Nguyên lý kỹ thuật

Ưu điểm truyền động tuyến tính

*MTBF: Mean Time Between Failures

Đặc điểm động cơ tuyến tính

Truyền động tuyến tính cho phép chuyển động tuyến tính mà không cần bộ chuyển đổi chuyển động hay bánh răng trung gian.

Động cơ tuyến tính bao gồm phần động và phần tĩnh. Phần động chứa các cuộn dây quấn, phần tĩnh bao gồm một bộ nam châm vĩnh cửu được sắp xếp đối diện với phần động. Các loại động cơ có thể được phân loại thành có rãnh, không rãnh và không lõi sắt, cũng như động cơ bước (động cơ từ trở lai đồng bộ).

Động cơ tạo ra lực đồng đều và điển hình trong một dải tốc độ nhất định. Độ lớn của lực được xác định bởi diện tích khe hở không khí hiệu quả giữa phần động và phần tĩnh.

Khi dòng điện được đưa vào phần động, trường điện từ xung quanh các cuộn dây quấn tạo ra lực tác động lên phần tĩnh, tạo ra chuyển động tuyến tính.

Hệ thống trục tuyến tính yêu cầu hệ thống dẫn hướng phù hợp để duy trì khe hở không khí giữa phần động và phần tĩnh, cũng như hệ thống đo tuyến tính để phát hiện vị trí động cơ.

Mỗi dòng động cơ bao gồm các lựa chọn chiều dài và chiều rộng khác nhau để đáp ứng các yêu cầu lực và lắp đặt khác nhau, đồng thời cung cấp nhiều biến thể lắp đặt và kết nối.

Động cơ tuyến tính L1: Primary Part và Secondary Part

Tổng quan dòng động cơ tuyến tính

Động cơ có rãnh

Động cơ ít sắt / Không rãnh

Động cơ không lõi sắt

Động cơ từ trở

Thông số động cơ — Tiêu chí hiệu quả

Dựa trên kích thước động cơ, tổn hao công suất (tổn hao đồng) được tạo ra bởi lực và quá trình tại các điểm vận hành khác nhau là cố định và độc lập với thiết kế dây quấn. Vì động cơ tuyến tính không tạo ra công suất cơ học khi đứng yên, nên việc trích dẫn hệ số hiệu suất ở đây không có ý nghĩa.

Hằng số động cơ k_m có thể được sử dụng như một phương tiện để so sánh hiệu quả của các động cơ khác nhau. Hằng số động cơ cao hơn đại diện cho việc chuyển đổi lực so với tổn hao công suất hiệu quả hơn.

k_m theo nhiệt độ

Hằng số động cơ k_m phụ thuộc vào điện trở thuần và do đó cũng phụ thuộc vào nhiệt độ dây quấn của động cơ. Trong dữ liệu kỹ thuật động cơ, k_m được tham chiếu ở 25 °C.

Hình dưới đây cho thấy sự phụ thuộc của hằng số động cơ tham chiếu vào nhiệt độ: ở nhiệt độ dây quấn 100 °C, k_m giảm xuống khoảng 88% giá trị của nó ở 25 °C.

Thiết kế dây quấn và các phụ thuộc

Tốc độ giới hạn có thể đạt được của bất kỳ động cơ tuyến tính nào phụ thuộc phần lớn vào thiết kế dây quấn và điện áp bus DC (U_DCL). Sụt áp nội của động cơ tăng theo tốc độ. Ở tốc độ giới hạn được chỉ định, nhu cầu điện áp cho điều khiển định hướng trường tương ứng với điện áp bus của bộ biến đổi servo. Vượt qua điểm này, tốc độ giảm mạnh.

Điện áp bus càng cao, hằng số điện áp liên quan đến dây quấn (k_u) càng thấp và tốc độ giới hạn có thể đạt được càng cao. Do mối quan hệ giữa hằng số điện áp và hằng số lực, hằng số lực tăng ở tốc độ cao hơn khi nhu cầu dòng điện cho cùng lực tăng.

Đặc tính lực-dòng điện mô tả lực tại các điểm vận hành khác nhau. Đặc tính lực-tốc độ cho thấy mối quan hệ giữa lực và tốc độ tại các điểm vận hành khác nhau.

Dòng động cơ tuyến tính L1

Đặc tính lực-tốc độ

Đặc tính F(v) của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hầu như độc lập với tốc độ trong dải tốc độ thấp. Điều này áp dụng cho F_p, F_cw và F_c tới tốc độ góc tương ứng v_lp, v_lcw và v_lc. Ở tốc độ cao hơn, lực giảm dần do ảnh hưởng của sức phản điện động*, cuối cùng giảm xuống không.

Điện áp bus cao hơn bù đắp cho sức phản điện động lớn hơn, cho phép đạt tốc độ cao hơn.

Điều kiện vận hành

Động cơ có thể hoạt động tại bất kỳ điểm vận hành nào dưới đường đặc tính F(v):

• Trong vận hành liên tục không làm mát, lực có thể đạt tới F_c
• Trong vận hành liên tục làm mát bằng nước, lực có thể đạt tới F_cw
• Trong vận hành gián đoạn theo chu kỳ (S3**), lực có thể đạt tới F_p

Đối với chuyển động động cơ điều khiển vòng kín, phải duy trì lề thích hợp giữa điểm vận hành tiềm năng và vùng giảm của đặc tính F(v). Lề khoảng 0.2 lần tốc độ tối đa thường được dự trữ làm dự phòng điều khiển.

*Sức phản điện động: Back Electromagnetic Force
**S3: Chế độ vận hành theo tiêu chuẩn VDE 0530

Đặc tính Lực-Tốc độ (F-v): Fp (lực đỉnh), Fcw (lực liên tục làm mát bằng nước), Fc (lực liên tục không làm mát) và tốc độ góc tương ứng

Đặc tính lực-dòng điện

Đường đặc tính từ gốc tọa độ (0,0) đến (F_pl, I_pl) xấp xỉ tuyến tính, được xác định bởi hằng số lực k_f:

Điểm vận hành cho vận hành không làm mát (F_c, I_c) và điểm vận hành cho vận hành làm mát bằng nước (F_cw, I_cw) đều nằm trong vùng tuyến tính này.

Vùng bão hòa

Ở dòng điện cao, tính phi tuyến của đặc tính lực-dòng điện xuất phát từ sự bão hòa của mạch từ của động cơ. Đoạn đường cong này được mô tả trong bảng dữ liệu và sơ đồ bởi các điểm vận hành lực-dòng điện (F_p, I_p) và (F_u, I_u), với độ dốc thấp hơn nhiều so với k_f.

Động cơ có thể hoạt động tại điểm vận hành (F_p, I_p) trong thời gian ngắn (theo chu kỳ ≤3 giây), miễn là tổn hao nhiệt trung bình đã được tính đến. Đây là điểm vận hành tối đa cần sử dụng cho quá trình tăng tốc.

Tất cả các thông số được giải thích trong bảng thuật ngữ.

Đặc tính Lực-Dòng điện (F-I): vùng tuyến tính (xác định bởi kf) và vùng bão hòa (điểm vận hành Fp/Fu)

Bảo vệ nhiệt

Truyền động tuyến tính thường được vận hành gần giới hạn hiệu suất nhiệt của chúng. Ngoài ra, các quá tải không lường trước có thể xảy ra trong quá trình vận hành, làm cho dòng điện vượt quá dòng điện định mức cho phép. Do đó, bộ điều khiển servo cho động cơ thường phải được trang bị bảo vệ quá tải để kiểm soát dòng điện động cơ. Phải đảm bảo rằng giá trị RMS của dòng điện động cơ chỉ được phép vượt quá dòng điện định mức cho phép trong thời gian ngắn. Việc giám sát nhiệt độ gián tiếp này vừa nhanh vừa đáng tin cậy.

Động cơ IDAM được trang bị cảm biến nhiệt độ (PTC và KTY) có thể được sử dụng để bảo vệ nhiệt.

Mạch giám sát I — Cảm biến PTC

Mỗi trong ba pha dây quấn được trang bị PTC (nhiệt điện trở hệ số nhiệt dương) nối tiếp để đảm bảo bảo vệ động cơ. PTC là nhiệt điện trở hệ số nhiệt dương, và sau khi lắp đặt hằng số thời gian nhiệt của nó nhỏ hơn 5 giây.

Thiết bị ngắt bảo vệ động cơ thương mại được kết nối ở hạ lưu, thường kích hoạt giữa 1.5 kΩ và 3.5 kΩ. Theo cách này, nhiệt độ quá cao có thể được phát hiện trong vòng vài độ của mỗi dây quấn.

Thiết bị ngắt cũng phản ứng khi điện trở mạch PTC quá thấp, thường cho thấy sự cố trong mạch giám sát. Điều này cũng đảm bảo cách điện điện giữa bộ điều khiển và cảm biến động cơ. Thiết bị ngắt bảo vệ động cơ không được bao gồm trong phạm vi cung cấp.

Đặc tính điện trở-nhiệt độ cảm biến PTC: điện trở tăng mạnh trên nhiệt độ phản ứng danh nghĩa Tn

Mạch giám sát II — Cảm biến KTY84-130

Một trong các pha động cơ được trang bị thêm cảm biến KTY84-130. Đây là điện trở bán dẫn với hệ số nhiệt dương tạo ra tín hiệu tương đương nhiệt độ (với độ trễ phụ thuộc vào loại động cơ).

Để bảo vệ động cơ khỏi nhiệt độ quá cao, một ngưỡng tắt được đặt trong bộ điều khiển. Khi động cơ ở trạng thái dừng, dòng điện không đổi chạy qua các dây quấn, độ lớn phụ thuộc vào vị trí cực tương ứng. Do đó, động cơ không nóng đồng đều, có thể dẫn đến quá nhiệt ở các dây quấn không được giám sát.

Đặc tính điện trở-nhiệt độ cảm biến KTY84-130: hệ số nhiệt dương tuyến tính để đo nhiệt độ dây quấn chính xác

Kết nối tiêu chuẩn PTC và KTY

Kết nối tiêu chuẩn PTC và KTY: Cảm biến PTC nối tiếp trong cả ba cuộn dây pha; cảm biến KTY kết nối với một cuộn dây

Cảm biến PTC và KTY có cách điện cơ bản và không phù hợp để kết nối trực tiếp với mạch PELV/SELV (theo tiêu chuẩn DIN EN 50178).

Có thể tích hợp thêm cảm biến giám sát theo yêu cầu của khách hàng.

Kết nối điện

Kết nối tiêu chuẩn cho động cơ IDAM thoát ra từ mặt đầu. Chiều dài cáp tiêu chuẩn từ điểm thoát cáp trên động cơ là 1000 mm. Các chiều dài khác có thể được cung cấp theo yêu cầu. Tiết diện cáp nguồn phụ thuộc vào dòng điện liên tục của động cơ và được ghi lại trong bản vẽ danh mục. Theo tiêu chuẩn, L1A và L1B được tính toán cho dòng điện liên tục làm mát tự nhiên I_c ở tổn hao công suất P_l, trong khi L1C được tính toán cho dòng điện liên tục làm mát bằng nước I_cw ở tổn hao công suất P_lcw.

Tiết diện cáp động cơ bắt đầu từ 4G0.75 mm². Cáp cảm biến 4 × 0.14 mm² (d = 5.1 mm) cho phép giám sát nhiệt độ qua PTC và KTY. Các đầu cáp để hở với ống bọc đầu. Các cáp được sử dụng được chứng nhận UL và phù hợp cho bộ dẫn cáp.

Phiên bản động cơ với đầu cọc (khối đầu cọc WAGO Series 236, phù hợp cho tiết diện dây lên tới 1.5 mm²) có sẵn như một lựa chọn thay thế cho ống bọc đầu. Vị trí của đầu ra cáp hoặc đầu cọc được chỉ ra trong bảng dữ liệu. Đối với các biến thể không có làm mát bằng nước và dòng điện liên tục không vượt quá 16 A, việc sử dụng đầu cọc không bị hạn chế.

Gán đầu cọc

Chiều chuyển động dương

Trong tất cả các động cơ ba pha, chiều chuyển động dương về điện tương ứng với trường quay theo chiều kim đồng hồ, tức là điện áp pha được cảm ứng theo thứ tự U, V, W. Đối với động cơ IDAM, chiều chuyển động dương là:

• Hướng về phía không có cáp (phiên bản cáp)
• Hướng về phía không có đầu cọc (phiên bản đầu cọc)

Phiên bản cáp: chiều dương hướng về phía không có cáp

Phiên bản đầu cọc: chiều dương hướng về phía không có đầu cọc

Lựa chọn cáp động cơ

Chuyển mạch

Vận hành chuyển mạch được ưu tiên cho các động cơ đồng bộ. Động cơ tuyến tính IDAM không được trang bị cảm biến Hall theo tiêu chuẩn. IDAM khuyến nghị sử dụng hệ thống đo để chuyển mạch.

Điện trở cách điện

Điện trở cách điện cho điện áp bus không vượt quá 600 V_DC

Động cơ IDAM tuân thủ Chỉ thị EC 73/23/EEC và các Tiêu chuẩn Châu Âu EN 50178 và EN 60204. Chúng được kiểm tra điện áp cao theo giai đoạn trước khi giao hàng và được tẩm chân không.

Vui lòng đảm bảo điện áp vận hành định mức của động cơ được tuân thủ.

Quá điện áp đầu cọc động cơ trong vận hành biến tần

Do tải du/dt cao được tạo ra bởi các bán dẫn công suất chuyển mạch nhanh, các đỉnh điện áp cao hơn đáng kể so với điện áp biến tần thực tế có thể xuất hiện tại đầu cọc động cơ, đặc biệt khi sử dụng cáp kết nối dài hơn (trên 5 m). Điều này đặt tải trọng rất cao lên cách điện động cơ.

Để bảo vệ động cơ, khuyến nghị luôn đo điện áp biến tần (PWM) được áp dụng lên dây quấn động cơ so với PE bằng oscilloscope trong cấu hình cụ thể. Các đỉnh điện áp hiện có không nên vượt quá 1 kV đáng kể. Từ khoảng 2 kV, nên dự kiến hư hỏng cách điện dần dần.

Các kỹ sư IDAM sẽ hỗ trợ bạn xác định giải pháp ứng dụng và giảm điện áp quá cao.

Làm mát và mạch làm mát

Các tổn hao công suất được tạo ra trong quá trình vận hành được truyền qua cụm động cơ đến các thành phần được kết nối. Toàn bộ hệ thống được thiết kế cẩn thận để kiểm soát phân phối nhiệt thông qua đối lưu, dẫn nhiệt và bức xạ.

Đối với động cơ L1C, hệ thống làm mát có thể được chọn tùy chọn như phụ kiện để cải thiện tản nhiệt. Lực liên tục của động cơ làm mát bằng chất lỏng xấp xỉ gấp đôi so với động cơ không làm mát.

Làm mát chủ động

Làm mát chủ động nên được ưu tiên cho các máy hoạt động ở điều kiện hiệu suất cao và động học cao, cũng như trong các ứng dụng tải vòng bi cao tương ứng.

Nếu cần cách ly nhiệt hoàn toàn giữa động cơ và máy (ví dụ: để ngăn biến dạng nhiệt trong máy độ chính xác cao), cần có thêm lớp cách nhiệt và làm mát chính xác. Việc làm mát thực sự cấu thành hệ thống làm mát chính hoặc công suất.

Tấm làm mát

Hệ thống làm mát động cơ được thực hiện dưới dạng tấm làm mát lắp đặt giữa động cơ và bàn máy, phải được khách hàng kết nối với mạch làm mát của thiết bị làm mát. Lớp cách nhiệt và tấm làm mát có thể được cung cấp như phụ kiện tùy chọn cho các thành phần động cơ hoặc như một phần của thiết kế máy của khách hàng.

Môi chất làm mát chảy qua các ống đồng bên trong từ đầu vào đến đầu ra. Kết nối đầu vào và đầu ra có thể được phân phối đến hai cổng, với phụ kiện kết nối ren trong G 1/8.

Khi sử dụng nước làm chất làm mát, phải thêm các chất phụ gia chống ăn mòn và lắng đọng sinh học.

Tấm làm mát bằng nước

Tấm làm mát được lắp đặt giữa động cơ và bàn máy

Sự phụ thuộc của dữ liệu đặc tính vào nhiệt độ cấp của môi chất làm mát

Dòng điện liên tục làm mát bằng nước I_cw được ghi trong bảng dữ liệu có thể đạt được ở nhiệt độ cấp định mức θ_nV = 25 °C. Nhiệt độ cấp θ_V cao hơn sẽ làm giảm hiệu suất làm mát và do đó cũng giảm dòng điện định mức.

Dòng điện liên tục giảm I_{c red} có thể được tính theo phương trình bậc hai sau:

I_{c red} / I_cw = √((θ_max − θ_V) / (θ_max − θ_nV))

• I_{c red}: Dòng điện liên tục giảm [A]
• I_cw: Dòng điện liên tục làm mát tại θ_nV [A]
• θ_V: Nhiệt độ cấp thực tế [°C]
• θ_nV: Nhiệt độ cấp định mức [°C]
• θ_max: Nhiệt độ cuộn dây tối đa cho phép [°C]

(Áp dụng cho điều kiện dòng điện động cơ không đổi)

Động cơ L1C loại đầu nối

Đặc tính dòng điện liên tục tương đối I_{c red} / I_cw theo nhiệt độ cấp θ_V (θ_nV = 25 °C)

Lựa chọn truyền động trực tiếp cho chuyển động tuyến tính

Ứng dụng theo chu kỳ

Trong vận hành chu kỳ, các chuyển động định vị liên tục xen kẽ với các khoảng dừng. Một trình tự định vị đơn giản có dạng chuyển động tăng tốc dương tiếp theo là giảm tốc thường có cùng độ lớn (tăng tốc âm), với thời gian tăng tốc và giảm tốc bằng nhau. Tốc độ tối đa v_max đạt được vào cuối pha tăng tốc.

Một chu kỳ được mô tả trong sơ đồ v(t) (v: vận tốc, t: thời gian). Sơ đồ cho thấy chuyển động tiến-lùi với các khoảng dừng (t_M: thời gian chuyển động, t_P: thời gian dừng không tải).

Biểu đồ v-t cho hoạt động có chu kỳ

Từ đó, sơ đồ a(t) và đường cong lực cần thiết cho chuyển động có thể được suy ra:

Biểu đồ a(t) cho hoạt động có chu kỳ

Ba tiêu chí lựa chọn

Động cơ được lựa chọn theo ba tiêu chí phù hợp với đường cong lực của chu kỳ mong muốn:

1. Lực tối đa: Lực tối đa trong chu kỳ ≤ F_p theo bảng dữ liệu
2. Lực hiệu dụng: Lực hiệu dụng trong chu kỳ ≤ F_c (không làm mát) hoặc F_cw (làm mát bằng nước) theo bảng dữ liệu
3. Tốc độ tối đa: Tốc độ tối đa trong chu kỳ ≤ v_lp theo bảng dữ liệu

Tính lực hiệu dụng

Lực hiệu dụng bằng giá trị bình phương trung bình (RMS) của đường cong lực trong chu kỳ (ví dụ: sáu đoạn lực):

Thay các giá trị lực F₁=F, F₂=-F, F₃=0, F₄=-F, F₅=F, F₆=0 và thời gian t₁=tM/2, t₂=tM/2, t₃=tP, t₄=tM/2, t₅=tM/2, t₆=tP, công thức đơn giản thành:

Gia tốc và tốc độ tối đa

Chuyển động định vị được thực hiện với tốc độ biến thiên gia tốc (jerk) lý thuyết vô hạn. Nếu bộ biến tần servo được lập trình giới hạn jerk, thời gian định vị sẽ bị kéo dài tương ứng. Trong trường hợp đó, cần gia tốc lớn hơn để duy trì thời gian định vị không thay đổi.

Ví dụ: Ứng dụng theo chu kỳ