Станок является важной областью применения для ATE. Потому что здесь сложные электрические, термические и механические требования должны быть выполнены вместе, чтобы обеспечить лучший продукт. Разрабатывая свою новую серию, производитель электродвигателей Allgäu сознательно сосредоточился на высокоскоростных и высокопроизводительных станках. Поскольку технология предлагает некоторые преимущества, она также может быть применена к другим областям применения.
Различные моторные топологии, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки, подходят для реализации высокоскоростных электрических машин. Асинхронная машина (AC), специально оптимизированная ATE, является надежной машиной, которая обладает хорошими свойствами ослабления поля. Это особенно важно, когда требуется большой диапазон скоростей с постоянной мощностью. В принципе, размагничивание ротора не является проблемой для машины переменного тока, поэтому во многих случаях можно обойтись без балластного дросселя и использовать низкую частоту переключения ШИМ. Эти преимущества делают всю систему надежной и недорогой.
Картинная галерея
Однако по сравнению с машиной с постоянными магнитами недостатком является более высокая температура ротора, более высокая кажущаяся мощность и более низкая эффективность. Сильно прогревающийся ротор машины переменного тока затрудняет конструкцию подшипников и валов высокоскоростных машин.
Синхронный станок предлагает высокую эффективность
Если, с другой стороны, акцент делается на максимальную эффективность и требуется диапазон ослабления поля, который адаптирован по сравнению с машиной переменного тока, то лучшим вариантом будет синхронная машина с возбуждением от постоянного магнита (серия DC от ATE). Из-за энергии, запасенной в магните, возможны низкие температуры ротора и максимальная эффективность с высоким коэффициентом мощности. Стабильность скорости гарантируется за счет того, что магниты фиксируются армированием из магнитопроводящей стали, углепластика или стеклопластика.
Недостатком по сравнению с машиной переменного тока является ограниченный диапазон ослабления поля из-за более низкой индуктивности двигателя. Чтобы улучшить свойства ослабления поля и уменьшить дополнительные потери из-за преобразователя, требуется дополнительный балласт, особенно в высокоскоростных применениях.
Объедините преимущества двигателей переменного и постоянного тока
С новой серией двигателей DCH инженерам ATE удалось перенести технологию из гонок в серийное производство. Специальное расположение магнитов позволяет направлять магнитный поток внутри магнита. В противном случае необходимый магнитный вывод в роторе может быть сведен к минимуму. Ценное место для установки достигается для увеличения диаметра отверстия вала.
Технология привода ATE
Специальное решение как серийный продукт
Новая разработка от ATE основана на массиве Halbach. Клаус Хальбах, немецкий физик и специалист по разработке ускорителей частиц, представил основной принцип в 1980 году. Вместо двух отдельных направлений намагничивания (северный и южный полюсы), между которыми магнитный поток чередуется в ярме ротора, магнит состоит из нескольких областей с различной ориентацией поля. В результате магнитный поток уже отклонен в магните и не должен проходить в обход через ярмо ротора
Оптимизированы свойства ослабления поля
Индуцированное напряжение разомкнутой цепи машины с постоянными магнитами увеличивается пропорционально скорости. Если напряжение на клеммах превышает напряжение звена постоянного тока преобразователя, естественный предел скорости двигателя достигнут. Дальнейшее увеличение скорости может быть достигнуто только с помощью операции ослабления поля. Для этой цели система управления использует часть подаваемого тока, чтобы ослабить магнитное поле ротора и снизить индуцированное напряжение. Чем сильнее поле статора, тем лучше может быть ослабление поля и более высокие скорости. В идеальном случае поле статора может полностью компенсировать магнитное поле ротора, как показывает уравнение (1).
(1) jωL s I d ≙Ψ m ω
Из уравнения 1 видно, что из-за ограниченного по тепловым причинам продольного тока I d улучшение свойств слабости поля может быть достигнуто только путем увеличения индуктивности L s. Уровень индуктивности не может быть выбран произвольно, но зависит от выбранной рабочей точки привода машины. Чем выше выбрана рабочая частота электродвигателя, тем ниже должна быть индуктивность двигателя L s и связанный магнитный поток Ψ m, чтобы выполнить уравнение напряжения (уравнение 2).
(2) U s = jωL s I s + R s I s + Ψ m ω
Несмотря на это базовое соотношение, конкретная конструкция двигателя может влиять на уровень индуктивности двигателя в ограниченном диапазоне. Согласно уравнению (3) индуктивность изменяется в квадратичной зависимости с числом витков N. Увеличение сопротивления R m магнитной цепи, например, за счет увеличения воздушного зазора, уменьшает индуктивность в обратной линейной зависимости.
(3) L s ~ N ^ 2 / R m
Соответственно, увеличение числа витков является самым большим рычагом для увеличения индуктивности. Однако эта мера увеличивает индуцированное напряжение и, таким образом, сдвигает рабочую характеристику в сторону более низких скоростей. Чтобы компенсировать это негативное влияние, необходимо принять дополнительные меры по оптимизации. Это включает в себя целенаправленную настройку паза и геометрии магнита, а также снижение фазового сопротивления за счет оптимизированного расположения катушек.
Книга «Практическое руководство по проектированию привода» помогает в выборе основных компонентов систем электропривода: двигателя, коробки передач, привода, сетевого питания и их дополнительных компонентов. Расчет также ведется интенсивно.
Размещение новой серии DCH
Описанные меры по оптимизации оказывают непосредственное влияние на характерное поведение новых серий. Обычно уменьшенный объем магнита приводит к уменьшению пикового крутящего момента, поскольку магнитный поток Ψ m уменьшается. Это может быть компенсировано компоновкой Хальбаха и оптимизированной магнитной цепью. В отдельных случаях пиковый крутящий момент новой серии может даже превышать обычные высокие значения серии DC.
Широкий диапазон постоянной мощности в режиме ослабления поля особенно выгоден. Разброс скорости улучшается за счет увеличения индуктивности. Дополнительные меры, такие как поле воздушного зазора с низкими гармониками в сочетании с сегментацией магнитов, уменьшают частотно-зависимые потери статора и ротора. Это достигает цели оптимизации свойств ослабления поля новой серии двигателей. Таким образом, новая серия DCH немного выше уровня известной серии DC с точки зрения плотности мощности, как показано на рисунке 2. Выдающиеся свойства ослабления поля серии AC не совсем достигнуты, поэтому эта серия все еще оправдана в соответствующих приложениях.
Новая серия DCH также имеет ряд преимуществ с точки зрения дизайна. Минимизация ярма ротора позволяет увеличить диаметр ротора. Получено ценное место для установки держателя инструмента и дизайна хранилища (Рисунок 3). Центробежная сила уменьшается за счет использования меньшего количества магнитного материала, а необходимое армирование углепластика можно сделать более тонким. В сочетании с недавно разработанным процессом сборки арматуры можно уменьшить толщину арматуры более чем на 30% по сравнению с серией DC. Как прямой результат, магнитно эффективный воздушный зазор, важный фактор в конструкции двигателя, сводится к минимуму. Это положительно влияет на плотность мощности и, таким образом, компенсирует уменьшенный магнитный поток из-за меньшего объема магнита.
Вывод: серия DCH сочетает в себе преимущества двигателей переменного и постоянного тока
Новая серия двигателей DCH предлагает много преимуществ: Идеальные свойства ослабления поля увеличивают разброс скоростей без снижения пикового крутящего момента. Из-за увеличенной индуктивности во многих приложениях можно обойтись без дополнительного последовательного дросселя и «модуля защиты по напряжению (VPM)». Инженеры ATE проверит, насколько это успешно, в каждом конкретном случае. Увеличение диаметра вала дает пользователю больше свободы при проектировании подшипников и улучшает динамику вала. Следовательно, новая серия является дальнейшим развитием проверенной серии DC от ATE и представляет собой идеальное дополнение к портфелю.
EMO 2019: зал 9, стенд K39
Участники изучают основы оптимальной параметризации сервоприводов и управления и контроля функций в контроллерах движения.
Следующая информация
* Доктор Инж. Андреас Нойбауэр - менеджер по развитию в ATE GmbH & Co. KG, Лойткирх / Альгой