Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Elektrické regulační pohony
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Elektrické regulační pohony

V posledním desetiletí se elektrické pohony staly téměř univerzálním prostředkem pro regulaci točivého momentu, síly, zrychlení, rychlosti a polohy a rozšířily se do všech myslitelných oborů. Seriál tří článků, jehož druhou část čtete, si klade za cíl podat přehled vývoje a současného stavu v oboru elektrických regulačních pohonů.

Magnetické materiály byly vždy těsně spjaty s vývojem pohonů a jejich vlastnosti výrazně ovlivnily dnešní podobu regulačních pohonů. V letech 1965 až 1980 byly používány převážně feritové a AlNiCo magnety. Po roce 1980 se začaly ve větším měřítku používat magnety na bázi vzácných zemin (typ SaCo - samarium, kobalt) a zhruba od roku 1990 typ NdFeB (neodym, železo, bor - dnes již asi pátá generace tohoto materiálu). Diagram ilustruje, jak zvyšování kvality magnetů - tzn. energetického součinu BHMAX - zmenšovalo rozměry motorů. Pro jednoduchost byl pro porovnání zvolen jeden parametr - hmotnost motoru vztažená na krouticí moment - m/MK [kg.Nm-1]. Porovnávány byly motory střední velikosti o krouticím momentu kolem 20 Nm. Z obrázku vyplývá, že bezkartáčové motory s trvalým momentem 20 Nm s magnety AlNiCo nebo s ferity měly kolem roku 1990 hmotnost asi 40 kg. Stejnosměrné motory byly ještě hmotnější - kolem 60 kg. Dnešní moderní motory s magnety SaCo nebo NdFeB mají hmotnost poloviční, resp. třetinovou. Podobně jsou kvalitou magnetů ovlivněny rozměry a moment setrvačnosti motorů.
Přímé pohony, které se dnes rychle prosazují do řady aplikací, by nebylo možné realizovat (v rozumné velikosti) bez posledních typů magnetů typu NdFeB. Do této kategorie patří pohony s lineárními a prstencovými motory a také přímé pohony vřeten s průvlekovými motory. Přímé pohony působí bezprostředně bez převodů na řízenou část stroje, a to přináší značné výhody v lepších vlastnostech servopohonu (přesnost, dynamika, rovnoměrnost pohybu, dosažitelná rychlost a zrychlení). Hlavní nevýhodou přímých pohonů je vývin velkého množství tepla, které je třeba odvést výkonným chladicím systémem mimo obráběcí stroj. Cena přímých pohonů je vysoká - zhruba dvoj- až trojnásobek ceny odpovídajícího "klasického" rotačního pohonu. Pokud ale do ceny klasického pohonu započteme také cenu mechaniky, kterou pro přímý pohon nepoužijeme (např. u lineárních souřadnic posuvový šroub s uložením, spojkou a případně s převodem), poměr cen už zdaleka není tak nepříznivý.
Průvlekové (bezhřídelové) motory jsou součástí nejstarších přímých pohonů, používaných hlavně pro pohony vřeten. Používají se zhruba od roku 1985 pro stroje, u nichž je vyžadováno přesné polohování vřetene (osa C) s přírůstky typicky 0,001 úhlového stupně. Takovou přesnost pohony tohoto typu zvládají zcela bezkonkurenčně právě pro absenci veškerých převodů a spojek. Stator a rotor motoru jsou dodávány odděleně - např. stator s vinutím uživatel zabuduje do vřeteníku, rotor s permanentními magnety je upevněn na vřeteno. Funkčně je průvlekový motor totožný se synchronním nebo asynchronním motorem. Nyní jsou často i pro větší výkony používány synchronní motory, které vyvíjejí méně tepla než asynchronní motory. Stejný typ motoru používají tzv. elektrovřetena, určená pro velmi vysoké rychlosti (20 000 až 70 000 ot.min-1). V poslední době jsou průvlekové motory využívány také pro pohon matice u inverzně uspořádané mechaniky posuvu (rotující matice, pevný kuličkový šroub).
Lineární motory si lze představit jako "rozvinuté" synchronní motory. Jejich uspořádání je naznačeno na obrázku. Primární (většinou pohyblivá) část nese třífázové vinutí, které je v závislosti na poloze vůči sekundární části (magnety) napájeno tak, aby motor vyvíjel maximální sílu (analogicky jako je u rotačních pohonů udržován devadesátistupňový úhel mezi magnetickým tokem rotoru a statoru). Vinutí primární části je velkým zdrojem tepla, a proto musí být vydatně chlazeno. Dvouokruhové chlazení, které primární část tepelně oddělí od stroje, je naznačeno na obrázku. Hrubý chladič odvede asi 80 až 95 % tepla a zbytek je odváděn přesným chladičem. Protože voda vychlazená na žádanou teplotu prochází ve velkém množství nejprve přesným chladičem, má dosedací plocha motoru, kterou je připevněn ke stroji, prakticky konstantní (nízkou) teplotu a stroj je minimálně tepelně ovlivňován. Sekundární část tvoří lišta, na které jsou přilepeny permanentní magnety a také je chlazena. Mimo chlazení naznačené na obrázku má motor řadu stínicích plechů, které omezují sálání tepla do okolí.
Vzájemná poloha obou částí lineárního motoru je zajištěna zpravidla valivým vedením řízeného suportu. Při dimenzování vedení je třeba pamatovat na to, že mezi primární a sekundární částí působí přitažlivá síla, jejíž velikost je zhruba pětinásobkem posuvové síly (na motor s trvalou posuvovou silou 5000 N působí přitažlivá síla asi 25 000 N). Přitažlivá síla mezi primární a sekundární částí nevzniká u motorů bez aktivního železa. Tyto motory však disponují výrazně nižšími posuvovými silami. Do pracovního prostoru motoru nesmí proniknout kovové částice (třísky, prach), které by se shromažďovaly na magnetech a časem by motor poškodily. Proto se často používají dvojité kryty - vnitřní skládané ("harmonika") a vnější posuvné plechové kryty.
Běžně dosahovaná rychlost činí 120 m.min-1. Dosažitelné zrychlení je dáno poměrem maximální posuvové síly k ovládané hmotě - samotný motor bez další hmoty by dosáhl zhruba 160 m.s-2. Citlivost pohonu je nižší než 1(m, dobrá je i rovnoměrnost malých rychlostí. V porovnání s pohonem s rotačním motorem a kuličkovým šroubem je poněkud horší dynamická tuhost. Lineární pohony se v posledních pěti letech stávají běžným vybavením NC obráběcích strojů pro vysokorychlostní obrábění a do roku 2004 se očekává další rychlý růst - zdvojnásobení počtu aplikací.
Prstencové motory jsou nejnovějším elementem regulačních pohonů a ve větší míře se používají teprve poslední dva roky. Jedná se vlastně o průvlekový motor. Pohony s prstencovými motory jsou velmi vhodné pro otočné stoly, ramena robotů a podobné aplikace. Motory jsou dodávány s točivými momenty od 1 do 16 000 Nm s vnějším průměrem od 120 do 1260 mm. Maximální otáčky jsou od 50 ot.min-1pro největší motory po 600 ot.min-1 pro nejmenší motory. Stejně jako výše zmíněné přímé pohony jsou i pohony s prstencovými motory vynikajícím - i když nákladným - prostředkem pro přesné řízení polohy.

Další články

Obráběcí stroje a technologie
Elektrotechnika a regulace

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: