Zlatá medaile MSV nové řadě výkonných malých elektromotorů

Zlatá medaile MSV nové řadě výkonných malých elektromotorů

Podle vyhodnocení světového trhu evropským časopisem Industrial Engineering News z konce roku 1999 tvoří malé elektromotory 83 % všech elektromotorů v průmyslu. Na jeden výkonný elektromotor ve stroji často připadají další tři až čtyři motory malé. S rozvojem automatizace a výpočetní techniky roste i počet PID regulačních obvodů v nových výrobcích. Propojování řídicích a regulačních systémů sítěmi vytváří podmínky pro aplikace malých stejnosměrných motorů doplněných snímači a převodovkami.

Tendence v požadavcích na malé stejnosměrné motory jsou analogické směrům v elektronice – miniaturizace, spolehlivost, menší náklady.

Malé stejnosměrné motory se v porovnání s ostatními malými elektromotory, zejména indukčními a krokovými, vyznačují velkým záběrným momentem a větší rychlostí otáčení. Většinou se používají v kombinaci s převodovkami.

Typy malých stejnosměrných motorů
Komutátorové motory, označované také jako DC motory, tvoří na trhu většinu. Téměř ve všech modelech je magnetické pole statoru vytvářeno permanentními magnety.

Nižší třída komutátorových motorů používá vinutí v drážkách železného rotoru.

Naproti tomu vyšší třída komutátorových motorů má samonosné vinutí ve tvaru hrníčku. Železný magnetický obvod je součástí statoru a neotáčí se.

U bezkomutátorových (bezkartáčových) stejnosměrných motorů, často označovaných jako EC motory, je mechanický komutátor s kartáči nahrazen elektronickým řízením komutace, tj. přepínání proudu do sekcí vinutí podle úhlu natočení rotoru. Informace o úhlu natočení je vytvářena zvláštním magnetem ve třech Hallových sondách umístěných v čele motoru. Dynamické vlastnosti EC motorů jsou stejné jako u komutátorových motorů, ale jejich doba života je delší, neboť není závislá na opotřebení kartáčů a komutátoru, ale pouze na životnosti kuličkových ložisek.

Postavení komutátorových (DC) motorů na trhu
Podíl stejnosměrných bezkartáčových motorů na světovém trhu postupně roste, ale v rozhodujícím objemu aplikací jsou pod tlakem ekonomiky stále ještě požadovány stejnosměrné motory s mechanickým komutátorem.

Životnost komutátoru je sice kratší než životnost kuličkových ložisek, ale v mnoha aplikacích bez trvalého zatížení není limitující a je v relaci s životností převodovky i celého zařízení. Doba života komutátorů se mimo to, na základě nových vývojových prací v oblasti motorů se samonosným vinutím, prodlužuje.

Aplikace motorů Maxon v kosmickém vozidle jako základ průmyslových aplikací
Špičkových výsledků vývoje bylo využito např. v kosmickém automatickém vozidle Sojourner při misi NASA na povrch planety Mars. Vozidlo bylo poháněno a řízeno jedenácti motory Maxon RE16 o průměru 16 mm s převodovkami a snímači pohybu. Technologie vyvinuté pro kosmické využití jsou nyní transformovány do nové řady průmyslových motorů nabízené pod označením RE-max.

Nová řada DC motorů RE-max
V nové řadě malých stejnosměrných komutátorových motorů RE-max uváděné na trh firmou Maxon jsou spolu unikátně spojeny nejvyšší technické parametry s nízkými náklady na výrobu. Funkční prvky motorů jsou převzaty z motorů pro vesmírný program NASA. Motory řady RE-max jsou k dispozici v pěti základních průměrech, a to 13, 17, 21, 24 a 29 mm (obr. 1).

Přínosy kosmického programu
Přínosem v technice pohonů jsou zejména velmi výkonné permanentní magnety z neodymu umístěné uvnitř samonosného vinutí rotoru. Výkonnost magnetů a celkové konstrukční uspořádání jsou podkladem pro miniaturizaci motoru. Dalším důležitým prvkem je vinutí bez železného jádra podle patentu firmy Maxon, které podstatně omezuje jiskření a prodlužuje životnost kartáčů i komutátoru. Motor s tímto vinutím také velmi rychle reaguje a má velkou pulsní přetížitelnost. Často je proto možné použít mnohem menší motor, než jaký by odpovídal vypočtenému jmenovitému výkonu. Vinutí podle patentu firmy Maxon dovoluje zvětšit mezní otáčky motoru limitované činností komutátoru a s permanentními magnety dává motoru velkou účinnost. Tyto motory zlepšují ekologické parametry bateriového provozu mobilních zařízení. Nemají proměnný krouticí moment během otáčky, neboť zdroj tohoto zubového efektu, drážky v železném rotoru, zde neexistuje.

Menší výrobní náklady
Části, které nemají bezprostřední vliv na výkon, jsou v motorech řady RE-max maximálně zjednodušeny a zlevněny s respektováním požadavků automatizované hromadné výroby a montáže. Konstrukce pláště, který uzavírá magnetické pole, umožňuje lisovat jej z plechu s přesností odpovídající vysoké kvalitativní třídě motoru. Úchyty kartáčů, upravené do plochého tvaru s integrovanými přívody, přispěly k menším vnějším rozměrům motorů. Čela motorů ze stabilního plastu nesou neodymové jádro, ložiska a prvky pro spojení s navazujícími díly metodou pružných západek (snap-on). Technologie použitelné v hromadné výrobě zpětně napomohly dále zkrátit původní motory typu RE s magnety z neodymu.

Velký počet různorodých provedení
Nová koncepce motorů je výrazně stavebnicového charakteru. Umožňuje použít v motoru kteréhokoliv průměru vhodný typ kartáčů podle aplikace. S kartáči z drahých kovů, doporučovanými při souvislém pravidelném chodu, lze pro další omezení jiskření použít řešení známé pod označením CLL (Capacitor Long Life). Motor s CLL má v rotoru mezi lamelami zabudovány kondenzátory pro akumulaci energie magnetického pole zanikajícího při komutaci. Motory s kovovými kartáči tak minimálně vyzařují elektromagnetickou energii. Motory s grafitovými kartáči naopak dobře snášejí velké pulsní proudy při častých rozbězích.

V základním provedení s jedním vyvedeným koncem hřídele je možné použít komutátor velmi malého průměru, a tudíž s malou obvodovou rychlostí. V provedení s vyvedenými oběma konci hřídele je k motoru možné připojit optický nebo magnetický inkrementální snímač polohy.

Spojováním motorů s převodovkami systému Maxon lze optimalizovat celý pohon pro danou aplikaci.

Nová řada motorů RE-max pomáhá svými vysokými parametry posunout technickou a uživatelskou úroveň běžných průmyslových strojů a přístrojů blíže ke špičkovým kosmickým aplikacím při respektování přijatelné cenové hladiny.

V tab. 1 jsou uvedeny hlavní charakteristické technické parametry základních variant nové řady motorů.

Tab. 1. Char. technické parametry základních variant DC motorů řady RE-max

Nová řada DC motorů může pracovat s jednoduchým napájením stejnosměrným proudem. Otáčky motoru bez zatížení jsou úměrné napájecímu napětí a se zatížením klesají podle rychlostního gradientu uvedeného v tab 1. Je-li napájecí zdroj schopen dodat příslušný záběrný proud, je zrychlení při rozběhu limitováno záběrným momentem motoru. Jinak je omezeno dosažitelným proudem.
Řízení rychlosti nejčastěji zajišťují napájecí jednotky Maxon typu LSC (malé výkony), popř. ADS 50/5 (větší výkony). Zpětná vazba využívá tachodynamo nebo inkrementální snímač na hřídeli motoru, popř. pracuje metodou kompenzace součinu proudu a odporu, která nepotřebuje žádný snímač natočení hřídele.

K řízení polohy je již po mnoho let k dispozici komfortní jednotka PCU 2000 s vlastním softwarem a programováním. Od letošního roku jsou nabízeny také nové jednotky MIP.

Jednotka PCU2000
Jednotka pro programové řízení polohy PCU2000 může společným programem standardně ovládat jeden nebo dva pohony. Provedení pro větší počet motorů (až šest) se dodává na objednávku. Požadované průběhy pohybů se vloží do pamětí jednotky pomocí externího PC s využitím příkazů jednoduchého softwaru, který je součástí dodávky. Programují se zrychlení, rychlosti, zpoždění pohybů a místa zastavení. Průběhy realizovaných pohybů lze zobrazit počítačem. Napájet jednotku lze buď střídavým (20 až 34 V AC) nebo stejnosměrným (24 až 48 V DC) proudem. Jednodušší varianta jednotky se napájí dvěma stejnosměrnými zdroji (24 V DC a 24 až 48 V DC). Dalšími vstupy jsou signály inkrementálních snímačů natočení hřídelů jednotlivých motorů, signály referenčních spínačů pro nastavení základní polohy. Dále má jednotka PCU2000 digitální vstupy a výstupy, např. pro přístup z PC k interní jednotce logického řízení (programovatelnému automatu – PLC) po lince v protokolu RS-232. Z dalších výstupů se napájejí inkrementální snímače a jednotlivé motory. Napájení menších motorů je řešeno pomocí vestavěné cívky (indukčnost 1 mH). Trvalý výstupní proud do motoru je 5 A, krátkodobý 10 A. Jednotka na výstupu monitoruje proudy v motorech. Limitní trvalý a krátkodobý proud a klidový stav každého motoru se nastavují potenciometry.

Jednotky MIP 10 a MIP 50
Letošními novinkami na českém trhu jsou jednotky MIP 10 a MIP 50, určené rovněž pro programové řízení polohy (obr. 2). Jejich cena je oproti ceně PCU2000 poloviční. Jednotka MIP zastává funkci PID regulátoru polohy nebo PI regulátoru proudu, který šířkově modulovaným napájecím signálem (s opakovací frekvencí impulsů 60 kHz) ovládá jeden motor vybavený kodérem. Na rozdíl od jednotky PCU2000 nemá MIP vlastní programovací systém, ale jedna nebo několik jednotek se připojí digitálně (rozhraní RS-232 nebo RS-485) k nadřazenému PC nebo průmyslové řídicí stanici. Po lince RS-485 lze připojit až 127 jednotek. Nadřazený systém se vybaví kompatibilním řídicím programem pro Windows 95, Windows NT-DLLs nebo Tools. Jednotky MIP lze v jednoduchých případech řídit i bez řídicí stanice (popř. PC) spínači a jejich stav indikovat diodami LED. Dalšími digitálními vstupy jsou stop, blokování výkonového výstupu enable, referenční poloha a mezní hodnoty rychlosti a proudu v obou směrech otáčení. K dispozici je i napětí pro připojení inkrementálního snímače na konektoru.

Jednotka MIP 10 dodává do motoru až 1,8 A trvale a 2 A krátkodobě. Je napájena ze zdroje 9 až 24 V DC. Jednotka MIP 50 má omezení na výstupu 5 A trvale, 11 A krátkodobě (po dobu 5 s) a 13 A mžikově (po dobu 200 ms). Má vestavěnu cívku s indukčností 1 mH a je napájena ze zdroje 24 až 48 V DC.

Typicky se jednotky MIP používají ve výměnících nástrojů, v robotech, lékařských přístrojích, infuzních pumpách, chemických přístrojích, analytických pumpách apod.