ПодробнееА.М. Суслов, старший инженер ЗАО "СЕВ-ЕВРОДРАЙФ"
Введение
Фирма SEW-EURODRIVE за свою 75-летнюю историю прошла большой путь развития. Из семейного предприятия по производству электродвигателей она превратилась в одну из лидирующих мировых корпораций в области электроприводной техники. Штаб-квартира фирмы, научно-исследовательский центр, конструкторские бюро и производство электроники расположены на юге Германии, в городе Брухзале. Заводы по выпуску комплектующих для электромеханических приводов находятся в ФРГ, Франции, США и Бразилии. Сборка приводов из готовых компонентов ведется на 58 предприятиях по всему миру, в том числе и в России.
Богатый ассортимент продукции, высокое качество, короткие сроки поставки и сервис по всему миру делают SEW-EURODRIVE идеальным партнёром для предприятий, применяющих приводные системы различного назначения.
Важную часть в производственной программе SEW-EURODRIVE занимают сервоприводы. Фирма разрабатывает и производит синхронные и асинхронные серводвигатели, линейные двигатели, электроцилиндры, низколюфтовые редукторы для сервоприводов. Следует отметить такие компоненты, как компактные и экономичные мотор-редукторы, состоящие из серводвигателей и редукторов стандартного исполнения.
SEW-EURODRIVE поставляет как отдельные компоненты, так и комплектные сервоприводы с полным набором дополнительного оборудования и аксессуаров.
Сервопривод: определение, развитие, особенности
Сервопривод - это система привода, которая в широком диапазоне регулирования скорости обеспечивает динамичные, высокоточные процессы движения и реализует их хорошую повторяемость. Сервоприводы являются наиболее высокотехнологичной областью электропривода.
Слово "серво" произошло от латинского слова "servus", что переводится как слуга, раб, помощник. В машиностроительных отраслях сервоприводы традиционно выполняли преимущественно вспомогательную роль (приводы подач в станках, приводы роботов и т.п.). Пневматический, гидравлический приводы или асинхронные двигатели с фиксированной скоростью использовались только при высоких моментах в качестве главного привода.
В последние десятилетия ситуация изменилась - гидравлические и пневматические приводы в настоящее время имеют только отдельные ниши на рынке. Теперь, когда автоматизация полностью охватила все области машиностроения, доминируют электроприводы, и механика машин сильно упростилась с использованием современных индивидуальных приводов взамен центрального привода.
Прогресс в электронике и появление новых электротехнических материалов изменили ситуацию в области сервопривода. Последние достижения позволяют компенсировать сложность управления приводом переменного тока путем использования современных микроконтроллеров и быстродействующих высоковольтных силовых транзисторов. Мощные постоянные магниты, изготовленные из сплавов неодим-железо-бора и самарий-кобальта благодаря их высокой энергоемкости, существенно улучшили характеристики синхронного двигателя с магнитами на роторе при одновременном снижении массогабаритных показателей. В итоге улучшились динамические характеристики привода при снижении его габаритов. Тенденция перехода к синхронным двигателям переменного тока особенно очевидна в сервосистемах, которые традиционно выполнялись с использованием электроприводов постоянного тока.
В настоящее время сервоприводы применяются в высокопроизводительном оборудовании в таких отраслях как производство напитков, упаковки, стройматериалов; в подъемно-транспортной технике; полиграфии. Наблюдается тенденция к увеличению доли сервоприводов в деревообработке и пищевой промышленности.
Решающим фактором применения сервоприводов является не только их высокая динамика, но и возможность получения высокостабильного или точного управления, широкий диапазон регулирования скорости, помехоустойчивость, малые габариты и вес.
Благодаря современным цифровым технологиям, сервоприводы сегодня использовать намного легче, чем несколько лет назад. Цифровые технологии предлагают широкий выбор ориентированных на специальное применение возможностей, большое разнообразие устройств связи с объектами (как напрямую, так и через промышленные шины) и возможность использовать персональный компьютер для контроля, оптимизации и автоматической настройки привода.
Обзор типов серводвигателей
Рис.1 Обзор типов серводвигателей
В данной публикации более детально рассмотрим синхронные и асинхронные серводвигатели. Прежде всего, уточним терминологию, и дальше двигатели будут называться следующим образом:
• cинхронные серводвигатели (DS/CM, CMP, CMD серии) - синхронные двигатели переменного тока с постоянными магнитами на роторе;
• асинхронные серводвигатели (CT/CV серия и DRL серия) - асинхронные двигатели переменного тока с датчиком обратной связи, специально спроектированные для работы с преобразователями частоты;
• синхронный линейный двигатель (SL2 серия) - синхронные линейные двигатели переменного тока с постоянными магнитами;
• электроцилиндр (CMS серия) - привод, созданный на базе синхронных серводвигателей, в котором вращательное движение преобразуется в возвратно - поступательное.
Синхронные серводвигатели (DS/CM, CMP, CMD серии)
Синхронные серводвигатели - это трехфазные синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов и датчиком положения ротора (рис.2). Их основным достоинством является очень низкий момент инерции ротора относительно крутящего момента. Это позволяет реализовать очень высокое быстродействие. Достижимо время разгона на номинальную частоту вращения за десятки миллисекунд и реверс с полной скорости в пределах одного оборота вала двигателя. Основной областью применения этих двигателей являются приводы подач станков и технологические установки со временем цикла менее 1 секунды (например, производство упаковки, быстродействующие позиционные системы автоматических складов).
Для сервоприводов характерны следующие показатели:
• управление по скорости, по моменту или по позиции;
• диапазон регулирования скорости более 1:1000;
• статическая точность поддержания скорости по валу двигателя до 0,01%;
• точность поддержания позиции по валу двигателя менее ± 10;
• низкий вес и компактные размеры
1 - статор с обмоткой 2 - разъем для подключений
3 - датчик скорости и положения 4 - электромагнитный тормоз
5 - ротор с магнитами
Рис.2 Устройство синхронного серводвигателя SEW-EURODRIVE
Серводвигатели серии DS/CM характеризуются широким диапазоном по крутящему моменту и хорошей управляемостью с высокоинерционными нагрузками.
Серводвигатели серии CMP отличаются очень высокими динамическими характеристиками, низким собственным моментом инерции, компактными размерами и высокой удельной мощностью. Для двигателей CMP71S...CMP100L возможно исполнение с утяжеленным ротором, что позволяет применять их в сервоприводах с большими инерционными массами.
Серводвигатели серии CMD конструктивно выполнены как бескорпусные встраиваемого исполнения, которые вписываются в конструкцию исполнительного органа рабочей машины.
 |  |  |
Рис.3 Общий вид серводвигателей SEW-EURODRIVE
Таблица 1 Параметры серводвигателей SEW-EURODRIVE
| ТИП | НОМИНАЛЬНАЯ ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ, ОБ/МИН | НОМИНАЛЬНЫЙ ПУСКОВОЙ МОМЕНТ, М0, Нм | МАКСИМАЛЬНЫЙ МОМЕНТ Ммах, Нм |
| DS/CM | 2000 | 5...68 | 16,5...238 |
| DS/CM | 3000, 4500 | 1...68 | 3,8...238 |
| DS/CM | 6000 | 1...21 | 3,8...75,6 |
| CMP40S...CMP63L | 3000, 4500, 6000 | 0,5...7,1 | 1,9...30,4 |
| CMP71S...CMP100L | 3000, 4500, 6000 | 6,4...47 | 19,2...178,8 |
| CMD | 1200/3000 | 2,4...6,0 | 10,0...33,0 |
| CMD | 1200/2000 | 6,7...16,5 | 17,0...62,0 |
| CMD | 3000 | 0,7...1,9 | 3,0...11,0 |
| CMD | 4500 | 0,25...0,9 | 1,2...6,0 |
Асинхронные серводвигатели (CT/CV серия и DRL серия)
Компания SEW-EURODRIVE производит асинхронные и синхронные серводвигатели. Конструкция статора этих двигателей принципиально одинакова, но их роторы различаются: асинхронный серводвигатель имеет короткозамкнутый ротор, магнитное поле в котором создается за счет индукции; на роторе синхронного серводвигателя закреплены магниты (сплав неодим-железо-бор), создающие в нем постоянное магнитное поле.
Асинхронные серводвигатели позволяют получать большие крутящие моменты по сравнению с синхронными серводвигателями. Двигатели серии CT/CV в динамическом режиме работы способны создавать вращающий момент, более чем в три раза превышающий номинальный момент двигателя. Номинальный момент двигателей серии DRL лежит в диапазоне от 2,5 до 350 Нм, а перегрузочная способность достигает 200%, 300% или 350%. В связи с этим данные двигатели имеют усиленные подшипники и валы увеличенного диаметра, чтобы надежно передавать моменты большой величины.
Асинхронные серводвигатели имеют больший собственный момент инерции, что улучшает коэффициент относительного момента инерции J' нагрузки / J мотора, но и снижает общую динамику привода.
Необходимо заметить, что при прочих равных условиях для асинхронных серводвигателей требуется приводной преобразователь большей мощности из-за потерь в роторе и потребности в намагничивающем токе.
В стандартной комплектации асинхронный серводвигатель оснащается синусно-косинусным инкодером, а синхронный серводвигатель поставляется с резольвером. Датчики типа Hiperface и абсолютного отсчета с интерфейсом SSI могут быть установлены на эти двигатели по запросу.
Кроме вентиляторов принудительного обдува серводвигатели могут оснащаться электромагнитным тормозом, который обычно применяется при длительной остановке - стояночный режим или при аварийной остановке.
Для предварительного выбора того или иного типа двигателя можно исходить из следующих рекомендаций:
• если ускорение механизма больше 5 м/с2, то предпочтительнее использовать синхронные серводвигатели;
• если коэффициент относительного момента инерции J' нагрузки / J мотора больше 10, то наиболее подходящими являются асинхронные серводвигатели.........;
• при мощностях более 20...30 кВт цена синхронных серводвигателей становится существенно выше, чем у асинхронных.
Рис.4 Общий вид асинхронного серводвигателя SEW-EURODRIVE
Таблица 2 Параметры асинхронных серводвигателей SEW-EURODRIVE
| ТИП | НОМИНАЛЬНАЯ ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ, ОБ/МИН | НОМИНАЛЬНЫЙ ПУСКОВОЙ МОМЕНТ Mo,Hm | МАКСМАЛЬНЫЙ МОМЕНТ Mmax,Hm |
| CT/CV | 1200 | 3...200 | 7,7...567 |
| CT/CV | 1700 | 3...190 | 7,7...567 |
| CT/CV | 2100 | 3...175 | 7,7...567 |
| CT/CV | 3000 | 3...145 | 7,7...567 |
Таблица 3 Некоторые отличия серводвигателей от асинхронных серводвигателей
Синхронные линейные двигатели (SL2 серия) и электроцилиндры (CMS серия)
Линейные актуаторы (линейные двигатели и электроцилиндры) - приводные компоненты для обеспечения поступательного или возвратно-поступательного движения.
Линейные двигатели могут заменить шпиндели, ременные и цепные приводы, кривошипно-шатунные механизмы, передачи типа «шестерня-рейка» в существующих или новых производственных процессах.
Электроцилиндры замещают пневмо - и гидроцилиндры, обеспечивая гибкость построения технологической системы, улучшенные КПД и производительность, а также более качественные характеристики управления.
Синхронные линейные двигатели (SL2 серия)
Принцип действия вращающихся синхронных серводвигателей лежит и в основе работы синхронных линейных двигателей. Значительное сходство в принципе действия становится очевидным, если «разрезать и развернуть» синхронный серводвигатель (рис.5).
Рис.5 Принцип действия синхронного линейного серводвигателя
Линейный двигатель состоит из первичной части - статора (шихтованный пакет стали с обмоткой и термодатчиком) и вторичной части - ротора (постоянные магниты, заключенные в защитную оболочку). Отличие состоит в том, что первичная часть (статор) перемещается вдоль «магнитного пути» (ротора). Двигатель, выполненный по такой технологии, носит название «двигатель с коротким статором». Между статором и ротором для достижения максимальной силы тяги необходимо обеспечивать постоянную величину воздушного зазора.
Охлаждение синхронных линейных двигателей серии SL2 основано на рассеивании тепла, также возможна установка вентиляторов принудительного обдува для более эффективного удаления избыточного тепла.
Синхронные линейные двигатели выпускаются в трех классах по скорости - 1, 3 и 6 м/с. Величины номинальной силы тяги лежат в диапазоне от 280 до 6000 Н, максимальной силы тяги - от 650 до 12600 Н.
Преимущества синхронных линейных двигателей по сравнению с вращающимися серводвигателями:
• выше линейные скорости до 6 м/с и более;
• выше ускорения до 80 м/с2;
• прямой привод без редукторов и промежуточных передач;
• отсутствие люфта и крутильного эффекта
• более высокие массы нагрузки могут приводиться в движение;
• более высокая точность позиционирования до ± 10 µм
и точность повторения до ± 2 инкрементов;
• малый износ частей двигателя
Области применения синхронных линейных двигателей:
• перемещение и транспортировка грузов;
• упаковочные технологии;
• сборочные и обрабатывающие технологии;
• деревообработка;
• металлообработка;
• производство специальных машин
Рис.7 Общий вид синхронного линейного серводвигателя SEW-EURODRIVE
1 - платформа первичной части 6 - измерительная шкала
2 - первичная часть 7 - считывающая головка
3 - вторичная часть 8 - конечный выключатель
4 - направляющая тележка 9 - буфер
5 - направляющая 10 - подводка питания
Рис.6 Устройство синхронного линейного серводвигателя SEW-EURODRIVE
Электроцилиндры (CMS серия)
Синхронный серводвигатель серии CM со встроенной шарико-винтовой передачей или планетарной ролико-винтовой передачей являются основными составными компонентами электроцилиндров серии CMS.
1 - гофрированные мехи 6 - монтажная площадка
2 - отверстие для смазки 7 - подшипник
3 - механический ограничитель 8 - ротор с полым валом
4 - разъем для подключений 9 - шпиндель
5 - датчик скорости 10 - "гайка"
Рис.8 Внутреннее устройство электроцилиндра SEW-EURODRIVE
 |  |
Рис.9 Общий вид электроцилиндра SEW-EURODRIVE
Преимущества электроцилиндров по сравнению с пневмо- и гидроцилиндрами:
• гибкость построения производственной системы (приводные сервопреобразователи обеспечивают синхронный режим, режим обучения, встроенные технологические функции);
• автоматизация процессов и расширенная диагностика (приводные сервопреобразователи и промышленные шины);
• быстрая реакция на управляющее воздействие, т.е. возможны короткие циклы;
• управляемое ускорение, сниженный шум и отсутствие гидроударов;
• проще установка (не требуются трубы);
• компактность (механика интегрирована в электропривод);
• низкая трудоемкость обслуживания (нет утечек рабочих жидкостей);
• снижение затрат энергии (лучше КПД)
Таблица 4. Технические данные электроцилиндров SEW-EURODRIVE
| ТИП | НОМИНАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ об/мин | МАКСИМАЛЬНАЯ ЛИНЕЙНАЯ СКОРОСТЬ, м/с | ШАГ ШПИНДЕЛЬ мм/об | ХОД ШТОКА, мм | МКСИМАЛЬНАЯ СИЛА ТЯГИ,Н |
| CMS50S KGT | 3000, 4500, 6000 | 0,375 | 5 | 70, 150 ,300 | 5300 |
| CMS63S KGT | 3000, 4500 | 0,45 | 6 | 100, 200 | 10500 |
| CMS63S PGT | 3000, 4500 | 0,375 | 5 | 100, 200 | 10500 |
| CMS71L KGT | 2000, 3000, 4500 | 0,5 | 6, 10 | 200, 350 | 20000, 17000 |
| CMS71L PGT | 2000, 3000, 4500 | 0,25 | 5 | 200 | 20000 |
1 KGT - передача усилия через шарики (шарико-винтовая передача)
2 PGT - передача усилия через зубчатые ролики (планетарная ролико-винтовая передача)
Таблица 5 Сравнительные показатели: пневмо - и гидроцилиндры, линейные актуаторы
| ПНЕВМО ЦИЛИНДР | ГИДРО ЦИЛИНДР | ЭЛЕКТРО ЦИЛИНДР | ЛИНЕЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ | |
| СКОРОСТЬ, м/с | 1 | 0,5 | 1 | 6 |
| ТОЧНОСТЬ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ, мм | 0,1 | 0,1 | 0,01 | 0,001 |
| РЕАКЦИЯ НА УПРАВЛЯЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ | ПЛОХАЯ | ХОРОШАЯ | ОЧЕНЬ ХОРОШАЯ | ОЧЕНЬ ХОРОШАЯ |
| ДИНАМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ | НИЗКИЕ | ХОРОШИЕ | ОЧЕНЬ ХОРОШИЕ | ОЧЕНЬ ХОРОШИЕ |
| КПД | <10% | <20% | 80-90% | >90% |
| ЗАТРАТЫ НА ВВОД В ЭКСПЛУАТАЦИЮ | НИЗКИЕ | НИЗКИЕ | ВЫСОКИЕ | ВЫСОКИЕ |
| ЗАТРАТЫ НА УСТАНОВКУ | СРЕДНИЕ | ВЫСОКИЕ | НИЗКИЕ | НИЗКИЕ |
| ЗАТРАТЫ НА ЭЛ.ЭНЕРГИЮ | ОЧЕНЬ ВЫСОКИЕ | ВЫСОКИЕ | НИЗКИЕ | НИЗКИЕ |
| ЗАТРАТЫ НА ОБСЛУЖИВАНИЕ | СРЕДНИЕ | СРЕДНИЕ | СРЕДНИЕ | НИЗКИЕ |
| ВЛИЯНИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ | НЕТ | УТЕЧКА РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ | НЕТ | НЕТ |
| УРОВЕНЬ ШУМА | ВЫСОКИЙ | СРЕДНИЙ | НИЗКИЙ | НИЗКИЙ |
Заключение
В настоящее время сервопривод занял значительную нишу на рынке регулируемых приводов. Промышленности требуются все более динамичные, компактные, надежные и модульные приводные компоненты для построения автоматизированных систем.
Тенденцией развития сервотехники на ближайшие 10 - 20 лет будет интеграция управляющей электроники в электромеханические узлы.
Такой мехатронный привод может выполнять заложенные в него функции без управляющих команд от системы управления верхнего уровня. Диагностика и связь между приводами осуществляется через встроенные интерфейсы промышленных шин.
Компания SEW-EURODRIVE уже разработала устройства нового поколения: серводвигатель со встроенным приводным преобразователем частоты и мехатронный привод MOVIGEAR® - комбинация приводной электроники, синхронного серводвигателя и редуктора. Такие свойства серводвигателей как высокие перегрузочная способность и КПД, малые габариты и малошумность используются в приводе MOVIGEAR®. Перспективными по применению привода MOVIGEAR® являются автомобильная, пищевая, химическая и фармацевтическая отрасли, а также направление по перемещение грузов.
Компания SEW-EURODRIVE обладает многолетним опытом в области приводной техники и успешно использует его при разработке и производстве приводов, объединяющих механические, электротехнические и электронные компоненты.
Компания SEW-EURODRIVE имеет широкую сеть технических офисов и сервисных центров по всему миру, обеспечивает техническую поддержку, проводит семинары и обучающие курсы для потребителей приводной техники.