Motory s elektronickou komutáciou (EC motory)

Bezkefové, elektronicky komutované (EC) motory neobsahujú mechanický komutátor. Vyznačujú sa spoľahlivou funkciou (cez 50 000 h v trvalej prevádzke), širokým pásom riadenia rýchlosti, malými rozmermi, krátkou časovou konštantou rozbehu, pripadne úplne rovnomerným priebehom momentu.

V konštrukcii valcových, elektricky komutovaných motorov sú upletnené rovnaké vinutia zmienené v predchádzajúcej kapitole. Vinutie valcových, elektronicky komutovaných motorov je súčasťou statora. Vinutie obklopuje magnet otáčajúci sa s rotorom. Feromagnetický prstenec zložený z plechov uzatvára magnetický obvod na vonkajšom obvode vinutia. Motory sú štandardne vybavené senzorom s troma Hallovými sondami, ktorý poskytuje riadiacej jednotke informácie o natočení rotora. Riadiaca jednotka zaisťuje elektronickú komutáciu, teda prepína prúd do sekcií vinutia. Priebeh prúdu odvodený od Hallových sond je obdĺžnikový a mechanický moment v priebehu otáčky je mierne zvlnený. Rovnomerný moment získame pomocou riadiacej jednotky, ktorá digitálne vytvára kvázi sinusový priebeh prúdu. Motor musí byť samozrejme doplnený inkrementálnym snímačom.

Riešenie elektronicky komutovaných valcových motorov má niekoľko výhod:

-Odstránenie kľudového stabilizačného momentu. V starove nie sú žiadne póly, ktoré v konvekčných motoroch priťahujú magnet rotora do určitých polôh. Tento jav je často nežiadúci, pretože je tak ovplyvnené natočenie v nastavenej polohe a vypnutý motor môže samovoľne zmeniť polohu rotora.

-Hnací moment pri chode motora nekolíše. Kolísanie momentu zhoršuje presnosť regulácie pri nízkej rýchlosti.

-Nízka elektrická časová konštanta aj elektromechanická časová konštanta do 10 ms v dôsledku nízkej vlastnej indukčnosti vinutia a vysokého priemeru hnacieho momentu na moment zotrvačnosti.

-Menší objem vonkajšieho feromagnetického prstenca, ktorý uzatvára magnetický tok, ako dôsledok odstránených pólov. Malé straty vírivými prúdmi hysteréziou zvyšujú účinnosť motora.

-Výborná proporcionalita prúdu a momentu v dôsledku využitia sily na vodič v magnetickom poli podľa Lorentzovho zákona, nie priťahovaním feromagnetických pólov.

EC rovnakosmerné motory sa vyrábajú aj ako štvorpólové. Toto riešenie sa oproti dvojpólovým motorom vyznačuje zvlášť vyšším využitím objemu a zvýšenou zložkou prúdu v smere osy motora (čo znamená zvýšený trvalý moment pri rovnakom priereze vinutia), tenším a ľahším feromagnetickým plášťom uzatvárajúcim magnetický obvod statora, väčším priemerom magnetu v rotore. Lorentzova sila na väčšom polomere pôsobí vyšším mechanickým momentom. Zväčšuje sa aj plocha nad pólom magnetu a počet vodičov vinutia v magnetickom poli.

Štvorpólový motor EC s priemerom 30 mm má oproti svojmu dvojpólovému predchodcovi s priemerom 30 mm a rovnakou dĺžkou väčší mechanický moment a výkon. Motor lepšie udržuje rýchlosť pri zvyšovaní zaťaženia. Výkon motora dosahuje hodnoty 200W. Štvorpólový motor EC sa svojim vysokým výkonom, dosiahnutým konštrukčne malou jednotkou, upletní v aplikáciách v stiesnenom priestore a s limitovanou hmotnosťou.

Diskové motory

V niektorých aplikáciach motorov je dominantnou požiadavkou čo najkratší motor. S ým býva spojený nárok na dosiahnutie potrebného momentu bez prevodovky, ktorá by motor predĺžila. Spomalenie a zvýšenie momentu realizuje EC diskový motor väčším počtom pólov. Rotor v tvare panvice nesie na vnútornom povrchu prstenca 8 až 24 magnetov s presriedanými pólmi po obvode. V statore vnútri prstenca je na feromagnetických jadrách vejárovito 6 až 18 cievok. Tri susedné cievky tvoria trojfázovú skupinu. Trojica sa po obvode 2 až 6 krát opakuje. Rýchlosti motorov sú medzi 20 000 ot/min pri motore s priemerom 6 mm a 5 000 ot/min pri 90 W motore s priemerom 90 mm. Väčšie motory môžu byť vybavené senzorom s Hallovými sondami, ktoré umožňujú naplno využiť dynamické vlastnosti motora aj pri rozbehu. Malé motory do priemeru 20 mm neobsahujú snímač. Motory bez snímača sú určené pre jednoduché aplikácie s obmedzenou dynamikou v malých rýchlostiach.


Planetové prevodovky rovnakosmerných motorov

Planetové prevodovky pripojené k motorom používajú špeciálne vyvinuté čapy planet z keramiky, ktoré umožňujú použiť vysokú výstupnú rýchlosť od motora a zmenšujú rozmery prevodovky. Prevodovky s priemerom do niekoľko desiatok milimetrov sa obyčajne mažú trvanlivou náplňou plastického maziva, vazelínou. Vstupná rýchlosť prevodoviek s priemerom cez 10 mm s kalenými oceľovými čapmi planet je obmedzená na 3 000 až 8 000 ot/min, aby sa neporušilo viskózne trenie planet na čapoch a na zuboch ozubených kôl. Prechod na keramické čapy na báze ZrO2 mal za následok zvýšenie prípustného výstupného momentu. Rýchlosti prevodoviek sú tak prispôsobené rýchlostiam komutátorových motorov s valcovým vinutím a môžu naplno využiť i ch výkon. Zavedením keramiky sa aj u prevodoviek zvýšila hustota výkonu na jednotku hmotnosti. Ani na vysoké prevodové pomery nie sú obvykle využívané slimákové prevodovky pre ich nízku životnosť a účinnosť, ktoré sú spôsobené veľkými obvodovými rýchlosťami a trením zubov slimákov o slimáčie koleso. V prípade, že je nutné zaistiť stabilnú polohu natočením pohonu pri úplnom odpojení elektrickej energie, je vhodné použiť elektromagnetickú brzdu.

Senzory servomotora

Na snímanie polohy rotora, jeho mechanickej uhlovej rýchlosti a zmyslu rotácie servomotora sa používajú:

-inkrementálne senzory (na optickom princípe);

-Hallove sondy;

-tachogenerátory;

-inkrementálne senzory (na magnetickom princípe).

Moderný prvok v sústave pohonov je magnetický inkrementálny senzor [10], ktorý využíva zmeny ohmického odporu mikroelementov z NiFe, vyvolané zmenou smeru magnetického poľa, v ktorom sa nachádzajú. Senzor má malú citlivosť na nepresnosť montáže a na otrasy. Pri rovnakej alebo vyššej citlivosti zaujíma podstatne menší priestor než optické senzory alebo magnetické senzory s Hallovými sondami. Behom otáčania permanentného magnetu vo tvare kotúča sa zmagnetizovanými 14 až 64 pólmi mení odpor mikroelementov podľa presného goniometrického vzťahu, podľa druhej mocniny sínusu uhlov medzi smerom magnetického poľa a smerom prúdu v pásku NiFe. Presnou interpoláciou je možné vytvoriť na výstupe až 1 024 impulzov na jednu otáčku. Na snímači bola vyriešená problematika silného vplyvu teploty. Zmena odporu v smere magnetického poľa je okolo 3% nominálneho odporu elementu. Rovnaká zmena odporu sa prejaví i zmenou teploty na 10°C. Na vytlačenom spoji snímača sú preto rozmiestnené v oblasti šírky jedného pólu dve štvorice mikroelementov zapojených do Wheatstonovho mostíka, ktorý vplyv teploty eliminuje.

Lineárne rovnakosmerné motory

Lineárne rovnakosmerné motory a servomotory tvoria kompaktné akčné členy s posuvným pohybom, tvorené elektronicky komutovaným servomotorom s uzavretou slučkou, guličkovým skrutkovým prevodom rotačného pohybu na lineárnej a enkodérom. Umožňujú riadenie polohy a rýchlosti posuvu. Rovnakosmerné motory a servomotory majú široké uplatnenie v automatizačnej technike, robotike, strojárstve (obrábacích strojoch) aj vo vojenskej technike [lineárne servopohony (equilibrators) na nastavovanie elevácie rýchlopalných zbraní].

4.1.1.2.6 Krokové motory

Krokový motor sa vyznačuje diskrétnym počtom polôh rotora v priebehu jednej otáčky a číslicovým riadením. Kmitočet riadiacich signálov býva udaný v rozsahu 1-20 kHz, uhol jedného kroku 0,9°-180°, výkon motoru do 2,5 kW. Motory majú obvykle niekoľko možností zapojenia statorového vinutia a jeho pripojenia na výkonný zdroj. Tým sa dá ovplyvniť momentová charakteristika motora, presnosť nastavenej polohy aj veľkosť odberového prúdu. Budiace vinutie statora je typicky dvojfázové, rotor je budený permanentným magnetom, axiálne polarizovaným. V celokrokovom režime je rozlíšenie 200 krokov na otáčku a uhol kroku 1,8°. Pri polkrokovoom režime je potom rozlíšenie 400 krokov na otáčku a zodpovedajúci uhol kroku 0,9°.

Malé krokové motory, synchrónne motory a EC motory môžu byť vybavené čelnou prevodovkou. Môžu pracovať tiež ako nastavovacie pre malé a presné natáčanie klapiek a ventilov v uhlovom rozsahu 0-90°.

Najčastejším konštrukčným prevedením je krokový motor s rotačným výstupom, existujú však aj krokové motory lineárne.

Lineárny krokový motor

Podobne ako krokový motor s rotačným pohybom môže byť lineárny motor prevedený:

-s pasívnym rotorom, teda s premennou reluktanciou vzduchovej medzery a nerovnakým počtom pólov statora a rotora;

-s aktívnym rotorom budeným prúdom vo vinutí;

-ako krokový motor hybridný, teda s budeným rotorom a remennou reluktanciou vzduchovej medzery.

Hybridný lineárny krokový motor sa vyznačuje budeným motorom (permanentným magnetom a elektromagnetmi A a B) a statorom s premennou reluktanciou vzduchovej medzery. Pólový rozstup pólových nástavcov rotora je odlišný od rozstupu zubov statora. Na obr. 4.23 je naznačená poloha, ktorú rotor dosiahol predchádzajúcou aktiváciou elektromagnetu A. Ak je následne prúdom vhodného smeru budený elektromagnet B, bude sa rotor pohybovať v naznačenom smere, až dosiahne polohu s minimálnou reluktanciou medzi pólovým nástavcom 4 a zubom statora. Vykoná 1 krok. Je zrejmé, že pojmy rotor a stator sú relatívne, statorom, alebo primárnou časťou, môže byť budený magnetický obvod a rotorom (sekundárnou časťou) kotva so zubmi.

Lineárny krokový motor má typický uhol kroku 1,8°, prípadne 0,9°. Menšiemu uhlu kroku zodpovedá vyššie rozlíšenie, pre uhol 0,9° môže byť rozlíšenie 1,5 µm pre plný krok. Taký lineárny akčný člen spĺňa požiadavku presného nastavenia polohy, dynamiky pohybu a veľkej životnosti. Môže pritom vyvinúť silu až 250 N [11].

Krokové motory s rotačným pohybom aj lineárne krokové motory nachádzajú uplatnenie v úlohách riadenia polohy a rýchlosti a v riadení synchronizovaných pohybov (X-Y zapisovače, riadenie snímacích hláv pevných diskov, posuvy numericky založených strojov, lekárske prístroje, telekomunikačné prístroje). Sú to akčné členy mnohých automatizačných aplikácií.