Problema, kuri pasirodo esant mažam greičiui
Sukimo momentas yra periodinis sukimo momento bangavimas, atsirandantis nuolatinio magneto varikliuose net tada, kai srovė neteka. Tai atsiranda dėl sąveikos tarp rotoriaus magnetų ir statoriaus dantų – magneto srautas nori susilygiuoti su mažiausiu pasipriešinimo keliu, o tai reiškia, kad jis nori lygiuotis su statoriaus dantimi, o ne su plyšiu. Kai rotorius sukasi, srautas pakaitomis susilygiuoja ir nesutampa su nuosekliais dantimis, sukurdamas sukimo momento bangos formą su smailėmis ir slėniais, kurių dažnis nustatomas pagal polių ir plyšių skaičių.
Daugeliu atvejų sukimo momentas yra nedidelis nepatogumas. Tikslioms servosistemoms, tiesioginės pavaros varikliams ir robotų jungtims, kurioms reikalingas sklandus judėjimas mažu greičiu, tai yra pagrindinis dizaino apribojimas. Bendradarbiaujanti roboto ranka, judanti 5 aps./min., atliekant tikslią surinkimo operaciją, kiekviena sukimo momento smailė bus matoma kaip greičio bangavimas padėties paklaidoje, o greičio bangavimas atrodo kaip matmenų klaida, kad ir ką robotas surenka.
Šiame straipsnyje aptariama, kas sukelia sukimo momentą, kaip jį išmatuoti ir kokie magneto konstrukcijos metodai jį iš tikrųjų sumažina, o kurie tik iškelia problemą.
1. Kas nustato fiksavimo dažnį ir amplitudę
Sukimo momento dažnis nustatomas pagal polių skaičiaus ir tarpų skaičiaus mažiausią bendrąjį kartotinį (LCM). 10 polių, 12 lizdų variklis turi LCM(10, 12)=60, todėl vienam apsisukimui yra 60 sukimo momento smailių. 10 polių, 15 lizdų variklis turi LCM(10, 15)=30, todėl vienam apsisukimui yra tik 30 smailių. Didesnis LCM reiškia daugiau smailių per apsisukimą esant mažesnei amplitudei – bendra energija traukimo bangos formoje yra maždaug pastovi, tačiau ji paskirstoma į daugiau, mažesnių smailių.
Štai kodėl apvijų su trupmeninėmis plyšiais konfigūracijos, kai lizdo poliaus ir fazės santykis nėra sveikasis skaičius, yra populiarios tiesioginės pavaros ir mažo greičio servo sistemose. 10 polių, 12 lizdų konfigūracija (0,4 lizdo viename poliuje fazei) turi didesnį LCM nei 10 polių, 9 lizdų konfigūracija (0,3 lizdo viename poliuje fazei), o tai reiškia mažesnę pertraukos amplitudę per ciklą didesnio dažnio kaina.
Sukibimo amplitudė nustatoma pagal magneto srauto tankį, magneto lanko ir poliaus žingsnio santykį, oro tarpo ilgį ir statoriaus plyšio geometriją. Iš jų magneto lanko santykis yra tas, kurį magnetų tiekėjas gali valdyti. Kiti tvirtinami variklio laminavimo konstrukcija.
2. Magneto lanko santykis: vienintelis magneto parametras, kuris tiesiogiai veikia traukimą
Ant paviršiaus montuojamo magneto variklio yra optimalus magneto lanko santykis – magneto lanko ilgio ir poliaus žingsnio santykis – kuris sumažina sukimo momentą. Šis optimalumas egzistuoja, nes sukimo momentas yra susijęs su visos oro tarpo magnetinės energijos išvestine rotoriaus padėties atžvilgiu, o išvestinė eina per nulį esant tam tikram lanko santykiui.
10 polių, 12 plyšių varikliui, kurio tipinė statoriaus anga yra 2–3 mm 80 mm statoriaus kiaurymėje, magnetinio lanko santykį mažinančio magneto lanko koeficientas yra maždaug 0,833 (penkios šeštosios poliaus žingsnio). Naudojant 0,75 lanko santykį – vienas pilnas polių žingsnis atėmus vieną plyšio žingsnį – taip pat sukuriamas beveik nulinis šio derinio traukimas. Tikslus optimalus priklauso nuo plyšio angos pločio ir oro tarpo ilgio; Norint tiksliai optimizuoti, reikalingas modeliavimas su faktine laminavimo geometrija.
Ko negali nustatyti lanko santykis: jei laminavimo lizdo anga yra plati, palyginti su magneto žingsniu, sukibimas bus didelis, nepaisant lanko santykio. Plačios plyšių angos sukelia didelius nenoro pokyčius, kai rotorius sukasi. Magnetas mato „guzelį“ kiekvieną kartą, kai praeina pro šalį lizdas. Joks lanko santykio optimizavimas to nepašalina, jei plyšio anga yra daugiau nei apie 20 % plyšio žingsnio.
3. Iškreipimas: efektyvu, bet brangu
Ašinis pasvirimas – magneto arba statoriaus laminačių pasukimas vienu plyšio žingsniu išilgai ašies krypties – yra patikimiausias būdas sumažinti sukimo momentą. Kai magnetas yra iškreiptas vienu plyšio žingsniu, kiekvienoje ašies padėtyje esančios smailės yra faziškai pasislinkusios viena kitos atžvilgiu, o smailės panaikinamos, kai sumuojamos ašies kryptimi. Teoriškai tobulas pasvirimas lygiai vienu plyšio žingsniu sumažina susitraukimą iki nulio. Praktikoje dėl gamybos pakreipimo kampo svyravimo lieka 10–20 % nuokrypio vertės.
Iškreipimo kaina yra reali. Pasvirusių magnetų gamyba yra brangesnė – dėl kampinės geometrijos reikia pritaikyti armatūrą ir tai padidina medžiagų švaistymą. Ašiai pasvirusiam laminavimui reikalingas pasukamas laminavimo krūvas, kurį sunkiau surinkti ir kuris šiek tiek padidina variklio ilgį. Labiausiai paplitęs kompromisas yra žingsninis iškreipimas: naudojant du arba tris ašinius magneto segmentus kiekvienam poliui, kiekvienas paslinktas dalimi plyšio žingsnio. Dviejų segmentų laipsniškas pasvirimas sumažina traukimą apie 70 %, palyginti su nepakreiptu; trijų segmentų pasiekia 85–90 proc.
60 mm ašinio ilgio varikliui dviejų segmentų pakrypimas reiškia, kad kiekvienas magneto segmentas yra 30 mm ilgio ir tarp jų yra 1/2 plyšio žingsnio kampinis poslinkis. Esant 12 plyšių ir 80 mm skersmens, vienas plyšio žingsnis yra 20,9 mm lanko ilgio arba apie 9,4 laipsnio rotoriaus paviršiuje. Todėl kampinis poslinkis tarp segmentų yra 4,7 laipsnio. Tai galima pasiekti naudojant standartinius įmagnetinimo įrenginius ir nereikia neįprastos magneto geometrijos.
4. Magnetinio krašto nusklembimas ir poliaus lanko formavimas
Magneto briaunų nuožulniavimas – radialinio storio mažinimas šalia magneto galų – sukuriamas sinusinis radialinis srauto tankio pasiskirstymas, o ne trapecijos formos. Tai vienu metu sumažina ir užpakalinio EMF harmoninį turinį, ir sukimo momentą.
Kiekybinis efektas priklauso nuo nuožulnumo gylio, palyginti su magneto storiu. Nusklembimo gylis, lygus 20 % magneto radialinio storio, sumažina greičių amplitudę 35–50 %, palyginti su plokščiu magnetu, tuo pačiu sumažindamas pagrindinį EMF tik 3–5 %. Kompromisas yra palankus, kai projektavimo tikslas yra mažas sukibimas ir priimtina atgalinės EMF bangos formos kokybė.
Poliaus lanko formavimas – oro tarpo keitimas išilgai magneto lanko naudojant magnetą su lenktu išoriniu paviršiumi, kuris nėra koncentrinis su rotoriumi – yra efektyvesnis, tačiau reikalauja tikslesnio apdirbimo. Išlenktas paviršius sukuria sinusoidinį oro tarpo ilgio pokytį, kuris sukuria beveik sinusoidinį srauto tankio pasiskirstymą. Kartu su optimaliu lanko santykiu, tai gali sumažinti sukibimą iki mažesnio nei 0,5 % vardinio sukimo momento be iškreipimo.
5. Sukimo momento specifikacija ir matavimas
Sukimo momentas nurodomas kaip vardinio sukimo momento procentas. Bendroms pramoninėms servosistemoms priimtinas 2–3 %. Bendradarbiaujantiems robotams ir tiesioginės pavaros sistemoms įprastas tikslas yra 1 proc. Medicininiam vaizdavimui, puslaidininkių tvarkymui ir tiksliam optiniam padėties nustatymui reikalingas 0,3–0,5 proc.
Matavimas atliekamas lėtai sukant variklio veleną (paprastai esant 1–5 aps./min. be srovės), matuojant veleno sukimo momentą su tikslumo sukimo momento jutikliu. Per vieną elektros ciklą sukimo momentas nuo smailės iki maksimumo yra pranešta vertė. Matavimas turi būti atliekamas esant pakankamai lėtam greičiui, kad inercinis poveikis būtų nereikšmingas – esant 5 aps./min., variklio, kurio rotoriaus inercija yra 50 g·cm², inercinis sukimo momentas esant 1 Hz elektriniam dažniui yra mažesnis nei 0,01 N·m, o tai yra nereikšminga, palyginti su 0,1 N·m vardiniu sukimo momentu.
Nurodydami sukimo momento reikalavimus magnetų tiekėjui, pateikite: polių skaičių, plyšių skaičių, magneto lanko santykį, oro tarpo ilgį ir tikslinį traukimą kaip vardinio sukimo momento procentą. Tiekėjas gali patvirtinti, ar magneto geometrija yra suderinama su jūsų tikslu, arba rekomenduoti lanko santykio koregavimus ir pasvirimo konfigūracijas, kurios padės tai pasiekti.
6. Ko negalima pataisyti vien magnetais
Sukimo momentas iš plačių statoriaus plyšių angų negali būti užfiksuotas naudojant magnetą. Vieninteliai sprendimai yra šie: lizdų angų uždarymas magnetiniais plyšių pleištais (padidina sąnaudas ir surinkimo sudėtingumą), naudojant laminavimo konstrukciją su siauresnėmis plyšių angomis (reikia pertvarkyti laminavimą) arba priimti suspaudimo lygį ir naudoti srovės įpurškimą (aktyvią danties kompensaciją pavaroje), kad jis būtų atšauktas uždarojo ciklo režimu.
Aktyvus danties kompensavimas veikia įvedant į priekį nukreiptą sukimo momento komandą, kuri yra atvirkštinė išmatuoto sukimo momento profilio, sinchronizuota su koduotuvo padėtimi. Tai veiksminga ir plačiai naudojama didelio našumo servo pavarose. Jis nepanaikina variklio fizikos sukibimo – kompensuoja jį elektra. Kompensavimo tikslumas priklauso nuo to, kaip išmatuotas krumpliaračio profilis atitinka tikrąjį variklį, o bet kokiems gamybos varikliams skirtiems skirtumams reikalingas individualus kalibravimas.
Mažos apimties didelio tikslumo programoms galimas individualus kalibravimas. Didelės apimties gamybai tai padidina sąnaudas ir sudėtingumą. Geresnis ilgalaikis sprendimas – laminavimo ir magneto konstrukcijos dėka pasiekti pakankamai žemą sankabą, kad aktyvus kompensavimas būtų neprivalomas, o ne būtinas.
HIMAGNET tiekia lankinio segmento magnetus su optimizuotu lanko santykiu, laipsniškai iškreipta konfigūracija ir nuožulniais kraštų profiliais, kad sumažintų sukimo momentą. Norėdami atlikti variklio dizaino analizę,susisiekite su mūsų inžinierių komandasu savo polių skaičiumi, laiko tarpsnių skaičiumi ir fiksuojamu tikslu.
