точността на контрола
Дву{0}}фазните хибридни стъпкови двигатели обикновено имат ъгли на стъпка от 3,6 градуса или 1,8 градуса, докато пет{3}}фазните хибридни стъпкови двигатели обикновено имат ъгли на стъпка от 0,72 градуса или 0,36 градуса. Някои-високопроизводителни стъпкови двигатели предлагат още по-малки ъгли на стъпка. Например стъпков двигател, произведен от Sitong Company за бавни-машини за рязане на тел, има ъгъл на стъпка от 0,09 градуса. Три{12}}фазните хибридни стъпкови двигатели, произведени от германската Berger Lahr, могат да имат своите ъгли на стъпка, зададени чрез DIP превключватели на 1,8 градуса, 0,9 градуса, 0,72 градуса, 0,36 градуса, 0,18 градуса, 0,09 градуса, 0,072 градуса или 0,036 градуса, предлагайки съвместимост и с двете дву-фазен и пет-фазен хибриден степер ъгли на стъпката на двигателя.
Точността на управление на AC серводвигателите се осигурява от ротационни енкодери. Като вземем за пример напълно цифровите AC серво мотори на Panasonic, за двигатели, оборудвани със стандартни 2500-редови енкодери, импулсният еквивалент е 360 градуса/10000=0.036 градуса поради технологията за квадратурно преобразуване на честотата, внедрена вътрешно в драйвера. За двигатели, оборудвани със 17-битов енкодер, устройството получава 2¹⁷=131,072 импулса на оборот, което води до разделителна способност на импулса от 360 градуса / 131,072 импулса=0.002746 градуса на импулс.
2. Различни ниско-честотни характеристики
Стъпковите двигатели са склонни към-нискочестотни вибрации при ниски скорости. Честотата на вибрациите зависи от условията на натоварване и производителността на драйвера, обикновено се счита за половината от честотата на стартиране на-двигателя без товар. Тази ниско{4}}честотна вибрация, присъща на принципа на работа на стъпковите двигатели, е силно вредна за нормалната работа на машината. Когато стъпковите двигатели работят при ниски скорости, трябва да се използват техники за затихване за смекчаване на ниско{6}}честотните вибрации, като добавяне на амортисьори към двигателя или използване на микростъпкова технология в драйвера.
AC серво моторите работят изключително плавно, без вибрации дори при ниски скорости. AC серво системите включват възможности за потискане на резонанса, за да компенсират недостатъците на механичната твърдост. Освен това функцията за анализ на вътрешната честота (FFT) на системата открива механични резонансни точки, улеснявайки настройката на системата.
3. Различни въртящи-честотни характеристики
Стъпковите двигатели показват намаляващ изходен въртящ момент с увеличаване на скоростта, изпитвайки рязък спад при по-високи скорости. Следователно тяхната максимална работна скорост обикновено е ограничена до 300–600 RPM. Серво моторите с променлив ток осигуряват постоянен изходен въртящ момент, поддържайки номиналния въртящ момент в диапазона на номиналната скорост (обикновено 2000 или 3000 RPM). Над номиналната скорост те преминават към постоянна мощност.
4. Различни възможности за претоварване
Стъпковите двигатели обикновено нямат възможност за претоварване. AC серво моторите притежават силна способност за претоварване. Вземайки за пример AC сервосистемата на Panasonic, тя разполага както с възможност за претоварване на скоростта, така и на въртящия момент. Максималният му въртящ момент достига три пъти номиналния въртящ момент, което му позволява да преодолее инерционния момент на инерционните товари по време на стартиране. Стъпковите двигатели нямат тази способност за претоварване. За да се преодолее инерционният въртящ момент по време на стартиране, по време на спецификацията често се избират двигатели с по-голям въртящ момент. Такъв висок въртящ момент обаче е ненужен по време на нормална работа, което води до загуба на въртящ момент.
5. Различна оперативна производителност
Стъпковите двигатели използват управление с отворен-контур. Прекалено високите стартови честоти или прекомерните натоварвания могат да причинят загуба на стъпало или спиране. Твърде високите скорости по време на спиране могат да доведат до превишаване. Следователно, за да се осигури точност на управлението, ускорението и забавянето трябва да се управляват правилно. Системите за серво задвижване с променлив ток използват-затворен цикъл на управление. Драйверът директно взема сигнали за обратна връзка от енкодера на двигателя, образувайки вътрешни вериги за положение и скорост. Този дизайн обикновено избягва проблемите със загубата на стъпка или превишаването, често срещани при стъпковите двигатели, осигурявайки по-надеждно управление.
6. Различна скорост на реакция
Стъпковият двигател изисква 200–400 милисекунди, за да ускори от покой до работна скорост (обикновено няколкостотин RPM). Променливотоковите серво системи показват превъзходна производителност при ускорение. Например серво моторът Panasonic MSMA 400W AC ускорява от покой до номиналната си скорост от 3000 RPM само за няколко милисекунди, което го прави подходящ за приложения, изискващи бърз старт-стоп контрол.
В обобщение, AC серво системите превъзхождат стъпковите двигатели в много аспекти на производителност. Въпреки това, стъпковите двигатели все още се използват често като задвижващи механизми в по-малко взискателни приложения. Следователно, по време на проектирането на системата за управление, фактори като изисквания за управление и цена трябва да бъдат цялостно оценени, за да се избере подходящият двигател.