Двигатели приводов главного движения

Асинхронные односкоростные электродвигатели получили преимущественное распространение в приводах главного движения со ступенчатым регулированием в связи с их небольшой стоимостью, высокой надежностью, возможностью значительных перегрузок с жесткостью механической характеристики. Они не требуют применения специальных преобразователей, усилителей, имеют небольшие габариты и массу. Частота вращения двигателя

(70)

где f – частота переменного тока сети, Гц (обычно f = 50 Гц); S – скольжение ротора; р – число пар полюсов в обмотке статора.

Однако в этом случае привод обычно содержит сложную многоступенчатую коробку скоростей, затруднена также автоматизация переключения скоростей.

Иногда применяются многоскоростные асинхронные электродвигатели, в которых частота вращения изменяется за счет переключения числа пар полюсов р. Чаще всего применяются двухскоростные двигатели, при этом упрощается коробка скоростей за счет исключения соответствующего двойного блока; скорость вращения шпинделя можно автоматически изменять в два раза, так как двигатели имеют синхронные частоты вращения п_Д = 1500/3000, п_Д = 750/1500 или п_Д = 500/1000 об./мин. Очень редко применяют трех и четырехскоростные электродвигатели. Стоимость, габариты и масса многоскоростных электродвигателей существенно выше, чем у односкоростных.

В приводах главного движения станков с бесступенчатым регулированием, особенно с ЧПУ, применяют регулируемые электродвигатели постоянного тока, с двухзонным регулированием, частота вращения которых

(71)

где U_я,I_я,r_я – соответственно напряжение, сила тока и сопротивление в цепи якоря; Ф_в – магнитный ток возбуждения; С – постоянная двигателя.

При этом момент на валу двигателя

(72)

где k_м – коэффициент пропорциональности.

Регулирование частоты вращения двигателя от минимальной п _{д min} до номинальной п_н происходит за счет изменения подводимого к якорю напряжения U_я при постоянном моменте М_д. Мощность двигателя Р_д увеличивается пропорционально частоте его вращения, достигая номинального значения при п_н. Дальнейшее регулирование до п_дmax происходит за счет уменьшения магнитного потока возбуждения при постоянной номинальной мощности, момент Мд при этом уменьшается. Таким образом, двигатель имеет зону регулирования с постоянной мощностью при диапазоне (RД)р = (п _д) / п_н.. Величина этого диапазона обычно не превышает 2,5 – 6.

В другой зоне работы диапазон регулирования с постоянным моментом (R_д)/ М= п_н/(п_д)_min может быть достаточно большим. Как правило, диапазон (RД)_р существенно меньше требуемого на шпинделе диапазона регулирования R_p (рис. 139). Поэтому для его расширения последовательно регулируемому двигателю включают коробку скоростей с диапазоном регулирования R_к и числом ступеней скорости Z_K, равным 2, 3 или 4 (рис. 139, а). Условный график частот вращения такого привода с Z_K = 3 изображен на рис. 139, б. При этом регулируемый двигатель и коробка скоростей представленны как последовательно соединенные групповые передачи с соответствующими диапазонами регулирования, причем R_p = (RД)_р/R_к. Максимальная частота вращения шпинделя п_max

Рис. 139 Привод главного движения с регулируемым двигателем.

а – общая схема б – график частот вращения.

получена от (п _д) _тах при передаточном отношении коробки i₁, соответственно — п_Р от п_н при передаточном отношении i₃. Величина п_тin с учетом передаточного отношения i₃ определяет необходимую для конкретного привода минимальную частоту вращения двигателя (п _д) _min.

Диапазон R_к = (φ_к)^{Zк- 1}, где φ_к — знаменатель ряда передаточных отношений в коробке скоростей. Если φ_к <(R_Д)_p, то получается перекрытие частот вращения R_np на шпинделе в пределах диапазона R_р.

Следует учитывать, что несмотря на возможность бесступенчатого регулирования частот вращения на шпинделе, обычно для удобства управления переключение частот вращения осуществляется ступенчато по закону геометрической прогрессии со знаменателем φ=1,12 или φ =1.06. Недостатки двигателя постоянного тока связаны с наличием коллекторно-щеточного узла, что снижает его надежность и ограничивает максимальные частоты вращения. Поэтому в последнее время в станках применяются бесколлекторные вентильные двигатели и регулируемые за счет изменения частоты f (формула (70)) асинхронные двигатели переменного тока. Однако их диапазоны регулирования с постоянной мощностью также ограничены, и структура привода остается такой же, как и рассмотренная ранее.

Регулируемые электродвигатели, системы их управления существенно удорожают привод, однако механическая часть привода значительно упрощается. Наличие в современных регулируемых двигателях датчика углового положения ротора и электромагнитного тормоза позволяет создать унифицированные приводы главного движения в виде компактного мехатронного узла — мотор-шпиндель с микропроцессорным управлением без всяких промежуточных механических элементов.

Гидравлические двигатели в виде гидроцилиндра получили широкое применение при небольшой длине хода (обычно до 1,2 м) в приводах главного движения с поступательным перемещением рабочего органа. (Например, в протяжных станках.) Иногда применяются и гидромоторы для получения вращательного движения шпинделей (например, в шпиндельных головках). Преимущества гидропривода связаны с простотой осуществления реверсирования, торможения и бесступенчатого регулирования скоростей в широком диапазоне, малыми габаритами, возможностью непосредственного без всяких механических передач соединения двигателя с исполнительным органом станка. Главными недостатками гидропривода являются сложность коммуникаций и меньшая надежность

В высокоскоростных инструментальных головках в качестве приводного двигателя иногда используется пневмотурбинка, посаженная непосредственно на шпиндель.