Probleem, mis ilmneb madalal kiirusel
Hammustusmoment on perioodiline pöördemomendi pulsatsioon, mis tekib püsimagnetmootorites isegi siis, kui vool ei voola. See tuleneb rootori magnetite ja staatori hammaste vahelisest koostoimest – magnetvoog tahab joondada madalaima reluktantsiteega, mis tähendab, et ta soovib joondada pigem staatori hamba kui piluga. Kui rootor pöörleb, joondub voog vaheldumisi järjestikuste hammastega ja joondub valesti, tekitades pöördemomendi lainekuju piikide ja orgudega sagedusel, mille määrab pooluste ja pilude arv.
Enamiku rakenduste puhul on pöördemoment väike häiring. Täppisservosüsteemide, otseajamiga mootorite ja robotliigendite jaoks, mis vajavad sujuvat liikumist madalatel kiirustel, on see peamine konstruktsioonipiirang. Koostöös töötav roboti käsi, mis liigub 5 pööret minutis täppismontaaži käigus, muudab iga pöördemomendi tipu nähtavaks kui kiiruse pulsatsioon asendiveas – ja see kiiruse pulsatsioon ilmneb mõõtmete veana roboti kokkupanemisel.
Selles artiklis käsitletakse, mis põhjustab pöördemomenti, kuidas seda mõõta ja millised magneti konstruktsioonimeetodid seda tegelikult vähendavad, võrreldes sellega, millised lihtsalt probleemi liigutavad.
1. Mis määrab cogging sageduse ja amplituudi
Hammustusmomendi sagedus määratakse pooluste arvu ja pilude arvu vähima ühiskordse (LCM) järgi. 10-pooluselisel 12-pilulisel mootoril on LCM(10, 12)=60, seega on 60 pöördemomendi tippu pöörde kohta. 10-pooluselisel 15-pilulisel mootoril on LCM(10, 15)=30, seega on pöörde kohta ainult 30 piiki. Kõrgem LCM tähendab rohkem piike pöörde kohta madalamal amplituudil – koguenergia koondlainekujus on ligikaudu konstantne, kuid see jaotub rohkemateks, väiksemateks tippudeks.
Seetõttu on osalise piluga mähiste konfiguratsioonid, kus pesa-pooluse-faasi suhe ei ole täisarv, populaarsed otseajami ja väikese kiirusega servorakendustes. 10-pooluselisel 12-pilulisel konfiguratsioonil (0,4 pilu pooluse kohta faasi kohta) on suurem LCM kui 10-pooluselisel 9-pilulisel konfiguratsioonil (0,3 pilu pooluse kohta faasi kohta), mis tähendab madalamat haardumisamplituudi tsükli kohta kõrgema sageduse hinnaga.
Haardeamplituud määratakse magnetvoo tiheduse, magneti kaare ja pooluse sammu suhte, õhupilu pikkuse ja staatori pilu geomeetria järgi. Nendest magnetkaare suhe on see, mida magneti tarnija saab kontrollida. Teised on fikseeritud mootori lamineerimise disainiga.
2. Magneti kaare suhe: ainus magneti parameeter, mis mõjutab otseselt haardumist
Pindpaigaldatud magnetmootori jaoks on olemas optimaalne magnetkaare suhe – magnetkaare pikkuse ja pooluse sammu suhe –, mis minimeerib hammustusmomenti. See optimum eksisteerib seetõttu, et hammustusmoment on seotud kogu õhupilu magnetenergia tuletisega rootori asendi suhtes ja tuletis läbib nulli kindlate kaaresuhete korral.
10-pooluselise 12-pilulise mootori puhul, mille staatoripilu tüüpiline ava on 2–3 mm 80 mm staatori avas, on haardumist minimeeriva magneti kaare suhe ligikaudu 0,833 (viis kuuendikku pooluse sammust). Kaaresuhte 0,75 kasutamine – üks täispooluse samm miinus üks pilusamm – annab selle kombinatsiooni puhul samuti nullilähedase tõmbejõu. Täpne optimum sõltub pilu ava laiusest ja õhuvahe pikkusest; Täpse optimeerimise jaoks on vaja simulatsiooni tegeliku lamineerimisgeomeetriaga.
Mida kaaresuhtega parandada ei saa: kui lamineerimispilu ava on magneti sammu suhtes lai, on kaare suhe sõltumata suur. Laiad piluavad põhjustavad rootori pöörlemisel suuri vastumeelsuse muutusi. Magnet näeb "muhku" iga kord, kui pesa möödub. Ükski kaaresuhte optimeerimine ei välista seda, kui pilu ava moodustab rohkem kui umbes 20% pilu sammust.
3. Kaldumine: tõhus, kuid kulukas
Aksiaalne kallutamine – magneti või staatori laminaatide pööramine ühe pilu võrra piki teljesuunalist suunda – on kõige usaldusväärsem meetod pöördemomendi vähendamiseks. Kui magnet on ühe pilu võrra kallutatud, nihkuvad igas aksiaalses asendis olevad hammustuspiigid üksteise suhtes faasinihkes ja piigid tühistatakse, kui need aksiaalselt summeeritakse. Teoreetiliselt vähendab täiuslik kallutamine täpselt ühe pilu sammu võrra kallutamise nullini. Praktikas jätab kaldenurga tootmismuutus jääkhambumise 10–20%ni kaldväärtusest.
Kallutamise hind on reaalne. Kaldus magneteid on kallim valmistada – nurga all olev geomeetria nõuab kohandatud kinnitusvahendeid ja suurendab materjali raiskamist. Teljesuunas kaldu lamineerimine nõuab pööratavat lamineerimispakki, mida on raskem kokku panna ja mis suurendab veidi mootori pikkust. Kõige tavalisem kompromiss on astmeline kallutamine: kahe või kolme aksiaalse magneti segmenti kasutamine pooluse kohta, millest igaüks on nihutatud pilu sammu võrra. Kahesegmendiline astmeline kallutamine saavutab umbes 70% haardumise vähenemise võrreldes kallutamata; kolmesegmendis saavutab 85–90%.
60 mm aksiaalpikkusega mootori puhul tähendab kahesegmendiline samm-kallutamine, et iga magneti segment on 30 mm pikk ja nende vahel on 1/2 pilusammu nurganihe. 12 pilu ja 80 mm ava läbimõõduga on ühe pilu samm 20,9 mm kaarepikkus ehk umbes 9,4 kraadi rootori pinnal. Segmentide vaheline nurganihe on seega 4,7 kraadi. See on saavutatav standardsete magnetiseerimisseadmetega ja see ei nõua ebatavalist magneti geomeetriat.
4. Magnetserva faasimine ja pooluse kaare kujundamine
Magneti servade faasimine – radiaalse paksuse vähendamine magneti otste lähedal – tekitab pigem sinusoidaalse radiaalse voo tiheduse jaotuse kui trapetsikujulise. See vähendab samaaegselt nii tagumise EMF-i harmoonilist sisaldust kui ka pöördemomenti.
Kvantitatiivne efekt sõltub faasi sügavusest magneti paksuse suhtes. Falle sügavus, mis on võrdne 20% magneti radiaalsest paksusest, vähendab tasapinnalise magnetiga võrreldes kaldeamplituudi 35–50%, vähendades samal ajal tagasi-EMF-i põhiväärtust vaid 3–5%. Kompromiss on soodne, kui disaini eesmärk on madal haarduvus ja vastuvõetav tagasi-EMF lainekuju kvaliteet.
Poolkaare kujundamine - õhupilu varieerimine piki magnetkaare kaarja välispinnaga magneti abil, mis ei ole rootoriga kontsentriline - on tõhusam, kuid nõuab täpsemat töötlemist. Kumer pind tekitab õhupilu pikkuses sinusoidaalse variatsiooni, mis tekitab peaaegu siinusekujulise voo tiheduse jaotuse. Koos optimaalse kaaresuhtega võib see vähendada haardumist alla 0,5% nimipöördemomendist ilma kaldu.
5. Hammustusmomendi spetsifikatsioon ja mõõtmine
Hammustusmoment on määratud protsendina nimipöördemomendist. Üldiste tööstuslike servorakenduste puhul on vastuvõetav 2–3%. Koostöörobotite ja otsejuhtimisega süsteemide puhul on tüüpiline sihtmärk 1%. Meditsiinilise pildistamise, pooljuhtide käsitsemise ja täpse optilise positsioneerimise jaoks on vaja 0,3–0,5%.
Mõõtmiseks pööratakse aeglaselt mootori võlli (tavaliselt kiirusel 1–5 p/min ilma vooluta), mõõtes samal ajal võlli pöördemomenti täppismomendianduriga. Esitatud väärtus on tipust tipuni ühe elektritsükli jooksul saavutatav pöördemoment. Mõõtmine peab toimuma piisavalt aeglasel kiirusel, et inertsiaalne mõju oleks tühine – 50 g·cm² rootori inertsiga mootori puhul on 50 g·cm² inertsiga mootori inertsmoment 1 Hz elektrilise sagedusega väiksem kui 0,01 N·m, mis on tühine võrreldes 0,1 N·m nimimomendiga mootoriga.
Hammustusmomendi nõuete täpsustamisel magneti tarnijale esitage: pooluste arv, pilude arv, magnetkaare suhe, õhupilu pikkus ja sihtmomendi määr protsendina nimipöördemomendist. Tarnija saab kinnitada, kas magneti geomeetria ühildub teie eesmärgiga, või soovitada kaaresuhte reguleerimist ja kaldekonfiguratsioone, mis seda saavutavad.
6. Mida ei saa parandada ainult magnetitega
Laiade staatori pilude avade haardumismomenti ei saa magneti abil fikseerida. Ainsad lahendused on: piluavade sulgemine magnetiliste pilukiiludega (lisab kulusid ja kokkupaneku keerukust), kitsamate piluavadega lamineerimisdisaini kasutamine (nõuab lamineerimise ümberkujundamist) või haardetaseme aktsepteerimine ja voolu sissepritse (ajamis aktiivne haardumise kompenseerimine) selle tühistamiseks suletud ahela töös.
Aktiivne hammustuskompensatsioon toimib, sisestades edasisuunas pöördemomendi käsu, mis on mõõdetud hammustusmomendi profiili pöördväärtus, mis on sünkroonitud koodri asendiga. See on tõhus ja seda kasutatakse laialdaselt suure jõudlusega servoajamites. See ei kõrvalda mootorifüüsikast haardumist – see kompenseerib selle elektriliselt. Kompensatsiooni täpsus sõltub sellest, kui hästi mõõdetud hammustusprofiil vastab tegelikule mootorile, ja kõik tootmismootorite erinevused nõuavad individuaalset kalibreerimist.
Väikesemahuliste ülitäpsete rakenduste puhul on teostatav individuaalne kalibreerimine. Mahulise tootmise puhul lisab see kulusid ja keerukust. Parem pikaajaline lahendus on lamineerimise ja magnetilise disaini abil viia haarduvus piisavalt madalale, et aktiivne kompenseerimine oleks pigem valikuline kui nõutav.
HIMAGNET tarnib optimeeritud kaaresuhtega kaare segmendi magneteid, astmeliselt kaldu konfiguratsioone ja faasitud servaprofiile pöördemomendi vähendamiseks. Mootori konstruktsiooni analüüsi toetamiseksvõtke ühendust meie insenerimeeskonnagaoma pooluste arvu, pesade arvu ja hambumismärgiga.
