力矩電機技術(shù)水平分析及關(guān)鍵技術(shù)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)力矩電機技術(shù)水平分析及關(guān)鍵技術(shù)沈陽機床集團技術(shù)中心立式加工中心項目組2006年10月Firstly力矩電機簡介及技術(shù)分析力矩電動機(torque motor)，也有人翻譯為扭矩電機，力矩電動機與直線電動機相似,為基于同步傳動技術(shù)的直接驅(qū)動電動機.與直線電動機的高速度不同的是,力矩電動機經(jīng)常工作在較低的速度,并且在這種較低的額定轉(zhuǎn)速下輸出很高的扭矩. 它本質(zhì)是低速大扭矩的伺服電動機，與我們熟悉的伺服電機分類相同，分為直流，無刷直流，正弦交流幾種。a.永磁直流力矩電動機技術(shù)

2、永磁式直流力矩電機屬于低速直流伺服電動機，通常使用在堵轉(zhuǎn)或低速情況下。其特點是堵轉(zhuǎn)力矩大，空載轉(zhuǎn)速低，不需要任何減速裝置可直接驅(qū)動負載，過載能力強。長期堵轉(zhuǎn)時能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩而不損壞。廣泛應(yīng)用于各種雷達天線的驅(qū)動、光電跟蹤等高精度傳動系統(tǒng)、以及一般儀器儀表驅(qū)動裝置上。專利技術(shù)：目前國內(nèi)外關(guān)于直流永磁力矩電動機的專利文獻主要針對電動機的結(jié)構(gòu)，以及槽極數(shù)的設(shè)計，其發(fā)展趨勢是使該類力矩發(fā)動機的結(jié)構(gòu)更緊湊、力矩更大。其中美國專利US（公開日：1999-11-23）涉及一種永磁直流力矩電動機，其定子安裝在基座上懸臂中，并嵌套在一個杯形轉(zhuǎn)子中。其永磁體貼在轉(zhuǎn)子的內(nèi)部，定子鐵心外部由線圈直接包成網(wǎng)狀，可加

3、工成片狀或薄板狀。磁極片具有縮短的電極靴表面與轉(zhuǎn)子磁體形成放射形的間隙。磁極片向軸向和橫向擴展，軸向磁極片的擴展部分可提供給定電動機所有的磁通量，無需再增加電流的安培。國內(nèi)實用新型.3（公開日：1996.12.18）也涉及一種大力矩直流電動機，轉(zhuǎn)子采用雙數(shù)正槽，單層繞組，換向片至少6片，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場與定子磁場的磁軸交角小于直角（3045）。具有起動力矩大，機械加工容易，省工省料，制造維修方便，工作可靠，過負荷能力強，使用壽命長等特點。產(chǎn)品介紹：國外永磁直流力矩電動機的主要生產(chǎn)廠商有美國Kollmorgen公司、Poly-Scientific公司、英國Muirhead Aerospace等公

4、司，設(shè)計生產(chǎn)了各種型號的永磁直流力矩電動機，其中美國Kollmorgen公司的直流力矩電機由永磁場和繞線式電樞共同作用將電力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩，用于定位和速度控制系統(tǒng)。英國Muirhead Aerospace公司生產(chǎn)的直流力矩電動機具有大力矩輸出、直接響應(yīng)和低速精確運轉(zhuǎn)等特點，電動機采用的永磁材料有稀土磁體、鋁鎳鈷合金等。同時該公司還可為用戶定制特殊型號的電動機，各種型號的直流力矩電動機峰值堵轉(zhuǎn)力矩范圍可從0.075Nm到203Nm。國內(nèi)北京敬業(yè)電工集團、成都精密電機廠等單位也生產(chǎn)了系列直流力矩電動機，其中成都精密電機廠生產(chǎn)的永磁式直流力矩電機具有堵轉(zhuǎn)力矩大，空載轉(zhuǎn)速低，不需要任何減速裝置可直接驅(qū)動負

5、載，過載能力強等特點。長期堵轉(zhuǎn)時能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩而不損壞。中國電子科技集團公司第二十一研究所對永磁直流力矩電動機已進行了多年的開發(fā)研制，取得了多項研制成果，該單位開發(fā)的J65LYX01型永磁式直流力矩電動機主要用于HQ9工程主動導(dǎo)引頭位標器隨動系統(tǒng)中做執(zhí)行元件，帶動系統(tǒng)中天線作伺服運動。由于力矩電動機具備能堵轉(zhuǎn)工作的優(yōu)點，故被經(jīng)常采用，同時還可廣泛用于多種工業(yè)自動控制中的直流閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)中，控制方便。該電機采用稀土永磁材料，是具有隱極式磁路結(jié)構(gòu)的直流力矩電動機。該電機具有體積小，出力大，特別是力矩脈動小的特點。并在1997年經(jīng)電子工業(yè)部鑒定為國內(nèi)領(lǐng)先。哈爾濱工業(yè)大學、西安微電機研究所等

6、研究單位也在該領(lǐng)域進行了長期的研究。b.交流力矩電機的技術(shù)介紹: 交流力矩電動機的結(jié)構(gòu)、工作原理: 交流力矩電動機與一般鼠籠式異步電動機的運轉(zhuǎn)原理是完全相同的，但結(jié)構(gòu)上有所不同，它是采用電阻率較高的材料（例如黃銅、康銅等）作轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條及端環(huán)。因此，力矩電動機的轉(zhuǎn)子電阻比普通鼠籠式電動機的轉(zhuǎn)子電阻大得多。力矩電動機的機械特性與普通鼠籠式電動機是不同的。由于采用不同的設(shè)計參數(shù)，力矩電動機的機械特性和用途分為兩類：卷繞特性的力矩電動機和恒轉(zhuǎn)矩特性的力矩電動機。卷繞特性力矩電動機，實現(xiàn)恒張力傳動，適用于生產(chǎn)過程中需要使產(chǎn)品維持恒定的張力和用恒定的線速度把產(chǎn)品卷繞在輥筒上的場合，例如，印染機械上，卷繞織

7、物的輥筒，隨著織物不斷卷繞到輥筒上，輥筒直徑逐漸增大，負載也相應(yīng)增加。由力矩電動機的機械特性可見，負載增加，轉(zhuǎn)速自動下降，從而維持一定的線速度和張力，實現(xiàn)了工藝要求。這類力矩電機常用于紡織、印染、造紙、橡膠、電線電纜等方面。恒轉(zhuǎn)矩特性力矩電動機，能在一般較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，使轉(zhuǎn)矩基本恒定，適用二轉(zhuǎn)速變化時，要求恒定轉(zhuǎn)矩的傳動場合。例如，印染機械中，用若干輥軸傳送織物時，由于織物并不卷繞在輥軸上，而只是貼在輥軸表面上靠它來傳動，輥軸直徑是不改變的，這種場合宜使用恒轉(zhuǎn)矩特性電動機，以保證在任何速度下，轉(zhuǎn)矩恒定，織物的張力恒定。力矩電動機允許長期低速運轉(zhuǎn)（甚至堵住不動），它的發(fā)熱很嚴重，通常采用外加鼓

8、風機強迫風冷。使用力矩電動機時應(yīng)注意檢查鼓風機的運行情況是否良好，其周圍應(yīng)有良好的通風環(huán)境，不允許有干燥易燃物。易燃粉塵或揮發(fā)性可燃油類等靠近。由于使用情況不同，由力矩電動機帶動的機械所卷繞或傳遞的材料種類和規(guī)格不同，需要的張力不同，要求調(diào)節(jié)力矩電動機的轉(zhuǎn)矩，或要求在一定范圍內(nèi)變速，通常采用調(diào)節(jié)施加在力矩電動機上的電壓以實現(xiàn)這些要求。改變力矩電動機的輸入電壓通常使用調(diào)壓器，在要求提高機械特性硬度和調(diào)節(jié)精度的場合，也可以采用可控硅速度負反饋控制電路進行無級調(diào)速，但系統(tǒng)較復(fù)雜。使用調(diào)壓器調(diào)節(jié)的形式常見的有以下幾種；（1）三相平衡調(diào)節(jié)。采用三相調(diào)節(jié)器，接成星形聯(lián)接，同軸控制，同時調(diào)節(jié)三相電壓使之平衡

9、，力矩電動機能在平衡狀態(tài)下運行，調(diào)節(jié)范圍較廣，效果好，但需要使用三相調(diào)壓器，不甚經(jīng)濟。（2）兩相電壓調(diào)節(jié)。用兩只單相調(diào)壓器作U形連接，同軸調(diào)節(jié)，例如，調(diào)節(jié)A、C兩相時，調(diào)壓器的滑動電刷a 和c同時對稱滑動，也能實現(xiàn)平衡調(diào)節(jié)。但采用這種方法時必須注意，U形接法的單相調(diào)壓器的端電壓為電源線電壓，所使用的單相調(diào)壓器的額定電壓應(yīng)適應(yīng)于電源線電壓的要求。目前生產(chǎn)的單相調(diào)壓器的額定電壓大多為220V，所以不能用于普通的三相380V電源系統(tǒng)，而只能用于電源電壓為三相220V的系統(tǒng)。（3）單相調(diào)節(jié)。單相調(diào)節(jié)只使用一個單相調(diào)壓器調(diào)節(jié)一相電壓。力矩電動機在不平衡狀態(tài)下運行，調(diào)節(jié)性能較差，但由于設(shè)備簡單，這種調(diào)節(jié)形

10、式應(yīng)用較多，常用的單相調(diào)壓方法有以下兩種：1、 調(diào)壓器接在兩相之間，2、 調(diào)壓器接在一相和零線之間，采用單相調(diào)節(jié)時應(yīng)注意，在調(diào)壓器調(diào)至電壓低于某一數(shù)值后，會在某一速度下出現(xiàn)負轉(zhuǎn)矩。當電壓調(diào)至0V時，整個速度范圍內(nèi)都將出現(xiàn)負轉(zhuǎn)矩。如果力矩電動機所帶動的是紡織品或塑料品、紙張等東西時，由于電動機此時存在一個制動力矩，會造成張力不正常。造成負轉(zhuǎn)矩的原因是由于力矩電動機的特性較軟。為提高扭矩，力矩電機的極數(shù)較多，所以轉(zhuǎn)速一般只有一百到幾百轉(zhuǎn)，下面以德國西泰克（CYTEC）力矩電動機和普通司服電動機參數(shù)的比較： 普通司服電機 Cytec力矩電機最大扭矩/Nm12010000最高轉(zhuǎn)速/r/ min-130

11、00600030006000電極極數(shù)460額定電流10 Nm電動機為10A1700 Nm電動機為11.8A電壓等級230V，400V400V電機類型直流，無刷直流正弦交流正弦交流由以上參數(shù)可以看出，力矩電機額定電流很小，用很小的伺服模塊就可以驅(qū)動扭矩很大的力矩電動機，力矩電機的結(jié)構(gòu)形式，由外轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子兩種；內(nèi)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)勢因為相同扭矩電動機體積可以更小，在機床行業(yè)，相同的性能，體積小就有很大的優(yōu)勢。力矩電機作為一種很早就有的技術(shù)，首先作為導(dǎo)彈上的陀螺電動機，但是扭矩相對很小在機床上的應(yīng)用是近10多年才出現(xiàn)的，隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展，市場需要一種高精度，高加速度的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，而齒輪或蝸輪蝸

12、桿傳動，事實證明是達不到要求的。隨著交流伺服技術(shù)的進步，力矩電機的扭矩很快達到了實用的程度，力矩電機直接驅(qū)動在機床上很快得到了應(yīng)用。Secondly力矩電機的應(yīng)用：力矩電機直接驅(qū)動是實現(xiàn)高速高精度旋轉(zhuǎn)運動的最佳選擇機床上的旋轉(zhuǎn)運動，例如擺頭和轉(zhuǎn)臺，傳統(tǒng)的解決方法是采用伺服電機+蝸輪蝸桿或齒輪實現(xiàn)、這種方式的缺點很明顯，首先是磨損，機械部件長期連續(xù)運行的磨損是不可避免的，尤其是渦輪蝸桿轉(zhuǎn)臺的耐用性是很大的問題，精度保持性很差；其次是速度與加速度低，在加工高速曲面時，如果旋轉(zhuǎn)軸的速度低于曲面的加速度，就會出現(xiàn)過切現(xiàn)象。力矩電動機的轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)部件的運動，它是沒有中間的傳動環(huán)節(jié)，是一種不接觸的傳

13、動，沒有反向間隙，沒有磨損，配合高精度編碼器，可以實現(xiàn)編碼器級別的精度，力矩電機一般可以實現(xiàn)60r/min的轉(zhuǎn)速，這對擺動機構(gòu)來說，已經(jīng)是很高的速度了。若都采用2.5/的編碼器反饋情況下，力矩電機與齒輪，蝸輪蝸桿傳動的比較如下：力矩電機蝸輪蝸桿齒輪定位精度3/10/7/速度3600/s600/s1200/s加速度13000/s23000/s24000/s2精度保持性精度不變精度易損精度保持性較好擺動扭矩小中大在機床上采用力矩電機的機床部件，主要有擺頭和轉(zhuǎn)臺，如下圖： 圖1：雙擺頭結(jié)構(gòu)力矩電機直接驅(qū)動的擺頭 采用力矩電機的雙軸轉(zhuǎn)臺圖2：扭矩電機在轉(zhuǎn)臺上的應(yīng)用 采用力矩電機擺頭的五軸龍門銑 采用雙軸力矩電機轉(zhuǎn)臺的葉片磨床臥式加工中心 落地鏜床 圖3 Thirdly力矩電機的發(fā)展趨勢：根據(jù)有關(guān)專家預(yù)測，“十五”期間中小電機年產(chǎn)量將達到