Существует много способов, чтобы увеличивать шпиндельный вращающий момент - в пределах от увеличения числа полюсов в открытой петле асинхронного двигателя переключенинием, включая ориентированные по вектору потока. Дополнительные материалы беличьи клетки, типа медных сплавов и асинхронных двигателей.
Становится более обычным видеть, новые станки,
разработанные с составными моторными быстродействующими шпинделями.
Таким образом, двигатель встроен непосредственно в шпиндель, который становится
ограниченным элементом двигателя. Высокооборотные двигатели обеспечивают
преимущество в том, что могут приводить во вращение с большими скоростями вращения
высокоскоростные механизмы, причем на малых диаметрах элементов приводных систем.
Шпиндельные скорости, больше чем 30 000 оборотов в минуту обычно достигаются за счет вышеупомянутых решений, однако частоты вращения такого порядка могут считаться как непрактичные или же проблематичные в ременных и зубчатых механических передачах. В данном случае нет необходимости в ременной или зубчатой передаче на участке двигатель-шпиндель. Одна из задач, которая должна быть выполнена высокооборотными двигателями – передать вращающий момент для достижения более высокой степени использования материалов и обеспечить более широкий диапазон частоты вращения, что позволит повысить эффективность производственных установок располагающих данной технологией. Одним из способов увеличения двигательного вращающегося момента состоит в том, чтобы увеличить физическую массу или размер обмоток статора и диаметра ротора. Увеличение размера двигателя позволит ротору и статору обращаться с более высокими потоками проводника и увеличит линии магнитного потока, произведенного статором (увеличенная длина диаметра статора). Это, однако, может быть непрактичным в определенных ситуациях.
Двигательный вращающий момент, в конечном счете,
ограничен размерами, разрешенным для двигателя, что противоречит увеличению
двигательного вращающего момента и более высоких шпиндельных скоростей. Диаметр,
а не длина, является чаще всего ограничением, к которому проведен шпиндель.
Шпиндельный диаметр должен быть ниже определенного размера, соответствуя пределам
границ машины.
Следующий выбор состоял бы в том, чтобы удлинить шпиндель, но это также вызовет проблемы. Увеличение длины шпинделя приведет к увеличению прогиба вала, таким образом, вызывая необходимость снижения частоты вращения. Если шпиндель будет слишком удлинен, то собственная частота может быть настолько велика, что это может вызвать проблемы связанные с вибрацией.
Статор
Асинхронный двигатель состоит из двух первичных элементов:
статор и ротор. Принуждение потока через проводящие катушки в статоре производит
вращающееся магнитное поле, которое действует на вызванную область в роторе,
производя вращающий момент. Вращающий момент пропорционален амплитуде потока и
линий потока, происходящего от статора. Чем больший статор, тем больше это может
вызывать линий потока.
Увеличение число пар полюсов асинхронной машины является
способом повышения электромагнитного момента. . Наличие большего числа пар полюсов
позволит протекать по статорным обмоткам большим токам, что в свою очередь позволит
создать большую по величине магнитодвижущую силу. Многополюсные двигатели имеют
возможность работать на любой заданной скорости. Значения электромагнитного момента
в данном случае соответствуют 80 мм (диаметр) и 90 мм (длинна) статора. Что может быть
сделано, чтобы создавать больший вращающий момент, при фиксированном диаметре и
длинен шпинделя? При ближайшем рассмотрении типа и конструкции, а так же типа
привода, представляется возможным последующая оптимизация эксплуатационных качеств
двигателя без влияния на физический размер двигателя.
РАЗОМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
В асинхронном двигателе вращающий момент возникает за счет сил, создаваемых вращающимся магнитным полем статора индуцируя магнитное поле в роторе. Этот момент прямопропорционален току и магнитному потоку создаваемыми статором. Как сказано выше, при увеличении размеров двигателя, увеличивается магнитный поток, создаваемый статором. Как правило, момент прямопропорционален току проводника умноженному на магнитный поток. Так как ограничение размеров двигателя ограничивает величину магнитного потока, то для создания большего вращающего момента необходимо изменять ток проводника. Прежде чем обсуждать способы увеличения тока проводника должны быть заложены основные принципы, положенные в основу принципа действия асинхронного двигателя, что касается вопросов питания двигателя.
Асинхронный двигатель вращается так, что при данном напряжении и частоте двигатель работает с определенной скоростью. При этом напряжении, ток, проходящий по фазам статора, наводит индуктивный ток в роторе. Индуктивный ток, также называемый намагничивающим током, прямо пропорциональный току, проходящему через статор в стандартном напряжение-частотном приводе. Если мы представим эти два тока как значения на оси х и у, значение которое вы бы измерили с помощью амперметра, являются суммой дух этих векторов.
Среднеквадратичное действующее значение тока есть результирующий вектор намагничивающего тока и тока статора (тока создающего вращающий момент на валу). В разомкнутом приводе, при приложение момента к валу, электромагнитный момент возрастает по причине того, что среднеквадратичное действующее значение тока также возрастает. Потери в роторе вызваны здесь, потому что как только намагничивающий ток возник, дальнейшее увеличение этого вектора не имеет дополнительных преимуществ. Фактически, более высокий поток вызывает увеличенные потери (высокая температура) в роторе. В асинхронном двигателе, можно увидеть, что для каждой отдельной составляющей статорного тока, создающей вращающий момент, будет иметь место увеличение в 1.41 раз. Если сказать другими словами, на каждую единицу тока статора, двигатель произведет 0,707 единиц моментообразующего тока. Таким образом, увеличение развиваемого асинхронным двигателем вращающего момента, может быть достигнуто двумя способами. Первым должен быть увеличен поток двигателя, и второе должно быть увеличена сила магнитного поля.
МАТЕРИАЛ РОТОРА
Если бы электрическая проводимость могла быть улучшена, больше намагничивающего тока было выработано без создания больших потерь. Этот материал будет значительной мере влиять на рабочие свойства. Для типичного асинхронного двигателя, в качестве материала стержней беличьей клетки используются алюминий и медь, а так же их сплавы. Улучшенные алюминиевые и медные сплавы, с лучшей электрической проводимостью, способствовали улучшению вращающего момента двигателя, но медные сплавы имеют лучшую электрическую проводимость, приводящую к оптимальному вращающему моменту двигателя. При использовании меди как материал ротора, проводимость становится лучше, и клетка белки обеспечит лучший вращающий момент за данное количество вращающего момента.
Сравнение было сделано с относительно быстродействующим шпинделем, с максимальной скоростью на 60 000 оборотов в минуту. Для небольших двигателей, материал ротора имеет значительное влияние. Увеличение до 36% прироста по моменту было достигнуто за счет предпочтения медного ротора алюминиевому Для больших двигателей эта зависимость все еще присутствует, но процентные изменения невелики. Недостатком использования меди в качестве материала беличьей клетки является большая ее стоимость в сравнении с другими подходящими материалами.
УВЕЛИЧЕНИЕ ЧИСЛА ПАР ПОЛЮСОВ
Число моторных полюсов может быть увеличено, чтобы получить некоторое усовершенствование вращающего момента двигателя. В данном случае большее число проводников с током участвуют в процессе передачи поля ротору. Увеличение числа полюсов так же способствует увеличению намагничивающего тока. К примеру, двухполюсный статор диаметром 80-мм и длинной 90-мм создает вращающий момент около 1.7 Нм, а статор, имеющий 4 полюса, создает вращающий момент 2,3 Нм. Шестиполюсный двигатель тех же самых размеров создаст вращающий момент 2,8 Нм. Повышения вращающего момента может быть достигнуто использованием большего числа полюсов, также возможно повышение частоты напряжения питающей сети. Для того, чтобы развить 20000 оборотов в минуту двухполюсному двигателю требуется напряжение частотой 333 Гц, четырехполюсный двигатель необходимо питать напряжением с частотой 667 Гц и Шестиполюсный – 1000 Гц. Такая высокая частота все еще остается проблемой для многих стандартных приводов Большинство двигателей, поставляемых в высокочастотных шпинделях, на сегодняшний день выполняются с 4 полюсами. Четырехполюсные двигатели являются хорошим сочетание высокоскоростных свойств и моментных, так же доступны во многих габаритных классах.