Электродвигатель состоит из ротора, помещенного во вращающееся магнитное поле. Под воздействием этого вращающегося магнитного поля ротор приобретает вращательный момент, заставляя его вращаться. Асинхронные двигатели работают в широком диапазоне мощностей – от нескольких ватт до десятков тысяч киловатт, обеспечивая питание различного механического оборудования и бытовой техники.
Электродвигатель (обычно называемый «двигателем») — это электромагнитное устройство, которое преобразует или передает электрическую энергию на основе принципа электромагнитной индукции. Его основная функция — генерировать крутящий момент, служащий источником питания для электроприборов или различного механического оборудования.
Основная функция генератора – преобразование электрической энергии в механическую.
Электродвигатель в основном состоит из обмотки электромагнита или распределенных обмоток статора для создания магнитного поля, вращающегося якоря или ротора и других аксессуаров. Под действием вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора, ток течет через алюминиевую рамку якоря с короткозамкнутым ротором. Этот ток взаимодействует с магнитным полем, заставляя якорь вращаться.
Статор (неподвижная часть) Сердечник статора: компонент магнитной цепи двигателя, на котором установлены обмотки статора; Обмотки статора: электрическая схема двигателя, по которой протекает трехфазный переменный ток, создающий вращающееся магнитное поле; Рама: закрепляет сердечник статора и переднюю/заднюю крышки для поддержки ротора, одновременно обеспечивая защиту, отвод тепла и другие функции;
Ротор (вращающаяся часть)
Сердечник ротора: служит частью магнитной цепи двигателя и размещает обмотки ротора в своих пазах;
Обмотки ротора: прорезают вращающееся магнитное поле статора, чтобы генерировать индуцированную электродвижущую силу и ток, создавая электромагнитный крутящий момент, который приводит в движение двигатель;
【Анимация принципа работы двигателя】
Двигатель с постоянными магнитами ▼
Двигатель постоянного тока ▼
Квантовый магнитный двигатель ▼
Однофазный асинхронный двигатель-▼
Принцип работы шаговых двигателей ▼
Балансный двигатель ▼
Принцип генерации электрического тока ▼
Трех-фазный статор ▼
Крест двигателя-Разрез ▼
Электродвигатель ▼
Двигатели постоянного тока▼
Различия между ремонтом двигателей переменной частоты и обычных двигателей
Методы ремонта двигателей с регулируемой частотой в основном такие же, как и для обычных двигателей. Однако из-за уникальных характеристик источников питания с регулируемой частотой требования к изоляции обмоток двигателей с регулируемой частотой более строгие, чем для обычных двигателей. Для улучшения условий изоляции следует принять следующие меры:
1. Выберите электромагнитный провод с превосходной стойкостью к коронному разряду, отвечающий требованиям двигателя по выдерживанию высокочастотных-импульсов и частичных разрядов.
Обычно используется композитный эмалированный провод из полиэфиримида/полиамидимида или электромагнитный провод, устойчивый к коронному -коронному разряду.
2. Технология изготовления намоток и пазов.
Строгий контроль необходим во время процессов намотки, установки пазов и связывания двигателей с регулируемой частотой. Особое внимание необходимо уделять предотвращению повреждения проводника при намотке и вставке в паз. Установка слота должна обеспечивать правильное размещение изоляции слота, изоляции фаз и многослойной изоляции-меж-слоев. Для изоляции фаз следует использовать материалы, легко проникающие в изоляционный лак. Концы змеевика должны быть усилены окантовкой и фиксацией, чтобы гарантировать, что они образуют единое целое.
Усиление изоляции в нижней части паза двигателя, между фазами, между слоями и в начале/конце витков катушки повышает диэлектрическую прочность двигателя.
3. Основная изоляция должна иметь изоляцию-без зазоров.
Воздушные зазоры внутри изоляционной конструкции двигателей с регулируемой частотой являются основной причиной коронного разряда. Чтобы гарантировать отсутствие воздушных зазоров во всей изоляционной конструкции, в соответствии с национальным стандартом GB/TZ1707-2008 «Характеристики изоляции для трех-фазных асинхронных двигателей для регулирования частоты вращения» используемый пропиточный лак должен быть не ниже F-класса, не содержащий растворителей лак с содержанием летучих менее 10 %, а также процесс VPI. должен быть трудоустроен. Этот процесс также повышает общую механическую прочность изоляционной конструкции.
4. Обеспечьте правильное соответствие между инвертором, кабелями и двигателем и ограничьте длину кабелей между двигателем и источником питания.
Из-за несоответствия импеданса в линиях электропередачи амплитуда перенапряжения на стороне двигателя увеличивается с увеличением длины кабелей между инвертором и двигателем, что может легко вызвать частичный разряд. Поэтому, исходя из конкретных характеристик источника питания с регулируемой частотой и фактических требований, длину соединительного кабеля следует минимизировать, насколько это возможно, чтобы уменьшить амплитуду перенапряжения на конце двигателя и величину частичного разряда, тем самым продлевая срок службы двигателя. В силовых кабелях для двигателей переменной частоты обычно используются специальные кабели, также известные как кабели переменной частоты с симметричными проводниками, которые относятся к серии 3P+3N/E. Это означает, что исходная конфигурация 3+1 разделяет один нейтральный проводник на три отдельных проводника.
Шаговый двигатель
На рисунке 1.1 показан принцип работы двухфазного шагового двигателя с двумя обмотками. Когда одна обмотка находится под напряжением, ее полюс статора генерирует магнитное поле, которое притягивает ротор, выравнивая его с этим полюсом. Если на обмотки последовательно подается питание под действием управляющих импульсов -циклически проходя состояния A`A→B`B→`AA→`BB-, двигатель вращается по часовой стрелке. При подаче питания в последовательности A`A→`BB→`AA→B`B двигатель вращается против часовой стрелки. Каждый управляющий импульс меняет направление подачи питания, заставляя двигатель перемещаться на один шаг (90 градусов). Четыре импульса завершают один полный оборот. Более высокая частота импульсов приводит к более быстрому вращению двигателя.
Выходной крутящий момент шагового двигателя пропорционален эффективному объему двигателя, виткам катушки, магнитному потоку и току. Следовательно, больший эффективный объем, большее количество витков катушки и меньший воздушный зазор между статором и ротором приводят к большему крутящему моменту, и наоборот.
Рис. . 2 Структурная схема механизма шагового двигателя.
Конструкция шагового двигателя состоит из ротора (сердечник ротора, постоянный магнит, вал, шарикоподшипники), статора (обмотки, сердечник статора), а также передней и задней торцевых крышек. Самый типичный двухфазный гибридный шаговый двигатель имеет статор с 8 большими зубцами и 40 маленькими зубцами, а ротор — 50 маленькими зубцами. Статор трехфазного двигателя имеет 9 больших зубцов и 45 маленьких зубцов, а ротор также имеет 50 маленьких зубцов.
Подсчет фаз шагового двигателя относится к количеству групп катушек внутри двигателя. Обычно используемые типы включают двух-фазные, трёх-фазные, четырёх-фазные и пяти-фазные шаговые двигатели. Разное количество фаз приводит к разным углам шага: обычно двух-фазные двигатели имеют угол шага 0,9 градуса/1,8 градуса, трех-фазные двигатели имеют угол шага 0,75 градуса/1,5 градуса и пяти-фазные двигатели имеют угол шага 0,36 градуса/0,72 градуса. Без микрошагового драйвера пользователи в первую очередь выбирают шаговые двигатели с различным количеством фаз, чтобы соответствовать требуемым характеристикам угла шага. При использовании микрошагового драйвера «подсчет фаз» становится неактуальным; пользователи могут просто настроить разрешение микрошагов на драйвере, чтобы изменить угол шага.
Независимо от того, идет ли речь о двух-четырехфазном-проводном, четырех-пятифазном-проводном или четырех-фазном шестипроводном-шаговом двигателе, внутренняя конструкция остается неизменной. Различие между четырех---, пяти--- или шести---проводными конфигурациями зависит от того, используют ли пары A и ~A или пары B и B~ общий разъем (COM). Если обе группы A и B имеют собственные выделенные клеммы COM, двигатель является шестипроводным-. Если общие клеммы A и B соединены вместе, это пятипроводное-проводное соединение.
Поэтому, чтобы определить схему подключения шагового двигателя, просто разделите группы А и Б и проверьте их мультиметром.
Четыре-провода:Поскольку в четырехпроводной-конфигурации нет общего провода (COM), группы A и B полностью изолированы и не-проводят друг другу. Таким образом, при проверке мультиметром одна группа не покажет непрерывности.
Пяти-проводной:В пятипроводной-конфигурации общие клеммы групп A и B соединены вместе. Если при проверке мультиметром один провод показывает значение сопротивления, аналогичное сопротивлению других проводов, этот провод является общей клеммой. Для управления пятипроводным шаговым двигателем - общую клемму можно оставить неподключенной, и двигатель продолжит работать.
Шесть-проводов:Общие клеммы групп A и B не подключаются. Аналогично, используя мультиметр для измерения сопротивления, если один провод показывает одинаковое сопротивление с двумя другими проводами, этот провод является клеммой COM, а два других провода образуют группу. Для управления четырехфазным шестифазным-шаговым двигателем двигатель также можно управлять без подключения двух общих клемм связи.
Понятия, связанные с шаговым двигателем:
Количество фаз: количество пар катушек возбуждения, генерирующих разные пары магнитных полюсов N и S. Обычно обозначается m.
Количество пульсов:Количество импульсов или проводящих состояний, необходимых для завершения одного цикла магнитного поля, обозначается n. Альтернативно, это относится к количеству импульсов, необходимых двигателю для поворота на один угол наклона. Например, в четырехфазном двигателе:
Угол шага:Угловое смещение ротора двигателя, соответствующее одному импульсному сигналу, обозначается θ. θ=360 град/(зубья ротора J × число рабочих ударов). Для обычных двух- или четырех-фазных двигателей с 50 зубьями ротора: в четырех-фазном режиме угол шага составляет θ=360 градус/(50*4)=1.8 градус (обычно называемый полным шагом). В восьмифазном режиме угол шага составляет θ=360 градуса/(50*8)=0.9 градуса (обычно называемый полушагом).
Удерживающий крутящий момент:Собственный блокирующий момент ротора двигателя при обесточенном состоянии (вызванный гармониками профиля зубьев магнитного поля и механическими ошибками).
Статический крутящий момент:Блокирующий момент на валу двигателя, когда двигатель находится под номинальной статической электрической силой, но не вращается. Этот крутящий момент служит стандартом для оценки размера двигателя (геометрических размеров) и не зависит от напряжения привода или источника питания.
Привод шагового двигателя:Управление шаговым двигателем по существу включает в себя поочередную подачу непрерывных импульсов на группы A и B двигателя, что позволяет двигателю работать.
Пропущенный шаг:Фактическое количество шагов, сделанных во время работы двигателя, не соответствует теоретическому количеству шагов.
Пример:Различия между двух-фазными и пяти-фазными шаговыми двигателями
Шаговые двигатели в первую очередь классифицируются по количеству фаз, причем наиболее широкое распространение на современном рынке получили двух-фазные и пятифазные-шаговые двигатели. Большинство двух-шаговых двигателей можно разделить максимум на 400 равных шагов за оборот, тогда как пятифазные двигатели можно разделить на 1000 равных шагов. Следовательно, пятифазные шаговые двигатели демонстрируют превосходные эксплуатационные характеристики, более короткое время разгона/замедления и меньшую динамическую инерцию.
Сравнение различий между двух-фазными и пятифазными-шаговыми двигателями:
| Двух-шаговый двигатель | Пяти-шаговый двигатель | |
| Разрешение | 1,8 градуса/0,9 градуса (200, 400 микрошагов) | 0,72 градуса/0,36 градуса (500, 1000 микрошагов), что в 2,5 раза выше, чем у двухфазных шаговых двигателей. |
| Характеристики вибрации | Диапазон резонанса на низкой-скорости: 100–200 импульсов в секунду, значительная вибрация. | Отсутствие значительных резонансных точек, низкая вибрация. |
| Характеристики скорости и крутящего момента | Более низкая скорость | Высокая скорость, высокий крутящий момент |
1. Различия в точности управления
Двухфазные гибридные шаговые двигатели обычно имеют угол шага 3,6 или 1,8 градуса, а пятифазные гибридные шаговые двигатели обычно имеют угол шага 0,72 или 0,36 градуса. Некоторые высокопроизводительные-шаговые двигатели имеют еще меньшие углы шага. Например, шаговый двигатель, производимый компанией Sitong для медленных станков для резки проволоки, имеет угол шага 0,09 градуса. Угол шага трехфазных гибридных шаговых двигателей немецкой компании Berger Lahr можно установить с помощью DIP-переключателей 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, что обеспечивает совместимость как с двухфазными, так и с двухфазными двигателями. пятифазный-гибридный Углы шага шагового двигателя.
Точность управления серводвигателями переменного тока обеспечивается поворотными энкодерами. Если взять в качестве примера полностью цифровые серводвигатели переменного тока Panasonic, то для двигателей, оснащенных стандартными 2500-строчными энкодерами, импульсный эквивалент составляет 360 градусов/10000=0.036 градусов благодаря технологии квадратурного преобразования частоты, встроенной в драйвер. Для двигателей, оснащенных 17-битным энкодером, привод получает 2¹⁷=131072 импульса за оборот, что обеспечивает разрешение импульса 360 градусов / 131 072 импульса=0.002746 градусов на импульс.
2. Различные низкочастотные-характеристики
Шаговые двигатели подвержены низкочастотной-вибрации на малых скоростях. Частота вибрации зависит от условий нагрузки и производительности привода и обычно считается равной половине пусковой частоты двигателя без-нагрузки. Эта низкочастотная-вибрация, присущая принципу работы шаговых двигателей, крайне вредна для нормальной работы машины. Когда шаговые двигатели работают на низких скоростях, для смягчения низкочастотной вибрации следует использовать методы демпфирования, например, добавление демпферов к двигателю или использование микрошаговой технологии в драйвере.
Серводвигатели переменного тока работают исключительно плавно, не создавая вибрации даже на низких скоростях. Сервосистемы переменного тока включают возможности подавления резонанса для компенсации недостатков механической жесткости. Кроме того, внутренняя функция частотного анализа системы (БПФ) обнаруживает точки механического резонанса, облегчая настройку системы.
3. Различные крутящие-частотные характеристики
Шаговые двигатели демонстрируют уменьшение выходного крутящего момента с увеличением скорости и резкое падение на более высоких скоростях. Следовательно, их максимальная рабочая скорость обычно ограничивается 300–600 об/мин. Серводвигатели переменного тока обеспечивают постоянный выходной крутящий момент, поддерживая номинальный крутящий момент в пределах номинального диапазона скоростей (обычно 2000 или 3000 об/мин). При превышении номинальной скорости они переходят на постоянную выходную мощность.
4. Различные возможности перегрузки
Шаговые двигатели обычно не обладают перегрузочной способностью. Серводвигатели переменного тока обладают сильной перегрузочной способностью. Если взять в качестве примера сервосистему переменного тока Panasonic, она способна перегружать как по скорости, так и по крутящему моменту. Его максимальный крутящий момент в три раза превышает номинальный, что позволяет ему преодолевать момент инерции инерционных нагрузок во время запуска. Шаговые двигатели лишены такой перегрузочной способности. Чтобы преодолеть инерционный момент во время запуска, во время спецификации часто выбирают двигатели с большим крутящим моментом. Однако такой высокий крутящий момент не нужен при нормальной работе, что приводит к потере крутящего момента.
5. Различные эксплуатационные характеристики
Шаговые двигатели используют управление с разомкнутым-контуром. Чрезмерно высокие пусковые частоты или чрезмерные нагрузки могут привести к потере шага или остановке. Чрезмерно высокие скорости во время остановки могут привести к перерегулированию. Поэтому для обеспечения точности управления необходимо правильно управлять ускорением и замедлением. В системах сервоприводов переменного тока используется управление с замкнутым-контуром. Драйвер напрямую собирает сигналы обратной связи от энкодера двигателя, формируя внутренние контуры положения и скорости. Такая конструкция обычно позволяет избежать проблем с потерей шага или перерегулированием, характерными для шаговых двигателей, обеспечивая более надежные характеристики управления.
6. Различная скорость реакции
Шаговому двигателю требуется 200–400 миллисекунд для разгона от состояния покоя до рабочей скорости (обычно несколько сотен об/мин). Сервосистемы переменного тока демонстрируют превосходные характеристики ускорения. Например, серводвигатель переменного тока Panasonic MSMA мощностью 400 Вт разгоняется из состояния покоя до номинальной скорости 3000 об/мин всего за несколько миллисекунд, что делает его пригодным для применений, требующих быстрого управления пуском-остановкой.
Таким образом, сервосистемы переменного тока превосходят шаговые двигатели по многим аспектам производительности. Однако шаговые двигатели по-прежнему широко используются в качестве приводов в менее требовательных приложениях. Поэтому при проектировании системы управления для выбора подходящего двигателя необходимо всесторонне оценить такие факторы, как требования к управлению и стоимость.