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安徽尚合機電科技有限公司
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一、傳統的選擇方法
這里只考慮電機的動力問題,對于直線運動用速度v(t),加速度a(t)和所需外力F(t)表示,它們均可以表示為時間的函數,與其他因素無關。很顯然,電機的最大功率P電機,最大應大于工作負載所需的峰值功率P峰值,但僅僅如此是不夠的,物理意義上的功率包含扭矩和速度兩部分,但在實際的傳動機構中它們是受限制的。
用T峰值表示最大值或者峰值。電機的最大速度決定了減速器減速比的上限,n上限= 峰值,最大/ 峰值,同樣,電機的最大扭矩決定了減速比的下限,n下限=T峰值/T電機,最大,如果n下限大于n上限,選擇的電機是不合適的。反之,則可以通過對每種電機的廣泛類比來確定上下限之間可行的傳動比范圍。只用峰值功率作為選擇電機的原則是不充分的,而且傳動比的準確計算非常繁瑣。
二、新的選擇方法
一種新的選擇原則是將電機特性與負載特性分離開,并用圖解的形式表示,這種表示方法使得驅動裝置的可行性檢查和不同系統間的比較更方便,另外,還提供了傳動比的一個可能范圍。
這種方法的優點:適用于各種負載情況;將負載和電機的特性分離開;有關動力的各個參數均可用圖解的形式表示并且適用于各種電機。因此,不再需要用大量的類比來檢查電機是否能夠驅動某個特定的負載在電機和負載之間的傳動比會改變電機提供的動力荷載參數。
較更方便,另外,還提供了傳動比的一個可能范圍。
這種方法的優點:適用于各種負載情況;將負載和電機的特性分離開;有關動力的各個參數均可用圖解的形式表示并且適用于各種電機。因此,不再需要用大量的類比來檢查電機是否能夠驅動某個特定的負載在電機和負載之間的傳動比會改變電機提供的動力荷載參數。
以下將介紹一些伺服電機系統,涉及永磁同步電機以及感應異步電機。
一個伺服系統,不單單是一個電機。它是一個閉環的運動系統,包含了控制器、驅動器、電儀和反饋裝置,通常一個還配有一個光學或磁編碼器。
伺服系統能在采用永磁(permanent magnets ,PM)技術后同步機械,配以有刷或無刷PM電機,或在一個AC感應電機上建立異步機械系統。
永磁同步電機 有較高的峰值,以及持續的扭矩,適用于精確位移系統的高加速度和快速減速中的驅動伺服系統。扭矩與輸入電流直接呈比例關系。電機軸速與輸入的電壓相關。輸入電壓越高,電機的速度就越高。扭矩和速度的比的曲線呈線性的。
永磁結構與電機氣隙相關。如,無刷PM電機的結構,包含兩個交互的磁結構,移動的轉子(連接著永磁)和定子線圈產生電磁反應,從而出現電機的轉矩和速度。
三相定子場能順序產生能量,且PM轉子跟隨轉子場一起完成同步運動。一個特定的電子補償系統,用于檢查轉子位置,并為定子線圈加能量。無刷PM電機,在所有其他的電機中成為精確位移系統的首選,除了汽車應用以及超大電機系統中。無刷PM電機是僅有的伺服電機系統,能用于閉環扭矩、速度或位移系統。
不同的轉子
AC感應電機擁有PM無刷電機同樣的物理特性的定子,但它的轉子結構完全不同。鼠籠結構的感應電機包含一系列的感應鋁或銅條,放置在轉子結構中,連接在末端線圈。
這些短轉子條與定子的旋轉磁場互有電磁耦合感應,產生一個新的轉子場,并與定子場相互反應,形成轉子運動。
在同步的定子和較慢的定子場,與實際的速度之間有差異。這個速度的差異就是所謂的滑差。輸入的頻率決定了電機的速度。
例如,一個60 Hz、兩極的AC感應電機,無負載時的速度近3,600 rpm,一個四極AC電機運行速度低于1,800 rpm,根據滑差值的不用而有所不同。當電機開始轉矩時,滑差增加,速度降低。
AC感應電機會輸出更多的轉矩,隨著速度的降低,直至負載達到故障點,此時電機速度會遽降至零。一個固有的AC電機性能特點是,起始的轉矩較小,必須在電機起始時卸去負載。
隨著20世紀80年底變頻器電子驅動的出現,電機特有的轉矩-速度性能曲線,也發生了很大的改變。變頻器的性能是,同時改變電壓和頻率,使用可調節或可變化的速度驅動,就能重新構建了轉矩-速度曲線,AC感應電機是速度系統的主要環節。
如何使用
驅動技術在性能上的持續提高,將無刷PM和AC感應電機,也帶入了驅動市場的競爭,但是無刷PM電機仍然在控制領域中占主導地位。AC感應電機不適應在低速和高速中使用。
在伺服位移系統中使用一個無刷PM電機,通常采用50 kW (67 hp)或更高的功率的系統。AC感應電機通常在恒速或變速系統中。混合的方案系統比較少見。其他電機也能部分實現,但是在性能上超過AC感應電機或無刷PM電機的方案較少。
無刷PM電機在速度控制中,對1 kW (1.37 hp)的DC有刷電機的速度控制或更小功率的應用市場中造成了一定的沖擊。而AC感應電機則掌控了大部分的大于1MW的應用。