Ở đây, trong quá trình thiết kế máy móc, nhiều người sẽ gặp khó khăn...「Loại động cơ nên chọn」 Tôi đang ghi chép những điều cần biết.
Trong thiết kế máy móc, việc lựa chọn động cơ là một quá trình quan trọng quyết định hiệu suất của thiết bị. Tuy nhiên, có rất nhiều loại động cơ khác nhau, và việc lựa chọn loại động cơ phù hợp nhất sau khi hiểu rõ các đặc tính của từng loại không phải là điều dễ dàng. Đặc biệt, thông tin về phương pháp lựa chọn cụ thể, chẳng hạn như cách sử dụng servo và stepping, hoặc cách lựa chọn dựa trên các ví dụ theo mục đích sử dụng, luôn được yêu cầu trong lĩnh vực thiết kế máy móc.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giải thích một cách toàn diện từ kiến thức cơ bản đến quy trình lựa chọn cụ thể, và các ví dụ ứng dụng đa dạng cho các nhà thiết kế máy móc đang băn khoăn về loại động cơ và cách lựa chọn. Bài viết này là bài tổng hợp nên khá dài, nhưng sau khi đọc bài viết này,Mục tiêu là có thể tự tin lựa chọn động cơ 라고 합니다.
- Cách chọn loại cơ bản để lựa chọn động cơ
- Cách chọn động cơ và các loại động cơ trong thiết kế máy móc
- Lựa chọn động cơ có độ chính xác cao, sử dụng đúng loại servo và stepping
- Các điểm quan trọng trong việc lựa chọn và phân loại dựa trên các ví dụ ứng dụng động cơ
- Động cơ robot công nghiệp, nhân vật chính của FA
- Động cơ máy công cụ hỗ trợ gia công chính xác
- Động cơ của thiết bị vận chuyển chịu trách nhiệm vận chuyển hàng hóa
- Động cơ được yêu cầu trong thiết bị sản xuất bán dẫn
- EV, máy bay không người lái và các phương tiện di chuyển thế hệ mới
- Động cơ của thiết bị y tế hỗ trợ sự sống
- Thiết bị ngoại vi và kiến thức bổ sung cần thiết cho việc lựa chọn động cơ
- Tổng hợp các loại động cơ tối ưu và cách lựa chọn
Cách chọn loại cơ bản để lựa chọn động cơ
Sự khác biệt cơ bản giữa AC/DC và servo stepping
Khi lựa chọn động cơ, nhiều nhà thiết kế phải đối mặt với việc phân loại "động cơ AC hay động cơ DC", "động cơ bước hay động cơ servo". Điều quan trọng ở đây là,Hiểu rằng các phân loại này dựa trên các tiêu chí đánh giá khác nhau. 입니다.
Đầu tiên,Phân loại "động cơ AC" và "động cơ DC" dựa trên "loại nguồn động lực" để vận hành động cơ. Động cơ AC hoạt động bằng nguồn điện xoay chiều được cung cấp từ ổ cắm, trong khi động cơ DC hoạt động bằng nguồn điện một chiều như pin. Đây là phân loại cơ bản nhất liên quan trực tiếp đến cấu trúc vật lý và đặc tính điện của động cơ.
Mặt khác,Phân loại "động cơ bước" và "động cơ servo" chủ yếu dựa trên "phương pháp điều khiển và ứng dụng". Động cơ bước quay theo từng góc được xác định bởi tín hiệu xung và thực hiện định vị chính xác bằng điều khiển vòng hở tương đối đơn giản. Ngược lại, động cơ servo là tên gọi chung của hệ thống thực hiện điều khiển vị trí và tốc độ với tốc độ cao và độ chính xác cao bằng điều khiển vòng kín sử dụng phản hồi từ bộ mã hóa.
Các phân loại này không độc lập với nhau mà tồn tại kết hợp với nhau. Ví dụ, động cơ servo chủ đạo hiện nay là "động cơ servo chạy bằng nguồn điện AC (động cơ servo AC)". Như vậy,Nhà thiết kế trước tiên cần xem xét phương pháp điều khiển động cơ từ góc độ ứng dụng, tức là "thiết bị có yêu cầu quay liên tục hay cần định vị chính xác không", sau đó xem xét nguồn động lực, tức là "nguồn điện có thể sử dụng là gì", để thu hẹp các lựa chọn một cách hiệu quả.
Cơ chế hoạt động của động cơ AC chạy bằng nguồn điện xoay chiều
Động cơ AC là tên gọi chung của các động cơ hoạt động bằng nguồn điện xoay chiều (AC) được cung cấp từ ổ cắm trong gia đình và nhà máy. Đây là."Nguồn điện thương mại" là nguồn điện được cung cấp bởi công ty điện lực. Và, tùy thuộc vào nơi sử dụng máy móc được thiết kế, các thông số kỹ thuật của nó sẽ khác nhau đáng kể.
Tổng quan về nguồn điện thương mại
Nguồn điện thương mại tại Nhật Bản chủ yếu được chia thành các loại sau đây.
- Điện áp một pha 100V: Đây là nguồn điện được sử dụng rộng rãi nhất trong các hộ gia đình thông thường.
- Điện một pha 200V: Được sử dụng cho các thiết bị gia dụng cần công suất lớn hơn như điều hòa không khí, bếp từ IH, v.v.
- 3 pha 200V: Đây là nguồn điện tiêu chuẩn cho các thiết bị công nghiệp cần công suất lớn, chẳng hạn như thiết bị sản xuất trong nhà máy.
Do đó, để xác định nguồn điện của máy móc được thiết kế có phù hợp với nguồn điện truyền động của động cơ AC hay không, bước đầu tiên là xác định loại nguồn điện nào có thể sử dụng trong môi trường lắp đặt máy móc đó (nhà riêng, văn phòng, nhà máy, v.v.). Ưu điểm của động cơ AC là có thể sử dụng dễ dàng chỉ bằng cách kết nối trực tiếp với nguồn điện thương mại hoặc thông qua thiết bị ngoại vi đơn giản, đồng thời có cấu trúc đơn giản và độ bền cao. Tuy nhiên,Khi thiết kế sản phẩm dành cho thị trường nước ngoài, cần phải kiểm tra kỹ lưỡng hơn vì điện áp và tần số khác nhau tùy theo quốc gia và khu vực. 입니다.
Đặc tính mô-men xoắn của động cơ AC
Động cơ AC, đặc biệt là động cơ cảm ứng, có đặc điểm là mô-men xoắn ổn định ở tốc độ quay định mức. Đúng vậy. Khi khởi động, động cơ tạo ra một mức mô-men xoắn nhất định (mô-men xoắn khởi động), và khi tốc độ quay tăng lên, mô-men xoắn sẽ tăng lên một lần, sau khi đạt đến mô-men xoắn tối đa, nó sẽ ổn định một chút về phía tốc độ quay định mức. Đặc tính của động cơ khác nhau tùy thuộc vào số cực của động cơ, và nói chung, động cơ có số cực ít như 2 cực là loại tốc độ cao, mô-men xoắn thấp, động cơ có số cực nhiều như 6 cực là loại tốc độ thấp, mô-men xoắn cao.
Khả năng chịu đựng môi trường của động cơ AC
Động cơ AC không có các bộ phận dễ mòn như chổi than và có cấu trúc chắc chắn, do đó thường có khả năng chịu được môi trường tốt. Đặc biệt, động cơ cảm ứng hoạt động ổn định ngay cả trong môi trường có nhiều bụi như nhà máy hoặc nơi có sự thay đổi nhiệt độ nhất định. Hơn nữa, có nhiều mẫu có cấp bảo vệ (tiêu chuẩn IP) cao với khả năng chống thấm nước và chống bụi được cải thiện. Ví dụ, động cơ có tiêu chuẩn IP65 có thể ngăn chặn bụi xâm nhập và chịu được tia nước phun từ mọi hướng, do đó được sử dụng trong các thiết bị ngoài trời có khả năng bị nước bắn vào hoặc trong quá trình làm sạch máy móc thực phẩm.
Các nhà sản xuất và sản phẩm tiêu biểu của động cơ AC
Khi lựa chọn động cơ AC, thông thường người ta sẽ xem xét các sản phẩm của các nhà sản xuất có thành tích tốt.
- Oriental Motor Co., Ltd.: Công ty chiếm thị phần cao trong lĩnh vực động cơ AC cỡ nhỏ. Sê-ri KⅡS, phù hợp nhất cho hoạt động liên tục như băng tải, được sử dụng trong nhiều thiết bị FA.
- Sumitomo Heavy Industries, Ltd.: Có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực động cơ bánh răng công nghiệp cỡ lớn. Sản phẩm của công ty bao gồm "Hyponic Reducer®" với hiệu suất cao và độ ồn thấp, và "Presto® NEO Gear Motor" với tính năng dễ sử dụng.
Cơ chế hoạt động của động cơ DC chạy bằng nguồn điện một chiều
Động cơ DC là động cơ hoạt động bằng nguồn điện một chiều (DC) như pin.Bằng cách thay đổi điện áp áp dụng, có thể dễ dàng điều khiển tốc độ quay, do đó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị cần điều chỉnh tốc độ và các thiết bị di động. đang được thực hiện.
Đảm bảo nguồn điện DC
Khi quyết định liệu máy móc được thiết kế có cần sử dụng nguồn điện DC hay không, không nhất thiết phải dựa trên giả định sử dụng pin. Trên thực tế, ngay cả trong môi trường có thể sử dụng nguồn điện AC, vẫn có rất nhiều trường hợp lựa chọn động cơ DC. Trong trường hợp đó, thông thường người ta sẽ sử dụng các phương pháp sau để lấy nguồn điện DC từ nguồn điện AC.
- Sử dụng bộ chuyển đổi AC: Đây là cách đơn giản nhất để lấy điện áp thấp DC12V hoặc DC24V được sử dụng trong các thiết bị điện tử từ ổ cắm AC100V gia dụng.
- Bộ nguồn chuyển mạch tích hợp: Thiết bị được sử dụng rộng rãi trong bảng điều khiển của thiết bị công nghiệp để tạo ra nguồn điện một chiều ổn định từ nguồn điện xoay chiều 200V.
Như vậy, ngay cả trong môi trường nguồn điện AC, việc xây dựng hệ thống động cơ DC thông qua bộ chuyển đổi AC/DC để đạt được các lợi ích như dễ điều khiển tốc độ, độ phản hồi cao hoặc động cơ nhỏ gọn hơn đã trở thành một trong những phương pháp tiêu chuẩn trong thiết kế máy móc.
Đặc tính mô-men xoắn của động cơ DC
Đặc tính mô-men xoắn của động cơ DC thay đổi đáng kể tùy thuộc vào việc có hay không có chổi than. Động cơ DC có chổi than tạo ra mô-men xoắn cao nhất khi khởi động và quay ở tốc độ thấp, và có xu hướng giảm mô-men xoắn theo đường thẳng khi tốc độ quay tăng lên. Mặt khác, động cơ DC không chổi than có thể tạo ra mô-men xoắn ổn định và bằng phẳng trong phạm vi tốc độ quay rất rộng, từ tốc độ thấp đến tốc độ cao, nhờ điều khiển điện tử.
Khả năng chịu đựng môi trường của động cơ DC
Động cơ DC có chổi than có nhược điểm là dễ bị bụi và độ ẩm ảnh hưởng do chổi than và bộ chỉnh lưu tiếp xúc trực tiếp với nhau, gây mài mòn. Khi các vật lạ này xâm nhập vào, có thể làm tăng tốc độ mài mòn hoặc gây ra sự cố dẫn điện, do đó, việc sử dụng vỏ bảo vệ là điều cần thiết khi sử dụng trong môi trường khắc nghiệt. Ngược lại, động cơ DC không chổi than không có bộ phận tiếp xúc cơ học, nên dễ dàng thiết kế cấu trúc kín bên trong động cơ, mang lại khả năng chống bụi và chống thấm nước cao (IP67, v.v.). Do đó, động cơ này phù hợp để sử dụng cho máy bay không người lái ngoài trời và các thiết bị trong lĩnh vực y tế và thực phẩm cần được vệ sinh.
このSự khác biệt nhỏ giữa động cơ AC và động cơ DC Nếu hiểu rõ điều này, bạn sẽ ít mắc sai lầm hơn trong việc lựa chọn loại động cơ.
Động cơ cảm ứng chính trong ngành công nghiệp
Động cơ cảm ứng là loại động cơ AC được sử dụng rộng rãi nhất. Và, nhờ sự đơn giản và chắc chắn của nó, nó còn được gọi là "công cụ chủ lực của ngành công nghiệp". "Induction" có nghĩa là "cảm ứng", chỉ nguyên lý hoạt động của động cơ quay.
Nguyên lý quay của động cơ cảm ứng có thể được giải thích bằng hiện tượng vật lý "đĩa Arago". Đây là hiện tượng khi quay nam châm trên đĩa nhôm hoặc đồng, đĩa sẽ quay theo nam châm như bị nam châm kéo theo.
Điều này có thể được thay thế bằng động cơ như sau.
- Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây của stator (stator), một từ trường quay được tạo ra (điều này đóng vai trò như nam châm quay).
- Từ trường quay này xuyên qua dây dẫn (dây dẫn nhôm hình lồng) là rôto (cánh quạt).
- Khi đó, theo định luật cảm ứng điện từ (định luật tay phải của Fleming), "dòng điện cảm ứng" sẽ chạy qua rôto.
- Rotor có dòng điện chạy qua sẽ chịu lực trong từ trường (quy luật tay trái của Fleming) và bắt đầu quay theo từ trường quay của stator.
Như vậy, đặc điểm lớn nhất của động cơ cảm ứng là truyền lực và quay bằng tác dụng "cảm ứng" điện từ mà không cần tiếp xúc vật lý. Nguyên lý này giúp loại bỏ các bộ phận hao mòn như chổi than, mang lại độ tin cậy và khả năng bảo trì cao.
Ưu điểm của động cơ DC không chổi than hiệu suất cao
Động cơ DC không chổi than là biểu tượng cho sự tiến bộ của công nghệ động cơ trong những năm gần đây, và đang dần thay thế động cơ DC có chổi than truyền thống trong nhiều thiết bị. Động cơ này có nhiều ưu điểm.
Lợi thế lớn nhất là,Tuổi thọ cao và không cần bảo trìĐó là điều quan trọng. Do không có bàn chải bị mài mòn vật lý, nên không cần phải thay thế các bộ phận định kỳ, giúp tăng cường đáng kể độ tin cậy của thiết bị. Ngoài ra, do không phát sinh tia lửa điện hay nhiễu điện do tiếp xúc với bàn chải, nên thiết bị này cũng thích hợp để sử dụng trong các thiết bị chính xác và môi trường sạch sẽ.
Ngoài ra, hiệu suất năng lượng rất cao cũng là một lợi thế lớn. Do không có tổn thất năng lượng do ma sát của chổi than, nên cùng một công suất nhưng tiêu thụ điện năng ít hơn, đặc biệt góp phần kéo dài thời gian hoạt động của các thiết bị không dây chạy bằng pin và máy bay không người lái, hoặc cải thiện hiệu suất tiết kiệm năng lượng của các thiết bị gia dụng. Như vậy, động cơ DC không chổi than là một lựa chọn không thể thiếu trong thiết kế máy móc hiện đại, với các đặc tính vượt trội về hiệu suất, độ tin cậy và hiệu quả.
Các nhà sản xuất và sản phẩm tiêu biểu
Động cơ DC không chổi than được sản xuất bởi các nhà sản xuất trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ thiết bị chính xác cỡ nhỏ đến thiết bị công nghiệp cỡ lớn.
- Nidec Corporation (Nidec): Công ty này tự hào có thị phần hàng đầu thế giới về động cơ trục chính cho ổ cứng (HDD) và đang phát triển một loạt sản phẩm đa dạng sử dụng công nghệ này, bao gồm các động cơ DC không chổi than nhỏ gọn và chính xác.
- Minebea Mitsumi Co., Ltd.: Có dòng sản phẩm động cơ DC không chổi than phong phú, từ loại nhỏ gọn, mỏng đến loại công suất cao, được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị AV kỹ thuật số, thiết bị ngoại vi máy tính, thiết bị điện tử trên xe hơi, v.v.
Cách chọn động cơ và các loại động cơ trong thiết kế máy móc
Hiểu về mô-men xoắn và tốc độ quay của hiệu suất cơ bản
Khi lựa chọn động cơ, chỉ số hiệu suất cơ bản nhất làMô-men xoắn và tốc độ quay Đây là. Hiểu đúng hai thông số này là bước đầu tiên để lựa chọn động cơ phù hợp.
Mô-men xoắn là lực mà động cơ tạo ra để quay trục, được biểu thị bằng đơn vị Newton mét (Nm).Trong thiết kế, điều quan trọng là phải phân biệt giữa "mô-men xoắn định mức" mà động cơ có thể phát ra liên tục và "mô-men xoắn tối đa" có thể phát ra trong thời gian ngắn khi khởi động hoặc tăng tốc đột ngột.Để vận hành thiết bị, cần có mô-men xoắn đủ để vượt qua các lực cản như ma sát và trọng lực.
Mặt khác, tốc độ quay thể hiện số vòng quay trong một phút, đơn vị tính là rpm (revolutions per minute). Trong nhiều động cơ, mô-men xoắn và tốc độ quay có mối quan hệ nghịch biến, khi quay với tốc độ cao, động cơ có xu hướng khó tạo ra mô-men xoắn lớn. Do đó, điều quan trọng là phải chọn động cơ có thể cung cấp mô-men xoắn cần thiết ở tốc độ hoạt động mà máy móc thiết kế yêu cầu.
Khái niệm về quán tính liên quan đến khả năng phản ứng
Inersia Được gọi là "mô-men quán tính" trong tiếng Nhật, đây là chỉ số thể hiện mức độ khó quay của vật thể hoặc mức độ cố gắng duy trì trạng thái quay. Đặc biệt,Trong các hệ thống động đòi hỏi khả năng tăng tốc và giảm tốc đột ngột cũng như định vị chính xác, việc xem xét quán tính là vô cùng quan trọng. 입니다.
Khi lựa chọn động cơ, phải xem xét cả quán tính của rôto động cơ và quán tính của tải trọng (toàn bộ máy móc) mà động cơ truyền động. Tỷ lệ giữa hai quán tính này là"Tỷ lệ Inersia" 라고 부릅니다.
Nếu tỷ lệ quán tính này quá lớn, động cơ sẽ không thể kiểm soát tải theo ý định, gây ra các vấn đề như rung động hoặc thời gian định vị kéo dài. Điều này tương tự như nguyên lý khi bạn cố gắng vung một chiếc búa quá nặng, bạn sẽ bị búa vung ngược lại và không thể đánh chính xác vào vị trí mong muốn. Đặc biệt, khi lựa chọn động cơ servo đòi hỏi khả năng phản ứng cao, việc giữ tỷ lệ quán tính này trong phạm vi giá trị khuyến nghị của nhà sản xuất (thường là dưới 10 lần) là điều kiện tuyệt đối để thực hiện điều khiển ổn định.
Quá trình tính toán và lựa chọn tải chính xác
Việc lựa chọn động cơ không chỉ dựa vào trực giác và kinh nghiệm,Tiến hành theo quy trình có hệ thống là chìa khóa để tránh thất bại Đó là. Quá trình này được chia thành 4 bước chính: "Xác định rõ yêu cầu kỹ thuật", "Tính toán tải trọng", "Lựa chọn tạm thời động cơ" và "Kiểm tra cuối cùng".
Đầu tiên, xác định cụ thể các yêu cầu kỹ thuật như thiết bị sẽ hoạt động như thế nào (khoảng cách di chuyển, tốc độ, thời gian, v.v.), sẽ di chuyển những gì và bao nhiêu (khối lượng), sẽ được sử dụng trong môi trường như thế nào.
Tiếp theo, tính toán lực cần thiết để thực hiện các yêu cầu kỹ thuật đó. Điều này bao gồm tính toán "mô-men tải" để chống lại lực ma sát và trọng lực luôn phát sinh, và "mô-men gia tốc" cần thiết để tăng tốc vật thể. Đặc biệt, mô-men gia tốc tỷ lệ thuận với độ lớn của quán tính (mô-men quán tính) đã đề cập ở trên, do đó tính toán này là không thể thiếu trong các thiết bị động.
Dựa trên kết quả tính toán này (mô-men xoắn tối đa cần thiết và tốc độ quay tối đa), chúng tôi sẽ tham khảo danh mục của nhà sản xuất để liệt kê một số động cơ tiềm năng. Cuối cùng, chúng tôi sẽ tiến hành kiểm tra cuối cùng để xác nhận tỷ lệ quán tính và nhiệt độ phát sinh trong quá trình vận hành liên tục có vấn đề gì không, từ đó quyết định động cơ phù hợp nhất.
Vai trò quan trọng của bộ điều khiển động cơ
Động cơ sẽ không hoạt động như mong muốn chỉ bằng cách kết nối với nguồn điện. Để phát huy tối đa khả năng của động cơ và thực hiện điều khiển chính xác, mạch điện tử được gọi là "bộ điều khiển động cơ" là không thể thiếu.Động cơ điều khiển có chức năng rất khác nhau tùy theo loại động cơ, vì vậy việc lựa chọn động cơ điều khiển phù hợp với động cơ là vô cùng quan trọng.입니다.
Đầu nối cho động cơ DC có bàn chải
Bộ điều khiển động cơ DC có chổi than tương đối đơn giản. Chức năng chính của nó là điều chỉnh điện áp áp dụng cho động cơ để kiểm soát tốc độ. Điều này thường được thực hiện bằng cách điều khiển PWM (điều chế độ rộng xung). Ngoài ra, bằng cách sử dụng mạch cầu H để chuyển đổi hướng dòng điện, nó có thể thực hiện chuyển động thuận và ngược.
Bộ điều khiển cho động cơ DC không chổi than
Đối với động cơ DC không chổi than, bộ điều khiển không chỉ là thiết bị điều khiển mà còn là thành phần thiết yếu để động cơ quay. Bộ điều khiển thay thế chức năng của chổi than và bộ chỉnh lưu bằng mạch điện tử, và chức năng chính của nó là "chỉnh lưu điện tử", tức là chuyển đổi dòng điện chạy qua cuộn dây 3 pha vào thời điểm thích hợp dựa trên thông tin vị trí của rôto thu được từ cảm biến Hall. Nếu không có chức năng này, động cơ DC không chổi than sẽ không thể quay được.
Bộ điều khiển động cơ bước
Bộ điều khiển cho động cơ bước giải thích tín hiệu xung từ bộ điều khiển cấp trên và tạo ra chuỗi để bật/tắt (kích thích) cuộn dây động cơ theo thứ tự đã định. Hơn nữa, chức năng "điều khiển vi bước" có thể thay đổi dòng điện chạy qua cuộn dây theo từng bước là chức năng chủ yếu, nhờ đó động cơ có thể quay với độ chính xác cao hơn góc bước cơ bản, giảm rung động và hoạt động trơn tru hơn.
Bộ điều khiển động cơ AC servo (bộ khuếch đại servo)
Bộ điều khiển trong hệ thống động cơ servo được gọi là "bộ khuếch đại servo", có chức năng cao cấp và phức tạp nhất. Chức năng cốt lõi của nó là xử lý tín hiệu phản hồi tốc độ cao từ vài chục nghìn đến vài triệu xung mỗi giây được gửi từ bộ mã hóa, tính toán sai số nhỏ so với giá trị chỉ thị, và liên tục điều chỉnh công suất đầu ra của động cơ để loại bỏ sai số đó. Ngoài các phép tính cao cấp (như điều khiển PID), nó còn có chức năng điều chỉnh độ lợi (tuning) để tối ưu hóa khả năng phản hồi của điều khiển theo đặc tính của máy móc.
Lựa chọn động cơ có độ chính xác cao, sử dụng đúng loại servo và stepping
Động cơ bước chạy bằng xung
Động cơ bước là động cơ quay từng bước một góc cố định (bước) tương ứng với số lượng tín hiệu điện (xung) được nhập vào.Đây là nguyên lý hoạt động kỹ thuật số, vì vậy nó còn được gọi là "động cơ xung".
Ưu điểm lớn nhất là có thể định vị chính xác mà không cần cảm biến phản hồi. Chỉ cần đếm số xung do bộ điều khiển gửi đi là có thể biết được động cơ đã quay bao nhiêu vòng, do đó cấu trúc hệ thống rất đơn giản và chi phí thấp. Ngoài ra, một đặc điểm khác là khi dừng lại, bằng cách duy trì dòng điện, có thể tạo ra lực mạnh (mô-men giữ) để giữ vị trí đó.
Mặt khác, cũng có những nhược điểm. Khi tải trọng vượt quá khả năng của động cơ, có thể xảy ra hiện tượng "mất đồng bộ" khiến động cơ không thể quay theo xung và vị trí bị lệch. Loại động cơ này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng định vị có tải trọng tương đối ổn định và không yêu cầu tốc độ cực cao, chẳng hạn như máy in 3D và thiết bị phân tích.
Đặc tính mô-men xoắn của động cơ bước
Đặc tính nổi bật nhất của động cơ bước là khả năng tạo ra mô-men xoắn rất cao ở dải tốc độ quay thấp. Đặc biệt khi dừng, chỉ cần cấp điện là động cơ sẽ tạo ra "mô-men xoắn tĩnh tối đa (mô-men xoắn giữ)" để giữ vị trí. Tuy nhiên, mô-men xoắn giảm nhanh chóng khi tốc độ quay tăng lên, do đó không thích hợp để vận hành ở tốc độ cao. Do đặc tính này, động cơ này thích hợp cho các hoạt động định vị gián đoạn, như di chuyển nhanh trong khoảng cách ngắn và dừng lại.
Khả năng chịu môi trường của động cơ bước
Động cơ bước có cấu trúc không chổi than, do đó không phát sinh bụi do mài mòn chổi than, thích hợp sử dụng trong môi trường tương đối sạch sẽ. Mặc dù thân động cơ có cấu trúc chắc chắn, nhưng để định vị chính xác, việc quản lý nhiệt của động cơ là rất quan trọng. Nếu tiếp tục truyền dòng điện lớn trong thời gian dài, nhiệt độ sẽ tăng lên và có thể ảnh hưởng đến hiệu suất. Do đó, cần lắp đặt tấm tản nhiệt hoặc sử dụng chức năng giảm dòng điện tự động khi dừng. Nếu yêu cầu chống thấm nước và chống bụi, cần chọn mẫu chuyên dụng có cấp độ bảo vệ cao hoặc thực hiện các biện pháp như che động cơ bằng nắp bảo vệ.
Các nhà sản xuất và sản phẩm tiêu biểu
Động cơ bước được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất, chủ yếu trong lĩnh vực FA.
- Công ty TNHH Shinano Kenshi: Chúng tôi phát triển các động cơ bước dễ sử dụng, chẳng hạn như loại có bộ điều khiển tích hợp và loại có bộ điều khiển tích hợp, dưới thương hiệu "Plexmotion". "Sê-ri CSA-UP" bao gồm bộ điều khiển, bộ điều khiển và động cơ, giúp bạn dễ dàng xây dựng hệ thống định vị.
- Công ty TNHH Điện tử Sanyo: Sản phẩm chủ lực là dòng sản phẩm "SANMOTION" với đặc điểm là mô-men xoắn cao, tiếng ồn thấp và độ rung thấp. Đặc biệt, hệ thống bước 2 pha "SANMOTION F2" đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đòi hỏi độ tin cậy cao như thiết bị sản xuất bán dẫn và thiết bị y tế.
Động cơ servo có độ phản hồi cao
Servo motor không phải là thuật ngữ chỉ một động cơ đơn lẻ, mà là một "hệ thống" bao gồm ba thành phần: động cơ có độ phản hồi cao, cảm biến phản hồi (encoder) giám sát chuyển động của động cơ, và bộ điều khiển (servo amp) điều khiển cả hai thành phần trên.입니다.
Đặc điểm nổi bật nhất của nó là "điều khiển vòng kín" sử dụng phản hồi từ bộ mã hóa. Bộ điều khiển liên tục so sánh "vị trí được chỉ định" và "vị trí hiện tại được chỉ ra bởi bộ mã hóa", và nếu có sai lệch (sai số), nó sẽ liên tục điều chỉnh điện năng cung cấp cho động cơ để loại bỏ sai số đó.
Nhờ cơ chế này, động cơ servo có thể định vị với tốc độ cực cao và độ chính xác cao. Ngoài ra, ngay cả khi có tải trọng bất ngờ, động cơ sẽ tự động tăng mô-men xoắn để duy trì vị trí theo lệnh, do đó có ưu điểm là rất bền với sự biến động của tải trọng. Động cơ này là thiết bị không thể thiếu trong các thiết bị hiệu suất cao đòi hỏi chuyển động nhanh và năng động, như khớp của robot công nghiệp và máy công cụ.
Đặc tính mô-men xoắn của động cơ servo
Đặc tính mô-men xoắn của động cơ servo trái ngược với động cơ bước. Nó có thể tạo ra mô-men xoắn cao ổn định trong phạm vi tốc độ rất rộng, từ tốc độ thấp đến tốc độ quay định mức, thậm chí đến tốc độ cao hơn. Đặc tính mô-men xoắn ổn định này cho phép thực hiện các hoạt động động lực học, chẳng hạn như di chuyển quãng đường dài với tốc độ cao hoặc gia công cần lực lớn trong khi quay với tốc độ cao.
Khả năng chịu đựng môi trường của động cơ servo
Động cơ servo chủ yếu có cấu trúc không chổi than và nhiều sản phẩm có cấp IP cao, do đó có thể nói rằng động cơ này có khả năng chịu được môi trường cao. Tuy nhiên, khi xem xét hệ thống servo, bộ phận nhạy cảm nhất là bộ mã hóa phát hiện vị trí. Bộ mã hóa được cấu tạo từ các bộ phận quang học và mạch điện tử chính xác, do đó dễ bị hỏng hóc do rung động mạnh, va đập, ngưng tụ nước, bám dầu mỡ, v.v. Do đó, khi sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, cần lựa chọn mẫu có bộ giải mã (cảm biến từ tính) có khả năng chịu môi trường tốt hoặc bảo vệ toàn bộ động cơ một cách thích hợp.
Các nhà sản xuất và sản phẩm tiêu biểu
Các công ty hàng đầu trong lĩnh vực FA đang cạnh tranh nhau để phát triển động cơ servo AC hiệu suất cao.
- Mitsubishi Electric Corporation: Dòng sản phẩm servo AC đa năng "MELSERVO" được công nhận rộng rãi là tiêu chuẩn công nghiệp. Dòng sản phẩm "MELSERVO-J5" mới nhất được trang bị bộ mã hóa có độ phân giải cao và khả năng phản hồi ở mức cao nhất trong ngành, góp phần nâng cao năng suất của thiết bị.
- Công ty TNHH Yaskawa Electric: Là nhà sản xuất tiên phong trên thế giới trong việc thương mại hóa servo hoàn toàn kỹ thuật số, dòng sản phẩm "Σ (Sigma) Series" được biết đến với độ tin cậy cao. Dòng sản phẩm mới nhất "Σ-X Series" không chỉ cải thiện hiệu suất chuyển động mà còn được trang bị chức năng bảo trì dự đoán dựa trên dữ liệu cảm biến.
Phương pháp thực hiện định vị chính xác cao
Khi muốn thực hiện định vị với độ chính xác cao, động cơ bước và động cơ servo là hai lựa chọn chính, nhưng việc chọn loại nào sẽ phụ thuộc vào các yêu cầu kỹ thuật của thiết bị.
Điều đầu tiên cần xem xét là chi phí và độ phức tạp của hệ thống. Động cơ bước cơ bản là điều khiển vòng hở không cần cơ chế phản hồi, do đó có thể xây dựng toàn bộ hệ thống với chi phí rẻ và đơn giản hơn so với động cơ servo. Nếu tải trọng có thể dự đoán được và rủi ro mất đồng bộ thấp, động cơ bước là lựa chọn có hiệu suất chi phí rất cao.
Mặt khác, nên chọn động cơ servo trong trường hợp yêu cầu hiệu suất cao hơn. Ví dụ, trong các ứng dụng yêu cầu gia tốc và giảm tốc lặp đi lặp lại với tốc độ cao và tần suất cao, các ứng dụng có khả năng biến động tải trọng lớn trong quá trình hoạt động, hoặc các ứng dụng định vị quan trọng không cho phép sai lệch, động cơ servo với độ tin cậy và khả năng phản hồi cao nhờ điều khiển vòng kín là điều bắt buộc.
| Mục | Hệ thống động cơ bước | Hệ thống động cơ servo |
| Phương pháp điều khiển | Vòng mở (cơ bản) | vòng kín |
| phản hồi | Không cần thiết (cơ bản) | Bắt buộc (bộ mã hóa) |
| Mô-men xoắn ở tốc độ cao | giảm mạnh | ổn định và cao |
| Phản ứng với biến động tải | Yếu, có khả năng mất nhịp | Mạnh mẽ, tự động điều chỉnh mô-men xoắn |
| chi phí hệ thống | 低 | 高 |
| Sử dụng lý tưởng | Định vị tải trọng ổn định, vận hành tốc độ thấp, mô-men xoắn cao | Điều khiển động với tốc độ cao, gia tốc cao và tải trọng biến đổi |
Điều khiển vòng hở và vòng kín
Phương pháp điều khiển động cơ được phân loại thành hai loại chính là "điều khiển vòng hở" và "điều khiển vòng kín".Điều này rất quan trọng để hiểu được đặc tính của động cơ.
Điều khiển vòng hở, còn được gọi là "điều khiển vòng mở" trong tiếng Nhật, là một phương pháp đơn giản trong đó bộ điều khiển chỉ gửi lệnh một chiều đến động cơ. Vì không cần phản hồi để xác nhận động cơ có hoạt động theo lệnh hay không, hệ thống trở nên rẻ và đơn giản. Động cơ bước là ví dụ tiêu biểu cho phương pháp điều khiển này, hoạt động dựa trên giả định "đã gửi 100 xung, nên chắc chắn đã quay tương ứng với số xung đó". Do đó, ngay cả khi xảy ra sự cố mất đồng bộ do tải trọng bất ngờ, bộ điều khiển cũng không thể nhận ra.
Ngược lại, điều khiển vòng kín còn được gọi là "điều khiển vòng kín", sử dụng phản hồi từ các cảm biến như bộ mã hóa. Bộ điều khiển liên tục so sánh giá trị chỉ thị với giá trị thực tế từ cảm biến, và nếu có sai số, nó sẽ tiếp tục hoạt động để điều chỉnh sai số đó. Động cơ servo là một ví dụ điển hình của phương pháp này, nó hoạt động trong khi liên tục giám sát "sự chênh lệch giữa vị trí mục tiêu và vị trí hiện tại", do đó có thể đạt được độ chính xác và độ tin cậy cao.
Vai trò của bộ mã hóa phát hiện vị trí
Encoder là một cảm biến cực kỳ quan trọng, đóng vai trò như "mắt" trong hệ thống động cơ servo. Nó được lắp đặt trên trục động cơ, phát hiện góc quay và tốc độ quay, sau đó phản hồi lại cho bộ điều khiển dưới dạng tín hiệu điện. Chính nhờ có thông tin này mà việc điều khiển vòng kín mới có thể thực hiện được.
Encoder에는 주로「Phương pháp tăng dần」và「Phương pháp tuyệt đối」hai loại Có.
Bộ mã hóa tăng dần xuất ra tín hiệu xung tương ứng với lượng quay của động cơ. Đây là phương pháp phát hiện thông tin vị trí tương đối, tức là khoảng cách di chuyển từ điểm chuẩn. Mặc dù có cấu trúc đơn giản và chi phí thấp, nhưng khi tắt nguồn, thông tin vị trí hiện tại sẽ bị mất, do đó khi khởi động, phải thực hiện thao tác quay về vị trí ban đầu.
Mặt khác, bộ mã hóa tuyệt đối phát ra tín hiệu riêng cho mỗi góc quay của động cơ, cho phép xác định vị trí tuyệt đối bất cứ lúc nào. Ưu điểm lớn của bộ mã hóa này là có thể xác định vị trí hiện tại ngay khi bật nguồn, do đó không cần phải quay về vị trí ban đầu. Tuy nhiên, do cấu trúc phức tạp, bộ mã hóa này có xu hướng đắt hơn so với bộ mã hóa tăng dần.
Như vậy, ngay cả khi muốn thực hiện định vị với độ chính xác caoSự khác biệt giữa động cơ servo và động cơ bước 을 파악하고 선택해야 합니다.
Các điểm quan trọng trong việc lựa chọn và phân loại dựa trên các ví dụ ứng dụng động cơ
Động cơ robot công nghiệp, nhân vật chính của FA
Robot công nghiệp hoạt động trong lĩnh vực tự động hóa nhà máy (FA) là một loại máy móc có thể coi là kết tinh của công nghệ động cơ. Robot này có nhiều khớp nối giống như cánh tay của con người, và mỗi khớp nối hoạt động chính xác và nhanh chóng, phối hợp với nhau để thực hiện các công việc phức tạp như hàn và lắp ráp.
Như vậyĐộng cơ AC servo hiệu suất cao được sử dụng gần như không có ngoại lệ để điều khiển khớp của robot.Đó là lý do tại sao, trong khi tải trọng tác động lên các khớp luôn thay đổi tùy theo tư thế của cánh tay robot, nó cần phải theo dõi quỹ đạo được chỉ định một cách chính xác và nhanh chóng. Động cơ servo có điều khiển vòng kín có khả năng chịu tải trọng thay đổi mạnh mẽ, phản ứng nhanh và tuân theo chỉ thị, có thể đáp ứng yêu cầu khắt khe này. Không quá lời khi nói rằng hiệu suất của robot phụ thuộc vào hiệu suất của động cơ servo được sử dụng cho các khớp.
Động cơ máy công cụ hỗ trợ gia công chính xác
Máy gia công CNC như trung tâm gia công là "máy mẹ (máy chế tạo máy)" dùng để cắt các bộ phận chính xác từ khối kim loại.Trong phần trung tâm của nó, hai loại động cơ có chức năng khác nhau hoạt động하고 있습니다.
Một trong số đó là "động cơ truyền động trục" để di chuyển chính xác vật liệu gia công và dụng cụ theo hướng trục X, Y, Z. Ở đây, do yêu cầu độ chính xác định vị cực cao ở mức submicron, động cơ servo AC được sử dụng làm tiêu chuẩn. Khả năng duy trì vị trí chính xác ngay cả khi có sự biến động tải trọng lớn do lực cản cắt phát sinh trong quá trình gia công là điều không thể thiếu.
Một loại khác là "động cơ trục chính (spindle)" làm quay dụng cụ cắt với tốc độ cao. Loại động cơ này sử dụng động cơ trục chính tích hợp (một loại động cơ AC) được thiết kế chuyên dụng, có thể tạo ra mô-men xoắn và công suất cao ổn định trong dải tốc độ quay rộng.
Động cơ của thiết bị vận chuyển chịu trách nhiệm vận chuyển hàng hóa
Trong các thiết bị vận chuyển được sử dụng trong các trung tâm logistics và dây chuyền sản xuất của nhà máy, các loại động cơ khác nhau được sử dụng tùy theo chức năng của chúng.
Đối với các thiết bị vận chuyển hàng hóa liên tục với tốc độ ổn định như băng tải thông thường, động cơ cảm ứng AC có cấu trúc đơn giản, chắc chắn và chi phí thấp là sự lựa chọn tối ưu. Không cần điều khiển phức tạp, điều quan trọng là thiết bị phải hoạt động ổn định và đáng tin cậy.
Mặt khác, cũng có những thiết bị yêu cầu các hoạt động định vị chính xác và gián đoạn, chẳng hạn như máy đóng gói sản phẩm hoặc máy dán nhãn, để đưa màng phim đến kích thước chính xác hoặc dán nhãn vào vị trí chính xác. Trong những ứng dụng như vậy, động cơ bước được sử dụng rộng rãi vì có thể định vị chính xác một cách dễ dàng bằng điều khiển vòng hở.
Động cơ được yêu cầu trong thiết bị sản xuất bán dẫn
Quá trình sản xuất bán dẫn được thực hiện trong phòng sạch cực kỳ sạch sẽ, và các thiết bị được yêu cầu phải có tính năng đặc biệt. Đặc biệt, đối với robot vận chuyển silicon wafer, là chất nền của bán dẫn, và thiết bị phơi sáng để in mạch điện tử,Động cơ đặc biệt hoạt động hiệu quả Tôi sẽ làm.
Trong các thiết bị này, ngay cả bụi (hạt) và rung động nhỏ phát sinh từ chính động cơ cũng không được phép. Do đó, để loại bỏ bụi phát sinh do mài mòn bánh răng và độ trễ (độ trễ cơ học) gây ra vấn đề trong động cơ có bộ giảm tốc truyền thống, động cơ "Direct Drive (DD)" và "động cơ tuyến tính" được sử dụng để truyền động trực tiếp cánh tay và bệ.
Động cơ tuyến tính là động cơ tạo ra chuyển động thẳng trực tiếp bằng lực điện từ mà không cần qua cơ chế chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động thẳng. Điều này giúp loại bỏ các yếu tố sai số cơ học, đồng thời đạt được độ chính xác tối ưu ở cấp độ nanomet và tốc độ cao.
EV, máy bay không người lái và các phương tiện di chuyển thế hệ mới
Hiệu suất của các phương tiện di chuyển thế hệ mới như xe điện (EV) và máy bay không người lái (drone) phụ thuộc rất nhiều vào hiệu suất của động cơ được trang bị.
Động cơ truyền động EV đòi hỏi khả năng chuyển đổi năng lượng từ pin thành năng lượng chạy xe một cách hiệu quả. Do đó, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) nhỏ gọn, nhẹ, nhưng có hiệu suất cao và công suất lớn được sử dụng trong nhiều mẫu xe.
Mặt khác, động cơ điều khiển cánh quạt của máy bay không người lái phải đáp ứng điều kiện bắt buộc là trọng lượng nhẹ và có khả năng phản ứng nhanh để điều khiển tư thế ngay lập tức. Do đó, động cơ DC không chổi than nhỏ gọn, nhẹ và có công suất cao được sử dụng trong hầu hết các máy bay. Hiệu suất cao cũng góp phần trực tiếp vào việc kéo dài thời gian bay.
Động cơ của thiết bị y tế hỗ trợ sự sống
Đối với các thiết bị được sử dụng trong lĩnh vực y tế, đặc biệt là các thiết bị liên quan trực tiếp đến tính mạng con người, động cơ phải có độ tin cậy và an toàn tuyệt đối.
Ví dụ, để tái tạo chính xác các thao tác tinh tế của bác sĩ, các khớp nối của cánh tay robot hỗ trợ phẫu thuật do bác sĩ điều khiển từ xa phải có độ chính xác cực cao.Sử dụng động cơ servo DC có khả năng điều khiển cao (chủ yếu là động cơ không chổi than)Được thực hiện. Đặc tính di chuyển trơn tru ngay cả ở tốc độ thấp và không gây ra rung động không mong muốn cho phép thực hiện các phẫu thuật chính xác.
Ngoài ra, máy bơm máu làm lưu thông máu bằng thiết bị tim phổi nhân tạo sử dụng động cơ DC không chổi than có độ bền cao, có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài. Do không có chổi than nên nguy cơ hỏng hóc do mài mòn thấp, giúp duy trì sự sống của bệnh nhân nhờ khả năng điều khiển quay ổn định.
Thiết bị ngoại vi và kiến thức bổ sung cần thiết cho việc lựa chọn động cơ
Sử dụng bộ giảm tốc để tăng mô-men xoắn
Khi lựa chọn động cơ, có trường hợp không thể đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật chỉ với một động cơ duy nhất. Đặc biệt, không ít trường hợp cần mô-men xoắn cao nhưng tốc độ quay không cần quá cao. Trong những trường hợp như vậy, "bộ giảm tốc (đầu bánh răng)" sẽ phát huy tác dụng.
Hộp giảm tốc là thiết bị làm giảm tốc độ quay của động cơ bằng cách kết hợp các bánh răng, đồng thời tăng mô-men xoắn.Ví dụ, nếu sử dụng bộ giảm tốc có tỷ số giảm tốc 10:1, tốc độ quay sẽ giảm xuống 1/10, nhưng mô-men xoắn sẽ tăng lên khoảng 10 lần. Nhờ đó, có thể sử dụng động cơ quay tốc độ cao, kích thước tương đối nhỏ cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ thấp và mô-men xoắn cao.
Hơn nữa,Hộp giảm tốc còn có một chức năng quan trọng khác. Đó là giảm tải trọng quán tính từ trục động cơ xuống 1/2 bình phương của tỷ số giảm tốc.Đây là một phương pháp rất hiệu quả để cải thiện đáng kể tỷ lệ quán tính, một vấn đề trong việc lựa chọn động cơ servo, và có thể nói là một thành phần không thể thiếu trong việc xây dựng hệ thống điều khiển ổn định.
"Biến tần" có chức năng chuyển đổi giữa DC và AC
Inverter là gì? Nói một cách đơn giản, đó là "thiết bị chuyển đổi có thể điều khiển dòng điện một cách tự do". Cụ thể, nó có chức năng chuyển đổi điện một chiều (DC) thành điện xoay chiều (AC). Hiểu biết về biến tần sẽ giúp bạn có nhiều lựa chọn hơn trong việc lựa chọn động cơ.
Hiểu rõ mô-men xoắn và công suất động cơ (kW)
Khi lựa chọn động cơChuyển đổi mô-men xoắn và công suất động cơ Trong một số trường hợp, việc tính toán có thể được tiến hành. Điều này sẽ hữu ích khi tìm kiếm các động cơ tương tự trong quá trình lựa chọn động cơ tối ưu từ nhiều nhà sản xuất động cơ.
Hiểu rõ hướng quay
Động cơ cóHướng quay CW・CCW 이 존재합니다. 이 회전 방향은 설계 과정에서 사용되는 용어이며, 그 인식을 명확히 함으로써 원활한 의사소통이 가능합니다.
Tổng hợp các loại động cơ tối ưu và cách lựa chọn
Trong bài viết này, chúng tôi đã giải thích một cách toàn diện về cách lựa chọn và các loại động cơ trong thiết kế máy móc. Để lựa chọn động cơ phù hợp nhất, trước tiên cần phải hiểu rõ tổng thể về động cơ.
- Động cơ được phân loại theo nguồn động lực (AC/DC) và phương pháp điều khiển (servo/stepping).
- Động cơ AC được vận hành bằng nguồn điện thương mại, rất bền và động cơ cảm ứng là loại động cơ tiêu biểu.
- Động cơ DC dễ điều khiển tốc độ, động cơ DC không chổi than là loại động cơ chủ đạo hiện nay.
- Cơ sở lựa chọn là 3 chỉ số: mô-men xoắn, tốc độ quay và quán tính.
- Quá trình lựa chọn có hệ thống dựa trên tính toán tải chính xác giúp ngăn ngừa thất bại
- Để định vị chính xác, hãy chọn động cơ bước hoặc động cơ servo.
- Động cơ bước là điều khiển vòng hở, đơn giản và chi phí thấp.
- Động cơ servo đạt được độ chính xác và khả năng phản hồi cao nhờ điều khiển vòng kín.
- Sự phân biệt sử dụng cả hai phụ thuộc vào sự cân bằng giữa yêu cầu hiệu suất và chi phí.
- Hiệu suất của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào bộ điều khiển động cơ.
- Encoder đóng vai trò là "mắt" hỗ trợ độ chính xác của hệ thống servo.
- Hộp giảm tốc là bộ phận không thể thiếu để tăng mô-men xoắn và cải thiện tỷ lệ quán tính.
- FA, bán dẫn, thiết bị gia dụng, ô tô, y tế, v.v... Tùy theo ứng dụng mà động cơ phù hợp nhất sẽ khác nhau.
- Từ các ví dụ trong từng lĩnh vực, điều quan trọng là phải tìm hiểu lý do tại sao động cơ đó được lựa chọn.
- Lựa chọn động cơ là yếu tố cốt lõi trong thiết kế, quyết định hiệu suất và chi phí của toàn bộ máy móc.
Đó là tất cả.