Расчёт параметров выходных преобразователей приводов мехатронных систем

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ АВТОНОМНАЯ НЕКОММЕРЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Волжский университет имени В.Н. Татищева» (институт) ФАКУЛЬТЕТ «Информатика и телекоммуникации»

Кафедра «Управление качеством в производственных и образовательных системах»

Курсовой ПРОЕКТ на тему Расчет параметров выходных преобразователей приводов мехатронных систем Выполнил:

Студент группы ИМ-411

Е.А. Пономарев Проверил:

С.Н. Васильева г. о. Тольятти 2011

• Введение
• 1. Типы двигателей электроприводов мехатронных систем
• 1.1 Определение понятия «электропривод»
• 1.2 Классификация электроприводов
• 1.3 Типы двигателей электроприводов
• 1.3.1 Асинхронные двигатели
• 1.3.2 Бесколлекторные двигатели
• 1.3.3 Шаговые двигатели
• 1.3.4 Мотор-редукторы: коллекторные двигатели постоянного тока
• 1.4 Электродвигатели серии АИР
• 1.4.1 Устройство электродвигателя
• 2. Расчет ленточного конвейера
• Заключение
• Список источников и литературы

Для повышения эффективности производства и улучшения качества продукции, в особенности тяжелой промышленности, необходимо с каждым годом совершенствовать технологию изготовления изделий, а так же использовать подходящее, точное оборудование. В борьбе за повышение качества продукции наряду с механизацией и автоматизацией технологических операций необходимо так же внедрять автоматизацию управления всей цепочкой производства.

Объектом изучения, в данном курсовом проекте, являются двигатели исполнительных механизмов мехатронных систем.

Целью курсового проекта является изучение, описание и расчет двигателей исполнительных приводов мехатронных систем и их выходных параметров.

Актуальность темы

заключается в том, что от двигателей, приводов во многом зависит точность и траектория движений, что задает конкуренцию производителей и стремление к улучшению характеристик двигателей исполнительных механизмов.

В современной жизни человека механизмы и машины играют важную роль. Они широко применяются в народном хозяйстве, промышленности, сельском хозяйстве, специальных областях техники, медицине, космической промышленности, быту и т. д.

С каждым днем увеличивается потребность в машинах и механизмах для многих устройств автоматики, телемеханики, связи, промышленной электроники, счетно-решающей и измерительной техники, предметов повседневного спроса.

В автоматических линиях, в промышленных работах, в приборах измерения и управления применяется большое число управляемых и неуправляемых исполнительных механизмов.

1. Типы двигателей электроприводов мехатронных систем

1.1 Определение понятия «электропривод»

Электрический привод представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочего органа машины и управления ее технологическим процессом. Он состоит из трех частей: электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование энергии, механической части, передающей механическую энергию рабочему органу машины, и системы управления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным критериям управление технологическим процессом. Характеристики двигателя и возможности системы управления определяют производительность механизма, точность выполнения технологических операций, динамические нагрузки механического оборудования и ряд других факторов. С другой стороны, нагрузка механической части привода, условия движения ее связанных масс, точность передач и т. п. оказывают влияние на условия работы двигателя и системы управления, поэтому электрические и механические элементы электропривода образуют единую электромеханическую систему, составные части которой находятся в тесном взаимодействии.

Свойства электромеханической системы оказывают решающее влияние на важнейшие показатели рабочей машины и в значительной мере определяют качество и экономическую эффективность технологических процессов. Развитие автоматизированного электропривода (рисунок 1.1) ведет к совершенствованию конструкций машин, к коренным изменениям технологических процессов, к дальнейшему прогрессу во всех отраслях народного хозяйства.

Рисунок 1.1 — Схема автоматизированного электропривода

1.2 Классификация электроприводов

Электроприводы по способам распределения механической энергии можно разделить на три основных типа: групповой электропривод; индивидуальный и взаимосвязанный.

Групповой электропривод обеспечивает движение исполнительных органов нескольких рабочих машин или нескольких исполнительных органов одной рабочей машины. Передача механической энергии от одного двигателя к нескольким рабочим машинам и ее распределение между ними производится с помощью одной или нескольких трансмиссий. Такой групповой привод называют также трансмиссионным (рисунок 1.2.1).

Рисунок 1.2.1 — Структурная схема группового трансмиссионного электропривода

Вследствие своего технического несовершенства трансмиссионный электропривод в настоящее время почти не применяется, он уступил место индивидуальному и взаимосвязанному, хотя в ряде случаев еще находит применение и групповой привод по схеме на рисунке 1.2.2.

Рисунок 1.2.2 — Структурная схема группового электропривода

Индивидуальный привод по сравнению с трансмиссионным и групповым обладает рядом преимуществ: производственные помещения не загромождаются тяжелыми трансмиссиями и передаточными устройствами; улучшаются условия работы и повышается производительность труда вследствие облегчения управления отдельными механизмами, уменьшения запыленности помещений, лучшего освещения рабочих мест; снижается травматизм обслуживающего персонала. Кроме того, индивидуальный электропривод отличается более высокими энергетическими показателями.

В трансмиссионном приводе при выходе из строя или при ремонте электродвигателя выбывает из работы группа машин, тогда как в случае индивидуального привода или группового по схеме на рисунке 1.2.2 остановка одного электродвигателя вызывает остановку лишь одной рабочей машины.

Рисунок 1.2.3 — Индивидуальные электроприводы рабочих органов (шпинделей) продольно-фрезерного станка

Индивидуальный электропривод широко применяется в различных современных машинах, например в сложных металлорежущих станках, в прокатных станах металлургического производства, в подъемно-транспортных машинах, экскаваторах, в роботах-манипуляторах и т. п.

Примером использования индивидуального привода может служить продольно-фрезерный станок (рисунок 1.2.3), имеющий отдельные электроприводы главных движений (приводы трех шпиндельных бабок).

Взаимосвязанный электропривод содержит два или несколько электрически или механически связанных между собой электродвигательных устройства (или электроприводов), при работе которых поддерживается заданное соотношение или равенство скоростей или нагрузок или положение исполнительных органов рабочих машин. Необходимость в таком приводе часто возникает по конструктивным и технологическим соображениям.

Примером взаимосвязанного электропривода может служить привод цепного конвейера. На рисунке 1.2.4 показана схема такого привода, рабочим органом которого является цепь, приводимая в движение двумя или несколькими двигателями (М1, М2), расположенными вдоль цепи. Эти двигатели имеют вынужденно одинаковую скорость.

Взаимосвязанный электропривод широко применяется в различных современных машинах и агрегатах, например в копировальных металлорежущих станках и станках с программным управлением, в бумагоделательных машинах, ротационных машинах полиграфического производства, и текстильных агрегатах, в прокатных станах металлургического производства, в поточных технологических линиях по производству шинного корда, синтетических пленок и т. д.

Рисунок 1.2.4 — Схема взаимосвязанного привода конвейера

По виду движения электроприводы могут обеспечить: вращательное однонаправленное движение, вращательное реверсивное и поступательное реверсивное движения.

Вращательное однонаправленное, а также реверсивное движение осуществляется электродвигателями обычного исполнения. Поступательное движение может быть получено путем использования электродвигателя вращательного движения обычного исполнения совместно с преобразовательным механизмом (кулисным, винтовым, реечным и т. п.) либо применения электродвигателя специального исполнения для поступательного движения (так называемые линейные электродвигатели, магнитогидродинамические двигатели).

По степени управляемости электропривод может быть:

1) нерегулируемый — для приведения в действие исполнительного органа рабочей машины с одной рабочей скоростью, параметры привода изменяются только в результате возмущающих воздействий;

2) регулируемый — для сообщения изменяемой пли неизменяемой скорости исполнительному органу машины, параметры привода могут изменяться под воздействием управляющего устройства;

3) программно-управляемый — управляемый в соответствии с заданной программой;

4) следящий — автоматически отрабатывающий перемещение исполнительного органа рабочей машины с определенной точностью в соответствии с произвольно меняющимся задающим сигналом;

5) адаптивный — автоматически избирающий структуру или параметры системы управления при изменении условий работы машины с целью выработки оптимального режима.

Можно классифицировать электроприводы и по роду передаточного устройства. В этом смысле электропривод бывает:

1) редукторный, в котором электродвигатель передает вращательное движение передаточному устройству, содержащему редуктор;

2) безредукторный, в котором осуществляется передача движения от электродвигателя либо непосредственно рабочему органу, либо через передаточное устройство, не содержащее редуктор.

По уровню автоматизации можно различать:

1) неавтоматизированный электропривод, в котором управление ручное; в настоящее время такой привод встречается редко, преимущественно в установках малой мощности бытовой и медицинской техники и т. п.;

2) автоматизированный электропривод, управляемый автоматическим регулированием параметров;

3) автоматический электропривод, в котором управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора.

Два последних типа электропривода находят применение в подавляющем большинстве случаев.

Наконец, по роду тока применяются электроприводы постоянного и переменного тока.

1.3 Типы двигателей электроприводов

1.3.1 Асинхронные двигатели

В современном автоматизированном производстве широкое применение находят мехатронные системы на базе регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока. Одним из перспективных направлений в развитии электроприводов является использование в качестве исполнительных электродвигателей асинхронных двигателей, которые имеют ряд преимуществ перед двигателями постоянного тока: более высокую надежность, простоту эксплуатации, лучшие массогабаритные показатели, низкую стоимость и др.

Однако существует ряд проблем, препятствующих применению электроприводов на базе асинхронных двигателей в мехатронных системах малых угловых и линейных перемещений. Особенностью таких мехатронных систем является работа в области низких скоростей перемещения рабочего органа исполнительного механизма, т. е. при малых частотах вращения выходного вала приводной системы. Указанная особенность обуславливает необходимость применения в мехатронных системах электроприводов с широким диапазоном изменения выходных параметров (угловой скорости вращения и момента). В статье не рассматривается возможность применения безредукторного электропривода на базе электрической машины двойного движения с перемещающимся в разных плоскостях ротором и статором для формирования вращательного, поступательного и возвратно-поступательных движений мехатронных систем.

Проведенные исследования в части широкого применения безредукторного электропривода с использованием многополюсных машин с питанием от промышленной сети или источника пониженной частоты, машин с катящимся ротором, машин с питанием ротора и статора от источников с разной частотой, редукторной машины и двигателя с субгармоническими магнитными колебаниями поля показали, что для низкоскоростных устройств мехатронных систем показатели такого электропривода вполне сравнимы с массогабаритными показателями редукторного электропривода.

Ограниченность использования современного частотно-регулируемого электропривода на базе 3-х фазного асинхронного двигателя в мехатронных системах специального назначения обусловлена тем, что достаточно низкий диапазон регулирования скорости (до 30) не обеспечивает необходимые выходные характеристики управления рабочим органом технологической машины. Малый диапазон регулирования таких приводов обусловлен неравномерностью вращения ротора асинхронного двигателя при низких частотах питающего напряжения статора (ниже 2−2,5 Гц).

1.3.2 Бесколлекторные двигатели Бесколлекторные двигатели постоянного тока состоят из статора с многофазной обмоткой и возбужденного ротора, в виде постоянного магнита и датчика положения ротора, выполненного в одном корпусе с двигателем и предназначенного для выработки сигналов управления моментами времени и последовательностью коммутации токов в обмотках статора. Принцип действия бесконтактного двигателя с тремя обмотками на статоре, сдвинутыми в пространстве на 120 градусов и соединенными в звезду и датчиком положения ротора с одним сигнальным элементом и тремя чувствительными элементами приведен на примере упрощенной схемы (рисунок 1.3.1). Число чувствительных элементов равно числу обмоток статора.

Главное преимущество бесколлекторных двигателей — отсутствие вращающихся и переключающихся контактов. Как следствие — бесколлекторные двигатели имеют очень большой ресурс.

Рисунок 1.3.1 — Бесколлекторный двигатель Типы бесколлекторных двигателей: Бесколлекторные двигатели с редуктором, Бесколлекторные двигатели со встроенным блоком управления.

1.3.3 Шаговые двигатели Шаговые двигатели — это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи. Современные шаговые двигатели являются, по сути, синхронными двигателями без пусковой обмотки на роторе, что объясняется не асинхронным, а частотным пуском шагового двигателя. Роторы могут быть возбужденными (активными) и невозбужденными (пассивными).

Принцип действия простейшего однофазного шагового двигателя

Двухполюсный ротор из магнитомягкой стали с клювообразными выступами помещен в четырехполюсный статор (рисунок 1.3.2). Одна пара полюсов выполнена из постоянных магнитов, на другой — находится обмотка управления. Пока тока в обмотках управления нет, ротор ориентируется вдоль постоянных магнитов и удерживается около них с определенным усилием, которое определяется магнитным потоком полюсов Фпм. При подаче постоянного напряжения на обмотку управления возникает магнитный поток Фу примерно вдвое больший, чем поток постоянных магнитов. Под действием электромагнитного усилия, создаваемого этим потоком, ротор поворачивается, преодолевая нагрузочный момент и момент, развиваемый постоянными магнитами, стремясь занять положение соосное с полюсами управляющей обмотки. Поворот происходит в сторону клювообразных выступов, т.к. магнитное сопротивление между статором и ротором в этом направлении меньше, чем в обратном. Следующий управляющий импульс отключает напряжение с обмотки управления и ротор поворачивается под действием потока постоянных магнитов в сторону клювообразных выступов.

Достоинством однофазных шаговых двигателей с постоянными магнитами является простота конструкции и схемы управления. Для фиксации ротора при обесточенной обмотке управления не требуется потребление энергии, угол поворота сохраняет свое значение и при перерывах в питании. Двигатели этого типа отрабатывают импульсы с частотой до 200−300 Гц. Их недостатки — низкий КПД и невозможность реверса.

Рисунок 1.3.2 — Простейший однофазный шаговый двигатель Реверсивные шаговые двигатели

Для осуществления реверса зубцы статора и ротора шагового двигателя должны быть симметричными (без клювообразных выступов). Рассмотрим работу двухфазного двухполюсного шагового двигателя с активным ротором в виде постоянного магнита. Будем считать, что намагничивающие силы фаз (НС) распределены по синусоидальному закону. При включении фазы под постоянное напряжение (условно положительной полярности) вектор НС статора совпадет с осью фазы А. В результате взаимодействия НС статора с полем постоянного магнита ротора, возникнет синхронизирующий момент Мс = Mmaxsinq, где q — угол между осью ротора и вектором НС. При отсутствии тормозного момента ротор займет положение, при котором его ось совпадет с осью фазы, А (рисунок 3.3, первый такт). Если теперь отключить фазу, А и включить фазу В, вектор НС и ротор повернуться на 90° (второй такт на рисунок 3.3). При включении фазы, А на напряжение обратной полярности (третий такт на рисунок 3.3) НС и ротор повернутся еще на 90° и т. д. Если к ротору ШД приложен момент нагрузки, то при переключении фаз ротор будет отставать от вектора НС на некоторый угол qн = arcsin (Mн/Mmax).

В зависимости от типа электронного коммутатора управление шаговым двигателем может быть: · однополярным или разнополярным; · симметричным или несимметричным; · потенциальным или импульсным. При однополярном управлении напряжение каждой фазе изменяется от 0 до +U, а при разнополярном — отU до +U. Управление называется симметричным, если в каждом такте коммутации задействуется одинаковое число обмоток, и несимметричным — если разное. При потенциальном управлении напряжение на обмотках изменяется только в моменты поступления управляющих импульсов. При отсутствии управляющего сигнала обмотка или группа обмоток находятся под напряжением, а положение ротора фиксируется полем обмоток. При импульсном управлении напряжение на обмотки подается только на время отработки шаг, после чего оно снимается и ротор удерживается в заданном положении либо реактивным моментом, либо внешним фиксирующим устройством. Магнитоэлектрические шаговые двигатели удается выполнить с шагом до 15°.Дальнейшее уменьшение шага ограничено технологическими трудностями создания ротора в виде постоянного магнита с числом пар полюсов больше шести.

Рисунок 1.3.3 — Реверсивный шаговый двигатель Гораздо более мелкий шаг (до долей градуса) можно получить в редукторных (индукторных) шаговых двигателей. Индукторные шаговые двигатели выполняются с числом фаз m = 2−4. Они имеют зубчатый ротор с равномерно расположенными zp зубцами и гребенчатые зоны статора, смещенные относительно друг друга на угол 2p/(mzp) (рисунок 1.3.4). Число пазов статора и ротора, их геометрические размеры выбираются такими, чтобы обеспечить необходимую величину шага и синхронизирующего момента при заданном виде коммутации токов. Основной особенностью индукторных двигателей является то, что магнитное поле в зазоре содержит постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая поля возбуждается либо постоянной составляющей тока обмоток управления — у двигателей с самовозбуждением, либо специальной обмоткой возбуждения — у двигателей с независимым возбуждением, либо постоянными магнитами — у магнитоэлектрических двигателей. Переменная составляющая магнитного поля создается импульсами тока обмоток управления, поступающими от электронного коммутатора.

Рисунок 1.3.4 — Редукторный шаговый двигатель

Основные параметры и характеристики шаговых двигателей Специфика конструкции шаговых двигателей и многообразие режимов их работы вызывают необходимость оценивать эти двигатели по следующим параметрам: частоте собственных круговых колебаний; электромагнитным постоянным времени; коэффициенту внутреннего демпфирования и характеристикам — предельным механическим и предельным динамическим. Частота собственных круговых колебаний — это угловая частота колебаний ротора около устойчивого положения при отсутствии момента нагрузки. Она является обобщенным параметром, зависящим от момента инерции J, амплитуды максимального синхронизирующего момента Mmax, числа пар полюсов p. Период собственных круговых колебаний, равный 1/w0, может служить внутренним эталоном времени. Действительно, момент инерции J определяет инерционность двигателя и механизма, амплитуда максимального синхронизирующего момента Mmax дает характеристику шагового двигателя как преобразователю энергии, число пар полюсов p определяет степень электромеханической редукции угла поворота и скорости вращения. Отношение Mmax/J дает теоретически предельное ускорение ротора шагового двигателя. Электромагнитная постоянная времени обмоток управления Tэм = L/R характеризует скорость протекания электромагнитных переходных процессов. Часто для уменьшения Тэм последовательно с обмоткой управления включают добавочное сопротивление. Уменьшать постоянную времени необходимо потому, что чем она больше, тем до меньшего значения нарастает ток за время импульса напряжения, меньше становится синхронизирующий момент, а, следовательно, и допустимый момент сопротивления. Коэффициент внутреннего демпфирования определяется отношением амплитуды потокосцепления ротора с фазой обмотки статора к ее активному сопротивлению. Этот параметр относится только к шаговым двигателям с активным ротором, поскольку его физический смысл заключается в образовании электромагнитного тормозного момента, вызванного взаимодействием поля ротора с током статора, наведенным этим полем и замыкающимся по цепи статор-источник тока. При этом механическая энергия колеблющегося ротора превращается в электрическую энергию с последующим рассеиванием ее в теплоту в активных сопротивлениях обмоток статора. Предельная механическая характеристика — это зависимость допустимого момента сопротивления от частоты управляющих импульсов в установившемся режиме работы. С ростом частоты сказывается запаздывание в нарастании тока, обусловленное индуктивностью обмоток. При некоторой предельной частоте момент двигателя становится равным нулю. Предельная динамическая характеристика — зависимость частоты приемистости от момента сопротивления и момента инерции нагрузки.

Режимы работы шаговых двигателей

Характер движения ротора шагового двигателя определяется частотой и характером изменения управляющих импульсов. В зависимости от этого различают следующие режимы работы шаговых двигателей: статический; квазистатический; установившейся; переходный. Статический режим — это режим, при котором по обмоткам статора протекает постоянный ток, создающий неподвижное в пространстве магнитное поле, а ротор не вращается. Под действием нагрузки ротор лишь отклоняется от положения М = 0 на некоторый угол q. Основной характеристикой этого режима является зависимость статического синхронизирующего момента от угла рассогласования M = f (q). Квазистатический режим — это режим отработки единичных шагов, при котором переходные процессы от предыдущего такта коммутации полностью затухли и скорость ротора в начале следующего шага равна нулю. Он используется в стартстопных, лентопротяжных и других механизмах, в которых требуется фиксация ротора после каждого шага. Предельная частота управляющих импульсов, при которой еще соблюдается квазистатический режим, определяется временем протекания электромагнитных и особенно электромеханических переходных процессов, т. е. временем колебаний ротора.

Для уменьшения или полного устранения качаний ротора в конце шага применяют различные приемы. При принудительном торможении после перевода управляющего импульса с первой обмотки или группы обмоток на вторую через некоторый промежуток времени, в течении которого ротор отработает часть шага и запасет определенное количество кинетической энергии, управляющий импульс вновь переводится на первую обмотку. На ротор начинает действовать тормозной момент. При правильном выборе времени и величины тормозящего момента ротор остановится в конце шага, после чего управляющий импульс переводится на вторую обмотку и ротор, отработав шаг, фиксируется в заданном положении практически без колебаний. При естественном торможении отработка шага происходит в два этапа: на первом этапе движение ротора осуществляется за счет положительного приращения момента, возникающего при сдвиге НС статора на часть полного шага; на втором этапе — за счет кинетической энергии, запасенной ротором при отрицательном (тормозном) моменте. При достижении ротором заданного положения НС сдвигается на оставшуюся часть шага и фиксирует ротор в этом положении. Естественное торможение возможно лишь в тех шаговых двигателях, у которых полный шаг можно поделить на несколько элементарных шагов.

Повысить предельную частоту квазистатического режима можно путем увеличения числа обмоток статора или числа тактов коммутации. Во всех этих случаях снижается угол перемещения и кинетическая энергия ротора, что уменьшает его склонность к качаниям. Установившийся режим — это режим, соответствующий постоянной частоте следования управляющих импульсов. При частоте управляющих импульсов f1, меньшей частоты собственных колебаний двигателя f0, движение ротора носит колебательный характер, что увеличивает динамическую ошибку при отработке заданного перемещения. При малых возмущениях частота собственных колебаний ротора где Mmax — максимальный статический синхронизирующий момент; Jp, Jнмомент инерции ротора и нагрузки, приведенные к валу двигателя; рчисло пар полюсов. При значительных возмущениях При частоте управляющих импульсов f1 = f0/k, где k — целое число, возникает явление электромеханического резонанса, которое при слабом демпфировании колебаний может привести к нарушению нормального движения ротора и выпадению его из синхронизма. При f1> f0 имеют место вынужденные колебания с частотой управляющих импульсов; амплитуда их монотонно уменьшается с увеличением частоты. Для устойчивой работы шагового двигателя необходимо, чтобы Mн/Mmax < 0,3 — 0,5, a Jн/Jp <1 -2. Переходный режим — это основной эксплуатационный режим работы шагового двигателя. Он включает в себя пуск, реверс, торможение, переход с одной управляющей частоты на другую. Физические процессы в переходных режимах определяются как параметрами двигателя и его нагрузки, так и начальными условиями, при которых начинается переходный процесс. Основное требование к шаговому двигателю в переходных режимах заключается в отсутствии потери шага, т. е. сохранение синхронизма при любом характере изменения управляющих импульсов. Пуск шагового двигателя осуществляется из неподвижного положения ротора, которое он занимает при установившихся значениях токов в обмотках, путем скачкообразного увеличения частоты управляющих импульсов от нуля до рабочей. При этом ротор вначале отстает от поля, затем, ускорясь, достигает частоты вращения поля, опережает его и вследствие отрицательного синхронизирующего момента снова замедляет свое движение. Вследствие демпфирования колебания скорости вращения быстро затухают, наступает установившийся режим.

Максимальная частота управляющих импульсов, при которой возможен пуск без потери шага, называется частотой приемистости fпр. Частота приемистости растет с увеличением максимального синхронизирующего момента, уменьшением шага, снижением постоянной времени обмоток, нагрузки и момента инерции. Для современных ШД fпр = 100−1000 Гц. Торможение шагового двигателя осуществляется скачкообразным снижение частоты управляющих импульсов от рабочего значения до нуля. Предельная частота, при которой ротор останавливается без потери шага, как правило, выше частоты приемистости, что объясняется внутренним демпфированием — электромагнитным тормозным моментом, моментом сопротивления нагрузки и трением в опорах. Реверс шагового двигателя производится путем изменения последовательности коммутации токов в обмотках, приводящего к изменению направления вращения магнитного поля на обратное. Предельная частота управляющих импульсов, при которой реализуется реверс без потери шага, всегда меньше частоты приемистости и составляет (0,2−0,5)fпр.

1.3.4 Мотор-редукторы: коллекторные двигатели постоянного тока

Область применения: средства автоматизации и системы управления, устройства регулирования, автоматические и автоматизированные системы управления, следящие мини-приводы, средства обработки и представления информации, специальные инструменты, медицинская техника. Пример моделей: IG-12GM, IG-16GM, IG-52GM, WG3929, SF8156.

1.4 Электродвигатели серии АИР

Двигатели АИР — это асинхронные электрические механизмы переменного тока, которые имеют несколько ступеней частоты вращения. Такие двигатели могут иметь от двух до четырех частот вращения, которые можно менять при помощи переключения обмотки на другое число полюсов.

Первая унифицированная серия асинхронных двигателей общего назначения А, АО была освоена в 1949 г.

В 1961 г. была освоена вторая единая серия электродвигателей А2, АО2.

С 1975 г. была заменена на серии 4А, 4АН которые соответствовали по технико-экономическим показателям уровню мировой техники. Затем серия 4А была модернизирована, что позволило улучшить некоторые показатели (снизить уровень шума, повысить основные параметры и уменьшить массу). Обозначение модернизированной серии — 4АМ, 4АМН.

В сотрудничестве со странами ИНТЕРЭЛЕКТРО была разработана серия электродвигателей АИ:

— АИР (для внутренних поставок и поставок на экспорт);

— АИС (для поставок только на экспорт).

В ней значительно улучшены многие показатели: пусковые и виброакустические характеристики, надежность, снижен расход основных материалов (от 10 до 20%).

В настоящее время также выпускаются 5 и 6 серии (5АМ, 5А, 5АМН, 6А), которые одинаковы или незначительно превышают по своим показателям электродвигатели серии АИР.

Все электродвигатели данной серии охватывают диапазон мощностей от 0,06 до 315 кВт. Они изготавливаются в двух исполнениях: чугунном (щиты и станина из чугуна) и алюминиевом (щиты из чугуна, а станина из алюминиевого сплава). Способ монтажа и конструктивные исполнения по ГОСТ 2479–79.

Двигатели данной серии работают от сети переменного тока напряжением 220, 380, 660 В. Частота тока: для внутригосударственных поставок 50 Гц, а также 60 Гц.

Двигатели серии АИР имеют несколько преимуществ, которые обуславливают их распространенность. Во-первых, они имеют достаточно простую конструкцию. Во-вторых, у них отсутствуют подвижные контакты. В-третьих, такие двигатели имеют высокую ремонтопригодность. И, в-четвертых, их цена по сравнению с другими электрическими двигателями достаточно низкая.

За счет своих явных преимуществ двигатели серии АИР имеют достаточно широкую сферу применения. Их используют для привода компрессорных установок, эскалаторов, станков, вентиляционного оборудования, насосов и других машин.

Основные технические характеристики:

— привязка мощности и установочных размеров стандарту ГОСТ Р 51 689−2000;

— степень защиты IP54, IP55 (электродвигатель АИР) по ГОСТ 17 494–87;

— степень защиты IP23 (электродвигатель АМН) по ГОСТ 17 494–87;

— изоляция класса нагревостойкости «F» по ГОСТ 8865–93;

— по способу монтажа, исполнения: IM 1001, IM2001, IM3011 по ГОСТ 2479–79;

— климатическое исполнение У2, У3 по ГОСТ 15 150–69.

— режим работы S1 по ГОСТ 183–74.

— способ охлаждения 1С-0151 по ГОСТ 20 459–87.

— уровень шума в режиме холостого хода — 2 класса по ГОСТ 16 372–93.

Дополнительные обозначения электродвигателей АИР специального исполнения:

— Б — встроенная температурная защита (АИР112М2БУ3);

— В — встраиваемые (АИРВ71А2);

— С — с повышенным скольжением (АИРС100L4), не путайте с АИС — привязка мощности к размерам по DIN;

— Е — со встроенным тормозом (АИР100S2Е);

— Е2 — с ручным растормаживающим устройством (АИР100L4Е2);

— 3Е — однофазный двигатель с трехфазной обмоткой (АИР3Е80В4);

— Е — однофазный двигатель с двухфазной обмоткой (АИРЕ100S4);

— Ж — электродвигатели для моноблочных насосов со специальным выходным концом вала (АИР80В2Ж);

— РЗ — для мотор-редукторов (АИР100S4РЗ);

— Ш — для промышленных швейных машин (АИР71В2Ш);

— П — повышенной точности по установочным размерам (АИР100S4П);

— Ф — хладономаслостойкое исполнение (АИР90L4Ф);

— А — для атомных электростанций (4АС100L4А5);

— Х2 — химостойкие (АИР112М4Х2).

Расшифровка условного обозначения — электродвигатель АИР 355 S4 У3, 250 кВт, 1500 об/мин:

— «А» — асинхронный двигатель,

— «И» — Интерэлектро,

— «Р» — привязка мощностей к установочным размерам в соответствии с ГОСТ Р 51 689 («C» — в случае привязки по нормам CENELEK),

— 355 — высота оси вращения (габарит),

— S — установочный размер по длине станины,

— 4 — число полюсов,

— У — климатическое исполнение,

— 3 — категория размещения.

1.4.1 Устройство электродвигателя

Асинхронные электродвигатели АИР (ранее выпускались двигатели 4А, 4АМ) с кроткозамкнутым ротором, благодаря простоте конструкции, отсутствию подвижных контактов, высокой ремонтопригодности, невысокой цене по сравнению с другими электрическими двигателями применяются практически во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства. Они используются для привода вентиляционного оборудования, насосов, компрессорных установок, станков, эскалаторов и многих других машин.

Принцип работы двигателей АИР состоит в электромагнитном взаимодействии между статором и ротором. Каждый двигателей данной серии состоит из статора, ротора, переднего и заднего подшипниковых щитов, кожуха, вентилятора и вводного устройства. Статор имеет всыпную обмотку, которая состоит из эмалированного медного провода. Ротор — это насаженный на вал сердечник. Обмотка ротора короткозамкнутая и сделана из алюминия или его сплавов. Подшипниковые щиты обычно изготавливаются из чугуна или алюминиевого сплава.

Устройство двигателя: 1 — подшипник; 2, 20 — шпонка; 3 — пружина невинтовая; 4, 12 — щит подшипниковый; 5 — блок зажимов; 6 — крышка защитная; 7 — панель; 8 — статор; 9 — шпилька; 10, 19, 26 — гайка; 11, 17 — пружина; 13 — якорь; 14 — ярмо; 15 — колесо рабочее вентилятора; 16 — кожух; 18 — штифт; 21 — диск; 22 — кольцо пружинное; 23 — табличка; 24 — ротор; 25 — винт; 27 — болт.

Электродвигатель асинхронный HELZ АИР71Е-АИР100Е со встроенным электромагнитным тормозом работает по принципу электромагнитного взаимодействия между статором и ротором. Электродвигатель состоит из следующих основных деталей и сборочных единиц (см. рис.): статора 8, ротора 24, переднего и заднего подшипниковых узлов, тормозного устройства, колеса рабочего вентилятора 15 и кожуха 16.

Статор 8 состоит из станины, в которую запрессован сердечник статора с обмоткой. Обмотка статора всыпная, состоит из медного эмалированного провода. В прилитой к станине коробке крепится блок зажимов 5, штуцер и крышка защитная 6. В крышке защитной установлена панель 7, на которой смонтирована схема питания катушки электромагнита.

Для предохранения электродвигателя от попадания пыли и воды внутрь выводное устройство имеет уплотнение по периметру крышки защитной и в месте ввода кабеля. Изоляционные материалы, применяемые в двигателе, имеют класс нагревостойкости «F». Ротор 24 представляет собой сердечник, насаженный на вал. Сердечник собран из листов электротехнической стали, а короткозамкнутая обмотка выполнена из алюминия. Передний подшипниковый узел состоит из щита подшипникового 4, подшипника 1 и пружины невинтовой 3, осевого поджатия подшипника.

Задний подшипниковый узел состоит из щита подшипникового 12, внутри которого залит стальной диск, торцевая поверхность которого используется для торможения подшипника 1 и пружинного кольца 22.

Тормозное устройство состоит из следующих узлов и деталей: ярмо 14 — стальной магнитопровод, облитый алюминиевым сплавом. В магнитопровод вложена катушка, концы которой выведены на клеммы панели. Якорь 13 соединен с ярмом посредством 4-х пружинных секторов, которые удерживают якорь от поворота при торможении.

Тормозной диск 21 расположен между задним подшипниковым щитом и якорем. Колесо рабочее вентилятора 15 выполнено из пластмассы, насажено на вал двигателя и защищено стальным кожухом 16.

Ручное растормаживание осуществляется ручкой 3 путем смещения ее от исходного положения в сторону колеса рабочего вентилятора. Для предохранения от коррозии узлов и деталей электродвигателя применены специальные гальванические и лакокрасочные покрытия. Работа тормозного устройства основывается на электромагнитном взаимодействии между якорем 13 и ярмом 14 электромагнита.

При отключенном питании ротор 24 электродвигателя заторможен. Напряжение подается на обмотку статора 8 и катушку электромагнита одновременно. В ярме 14 создается магнитный поток, который замыкается через воздушный зазор между ярмом и якорем на якорь. Якорь притягивается к ярму, ротор растормаживается и начинает вращаться под действием магнитного поля статора. При отключении питания силой сжатых пружин 17 якорь 13 отталкивается от ярма 14, своей тормозной поверхностью прижимает диск 21 к тормозной поверхности щита подшипникового 12 и ротор затормаживается.

2. Расчет ленточного конвейера

мехатронный электропривод двигатель конвейер

Исходные данные. Вариант 13. Рассчитать конвейер при следующих исходных данных: перемещаемый груз с р_m = 970 кг/м³. Производительность в смену Q_см = 1850 т/см при продолжительности смены Т_с = 8 ч, коэффициент неравномерности поступления груза К_н = 1,33, коэффициент использования транспортера во времени К_вр = 0,8.

1. Находим производительность конвейера:

2. Рассчитываем необходимые геометрические параметры конвейера. Длина горизонтальной проекции наклонного участка L_г1 = L₁· cosб = 20· cos 15° = 19,3 м, высота подъема груза H = L_г1· sinб = 20· sin 15° = 5,17 м.

3. Определяем ширину ленты, в качестве поддерживающих элементов рабочей ветви ленты берем трехроликовые желобчатые опоры. Скорость ленты при транспортировании мешков с порошком, согласно рекомендациям, принимаем х = 3,20 м/с, угол естественного откоса ц = 34°, коэффициент С_н при угле наклона транспортера б = 15° равен 0,95.

Тогда ширина ленты по формуле:

;

.

Так как полученное значение B_ж не совпадает со значением по ГОСТ 20–76, примем B_ж=0,8 м.

4. Определяем массу 1 м ленты по формуле:

q_л=(10…15)В;

q_л = 15 В = 15· 0,8 = 12 кг/м.

5. Из таблиц принимаем диаметры роликов желобчатых в прямых опор равными 102 мм; расстояния l_р берем для рабочей ветви 1,3 м, для холостой — 2,0 м. Масса вращающихся частей желобчатой роликовой опоры по таблице равна 12,5 кг, прямой — 10,5 кг.

Тогда по формуле:

q_p=m_p/l_p;

;

Массу груза на 1 м ленты находим по формуле:

Q=3,6· q·х;

q = Q_p/3,6х = 385,5/3,6· 3,2 = 33,4 кг/м.

6. Проводим тяговый расчет, предварительно разбив трассу конвейера на участки с одинаковым видом сопротивлений. За точку с минимальным натяжением примем точку 1 сбегания ленты с приводного барабана. Обозначив натяжение в этой точке S₁ = S_сб и, обходя трассу по ходу ленты, определим сопротивления на участках и величину натяжения в точках. Результаты расчетов сведем в таблицу. Часть подобной таблицы представлена ниже.

Используя систему уравнений и принимая коэффициент трения между лентой и барабаном f = 0,30 (по табл.) и угол обхвата барабана лентой б = 180°, e^fб = е^{0,3· 3,14} = 2,56, вычисляем величину S₁.

Подставляя значение S₁ в уравнения, выражающие натяжения ленты в точках трассы, определим их значения во всех характерных точках.

По полученным данным строим диаграмму растягивающих усилий.

Рисунок 2.1 — Диаграмма растягивающих усилий Минимальное натяжение на рабочей ветви тягового элемента будет в точке 8. Используя формулу S_min=(5…10)(q + q_л)gl'_p проверяем правильность выбранного расстояния между роликовыми опорами

S_min = 5(12 + 33,4) 9,8· 1,4 = 2647 < 2954 Н.

Так как величина S_min меньше S₈, то расстояние между роликовыми опорами выбрано правильно и пересчета величин натяжений выполнять не надо.

Расчет сопротивления по трассе конвейера (см. рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 — Расчетная схема ленточного конвейера: 1…11 — точки трассы; 1 — S₁ = 2250 Н; 2 — S₂ = 2340 Н; 3 — S₃ = 2480 H; 4 — S₄ = 2574 H; 5 — S₅ = 2950 Н; 6 — S₆ = 3036 Н; 7 — S₇ = 2597 Н; 8 — S₈ = 2762 Н; 9 — S₉ = 5052 H; 10 — S₁₀ = 5094 H; 11 — S₁₁ = 6172 H.

7. Зная максимальное усилие S_max = S₁₁, определяем требуемое число прокладок ленты по формуле z=S_maxn_л/BK'_p, принимая материал прокладок ткань БНКЛ-65 с К'_р=65 Н/мм и n=10, z=6172*10/80*650=1,2. Округляем до z = 3.

8. Диаметр приводного барабана по формуле D_б?(125…150)z будет D_п.б = 125z=125*3=375 мм. Полученное значение D_п.б округляем по государственному стандарту. Диаметр концевого барабана принимаем равным 400 мм.

9. Сила тяжести натяжного груза:

G_н.г = S₇ + S₈ — G_б = 2597 + 2762 — 300 = 5059 Н.

10. Тяговое усилие на приводном барабане будет:

Р = (S₁₁ — S₁)о = (6172 — 2250)1,06 = 4157 Н.

Необходимая мощность электродвигателя привода, считая з=0,9, равна:

N = 4175*3,2/1000*0,85 = 15,7 кВт.

По каталогу выбираем электродвигатель 4А180М6УЗ с N_д=18,5 кВт и n_д=975 oб/мин.

Заключение

Таким образом, в данном курсовом проекте был описан теоретический вопрос на тему: «Типы двигателей электроприводов мехатронных систем». Были проведены описание и расчет ленточного конвейера, в итоге подобран электродвигатель. Ленточные конвейеры широко используются в металлургической, горнодобывающей и других видах промышленности. Их использую для транспортировки насыпных и штучных грузов, как на набольшие расстояния, так и на большие расстояния. На различных предприятиях ленточные конвейеры нашли широкое применение, так как позволяют транспортировать практически любые виды грузов (кроме жидких) в горизонтальном и наклонном направлениях, реализовать разнообразные схемы транспортных операций. Широкое использование ленточных конвейеров связано с тем, что они просты по конструкции и в эксплуатации, надежны в работе, экономичны, имеют широкий диапазон производительности.

Любой ленточный конвейер состоит из замкнутого тягового элемента (ленты), являющегося одновременно и рабочим элементом, который перемещается по стационарным роликовым опорам и огибает направляющие устройства. Верхняя ветвь ленты, на которой расположен груз (обычно ее называют рабочей ветвью), движется по стационарным желобчатым роликовым опорам. Нижняя часть ленты (обычно ее называют холостой) движется, опираясь на прямые роликовые опоры. Лента приводится в движение от приводного барабана, связанного через передаточный механизм с электродвигателем. Простота и надежность их конструкции обеспечивает их работу в течение длительного времени.

Основные задачи развития машиностроения в нашей стране — это увеличение мощности и быстроходности, а, следовательно, и производительности машин, снижение их материалоемкости и себестоимости, повышение точности и надежности, а также улучшение условий обслуживания, внешнего вида машин и повышение их конкурентоспособности на мировом рынке.

Список источников и литературы

1) Чиликин М. Г., Общий курс электропривода: учебник для вузов / М. Г. Чиликин, А. С. Сандлер.- 6-е изд. доп. и перераб. — М.: Энергоиздат, 1981. — 576 с., с ил.

2) Основы автоматизированного электропривода: учеб. пособие для вузов, М. Г. Чиликин, М. М. Соколов, В. М. Терехов, А. В. Шинянский. — М.: Энергия, 1974. -568 с., с ил.

3) Чиликин М. Г. Теория автоматизированного электропривода: учеб. пособие для вузов / М. Г. Чиликин, В. И. Ключев, А. С. Сандлер. — М.: Энергия, 1979. — 616 с., с ил.

4) Вешеневский С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе. / С. Н. Вешеневский. — 6-е изд., исправленное. — М.: Энергия, 1977. — 432 с., с ил.

5) Зимин Е. Н. Автоматическое управление электроприводами: учеб. пособие для студентов вузов. / Е. Н. Зимин, В. И. Яковлев. — М.: Высш. школа, 1979. — 318 с., с ил.