最新新型电机大作业精编版文档格式.docx
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传统驱动采用机械传动器件,部件多,体积大,机械传动引起误差和摩擦生热产生弹性变形,转动惯量大,响应慢。
驱动技术正在朝着新的方向发展,在众多的现代先进驱动中,直接驱动(直驱)是高速高精数控机床采用的理想驱动,因此其受到机床行业的重视,技术发展迅速。
一般在机床领域,直驱装置主要包括直线伺服驱动装置和力矩伺服驱动装置。
直接驱动直线轴(XYZ轴)的伺服电动机称为直接驱动直线(DDL)电动机,简称直线电动机;
直接驱动旋转轴(ABC轴)的伺服电动机称为直接驱动旋转(DDR)电动机,简称力矩电动机。
力矩电动机为多极永磁交流同步电动机,带空心轴转子,可作为直接驱动器,与变频器系统配套使用采用力矩电动机直接驱动的主要优点有:
机械部件减少,驱动结构紧凑,采用力矩电动机直接驱动,不再需要联轴器或齿轮等机械传动部件,从而大大减少了驱动装置的安装空间,使得结构更加紧凑;
无反向间隙,高加工精度:
采用力矩电动机直接驱动,解决了齿轮传动存在反向间隙的问题,从原理上排除了机械传动引起的误差和摩擦生热产生的弹性变形,实现了更高的加工精度;
高动态性,高伺服性:
采用力矩电动机直接驱动的旋转轴可以提供与线性轴相匹配的进给速度和加速度,实现真正意义上的高速多轴联动加工,且具备更高的伺服性能和更大的带宽。
1.摆角头系统
摆角头的三个自由度采用永磁同步伺服电机直驱,旋转变压器为位置检测器,采用矢量控制。
道具旋转驱动采用开关磁阻电机,旋转变压器为位置检测器。
与传统的电励磁同步电机相比,永磁同步电机,特别是稀土永磁同步电机具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点。
永磁同步电动机以永磁体提供励磁,使电动机结构较为简单,降低了加工和装配费用,且省去了容易出问题的集电环和电刷,提高了电动机运行的可靠性;
又因无需励磁电流,没有励磁损耗,提高了电动机的效率和功率密度。
开关磁阻电机结构简单坚固,调速范围宽,调速性能优异,且在整个调速范围内都具有较高效率,系统可靠性高。
主要有开关磁阻电机、功率变换器、控制器与位置检测器四部分组成。
控制器内包含功率变换器和控制电路,而转子位置检测器则安装在电机的一端。
2.永磁同步伺服电机
永磁电机采用永磁体生成电机的磁场,无需励磁线圈也无需励磁电流,效率高结构简单,是很好的节能电机。
永磁同步伺服电机(PermanentMagnetSynchronousMotor,简称PMSM),是交流永磁伺服电动机的一种。
在中小容量高精度传动领域,广泛采用永磁同步伺服电机,以在转子上加永磁体的方法来产生磁场。
由于永磁材料的固有特性,它不再需要外加能量就能在其周围空间建立很强的永久磁场。
这既可简化电机结构,又可节约能量。
和直流电机相比,没有直流电机的换向器和电刷等缺点。
和异步电机相比,它由于不需要无功励磁电流,因而效率高,功率因数高,力矩惯量比大,定子电流和定子电阻损耗减小,且转子参数可测、控制性能好。
和普通同步电机相比,它省去了励磁装置,简化了结构,提高了效率可达到传统电励磁电机所无法比拟的高性能(如特高效、特高速、特高响应速度)。
和开关磁阻电机相比,它没有低速转矩脉动大的问题,早已实现了低速稳定运行,因此适合快速、高精度的控制场合。
和无刷直流永磁同步电机相比,它在高精度伺服驱动中更有竞争力。
按转子永磁体的结构可分为两种:
(1)表面贴装式(SM-PMSM):
直交轴电感Ld和Lq相同,气隙较大,弱磁能力小,扩速能力受到限制
(2)内埋式(IPMSM):
交直轴电感:
Lq>
Ld,气隙较小,有较好的弱磁能力
当定子磁场以同步转速«
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逆时针旋转时,定子旋转磁极就吸引转子磁极,带动转子一起旋转,转子的旋转速度与定子旋转磁场(«
)相等。
当电机转子上的负载加大时,定、转子磁极轴线间的夹角θ就相应增大;
反之,夹角θ相应减小。
虽然定、转子磁极轴线间的夹角会随着负载的变化而改变,但只要负载不超某一极限,转子就始终跟着定子旋转磁场以同步转速«
转动,即转子转速为
«
式中,f为电源频率,p为电机极对数。
略去定子电阻,永磁同步电机的电磁转矩为
式中,m为相数,«
为电角速度,U、E0分别为电源电压和空载反电动势有效值,«
、«
分别为直轴、交轴同步电抗,«
为功角。
电机的功角特性为:
假定:
①隐极电机,略去凸极效应;
②不计阻尼绕组的影响;
③略去定子绕组电阻,定子漏抗的影响。
,«
为FR轴线上的磁化分量;
为垂直方向上的转矩分量。
电机的电磁转矩T为:
永磁同步机一般采用按励磁轴线定向的矢量控制调速系统,Ff是恒定的(永磁),控制is的方向与d轴垂直,控制is的大小能控制T,实现调速。
匀速旋转时,ASR输出不变(稳态)。
位置角θ=ωt(周期变化),三个信号«
是时间的正弦交变量,其频率与电机的转速成正比,它决定了逆变器的输出频率。
当转速变化时,电流的频率也随之改变。
电机升速或降速过程中逆变器的输出频率自动升频或降频。
故矢量控制系统仍然是一个变频调速系统。
矢量控制实质是位置检测信号连续化使定子磁势能连续地(或小步距地)旋转的自控式变频。
3.开关磁阻电机
开关磁阻电机是一种新型调速电机,调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点,是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。
它的结构简单坚固,调速范围宽,调速性能优异,且在整个调速范围内都具有较高效率,系统可靠性高。
现如今,开关磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步,已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域,功率范围从10W到5MW,最大速度高达100,000r/min。
相数3456789定子极数681012141618转子极数46810121416步进角(度)3015964.283.212.5
原理:
磁通总要沿着磁阻最小路径闭合,一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时,必定使自己的轴线与主磁场的轴线重合。
A-A’通电⃗1-1‘与A-A’重合B-B’通电⃗2-2‘与B-B’重合C-C’通电⃗3-3‘与C-C’重合D-D’通电⃗1-1‘与D-D’重合
依次给A-B-C-A绕组通电,转子逆励磁顺序方向连续旋转。
改变绕组导通顺序,就可改变电机的转向。
通电一周期,转过一个转子极距tr=360/Nr。
步距角qb=tr/m=360/(mNr)。
转矩方向与电流无关,但转矩存在脉动。
需要根据定、转子相对位置投励。
不能像普通异步电机一样直接投入电网运行,需要与控制器一同使用。
SR电机的瞬时电磁转矩Te可由磁共能Wc导出:
磁共能的表达式为:
,
SR电机的平均电磁转矩Tav
SR电机绕组电感的分段线性解析式:
式中,Lmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感,Lmax定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感。
典型电流波形如图:
将磁化曲线做两段线性处理,即一段为饱和段,视为与θ=0的位置的磁化曲线平行,斜率为Lmin;
一段为非饱和段,为L(θ,i)的不饱和段。
SR电机调速系统的构成:
电机控制策略:
可控量有Us、θon、θoff。
固定θon,θoff,通过电流斩波限制电流,得到恒转矩;
固定θon,θoff,由速度设定值和实际值之差调制Us,进而改变转矩
1 基速以下,电流斩波控制(CCC),输出恒转矩
2 基速以上,角度位置控制(APC),输出恒功率
SRD较交流变频调速的优势:
1)电动机结构简单、结实、成本低,特别是转子仅由硅钢片迭成,无绕组无鼠笼,机械强度非常高,因此特别适合用于冲击负载和超高速运行(如大于20000r/min)。
2)动态响应快,爆发力强:
SRD的每相绕组电流是由独立的电流脉冲构成,因此很方便在一个电流脉冲内完成从最小转矩到最大转矩的变化,或从电动到制动运行的改变,表现在外部特性上为起/制动快、转速/转矩调节快。
同时由于SRD电机转子凹凸的几何形状导致较小的转动惯量,因此其动态响应更加良好。
3)空载/轻载电流小,效率较高。
典型产品数据是空载电流为其额定电流的1%,当负载增加时,电流相应增加,保持较高的效率。
相比较交流变频调速对应的电流要大得多。
这主要是由于SRD电机特有的电磁转矩产生原理和转速闭环系统结构所决定的优势。
4)高效区宽.
即SRD在转速和转矩较大范围变化时均能保持较高的效率,如效率高于85%的区域占n-T平面整个面积的55%。
实现这一特点的原因是SRD可在不同转速和不同转矩时采用不同的控制策略,并实施优化组合的结果。
SRD较交流变频调速的缺点:
1)只能使用专用电机,不像交流变频调速中当变频器发生故障时可将电机(采用交流感应电机时)切换至工频继续运行。
2)电机和控制器只能实现“一拖一”运行,不像交流变频调速中实现一台变频器可带动2台或多台电机。
3)理论特殊,普及推广的难度较大,教育培养大量人员困难。
4.旋转变压器
旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似,区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的,所以输出电压和输入电压之比是常数,而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变,因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化,输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系,或保持某一比例关系,或在一定转角范围内与转角成线性关系。
旋转变压器在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号;
在解算装置中可作为函数的解算之用,故也称为解算器。
旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。
两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极,四极绕组则各有两对磁极,主要用于高精度的检测系统。
除此之外,还有多极式旋转变压器,用于高精度绝对式检测系统。
按输出电压与转子转角间的函数关系,主要分三大类旋转变压器:
1.正余弦旋转变压器,其输出电压与转子转角的函数关系成正弦或余弦函数关系。
2.线
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