Ongelma, joka ilmenee alhaisella nopeudella
Hammastusmomentti on jaksollinen vääntömomentin aaltoilu, joka esiintyy kestomagneettimoottoreissa, vaikka virtaa ei kulje. Se tulee roottorin magneettien ja staattorin hampaiden välisestä vuorovaikutuksesta - magneettivuo haluaa kohdistaa alhaisimman reluktanssipolun, mikä tarkoittaa, että se haluaa kohdistaa staattorin hampaan raon sijaan. Kun roottori kääntyy, vuo vuorotellen kohdistuu ja kohdistuu väärin peräkkäisten hampaiden kanssa, mikä tuottaa vääntömomentin aaltomuodon, jossa on huippuja ja laaksoja taajuudella, joka määräytyy napojen ja rakojen lukumäärän mukaan.
Useimmissa sovelluksissa hammastusmomentti on pieni haitta. Tarkkuusservojärjestelmissä, suoravetomoottoreissa ja robottiliitoksissa, jotka tarvitsevat tasaista liikettä alhaisilla nopeuksilla, se on ensisijainen suunnittelurajoitus. Yhteistyössä toimiva robottivarsi, joka liikkuu 5 rpm:n nopeudella tarkan kokoonpanon avulla, tekee jokaisen vääntömomentin huipun näkyväksi nopeuden aaltoiluna asentovirheessä - ja tämä nopeuden aaltoilu näkyy mittavirheenä robotin kokoamassa missä tahansa.
Tämä artikkeli kattaa, mikä aiheuttaa hammastusmomentin, kuinka se mitataan ja mitkä magneettisuunnittelumenetelmät todella vähentävät sitä verrattuna siihen, mitkä vain siirtävät ongelmaa.
1. Mikä määrittää tunnistustaajuuden ja amplitudin
Hammastusmomenttitaajuus määräytyy napa- ja rakomäärän pienimmän yhteiskerran (LCM) perusteella. 10-napaisessa, 12-uraisessa moottorissa on LCM(10, 12)=60, joten kierrosta kohti on 60 vääntömomenttihuippua. 10-napaisessa, 15-paikkaisessa moottorissa on LCM(10, 15)=30, joten kierrosta kohti on vain 30 huippua. Korkeampi LCM tarkoittaa enemmän huippuja kierrosta kohden pienemmällä amplitudilla - kokonaisenergia kevennysaaltomuodossa on suunnilleen vakio, mutta se jakautuu useampaan pienempään huippuun.
Tästä syystä murto-urakäämityskokoonpanot - joissa korttipaikka-napa-vaihe-suhde ei ole kokonaisluku - ovat suosittuja suoravetoisissa ja hitaissa servosovelluksissa. 10-napaisessa, 12-paikkaisessa konfiguraatiossa (0,4 paikkaa napaa kohti vaihetta kohti) on korkeampi LCM kuin 10-napaisessa 9-paikkaisessa konfiguraatiossa (0,3 korttipaikkaa napaa kohden vaihetta kohden), mikä tarkoittaa pienempää hammastusamplitudia jaksoa kohden korkeamman taajuuden kustannuksella.
Hammastusamplitudi määräytyy magneettivuon tiheyden, magneetin kaaren ja napavälin suhteen, ilmavälin pituuden ja staattorin raon geometrian perusteella. Näistä magneetin kaarisuhde on se, jota magneetin toimittaja voi hallita. Muut on kiinnitetty moottorin laminointisuunnittelulla.
2. Magneetin kaarisuhde: Ainoa magneettiparametri, joka vaikuttaa suoraan hammastamiseen
Pinta-asennetulle magneettimoottorille on olemassa optimaalinen magneetin kaarisuhde - magneetin kaaren pituuden suhde napaväliin - joka minimoi hammastusmomentin. Tämä optimi on olemassa, koska hammastusmomentti on suhteessa kokonaisilmavälin magneettisen energian derivaatan roottorin asennon suhteen, ja derivaatta kulkee nollan läpi tietyillä kaarisuhteilla.
10-napaisessa, 12-uraisessa moottorissa, jonka staattoriraon tyypillinen aukko on 2–3 mm 80 mm:n staattorin reiässä, kapenemista minimoivan magneetin kaarisuhde on noin 0,833 (viisi kuudesosaa napavälistä). Käyttämällä 0,75 kaarisuhdetta - yksi täysi napaväli miinus yksi rakoväli - tuottaa myös lähes nollan hammastuksen tälle yhdistelmälle. Tarkka optimi riippuu raon leveydestä ja ilmaraon pituudesta; Tarkkaa optimointia varten tarvitaan simulointi todellisella laminointigeometrialla.
Mitä kaarisuhde ei korjaa: jos laminointiraon aukko on leveä suhteessa magneetin jakoon, hammastus on korkea valokaarisuhteesta riippumatta. Leveät rakoaukot aiheuttavat suuren reluktanssivaihtelun roottorin pyöriessä. Magneetti näkee "kuhmua" joka kerta, kun korttipaikka kulkee ohi. Mikään kaarisuhteen optimointi ei poista tätä, jos raon aukko on yli noin 20 % raon jakovälistä.
3. Vino: Tehokas mutta kallista
Aksiaalinen vinoutus - magneetin tai staattorin laminointien pyörittäminen yhden rakovälin verran aksiaalisuunnassa - on luotettavin tapa vähentää hammastusmomenttia. Kun magneetti on vinossa yhden rakovälin verran, hammastushuiput kussakin aksiaalisessa asennossa ovat vaihesiirrettyjä suhteessa toisiinsa ja huiput kumoutuvat, kun ne summataan aksiaalisesti. Teoriassa täydellinen vinouttaminen täsmälleen yhden raon etäisyyden verran vähentää keinumisen nollaan. Käytännössä valmistusvaihtelu vinokulmassa jättää jäännöshammastuksen 10–20 %:iin vinoutumattomasta arvosta.
Väärinkäytön hinta on todellinen. Vinomagneetit ovat kalliimpia valmistaa - kulmageometria vaatii mukautettuja kiinnikkeitä ja lisää materiaalihukkaa. Aksiaalisesti vino laminointi vaatii pyörivän laminointipinon, joka on vaikeampi koota ja lisää moottorin pituutta hieman. Yleisin kompromissi on askelvino: käytetään kahta tai kolmea aksiaalista magneettisegmenttiä napaa kohden, joista kutakin on siirretty murto-osalla raon noususta. Kaksisegmenttinen askelvinottelu vähentää hammastusta noin 70 % verrattuna vinottamattomaan; kolmiosainen saavuttaa 85–90 %.
60 mm:n aksiaalipituisessa moottorissa kaksisegmenttinen askelvinottelu tarkoittaa, että jokainen magneettisegmentti on 30 mm pitkä ja niiden välissä on 1/2 rakovälin kulmapoikkeama. 12 uralla ja 80 mm:n reiän halkaisijalla yksi rakoväli on 20,9 mm kaaren pituus tai noin 9,4 astetta roottorin pinnalla. Segmenttien välinen kulmapoikkeama on siis 4,7 astetta. Tämä on saavutettavissa tavallisilla magnetointivalaisimilla, eikä se vaadi epätavallista magneettigeometriaa.
4. Magneetin reunan viisto ja napakaaren muotoilu
Magneetin reunojen viisto - pienentämällä säteittäistä paksuutta lähellä magneetin päitä - tuottaa sinimuotoisen säteittäisen vuotiheysjakauman eikä puolisuunnikkaan. Tämä vähentää samanaikaisesti sekä taka-EMF:n että hammastusmomentin harmonista sisältöä.
Kvantitatiivinen vaikutus riippuu viisteen syvyydestä suhteessa magneetin paksuuteen. Viistesyvyys, joka on 20 % magneetin säteittäispaksuudesta, vähentää hammastusamplitudia 35–50 % verrattuna tasapintaiseen magneetiin, samalla kun se vähentää EMF-taaksellista perusarvoa vain 3–5 %. Kompromissi on suotuisa, kun suunnittelutavoitteena on alhainen hiipuminen ja hyväksyttävä back-EMF-aaltomuodon laatu.
Napakaaren muotoilu - ilmaraon muuttaminen magneettikaaria pitkin käyttämällä magneettia, jonka ulkopinta on kaareva ja joka ei ole samankeskinen roottorin kanssa - on tehokkaampaa, mutta vaatii tarkempaa koneistusta. Kaareva pinta luo sinimuotoisen vaihtelun ilmaraon pituuteen, mikä tuottaa lähes sinimuotoisen vuontiheysjakauman. Yhdessä optimaalisen kaarisuhteen kanssa tämä voi vähentää hammastuksen alle 0,5 prosenttiin nimellisvääntömomentista ilman vinoutta.
5. Vääntömomentin erittely ja mittaus
Hammastusmomentti on määritetty prosentteina nimellisvääntömomentista. Yleisissä teollisissa servosovelluksissa 2–3 % on hyväksyttävä. Yhteistyörobottien ja suoraajojärjestelmien osalta 1 % on tyypillinen tavoite. Lääketieteellisessä kuvantamisessa, puolijohteiden käsittelyssä ja tarkassa optisessa paikannuksessa vaaditaan 0,3–0,5 %.
Mittaus tehdään pyörittämällä moottorin akselia hitaasti (yleensä 1–5 rpm ilman virtaa) samalla kun mitataan akselin vääntömomenttia tarkkuusmomenttianturilla. Raportoitu arvo on huipusta huippuun kohdistuva vääntömomentti yhden sähköjakson aikana. Mittaus on suoritettava riittävän hitaalla nopeudella, jotta inertiavaikutukset ovat merkityksettömiä - 5 rpm:llä moottorissa, jonka roottorin inertia on 50 g·cm², hitausmomentti 1 Hz:n sähkötaajuudella on alle 0,01 N·m, mikä on merkityksetöntä verrattuna 0,1 N·m:n nimellismomenttimoottoriin.
Kun määrität hammastusmomenttivaatimuksia magneetin toimittajalle, ilmoita: napojen lukumäärä, rakojen lukumäärä, magneetin kaarisuhde, ilmavälin pituus ja tavoitehammastus prosentteina nimellisvääntömomentista. Toimittaja voi vahvistaa, onko magneetin geometria yhteensopiva tavoitteesi kanssa, tai suositella kaarisuhteen säätöjä ja vinokonfiguraatioita, joilla se saavutetaan.
6. Mitä ei voida korjata pelkästään magneeteilla
Staattorin leveistä aukoista johtuvaa vääntömomenttia ei voida korjata magneetilla. Ainoat ratkaisut ovat: aukkojen sulkeminen magneettisilla raon kiiloilla (lisää kustannuksia ja kokoonpanon monimutkaisuutta), laminointimallin käyttö kapeammilla raon aukoilla (vaatii laminoinnin uudelleensuunnittelun) tai hammastustason hyväksyminen ja virransyöttö (aktiivinen hammastuksen kompensointi taajuusmuuttajassa) sen kumoamiseksi suljetussa kierrossa.
Aktiivinen hammastuksen kompensointi toimii injektoimalla eteenpäinkytkentämomenttikomennon, joka on käänteinen mitatun hammastusmomenttiprofiilin kanssa, synkronoituna anturin asentoon. Tämä on tehokasta ja sitä käytetään laajalti korkean suorituskyvyn servokäytöissä. Se ei poista moottorin fysiikasta haihtumista - se kompensoi sen sähköisesti. Kompensoinnin tarkkuus riippuu siitä, kuinka hyvin mitattu hammastusprofiili vastaa todellista moottoria, ja kaikki tuotantomoottoreiden vaihtelut edellyttävät yksilöllistä kalibrointia.
Pienen volyymin korkean tarkkuuden sovelluksissa yksilöllinen kalibrointi on mahdollista. Volyymituotannossa se lisää kustannuksia ja monimutkaisuutta. Parempi pitkän aikavälin ratkaisu on saada hammastus laminoinnilla ja magneettisuunnittelulla niin alhaiseksi, että aktiivinen kompensointi on valinnainen eikä pakollinen.
HIMAGNET toimittaa kaarisegmenttimagneetteja optimoiduilla kaarisuhteilla, asteittain vinoilla konfiguraatioilla ja viistetyillä reunaprofiileilla vääntömomentin vähentämiseksi. Jos haluat tukea moottorin suunnittelussa,ota yhteyttä suunnittelutiimiimmenapojen lukumäärälläsi, korttipaikkojen määrälläsi ja tarttumistavoitteellasi.
