Привод — это механизм для приведения в действие оборудования по управлению технологическими процессами с использованием электрических, пневматических или гидравлических сигналов. Это важная часть в робототехнике. Приводы, используемые в роботах, влияют на их целесообразность и производительность. Поэтому, в этой статье мы рассмотрим 7 самых распространенных приводов, которыми можно оснастить роботов различного предназначения.
Начнем с электрических двигателей. Бесщеточный или бесколлекторный — это один из типов приводов, набирающих популярность в робототехнике. Как понятно из названия, такой двигатель не использует щетки для коммутации, а вместо этого он коммутируется за счет электроники. Принцип работы данного привода основан на взаимодействии магнитных полей между электромагнитом и постоянным магнитом. Когда катушка находится под напряжением, противоположные полюса ротора и статора притягиваются друг к другу. Эти актуаторы используются практически в любых роботах.
Достоинства БДП следующие:
Недостатки:
Данный двигатель содержит ротор, который синхронно вращается с колеблющимся полем или током. Синхронные приводы имеют множество преимуществ перед другими двигателями. В первую очередь это относится к энергетическим показателям. Данные приводы используются в выпускаемых промышленных роботах со средней грузоподъемностью и числом степеней подвижности от 3 до 6. Точность позиционирования электрического привода достигает значений до ± 0,05 мм. Их применяют как в позиционном, так и в контурном режимах работы.
Преимущества:
Недостатки:
Этот электропривод для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую также выгоден по ряду причин. Сам термин «асинхронный» означает не одновременный. При этом имеется ввиду, что у этих двигателей частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Работают асинхронные двигатели от сети переменного тока. Этот тип двигателя используется в основном для питания ведущих колес автомобиля, поэтому и может найти место в колесной робототехнике. Наличие мощных полупроводников сделало практичным использование более простых асинхронных электродвигателей переменного тока.
Преимущества:
Недостатки:
Шаговый двигатель – привод, в последнее время часто используемый в робототехнике. Основное отличие между ним и всеми остальными типами двигателей состоит в способе вращения. Как известно, перечисленные ранее двигатели вращаются непрерывно. Но шаговые приводы вращаются «шагами». Каждый шаг представляет собой часть полного оборота. Эта часть зависит от механического устройства мотора и от способа управления.
Использование шаговых двигателей является одним из самых простых, дешевых и легких решений для работы систем точного позиционирования. Поэтому эти двигатели очень часто используются в станках с ЧПУ и роботах.
Преимущества:
Недостатки:
Это тип электромеханических двигателей, которые не вращаются постоянно, как шаговые, а перемещаются по сигналу в определенное положение и сохраняют его до следующего сигнала. Находят широкое применение в различных секторах робототехники – от самодельных механизмов до сложных андроидов.
В сервоприводах используется механизм обратной связи, позволяющий обрабатывать ошибки и исправлять их в позиционировании. Такая система называется следящей. Если какая-то сила оказывает давление на привод, изменяя его положение, двигатель будет применять силу в противоположном направлении, чтобы исправить возникающую ошибку. Таким образом, достигается высокая точность позиционирования.
Преимущества:
Недостатки:
Двигатель, приводящий в движение механизмы через энергию сжатого воздуха. Основной компонент здесь – компрессор. Сжатый компрессором воздух поступает в пневмолинии, и далее к пневмодвигателю. Благодаря отсутствию вязкой среды, такие двигатели могут работать на большей частоте - скорость вращения пневмомотора может достигать десятков тысяч оборотов в минуту.
Этот тип привода все чаще используется в робототехнике, так как имеет низкую плавность хода и точность срабатывания. Наиболее рационально использовать его для механизмов с двумя состояниями – втягивания и выталкивания или закрывания и открывания.
Преимущества:
Недостатки:
Если робот должен работать с грузами более 100кг, следует задуматься об использовании гидравлического привода. Этот тип двигателя для приведения в движения исполнительного органа использует жидкость. Принцип работы гидропривода состоит в насосе, который создает давление рабочей жидкости в напорной магистрали, соединенной с гидродвигателем. Двигатель преобразует давление жидкости в механическое. При этом, регуляторы управляют скоростью и направлением движения гидродвигателя. Эти приводы применяются в основном в промышленной робототехнике. Но есть случаи их использования и в других прототипах, к примеру, в известном детище DARPA - роботе BigDog.
Преимущества:
Недостатки:
Это были самые основные типы приводов, которые наиболее используются в современной робототехнике.
nanojam.ru
Здесь мы начинаем цикл статей, посвященный электроприводам роботов. Данная статья будет иметь исключительно прикладное назначение, ее целью будет осветить продукты, которые доступны для приобретения у нас в России, рассказать об особенностях работы, о доступных системах управления, а также поделиться практическим опытом использования приводов во время подготовки к соревнованиям Eurobot.
Отличительной особенностью приводов роботов является наличие управления. Это означает, что система управления должна обеспечивать на выходе как можно точнее задаваемый параметр: момент, скорость, положение, ускорение. Иногда, возможны их сочетания, например распространены СУ с контурами скорости и положения, некоторые имеют возможности ограничения момента, а также задания ускорения (как правило стартового и финишного).
У нас в стране приводами занимаются такие компании, как:
- НПФ Электропривод
- Gidden Motors
- Purelogic (ребята, жаль, что вы теперь в Воронеже :()
- Авитон (двигатели Maxon, фирменные системы управления и прочие редкости для нашей страны, заказ)
- НПО Атом
Я не рассматриваю многие компании, которые занимаются продажей асинхронных двигателей. Наиболее доступны приводы в НПФ Электропривод, но и этот ассортимент, как увидим потом, не покрывает потребностей мобильной робототехники. Для начала рассмотрим типы доступных приводов ( на примере продукции НПФ Электропривод):
1. Шаговый двигатель. Это наиболее простой в управлении, высокомоментный, доступный и дешевый тип привода, в простейшем случае не требующий обратной связи. Его главными недостатками являются:
- Возможный пропуск шагов под нагрузкой
- Резонансные частоты и сопутствующий пропуск шагов
- Ограниченная динамика, при превышении которой происходит срыв синхронного движения.
Это тот тип приводов, с управления которыми стоит начать, потому, что имеют простое управление и доступны как готовые драйвера и СУ, так как и отработанные схемы драйвер+ключи, занимающие не так много места на плате.
Стоит отметить появления "умных" шаговых приводов, где уже интегрировано управление ( а иногда и есть обратная связь, что повышает динамику). Но стоят совершенно необоснованно дорого.
1.FL20STh, FL28STH
- Момент: от 0.18 до 1.2 Кгс ( напомню, 9.88 Кгс=1 Нм)
- Стоимость: около 1000 руб
- Фазовые токи от 0.6А до 0.95 А
- Фланец 20 или 28 мм (В обозначение двигателя первые цифры это размер фланца, STH означает - высокомоментые, затем идет длина двигателя, затем через тире обозначение вида 2804, где 280 - 2.8 А, фазовый ток, 4-число выводов, пример FL57STH56-2804)
- Длина от 30мм до 51мм
- 4х и 6ти выводные
Этот агрегат - один из наиболее компактных ходовых шаговых двигателей. Такие двигатели вряд ли пригодны для движения робота, но очень хороши для исполнительных механизмов. В роботе Евробот 2011 мы использовали его для движения конвееров. У нас возникла проблема с перегревом этого двигателя, которая решилась более точной уставкой по току драйвера. (Об этом чуть позже).
2. FL35ST, FL39ST
- Статический момент 0,5 -2,9 кгс*см
- Стоимость: около 900 руб
- Фазовые токи от 0.16А до 0.65 А
- Длина от 20мм до 38мм
- 4х и 6ти выводные
Еще один тип компактных шаговиков. Эта модель отличается малой длиной, 20мм - это самые короткие ходовые двигатели из ассортимента. Эту модель я не использовал. Но это именно тот вариант, когда нужна малая длина двигателя для вспомогательных операций.
3. FL42STH
- Крутящий момент до 4,4 кгс*см,
- Стоимость от 900 до 1100 руб
- Длина от 25 до 61 мм
- Фазовые токи: от 0.3А до 1.68А
- 4х и 6ти выводные
Одна из самых популярных моделей двигателей. Таким уже вполне можно как рулить вашей машиной, так и выполнять вспомогательные операции. Диапазон фазовых токов позволяет его использовать совместно с дешевой связкой L293+L298, если речь о встроенном в плату управлении (а больше тут и не нужно).
4. FL57ST и FL57STH. Гибридные шаговые двигатели. Названы так из-за добавок в магниты, увеличивающих момент. Напомню, что момент зависит от тока в обмотке и от силы постоянных магнитов.
- Аналоги ДШИ-200, кр. момент 2,88-18,9 кгс*см
- Стоимость: от 1300 до 2250 руб
- Длина от 41 до 76 мм
- Фазовые токи: от 0.4 до 2.8 А
- 4х и 6ти выводные
Этот привод использовался нами в проекте Евробот-2010 и является отличным тяговым двигателем для робота массой до 8 кг. Часть моделей обладает высоким фазовым током до 2.8А, такой вариант не пригоден для связки L293+L298 при номинальном токе. Дальнейшее увеличение момента связано с серьезным ростом фазовых токов и удорожанием СУ, нами рассматриваться не будет, исключение составит лишь модель привода AD-200, которая решает часть проблемы, связанной с дальнейшим увеличением момента.
5. AD-200. Для своих габаритов и токов выдает гигантский момент. Работает в связке L293+L298 на максимальной уставке по току, при этом драйвер греется приемлемо, а двигатель выдает большой момент.
- Максимальный крутящий моментом 31 кг*см
- Стоимость от 2600 до 2800 рублей.
- Длина от 68 мм до 88 мм.
- 4х и 8ми выводные (дело в том, что эти двигатели - 4х фазные, допускают как минимум 3 схемы соединения обмоток, если соединить конец первой фазы и начало второй, а тоже самое сделать для 3 и 4 фазы, то получим просто 4х выводной движок, при этом сопротивление фазы вырастит в 2 раза, а индуктивность в 4 раза, при этом тот же самый момент двигатель разовьет уже при 1.4 А тока фазы. Это позволяет их использовать совместно с L293+L298. Но увеличение индуктивности плохо сказывается на их скоростных характеристиках, поэтому максимальная скорость при таком управлении будет невелика: не более 2-3 Гц).
- Фазовые токи зависят от схемы соединения: от 1.4 А до 2.8 А
6. Шаговые двигатели с редуктором. На примере FL57STH56-2804AG.
В чем отличие редукторов шаговых двигателей?
- передаточное отношение от 3 до 150
- двигатели идут сразу с предустановленным редуктором. Он не может быть подобран отдельно. (Досадное недоразумение).
- редуктор на рисунке - цилиндрический, хотя встречаются и планетарные.
- данные редукторы предназначены для дробления шага. Они не рассчитаны на пропорциональное увеличение нагрузки. Поэтому наивно полагать, что редуктор с передаточным отношением 150 позволит использовать вам его под нагрузкой в 150 раз большей номинальной двигателя. ( как правило, предельная нагрузка таких редукторов - не более 5-10 Н*м)
- устанавливаются на фланец двигателя, блокируют возможность установки позади, как это можно делать в случае отсутствия редуктора.
Система управления шаговым двигателем:
В проекте Eurobot 2011 я использовал связку L293+L298N с активным охлаждением. По моим наблюдениям эта связка вполне пригодна вкупе с хорошим охлаждением управлять всеми рассмотренными здесь моделями, за исключением тех, где фазовые токи больше 2 Ампер (здесь можно поиграться с VRef и понизить ток обмотки).
Пояснение к схеме:
- Я использовал L298N в корпусе Multiwatt. Она обеспечивает наибольший допустимый ток фазы и обладает самой большой способностью к отдаче тепла, что в данном случае актуально. Обозначение HN в конце - это достаточно редкий тип углового корпуса, который в данном случае более приемлем, так как одну сторону полномостовой схемы можно охлаждать в плату, что я и делал.
- Защитные диоды - диоды Шоттки 1N5821. Более приемлемы здесь диодные DIP сборки, но их не было в наличии
- Резисторы на 0.5 Ом. Это мощные SQP резисторы на 5 ватт. Здесь используются для косвенного измерения тока, номинал очень важен.
- A+,A-,B+,B- это и есть выходы на шаговый двигатель. Эта схема предназначена для коммутации 4х выводных двигателей ( но как вы, наверно, догадались, в него можно превратить 6 и 8 выводной двигатель).
- VRef. Задает максимальный ток фазы. Это очень важно и лучшим вариантом было бы посадить эту ножку на ЦАП или регулировать это напряжение потенциометром. Так как для различных двигателей уставка по току будет разная. В случае невыполнения регулировки вам грозит перегрев двигателя или драйвера с возможным выходом из строя.
Эту связку я копирую по одной на каждый движок. Управление по сути задается ножкой PUL в виде ШИМ ( да, скважность тут важна, ее значение можно посмотреть по даташиту), частота ШИМ при этом задает скорость движения двигателя. Есть возможность выбрать режим полушага. На контроллере требует одного таймера, идеальным вариантом будет аппаратный ШИМ (с ножки OCn для AVR. Для упрощения можно даже использовать режим CTC и генерировать меандр различной частоты. ). Подробнее об управлении и код будет позже в другой статье, где управление будет описано более интеллектуально.
Примечание: Шагом вперед было бы использование более новых мосфет интегрированных драйверов типа L6203, где более низкое сопротивление открытого канала транзисторов Н-моста, и как следствие, более низкое тепловыделение и более высокий допустимый ток, но редкость и высокая цена этих микросхем в корпусе Multiwatt пока ограничивает это. L6203 имеет максимальный ток фазы - до 4А, поэтому может использоваться для любого шагового двигателя вплоть до больших моделей с фланцем 86.
Другим способом является использование готовых драйверов в корпусе. Например, в проекте Евробот 2010 мы использовали драйверы М325 от Leadshine.
- Компактные. 86х55х20 мм
- Подходят для всех шаговых двигателей, описанных в этой статье
- Возможность дробления шага до 1/8
- Оптически развязаны
- По звуку, видимо внутри сдвоенный Н-мост на мосфет транзисторах. Практические не греются.
- Прочный корпус.
К сожалению, это просто тупой усилитель сигналов, к которому еще нужен контроллер. Классным вариантом было бы использование smart-motor в виде вот такой штуки:
- Здесь интегрирована силовая часть. На вход подаем по сути лишь питание и интерфейс связи.
- Эти умные продукты часто имеют соответствующую поддержку в виде библиотек. Это здорово для разработки
- А вот теперь о стоимости. Имел с ними дело только один раз и речь шла о 500$
- Производитель обещает существенное увеличение динамики привода за счет улучшенного управления и наличия обратной связи.
Вывод: шаговый двигатель - наиболее простой с точки зрения управления. Обладает невысокой стоимостью, отработанными схемными решениями, позволяющими делать платы управления даже на несколько двигателей, приемлемыми по стоимости готовыми драйверами, высокой точностью операций, но при этом имеют не лучшую динамику, дорогие интегрированные системы управления. Очевидно, что дальнейшим шагом вперед является использование коллекторных двигателей постоянного тока, о чем дальше.
Коллекторные двигатели постоянного тока.
Отличное решение для повышения динамики робота. Обратная связь может быть реализована с использованием инкрементальных энкодеров. Также встречаются приводы с аналоговым датчиком скорости, правда довольно редко и, как правило, в старых изделиях.
Преимущества:
- линейная зависимость момента от тока ( за исключением режима прерывистых токов при ШИМ и малой электромагнитной постоянной)
- недорогие и доступные
- высокий КПД
- возможны сравнительно простые схемы управления
- высокий пусковой момент
- распространены мотор-редукторы
Как ни странно, но в нашей стране не так-то просто приобрести такой мотор-редуктор с энкодером. На рынке, конечно, доступны дешевые китайские модели, но о них чуть позже. Часто ДПТ идут с редуктором, нас в данном случае интересуют цилиндрические и планетарные, причем последние в большей мере, их и рассмотрим также на примере продукции НПФ Электропривод.
Модели ДПТ с планетарным редуктором - это серия IG, типоразмер от 12 до 90. Эта гамма двигателей имеет номинальный момент на выходе редуктора от долей Нм до 18 Нм у старших моделей, передаточные числа от 3 вплоть до 4096 (для маленьких моделей). Напряжение питания, как правило, либо 12, либо 24 вольта. Некоторые модели комплектуются энкодерами. Здесь стоит обратить внимание на следующий факт: эти энкодеры основаны на датчиках Холла (кстати, все-таки двухканальных). Все бы было здорово, ведь например у Maxon есть тоже такие с разрешающей способностью от 128 до 1000 меток на оборот, НО здесь вам придется иметь дело с устройствами с количеством меток от 16 до 24 на оборот. Это не шутка. Даже имея редуктор с большим передаточным отношением, вы получите вряд ли более 1Кгц. Для систем управления мобильными роботами, где контур скорости реализован аппаратно в виде отдельной платы, а контур положения - программный и может варьироваться по типу регуляторов, этот вариант не подходит. Так как чрезмерная дискретность приводит к дрожанию системы, особенно на малых скоростях. Кроме того, эти дешевые системы ( стоимость порядка 2000-3000 руб) имеют довольно низкий КПД, большое трение в редукторе, в связи с чем еще имеют место автоколебания при управлении. Они могут отлично подойти для СУ с контуром положения в таких системах, как протяжные устройства и прочее, где не особо важно качество процесса по скорости, но важна точность пройденного пути.
Но не все так плохо, например доступна у нас следующая интересная модель PT4835
Вот это уже то, что вполне подойдет для робота, особенно формата Евробот. Цена такого двигателя вплотную приближается к ценам швейцарских двигателей Maxon, но его хотя бы можно купить со склада за приемлемое время.
У нас в распоряжении есть пара коллекторных двигателей RE25 фирмы Maxon. Например, двигатели этого производителя используются в Марсоходах Opportunity космической программы НАСА. Данную модель мы установили в качестве приводной в проекте Евробот-2011.
- Мощность - 20Вт
- Доступны редукторы планетарные GP 26 B с передаточным отношением 3.8 до 3189.
- Напряжение питания 9-48 вольт (зависит от разновидности модели)
- Имеют высокий КПД, качественные редукторы
- Комплектуются оптическим энкодером (например HEDS5540), а также магниторезистивным энкодером серии MR (стоял по умолчанию, вышел из строя).
- Момент на выходе редуктора по отношению к массе и габаритам и впрямь-таки вызывает уважение.
- Номинальный холостой ток у нашего мотор-редуктора был порядка 0.1 А. А вот максимальный пусковой - 10А.
- В России знаю только одного поставщика - Авитон.
- Если брать мотор-редуктор с энкодером, то обойдется примерно в 11 000 руб.
Системы управления ДПТ с контуром скорости и положения:
Для проекта Евробот 2011 мы рассмотрели множество вариантов: от фирменных систем управления Maxon (кстати, управление для него будет стоить где-то в 1.5 раза дороже мотор-редуктора), китайских поделок, но в итоге остановились на отечественных СУ от "ЗАО Лаборатория электроники". Это модели AWD10-12(24)-1 и AWD10-12(24)-2.
- Размеры 100х80х25мм. (для системы такого класса - маленькие)
- Без корпуса. Занимают меньше места в роботе
- Доступны модели с напряжением питания от 12 до 90 вольт
- Максимальный ток - 10 А. (стоит токоограничение)
- Доступны модели с контуром скорости и положения.
- Дешевые, почти всегда были в наличии.
- RS-485. ( в версии с контуром положения в качестве протокола используется ModBus)
- Есть возможность определять скорость по противоЭДС. Может быть полезно для дешевых решений без обратной связи.
- ПИД регулятор по скорости.
- В версии с контуром положения доступна настройка скоростной характеристики ( трапеция)
По этой плате будет большая статья с кодом, обсуждением достоинств и недостатков. Стоить отметить, что версия с контуром скорости имеет свой протокол, поэтому нам пришлось написать для него реализацию.
Вывод: ДПТ позволяют увеличить динамику мобильного робота. Вместе с этим растет и цена вопроса. Практика показывает, что экономить на двигателе - самый неправильный вариант.
Сервомашинки:
Еще один агрегат из разряда моделизма. Внутри, как правило, имеют тот же ДПТ, обратная связь выполнена в виде переменного резистора. Используются для точных перемещений исполнительных механизмов робота. Про вопросы управления подробно описал товарищ DiHalt в своей статье здесь . Также он же отлично описал, как управлять сразу несколькими сервомашинками с помощью одного таймера здесь. Рассмотрим на примере MG995 (доступна в dealextreme.com за 290 руб).
- Напряжение питания - от 4.5 до 6 вольт
- Момент до 1 Нм.
- Металлический редуктор.
- Угол поворота - 180 градусов.
- Токи потребления - до 400 мА.
Мы купили сразу несколько таких штучек, так как они дешевые. Шли около месяца. Из недостатков - разброс параметров. При одинаковом значении скважности разные сервы могут иметь разные углы поворота. Для питания я обычно ставлю отдельный источник 5В до 3А, например вот такой:
- Вход 18-36 вольт, выход 5 вольт
- Ток до 3А
- Защита от КЗ, переполюсовки
- Фильтр по питанию
- Стоимость 400 руб
- Монтаж на плату
- Проверял на 8 сервах MG995 без нагрузки и на 4 с полной нагрузкой. Токоотдачи хватает.
Серва MG995 относится к среднему классу мощности, для особых случаев, думаю будет полезна следующая модель:
Ассортимент сервомашинок очень широк. Основные производители: Hitec, Futaba, Robo, TowerPro. Futaba относится к более дорогому и качественному типу приводов. Наиболее доступны и дешевы Hitec и TowerPro.
Вывод: Сервомашинки - доступный, сравнительно дешевый и простой в управлении исполнительный механизм. Для них доступны дешевые источники питания.
Заключение: Мною были рассмотрены большинство приводов, с которыми мне пришлось столкнуться. Но в статье отсутствует класс безколлекторных моторов, с которыми у меня нет опыта работы. БДПТ являются следующим шагом развития приводов. Именно на них сейчас активно переходят в автоматизации и робототехнике благодаря отсутствию щеточного узла и, как следствие, увеличенного ресурса. Однако управление ими уже сложнее. Думаю, спустя некоторое время этот тип приводов также получит описание в статье.
robot-develop.org
В складском и подъемно-транспортном оборудовании наиболее широко применяют электродвигатели пяти типов: электродвигатели постоянного тока с возбуждением от постоянного магнита; асинхронные электродвигатели переменного тока. Их применяют в оборудовании непрерывного цикла, например, в обычных конвейерах; серводвигатели (сервомоторы).Они работают в машинах, которые должны совершать точные движения, перемещать и позиционировать грузы на строго определенные места: в штабелерах, автоматических складских системах; линейные асинхронные двигатели. Используются в оборудовании, для которого важна прежде всего высокая скорость работы, например, в сортировочных машинах; мотор-ролики (или мотор-барабаны), т. е. ведущие герметичные ролики, внутри которых заключены небольшие электродвигатели и редукторы. Используются для привода конвейеров, работающих периодически. Раньше складское подъемно-транспортное оборудование оснащали электродвигателями постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. В настоящее время машины и автоматы комплектуют асинхронными электродвигателями переменного тока, применение которых постоянно расширяется. Преимущества асинхронных двигателей Асинхронные двигатели переменного тока проще и дешевле электродвигателей других типов, поэтому в настоящее время их применяют все чаще. При выборе асинхронного двигателя следует учитывать два фактора - к.п.д. преобразования энергии и тип исполнения агрегата. К.п.д. электродвигателей обычного качества равен 75...85%, высшего - 85...95%. Агрегаты с высоким к.п.д. стоят намного дороже обычных, но если электродвигатель будет работать непрерывно, он окупится быстро. В ряде стран законодательством установлена минимальная величина к.п.д. для электродвигателей приводов, однако многие производители изготавливают электродвигатели по более жестким стандартам Национальной ассоциации производителей электрооборудования США (NEMA). Если, выбирая электродвигатель, вы видите, что он соответствует стандарту NEMA Premium, то это гарантирует его высокий к.п.д., надежность и экономичность. У электродвигателей обычного качества к.п.д. равен 75...85%, у агрегатов высшего качества - 85...95%. Как считают специалисты, агрегаты с высоким к.п.д. стоят намного дороже обычных, но если электродвигатель будет работать непрерывно, он окупится быстро. Кроме того, благодаря экономии энергии улучшается экологическая обстановка, на которую все больше обращают внимание в цивилизованных государствах. Тип исполнения Тип исполнения - важная характеристика при выборе электродвигателя.
Существует пять основных исполнений асинхронных электродвигателей: ODP (Open drip proof) - «каплезащищенный электродвигатель открытого исполнения». Этот тип электродвигателей наиболее широко используют в промышленности. Они не оборудованы вентилятором и имеют проемы в корпусе, через которые внутрь может проникнуть грязь и влага, поэтому использовать такие электродвигатели рекомендуется только в закрытых помещениях; TEFC (Totally Enclosed FanCooled) - «закрытого типа с вентиляторным охлаждением». Эти двигатели оборудованы вентилятором, создающим поток воздуха через их корпус. Вентилятор герметизирован, и инородные частицы и жидкости не могут проникнуть в электродвигатель извне. Электродвигатели в исполнении TEFC часто применяют в конвейерах; TENV (Totally Enclosed Non-Ventilated Motor) - «закрытого типа без охлаждения». Эти электродвигатели также используются в подъемно-транспортном оборудовании складов, если есть внешний источник, создающий воздушный поток для охлаждения двигателя; ТЕВС (Totally Enclosed Blower-Cooled Motor) - «охлаждаемый обдувом». Эти двигатели комплектуют собственным вентилятором, но расположенным и управляемым снаружи. Электродвигатели типа ТЕВС обычно применяют в оборудовании высокой мощности: в подъемных кранах, лебедках и т. п. или в оборудовании, работающем с переменной скоростью, где электродвигатель иногда может работать с частотой вращения, близкой к нулю; EPFC (Explosion Proof Fan Cooled Motor) - «во взрывозащищенном исполнении с вентиляторным охлаждением». Используются в условиях высокого содержания в воздухе горючих и взрывоопасных элементов, например, паров бензина, других нефтепродуктов, аммиака, угольной пыли и проч. Возможности применения любого асинхронного электродвигателя расширяются благодаря использованию электропривода с частотным регулированием (VFD).
Асинхронные электродвигатели традиционной конструкции работают с постоянной частотой. Электропривод с частотным регулированием позволяет менять скорость двигателя и всей машины. В складском подъемно-транспортном оборудовании электроприводы с частотным регулированием позволяют максимально увеличивать скорость в «пиковые» периоды работы и снижать в другое время, благодаря чему экономится энергия и средства. Серводвигатели Эти двигатели занимают свою особую нишу - они работают в оборудовании, где требуется точное регулирование положения и скорости движений: в роботизированном оборудовании, штабелерах и подобных складских машинах. Эти устройства специально разработаны как электродвигатели с якорем малого диаметра, но развивающие высокий крутящий момент. Чем меньше якорь, тем меньше инерция и, следовательно, электродвигатель быстрее разгоняется, и машина работает быстрее. Серводвигатели оснащают также системами управления по обратной связи: по сигналам тахометра, датчиков линейных перемещений и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Благодаря управлению по сигналам от этих приборов увеличивается точность движений и регулирования скорости машин. Серводвигатели применяют в оборудовании и системах, где требуется высокая точность движений. Электродвигатели этого типа применяют также в оборудовании и системах, где необходима большая точность синхронизации - в машинах, выполняющих установку (позиционирование) грузов на стеллажах автоматизированных складов. Линейные асинхронный двигатели Линейные асинхронные электродвигатели - новинка в отрасли складского подъемно-транспортного оборудования. Они позволяют значительно увеличить скорость движений машин при замечательной их повторяемости и точности. Линейные асинхронные электродвигатели обеспечивают точность движений до 0,0335 мм на 1 м перемещения.
Для сравнения: толщина человеческого волоса - около 0,09 мм, т. е. в три раза больше! Линейный асинхронный двигатель генерирует магнитное поле, которое перемещает ползун (пластину) в двигателе. Обычно ползун прикрепляется к объекту, который должен передвигаться магнитным полем: например, в сортировочных машинах ползун электродвигателя соединен с подвижным лотком распределителя. В такой конструкции нет деталей, подверженных износу. Линейные асинхронные электродвигатели обеспечивают точность движений до 0,0335 мм на 1 м перемещения, т. е. позволяют выполнять прецизионные работы. Насколько уникальна такая способность устройств, иллюстрирует тот факт, что толщина человеческого волоса составляет около 0,09 мм, т. е. в три раза больше! Скорость работы линейных асинхронных электродвигателей очень высокая - до 5 м/с, а следовательно, длительность рабочих циклов у них небольшая и производительность на высочайшем уровне. Скорость перемещения ползуна на разных отрезках в течение одного цикла можно менять, а можно задавать пошаговое перемещение - это очень полезное качество для некоторых автоматических машин.
Мотор-ролики Линейные асинхронные электродвигатели - не единственная инновация в области электрических силовых агрегатов. В последнее время в конвейерах все шире стали применять мотор-ролики (MDR - Motor Driven Roller). Еще два года назад на выставке оборудования по транспортировке материалов и логистике ProMat в Чикаго лишь несколько фирм представили конвейеры с приводом от мотор-роликов, зато в экспозиции в январе 2007 г. в ассортименте почти каждой фирмы, предлагающей конвейеры, были модели с мотор-роликами. В Соединенных Штатах конвейеры с приводом от мотор-роликов впервые использовала почтовая служба. Конструкция их проста. Внутри ведущего ролика устанавливается миниатюрный электродвигатель постоянного тока, работающий от напряжения 24 В, и редуктор. В обычных конвейерах один мотор-ролик приходится на 9 обычных роликов. По словам специалистов, если конвейер перемещает грузы непрерывным потоком, привод от наружных электродвигателей более экономичен. Конвейеры с мотор-роликами рентабельны и используются в основном в тех случаях, когда надо накапливать поступающие грузы на конвейере, а затем перемещать их дальше либо когда требуется разделять поток грузов на группы и перемещать грузы группами. У мотор-роликов целый «букет» преимуществ. Уровень шума от конвейеров, оснащенных мотор-роликами, значительно ниже, чем от обычных конвейеров. Они позволяют экономить энергию: не только благодаря более высокому к.п.д. мотор-роликов, но и потому, что конвейер работает только тогда, когда надо.
Еще одно преимущество - более высокий уровень систем управления мотор-роликами. В настоящее время выпускаются конвейеры с мотор-роликами, развивающие скорость до 90 м/мин, а если поток грузов уменьшился, можно снизить скорость до 30 м/мин, уменьшив таким образом износ деталей конвейера и энергопотребление. Наконец, мотор-ролик практически не нуждается в техобслуживании. Поскольку он работает лишь тогда, когда надо, его ресурс продляется на годы. Когда электродвигатель выйдет из строя, мотор-ролик заменяют другим практически без остановки конвейера.
omatis.ru
Сегодня, электродвигатели применяются во множестве бытовых приборов, например: стиральные машины, микроволновые печи, видеомагнитофоны, жесткие диски, CD—проигрыватели, вентиляторы, газонокосилки и тому подобное; в больших количествах используются в: машинах, оборудовании, робототехнике, игрушках, электронном оборудовании. Важность электродвигателей для сегодняшнего современного индустриального общества, также находит свое отражение в энергопотреблении: на долю электродвигателей приходится более 50 потребления электроэнергии, например, в Германии.
Вклад в развитие асинхронных двигателей сделал Галилео Феррарис , который в 1885 г.. В Италии построил модель асинхронного двигателя мощностью 3 Вт. В 1888 он опубликовал свои исследования в статье для Королевской Академии Наук в Турине (в том же году, Тесла получил патент США 381,968 от 01.05.1888 (US Patent 0381968 | заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887), в которой изложил теоретические основы асинхронного двигателя. Заслуга Феррарис в том, что, сделав ошибочный вывод о небольшом к.п.д. асинхронного двигателя и о нецелесообразности применения систем переменного тока, он привлек внимание многих инженеров к проблеме совершенствования асинхронных машин. Статья Галилео Феррарис, опубликованная в журнале «Атти ди Турине», была перепечатана английским журналом и была прочитана в июле 1888 выпускником Дармштадтская Высшего технического училища , выходцем из России Михаилом Иосифовичем Доливо—Добровольским . Уже в 1889 г.. Доливо—Добровольский получил патент на трехфазный асинхронный двигатель с коротко замкнутым ротором типа «беличья клетка», а в 1890 г.. — патенты в Англии № 20425 и Германии № 75361 на трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором. Данные изобретения открыли эру массового индустриального применения электрических машин. В настоящее время асинхронный двигатель является наиболее распространенным электродвигателем.
Нравится Загрузка...
vetrodvig.ru
Здравствуйте, дорогие читатели! Сегодня вы узнаете, что такое асинхронный двигатель, рассмотрим его основные характеристики, а так же поговорим о плюсах и минусах.
Принцип работы любого асинхронного двигателя основан на физическом взаимодействии магнитного поля, возникающего в статоре, с током, который это же поле наводит в обмотке ротора. Электрическое напряжение прикладывается к обмотке статора, которая выполнена как три группы катушек. Под действием напряжения в обмотке возникает переменный трехфазный ток, который и наводит вращающееся магнитное поле. При пересечении замкнутой обмотки ротора, это поле, в соответствии с законом об электромагнитной индукции, создает в ней ток.
Взаимодействие вращающегося магнитного поля (статор) и тока (ротор) создает вращающий электромагнитный момент, который и приводит ротор в движение. Благодаря совокупности моментов, создаваемых отдельными проводниками, возникает результирующий момент, электромагнитная пара сил, заставляющая вращаться ротор в направлении, в котором движется электромагнитное поле в статоре. Ротор и магнитное поле при этом вращаются с различными скоростями, т.е. асинхронно (отсюда и основное название двигателей). У асинхронных двигателей скорость, с которой будет вращаться ротор, всегда будет меньше скорости, с которой вращается магнитное поле в статоре.
Асинхронный двигатель с фазным ротором необходим в приводах, которые сразу требуют большого пускового момента – лифты, краны, мельницы и т.д. В таких механизмах необходимее уже при запуске двигателя получить максимальный момент, но при этом ограничив значение пускового тока.
Основные элементы асинхронного двигателя – ротор и статор, разделяемые воздушным зазором. Активные части двигателя – магнитопровод и обмотки, остальные составляющие – конструктивные, призванные обеспечить необходимую жесткость, прочность, возможность вращения и его стабильность, охлаждение и т.д.
Cтатор – неподвижная часть, на внутренней стороне сердечника которого размещаются обмотки. Обмотка статора — это трехфазная (для общего случая — многофазная) обмотка, в которой проводники равномерно распределяются по окружности статора и уложены пофазно в пазах, соблюдая угловое расстояние равное 120 эл.град. Статорные фазы обмотки соединены стандартно – «звезда» или «треугольник» — и подключены к трехфазной сети электротока. В процессе вращения (изменения) магнитного потока в обмотках возбуждения, происходит перемагничивание магнитопровода статора, поэтому он изготовлен шихтованным (набирается из пластин) из особой электротехнической стали – таким способом удается минимизировать магнитные потери.
Асинхронные двигатели сегодня – это доля в 80% от всего количества разнообразных электродвигателей, выпускаемых мировой промышленностью. Все это – благодаря простоте конструкции, в эксплуатации и обслуживании, низкой себестоимости и высокой надежности. Но есть один существенный недостаток – из сети асинхронные двигатели потребляют реактивную составляющую мощности. Поэтому их предельная мощность напрямую зависит от мощности системы энергоснабжения. Кроме того, такой электропривод имеет значения пускового тока, которые в трое больше рабочих. При малой мощности системы энергоснабжения, это может вызвать значительное падение напряжение в сети и отключение других приборов. Асинхронные двигатели с фазным ротором, благодаря введению в цепь ротора пусковых реостатов, могут запускаться с небольшим пусковым током.
Резисторы, стоящие в цепи ротора, помогают ограничить ток не только в течении запуска, но так же и при торможении, реверсе и при снижении скорости. По мере того, как двигатель набирает скорость – разгоняется, чтобы поддерживать необходимое ускорение, резисторы выводятся. При окончании разгона и выхода на паспортную частоту, все резисторы шунтируются, двигатель переходит на работу со своей естественной механической характеристикой.
Рассмотрим пример запуска асинхронного двигателя с фазным ротором.
Используя схему асинхронного двигателя (рис) рассмотрим запуск в две ступени который проводится с использованием релейно-контакторной аппаратуры. Одновременно напряжение подается как на силовые цепи, так и на управляющие – замыкается выключатель QF.
При подаче напряжения реле времени (обозначены КТ1 и КТ2) в цепи управления срабатывают, размыкая свои контакты. После нажатия кнопки запуска (SB1) срабатывает контактор КМ3 и запускается двигатель с резисторами, которые введены в цепь ротора – в этот момент на контакторах КМ1 и КМ2 питания нет. При подключении контактора КМЗ, из-за потери питания, в цепи контактора КМ1 реле КТ1 замыкает контакт через интервал времени, заданный задержкой времени в реле КТ1. По истечению времени (двигатель разгоняется, ток ротора начинает падать) происходит включение контактора КМ1 – происходит шунтирование первой пусковой ступени резисторов. Ток снова возрастает , но по мере разгона его значение начинает уменьшаться. Одновременно с этим в цепи происходит размыкание реле КТ2, оно теряет питание и с выставленной выдержкой происходит замыкание контакта в цепи контактора КМ2. Происходит шунтирование второй ступени резисторов, включенных в цепь ротора. Двигатель работает в штатном режиме.
Благодаря ограничению пускового тока, асинхронный двигатель с фазовым ротором можно устанавливать в слабых сетях.
Как уже указывалось выше, если сравнивать его с двигателем с короткозамкнутым ротором, имеет два основных преимущества:
Кроме того, следует отметить и другие достоинства:
Отметим и недостатки:
На практике асинхронный двигатель с фазным ротором оптимально подходят для случаев, когда нет необходимости в широкой и плавной регулировке скорости и требуется очень большая (особенно на первоначальном этапе) мощность двигателя. Для правильного подключения асинхронного двигателя важно правильно определить начала и концы фазных обмоток. Как это сделать – подробно рассмотрено на видео:
powercoup.by
