Стыковка электродвигателя с механизмом. Мотор-редукторы

Вопросы стыковки и согласования узлов привода всегда были актуальны и трудоемки. Особенно актуальны, они стали сейчас, когда привод собирается, в основном, из покупных узлов. Рассмотрим вопрос стыковки на примере соединения электродвигателя с редуктором (рис. 2.25).

a

е

Рис. 2.25. Схема стыковки электродвигателя с редуктором:

1 – вал электродвигателя; 2, 5 – опоры; 3, 6 – корпус; 4 – вал редуктора

Вал 1 электродвигателя имеет опоры 2, расположенные в корпусе 3. Входной вал 4 редуктора имеет опоры 5, расположенные в корпусе 6. Если опоры 2 и 5 существенно несоосны, то жесткое соединение валов приведет к большим реакциям в опорах и подшипники либо быстро износятся, либо их заклинит. Обеспечить высокую соосность опор, расположенных в разных корпусах, сложно. Всегда есть радиальное смещение осей опор е и угловое смещение α. Поэтому валы соединяют не жестко, а с помощью различных подвижных муфт, «развязывающих» валы (и это главное назначение муфт, а не только передача вращения с одного вала на другой). Типовая компоновка привода с двигателем и редуктором на лапах изображена на рис. 2.26.

Рис. 2.26. Компоновка привода с двигателем и редуктором на лапах:
1 – электродвигатель на лапах; 2 – тормоз внешний; 3 – муфта; 4 – редуктор;
5 – подставка для совмещения осей; 6 – рама

Такая компоновка имеет ряд недостатков:

· при больших скоростях вращения муфты работают нормально, без вибраций, только при небольших несоосностях соединяемых валов; обеспечить малую несоосность сложно;

· конструкция привода в целом получается громоздкой и неудобной для встраивания в машину.

Поэтому, современные приводы стараются строить по-другому, например, как показано на рис. 2.27.

Рис. 2.27. Мотор-редуктор (в различных положениях):

1 – двигатель; 2 – фланец; 3 – редуктор; 4 – адаптер; 5 – гнездо; 6 – тормоз;
7 – датчик; 8 – выходной вал редуктора; 9 – закладной вал; 10 – лапа

Здесь двигатель 1 имеет фланцевое исполнение и закреплен за фланец 2 на редукторе 3 непосредственно или через переходник (адаптер) 4. Компенсирующую муфту в этом случае можно исключить.

При наличии центрирующих элементов на стыкуемых деталях и высокой точности изготовления этих деталей можно обеспечить необходимую соосность соединяемых валов. Вал двигателя в этом случае соединяется с валом редуктора жестко, например, вал двигателя вставляется в гнездо 5 входного вала редуктора. Если в приводе необходим тормоз 6 и (или) датчик 7 угла поворота и скорости вала двигателя, их встраивают внутрь двигателя. Подобную компактную конструкцию называют мотор–редуктор.

Выходной вал редуктора 8 часто выполняют полым. Тогда в этом валу можно закрепить закладной вал 9, хвостовик которого может быть любым, по желанию конструктора. Лапы 10 на редукторе выполняют по периметру корпуса, что позволяет закреплять мотор-редуктор в разных положениях. Все это существенно упрощает встраивание привода в машину.

В маломощных мотор-редукторах все функциональные элементы часто располагаются в едином корпусе (рис. 2.28).

Рис. 2.28. Мотор-редуктор в едином корпусе:

1 – корпус; 2 – датчик угла поворота или датчик скорости; 3 – электродвигатель; 4 – дисковый электромагнитный тормоз; 5 – планетарный редуктор

И только мощные тяжелые приводы по-прежнему в основном компонуют по схеме, приведенной на рис. 2.26.

Выбор электродвигателя

При выборе электродвигателя ориентируются, прежде всего, на требования к приводу, в котором двигатель будет работать. Учитывают свойства и характеристики двигателя, исходящие из его принципа действия и устройства, учитывают ограничения по применению двигателя. Ориентируясь только на характеристики двигателя, записанные в его паспорте, и не понимая устройства двигателя, при выборе двигателя легко ошибиться, так как ни в одном паспорте невозможно описать все возможные случаи и все нюансы применения двигателя. В паспорте учитывают только типовые, часто встречающиеся случаи, и набор характеристик, записанных в паспорте, весьма ограничен.

При выборе двигателя, прежде всего, необходимо определиться с его типом, например, двигатель постоянного или переменного тока. Здесь выбор изначально зависит от имеющегося источника питания. Источником постоянного тока может быть аккумулятор, батарея, неуправляемый выпрямитель на диодах (одно- или двухполупериодный), простой или сложный управляемый выпрямитель на тиристорах (управляемых диодах) или на транзисторах. Источником переменного тока может быть одно- и трехфазная сеть или частотный преобразователь. Современные приводы стараются строить на двигателях переменного тока, как более простых, надежных, дешевых, за исключением, малогабаритных высокоскоростных двигателей (микродвигателей).

Конечно, если определяющим при выборе двигателя является источник питания, двигатель должен быть согласован с ним по электрическим параметрам: роду тока, величине тока, величине напряжения.

Далее выбирают двигатели по скорости.

Имеют в виду, что высокоскоростные двигатели, при одинаковых габаритах с низкоскоростными, имеют большую мощность, но требуют редуктор с большим передаточным числом. При больших скоростях имеет место повышенный шум, а некоторые типоразмеры редукторов вообще не допускают больших скоростей на входном валу. Исходя из сказанного, например, наибольшее применение среди асинхронных двигателей имеют двигатели с n₀ = 1500 об/мин.

Далее следует выбрать двигатель по мощности и моменту. Известно, что основной причиной выхода двигателей из строя является их перегрев. Нагрев двигателя зависит от режима работы и качества охлаждения. Режим работы может быть легким – с редкими пусками и длительными паузами, во время которых двигатель полностью охлаждается, и тяжелым – с частыми или длительными (тяжелыми) пусками при больших пусковых токах. Режимы работы нерегулируемых по скорости двигателей обозначаются по ГОСТ как S1, S2…S10. Рассмотрим два характерных режима: S1 и S4.

Режим S1 работы двигателя соответствует включению и длительной работе при постоянной нагрузке.

Мощность двигателя при поступательном движении исполнительного звена равна

, (2.14)

где F – сила сопротивления движению исполнительного звена;

V – линейная скорость движения исполнительного звена;

η– КПД механизма.

Мощность двигателя при вращательном движении исполнительного звена равна

, (2.15)

где ω – угловая скорость движения исполнительного звена;

M – момент сопротивления движению исполнительного звена.

По каталогу выбирают двигатель ближайший по мощности, для которого выполняется условие

Режим S4 работы двигателя соответствует затяжным пускам и (или) высокой частоте включений. S4 – повторно-кратковременный (старт-стопный) режим – последовательность одинаковых циклов, состоящих из периодов работы с постоянной нагрузкой и пауз
(рис. 2.29).

Рис. 2.29. Диаграмма работы двигателя в режиме S4

Максимальная (при ω_дв = ω_max) мощность двигателя в режиме S4

где P_ст – статическая (не зависящая от ускорения при разгоне) мощность на исполнительном звене механизма;

P_дин – максимальная динамическая мощность – мощность, необходимая для преодоления сил инерции при разгоне системы двигатель–механизм.

Выражения для статической и динамической мощности имеют вид

или , (2.16)

P_дин = k_пmaV или P_дин = k_пJεω, (2.17)

где m и J – масса или момент инерции исполнительного звена;

a и ε – линейное или угловое ускорение исполнительного звена;

k_п – коэффициент, учитывающий влияние пускового момента и инерции ротора двигателя, k_п = 0,6...0,9; при быстром разгоне системы принимают большие значения k_п.

Желаемым ускорением исполнительного звена надо задаться или, зная установившуюся скорость исполнительного звена, задаться временем разгона привода t_раз, тогда при равноускоренном разгоне

a = V/t_разилиε = ω/t_раз. (2.18)

Также надо задаться синхронной скоростью двигателя n₀.

По найденной мощности и скорости n₀ выбирают по каталогу двигатель, у которого мощность P_дин ³ P_дв. Этот выбор предварительный, так как приблизительно был выбран коэффициент k_п, а также не учтен главный для режима S4 фактор – тепловое состояние двигателя.

С учетом пускового момента двигателя M_двп и момента инерции ротора двигателя J_дв (M_двп и J_дв берутся из каталога) фактическое время разгона привода

(2.19)

где J_пр – приведенный момент инерции устройства двигатель–механизм, J_пр = J_прм + J_дв; J_прм – приведенный к валу двигателя момент инерции механизма, включая исполнительное звено (правило приведения – по формуле 2.4);

w_дв – номинальная скорость двигателя, w_дв » 0,1×n_дв (n_дв в с размерностью об/мин находится по каталогу).

Если полученное время разгона слишком велико, надо выбрать двигатель большей мощности и расчет повторить; если слишком мало – выбрать двигатель меньшей мощности.

Тепловое состояние двигателя приблизительно характеризует относительная продолжительность включения. Рассмотрим график теплового состояния (рис. 2.30) для цикла работа–пауза.

tраз

t (с, мин)

работа

пауза

tп

tр

T

T - цикл

tп

tр

температура нагрева двигателя

максимально допустимая температура

q (°C)

Рис. 2.30. График теплового состояния двигателя

Относительная продолжительность включения, %

ПВ =100×t_p/(t_p + t_п) =100× t_p/Т , (2.20)

где t_p – время работы двигателя;

t_п – время паузы – перерыва в работе; Т – время цикла.

Если продолжительность цикла менее 1...2 минут (частые пуски), а ПВ выше 40…50 %, необходимо предусматривать запас по мощности, вплоть до двукратного, при непрерывных пусках и торможениях.

Уточненныйтепловой расчет сводится к определению допустимого числа включений выбранного двигателя в единицу времени и сравнению этого числа с фактическим числом включений. Расчет ведется с помощью коэффициентов, значения которых приводятся в каталогах. Точный тепловой расчет практически невозможен из-за сложности определения теплового баланса нагрев-охлаждение.

M, Нм

Двигатели, работающие при переменной нагрузке и с переменными скоростями, например в режиме сервопривода, выбираются не по мощности, а по моменту. Связано это с тем, что в сервоприводе требуется обеспечить нормированные ускорения и скорости при сложном цикле работы. Сначала выясняется закон движения исполнительного звена и строится диаграмма моментов, нагружающих двигатель (рис. 2.31).

M1

T

-

+

t, c

t8

t7

t6

t5

t4

t3

t2

t1

M8=0

M7

M6

M4=0

M5

M3

M2

M1

Рис. 2.31. Диаграмма моментов, нагружающих двигатель

На диаграмме использованы следующие обозначения:

М₁ – момент при разгоне, время действия момента – t₁.

M₂– момент при установившемся движении.

М₃ – момент при торможении.

М₄ = 0 – пауза в работе привода.

М₅ – момент при разгоне при движении в обратном направлении.

М₆ – момент при установившемся движении.

М₇ – момент при торможении.

M₈ = 0 – пауза.

Т – время цикла.

Устанавливаемый двигатель должен отвечать следующим условиям:

1. Пиковый момент М_mах обычно не должен превышать трехкратное значение номинального момента двигателя М₀.

2. Расчетный эквивалентный момент М_экв не должен превышать значение номинального момента М₀.

Первое условие связано с перегрузочными возможностями двигателя. Обычно пиковый момент имеет место на участке разгона; на рис. 2.31 М_mах = М₁. Второе условие определяет работоспособность двигателя по тепловым нагрузкам.

По первому условию, в соответствии с рис. 2.30

М₀ ≥ М_mах/3 = М₁/3. (2.21)

По второму условию

. (2.22)

Выбор двигателя по моменту М₀, так же как и выбор двигателя, работающего в режиме S4, приходится вести в несколько этапов: сначала предварительный выбор, затем окончательный. Это связано с тем, что изначально неизвестны (двигатель еще не выбран) момент инерции ротора двигателя и его пусковой момент. Поэтому диаграмма моментов (рис. 2.31) сначала составляется без учета параметров двигателя.

Наконец, при выборе двигателя нужно еще учесть условия внешней среды: температуру, влажность, запыленность и т. п. Существуют двигатели пылезащищенные, брызгозащищенные, взрывобезопасные и др.

Типы защиты от внешней среды обозначают буквами IР (International Protection) и двумя цифрами; первая характеризует защиту от посторонних предметов, вторая – защиту от попадания воды, например, IР54. Обозначения могут изменяться от IР00 (нет защиты) до IР68 (6 – защита от попадания любых предметов и любой пыли, 8 –защита при длительном погружении в воду).