Jaki silnik do napędu wrzeciona?

11 marca 2023 0

Autor:

Niezawodność i wydajność maszyn produkcyjnych, instalacji czy urządzeń przemysłowych zależy w głównej mierze – pomijając samą konstrukcję mechaniczną – od komponentów elektrycznych i mechanicznych, wchodzących w ich skład. W przypadku obrabiarek istotny jest zatem – między innymi – funkcjonalny i wydajny układ napędowy, w tym charakterystyka pracy i dynamika silników, w jaki został wyposażony. Poniższy artykuł przybliża działanie silników elektrycznych, stosowanych obecnie w napędach wrzecion. Jaki silnik do napędu wrzeciona będzie najlepszy?

Wymagania dotyczące napędu wrzeciona frezarki

Napęd wrzeciona (napęd główny) powinien wykazywać dużą sztywność charakterystyki mechanicznej. Oznacza to uzyskanie małego spadku prędkości obrotowej wrzeciona podczas zwiększania momentu obciążenia (np. poprzez zwiększenie prędkości posuwowej lub głębokości czy szerokości skrawania). Ważny jest również szybki rozruch wrzeciona do zadanej prędkości oraz duży zakres bezstopniowej zmiany prędkości obrotowej, sięgający w nowszych maszynach do 50 000 obr/min.

Rodzaje silników stosowanych do napędu wrzeciona

W budowie obrabiarek wyróżnia się napędy posuwowe i główne (wrzeciona). Oprócz tego stosowane są także napędy pomocnicze. Napęd wrzeciona oraz napędy posuwowe obrabiarki wpływają na dokładność, jakość i wydajność podczas obróbki.

Silniki elektryczne, w zależności od budowy, mogą być zasilane prądem przemiennym (AC) lub stałym (DC). Rysunek 1 przedstawia podział napędów głównych według stosowanych silników elektrycznych.

Schemat silników stosowanych w napędach głównych obrabiarki

Rys.1 Schemat silników stosowanych w napędach głównych obrabiarki

Zastosowanie w napędzie głównym napędów elektromechanicznych, hydraulicznych czy pneumatycznych jest obecnie rzadko spotykane. Napędy te są wypierane przez silniki prądu stałego z przekładnią bezstopniową oraz silniki asynchroniczne i synchroniczne prądu przemiennego.

Silniki asynchroniczne

Funkcją silników elektrycznych jest zamiana energii elektrycznej na mechaniczną. Jednym z nich jest silnik asynchroniczny (indukcyjny), spotykany jako napęd w wielu różnych zastosowaniach, niezależnie od tego, czy są to pompy, wentylatory, pojazdy elektryczne czy obrabiarki. Asortyment silników asynchronicznych jest szeroki, od małych o mocy ułamku kilowata i dużej stałej prędkości do dużych silników o mocy kilku megawatów.

Niezależnie od mocy, ich konstrukcja jest zawsze taka sama. Główne elementy z jakich składa się taki silnik to stojan, a także oddzielony od stojana, możliwie najmniejszą szczeliną powietrzną – wirnik. Ze względu na sposób wykonania wirnika rozróżnia się dwa rodzaje silników indukcyjnych: pierścieniowe i klatkowe.

Silnik pierścieniowy

Konstrukcja silnika pierścieniowego jest bardziej skomplikowana w porównaniu z silnikiem klatkowym. Na wirniku takiego silnika znajdują się zwykle trzy pierścienie ślizgowe, odpowiadające trójfazowemu uzwojeniu wirnika. Na powierzchni tych pierścieni ślizgają się szczotki, połączone z dodatkowymi elementami, które zwiększają opór każdej fazy. Dzięki rezystancji tych faz możliwe jest wykonanie rozruchu, hamowania czy zmiany prędkości obrotowej wirnika. Złożona i droga konstrukcja, a także generowanie dodatkowych kosztów związanych z obsługą tych silników, na przykład poprzez konserwacje i wymianę szczotek, powoduje małą popularność tych silników w napędach wrzecion.

Silnik klatkowy

Konstrukcja silnika klatkowego jest prostsza, tańsza i łatwiejsza w utrzymaniu. Wirnik wykonany jest z nieizolowanych prętów, połączonych po obu stronach pierścieniami zwierającymi. Swoim wyglądem przypomina klatkę w kształcie walca. Klatka ta stanowi wielofazowe uzwojenie wirnika, a za liczbę faz przyjmuje się liczbę prętów, z których jest wykonana. Obwód elektryczny wirnika jest zawsze zwarty, przez co nie ma możliwości podłączenia dodatkowego elementu, w postaci na przykład rozrusznika oporowego, zwiększającego rezystancję faz. W silniku pierścieniowym, rozrusznik taki reguluje prędkością obrotową silnika i wpływa na jego rozruch.

Lepsze właściwości, jeżeli chodzi o rozruch czy regulacje prędkości, wykazują silniki pierścieniowe. Pojawienie się elektronicznych urządzeń zasilających, takich jak falowniki czy softstarty, umożliwiło jednak uzyskanie dużo lepszych właściwości regulacyjnych w silnikach klatkowych. Spowodowało to, że silniki pierścieniowe zostały praktycznie wyparte na rzecz klatkowych.

Silnik asynchroniczny zasada działania

Napięcie prądu przemiennego podłączone do uzwojeń stojana powoduję powstanie zmiennego pola magnetycznego, w wyniku czego wirnik zaczyna się obracać wokół własnej osi. Należy dodać, że wirnik obraca się z poślizgiem, tzn. z opóźnieniem w stosunku do wytwarzanego przez uzwojenie stojana pola magnetycznego. Poślizg wirnika wzrasta wraz z obciążeniem i wynosi około 2-4 %. Oznacza to, że w silnikach asynchronicznych prędkość obrotowa wirnika jest od 2 do 4 % mniejsza od prędkości synchronicznej, czyli prędkości obrotowej pola magnetycznego silnika.

Prędkość obrotowa wirnika zależy od:
– częstotliwości zasilania
– liczby par biegunów występujących w silniku.

W Polsce częstotliwość zasilania wynosi 50 Hz. Odpowiada to 3000 obr/min prędkości synchronicznej, co daje około 2800-2900 obrotów na minutę wirnika silnika asynchronicznego. Zmiana częstotliwości wpływa na rozruch oraz prędkość obrotową i może odbywać się na przykład za pomocą falowników.

Tabela 1 przedstawia wartości prędkości obrotowej zależnej od liczby par biegunów. Jak wynika z poniższych danych, zwiększona liczba par biegunów powoduje zmniejszenie prędkości obrotowej wirnika. Takie rozwiązanie stosuje się w silnikach obrabiarek, zastępując przekładnie mechaniczne.

Tabela 1 Wpływ liczby biegunów na prędkość synchroniczną

Wzór na obliczenie prędkości pola wirującego, tzw. prędkość synchroniczną:

n – prędkość pola wirującego(obr/min)
f – częstotliwość prądu w sieci zasilającej (Hz)
p – liczba par biegunów

Zasilanie silnika asynchronicznego

Przyjmuje się, że silniki do 5 kW można zasilać bezpośrednio z sieci, wtedy mamy do czynienia z tak zwanym rozruchem bezpośrednim. Powyżej tej mocy należy zastosować jednak środki obniżające prąd rozruchowy, takie jak na przykład rozruch gwiazda-trójkąt lub bardziej zaawansowane środki techniczne – softstarty lub falowniki (przemienniki częstotliwości). Falowniki umożliwiają również regulację prędkości obrotowej silnika.  Uzwojenia silników elektrycznych mogą być łączone w gwiazdę lub trójkąt, przez co mogą być dostosowywane do napięć zasilających. W sieci napięcie międzyfazowe w Polsce wynosi 400V. W silnikach o mocy do 3kW można stosować falowniki 1 fazowe, tj. 1~230V na wejściu (połączenie gwiazda), w których na wyjściu uzyskuje się napięcie trójfazowe tj. 3~230 V (połączenie trójkąt).

Powyżej wspomnianej mocy 5kW silniki są na napięcie 690/400V, aby umożliwić rozruch gwiazda-trójkąt. W takim silniku zasilanym z falownika 3 fazowego uzwojenia łączone są w trójkąt, w celu zasilenia go napięciem 3~400 V. Niektóre sieci w dużych zakładach mają napięcie 690V, aby móc zasilać silniki o mocy powyżej 5kW bez udziału przemienników, a jedynie wykorzystać przełącznik gwiazda-trójkąt.

Kompensacja mocy biernej w silnikach asynchronicznych

Silniki asynchroniczne należą do urządzeń o dużym poborze mocy biernej. Kompensacja mocy biernej może odbywać się w sposób naturalny lub sztuczny.

Pierwszy sposób związany jest miedzy innymi z doborem silnika o właściwej mocy, a także jego prawidłową eksploatacją. Wpływ na wartośćć współczynnika mocy silnika indukcyjnego ma zarówno konstrukcja, jak i stopień jego obciążenia. Mniejszą wartość współczynnika mocy wykazują silniki o mniejszej prędkości obrotowej (mają większy prąd magnesujący) i o większej szczelinie powietrznej (większy pobór mocy biernej rozproszenia), a także silniki pierścieniowe.

Drugi sposób kompensacji mocy biernej polega m.in. na instalowaniu baterii kondensatorów, wykorzystywaniu kompensatorów wirujących czy przewzbudzenia silników asynchronicznych. W przypadku silników asynchronicznych o małej mocy, aby ograniczyć moc bierną, można stosować podłączenie do sieci prądu przemiennego za pomocą kondensatorów. Dla większych mocy używa się przetwornicy częstotliwości.

Rozruch silnika asynchronicznego

Problemem w silnikach asynchronicznych jest rozruch. Prąd rozruchowy jest od 4 do 8 razy większy od prądu znamionowego pracy silnika. Rozruch silników elektrycznych jest bardzo szybki i wymaga wysokich nakładów energii, co może powodować awarie, na przykład w postaci przegrzania.

Najprostszym sposobem rozruchu silnika asynchronicznego jest rozruch bezpośredni, który polega na bezpośrednim podłączeniu uzwojeń stojana do trójfazowego zasilania. Taki rozruch stosowany jest tylko dla silników trójfazowych, głównie o małych mocach – do kilkunastu kW.

W celu uniknięcia awarii związanej z przegrzaniem podczas rozruchu stosowane są metody zmniejszania napięcia. Dla mocniejszych silników, stosuje się metodę podłączenia uzwojeń stojana w gwiazdę podczas rozruchu, a następnie dla cyklu pracy zmienia się to podłączenie w trójkąt. W przypadku silników pierścieniowych stosuje się dodatkowe rezystory, przyłączane do uzwojeń wirnika, powodujące spadek prądu wirnika.

W ostatnich latach dla silników trójfazowych popularność zdobywają układy miękkiego rozruchu, zwane jako softstarty, które redukują niekorzystne zjawiska występujące podczas rozruchu. Ogólnie ujmując, ich działanie polega na płynnym podawaniu napięcia do uzwojeń stojana.

Regulacja prędkości obrotowej wirnika silnika asynchronicznego

Zmiana prędkości obrotowej może się odbywać, tak jak wspomniano wcześniej, za pomocą regulacji częstotliwości zasilania lub/i poprzez zmianę liczby par biegunów, zasilanych w stojanie.
W przypadku zmiany liczby zasilanych par biegunów możliwa jest tylko skokowa regulacja prędkości obrotowej. Silniki takie znajdują zastosowanie między innymi w obrabiarkach, zastępując konieczność stosowania przekładni mechanicznych. Dla silników pierścieniowych podłącza się dodatkowe oporniki w obwód wirnika, powodując tym samym spadek siły elektrodynamicznej działającej na wirnik, co daje również spadek prędkości obrotowej.

Jeżeli regulacja prędkości obrotowej ma odbywać się poprzez zmianę częstotliwości zasilania, wówczas bardzo często stosuje się w zasilaniu takich silników – falowniki. Oprócz wspomnianej zmiany prędkości obrotowej, falowniki kontrolują wiele parametrów silnika. Większość z nich posiada wbudowany szereg programowalnych funkcji, które poprawiają i wydłużają jego okres eksploatacji.

Wady i zalety silników asynchronicznych

Poślizg jest jedną z najważniejszych cech silnika asynchronicznego i wskazany jest zwykle na każdej tabliczce znamionowej. Aby uzyskać dobrą wydajność, poślizg silnika powinien być jak najmniejszy. Jednak przy dużym obciążeniu różnica prędkości wirnika i pola magnetycznego wzrasta. Im większy jest wymagany moment obrotowy wirnika, tym bardziej spada prędkość i zwiększa się poślizg. Prędkość jest zatem wyraźnie uzależniona od obciążenia i zmniejsza się wraz z jego wzrostem. Z tego powodu nowoczesne silniki asynchroniczne są często wyposażone w przetwornicę częstotliwości, która utrzymuje stałą prędkość maszyny asynchronicznej w każdych warunkach obciążenia.

W niektórych silnikach asynchronicznych moc bierna może stanowić nawet 60% mocy pozornej. Oznacza to gorszą sprawność, ze względu na relacje pomiędzy dostarczaną mocą czynną a bierną. Wpływa to na wzrost kosztów zużycia energii przez taki silnik, w porównaniu do jego zasobów mocy.

Pomimo pewnych wad, takich jak wyżej wspomniany poślizg lub stosunkowo wysoki prąd rozruchowy, silnik asynchroniczny znajduje szerokie zastosowanie w napędach. Ich zaletą jest prosta i solidna konstrukcja, cechująca się dużą niezawodnością oraz niskim kosztem serwisowania. Samo wyprodukowanie silnika asynchronicznego także jest stosunkowo łatwe i niedrogie. Brak szczotek powoduje brak iskrzenia, przez co silnik może być eksploatowany zarówno w bezpiecznych jak i niebezpiecznych warunkach. Ogólnie silniki asynchroniczne cechuje wydajność, wytrzymałość i mała awaryjność.

Silniki synchroniczne

Silnik synchroniczny podobnie jak asynchroniczny, należy do silników trójfazowych. Budowa i działanie jest również podobne z tą różnicą, że nie występuje w nim tak zwany poślizg. Oznacza to, że ruch obrotowy wirnika jest zsynchronizowany (równoległy) z polem magnetycznym, wytworzonym przez uzwojenia stojana. Synchronizację tych prędkości uzyskuje się poprzez podłączenie napięcia do wirnika. Poza tym występuje także różnica w budowie wirnika. W zależności od modelu, spotykane są silniki synchroniczne wyposażone w wirnik z biegunami jawnymi lub biegunami utajnionymi.

W starszych silnikach elektrycznych, w celu dostarczenia zasilania do wirnika, stosowane są tak zwane bieguny jawne, które są wyprowadzone na zewnątrz. Charakteryzują się one jednak małą wytrzymałość na siły odśrodkowe. Zasilanie wirnika odbywa się przy pomocy pierścieni ślizgowych i szczotek. Wirnik może być również wyposażony w dodatkową klatkę cylindryczną (bieguny utajnione), stosowaną w maszynach osiągających wyższe prędkości obrotowe. Zmiany obciążenia, działające na wirnik w silniku synchronicznym, nie powodują zmian jego prędkości, jak to ma miejsce w przypadku silników asynchronicznym. Wyjątkiem jest sytuacja, w której moment obciążenia wirnika będzie większy niż maksymalny moment elektrostatyczny silnika. W takim wypadku silnik wypadnie z synchronizmu i zatrzyma się.

Silnik synchroniczny zasada działania

Starsze rozwiązanie konstrukcyjne silników synchronicznych stanowią wirniki składające się z uzwojenia nawiniętego na rdzeniu, zasilanego za pośrednictwem pierścieni ślizgowych i szczotek. Źródłem zasilania może być zarówno prądu stały jak i przemienny. W takich konstrukcjach wyróżnia się wirniki z biegunami jawnymi lub utajnionymi.

Pierwszy z wirników, tj. z biegunami jawnymi, zawiera bieguny wyprowadzone na zewnątrz, w celu ich zasilania. Zewnętrzne umiejscowienie biegunów na wirniku charakteryzuje się jednak małą wytrzymałością na siły odśrodkowe. Takie rozwiązanie stosuje się najczęściej w maszynach o dużych mocach i małej prędkości obrotowej.

Konstrukcja wirnika z biegunami utajnionymi jest bardziej wytrzymała na działanie siły odśrodkowej, przez co uzyskuje się większe prędkości obrotowe w takim silniku. Uzwojenia wirnika umiejscowione są w stalowym korpusie wirnika, w specjalnych żłobkach. Dodatkowo są również zabezpieczone przed wypadnięciem za pomocą klinów. Wirnik o biegunach utajnionych określany jest także jako wirnik cylindryczny.

Często spotykanym rozwiązaniem, dla uzyskania jeszcze większych prędkości obrotowych, jest zastąpienie uzwojeń wirnika – magnesami trwałymi. Takie rozwiązanie powoduje również zwiększenie momentu obrotowego silnika przy jednoczesnym zmniejszeniu momentu bezwładności wirnika.

Rozruch silnika synchronicznego

Podanie jednocześnie napięcia na stojan i wirnik spowoduje powstanie zmiennego momentu obrotowego, w wyniku czego silnik nie będzie w stanie ruszyć. W celu wyeliminowania tego zjawiska stosuje się w silnikach synchronicznych różne metody rozruchu.

Jedną z metod jest utworzenie klatki wirnika składającej się z miedzianych prętów tworzących elektromagnes. Silnik taki wykonuje rozruch tak samo jak silnik asynchroniczny, poprzez podłączenie napięcia do stojana. Po wykonaniu rozruchu i uzyskaniu prędkości podsynchronicznej (zbliżonej do synchronicznej) wirnik zostaje zasilany prądem stałym lub przemiennym powodującym synchronizację prędkości obrotowej z polem magnetycznym.

Obecnie najczęściej stosowaną metodą przy rozruchu oraz doborze prędkości obrotowej jest używanie przemienników częstotliwości (falowników), zapewniających między innymi płynny rozruch oraz płynną zmianę prędkości obrotowej.

Wady i zalety silników synchronicznych

Zaletą silników synchronicznych jest przede wszystkim stała prędkość obrotowa, niezależna od zmiany obciążenia na wale. Obciążenie to powoduje jedynie opóźnienie obrotów wirnika względem pola magnetycznego, o kąt który nie powinien przekraczać 60°. Powyżej tej wartości silnik zatrzyma się z powodu wypadnięcia z synchronizmu. Silniki synchroniczne z magnesem trwałym charakteryzują się większym współczynnikiem mocy, większym współczynnikiem sprawności oraz mniejszym prądem pobieranym z sieci, w porównaniu z silnikami asynchronicznymi.

Jeżeli chodzi o wady, to głównie jest to brak momentu rozruchowego oraz kołysanie wirnika w stanie nieustalonym. Również ich konstrukcja jest bardziej skomplikowana, co można uznać za wadę. Przekłada się to bowiem na ich cenę – są droższe od silników asynchronicznych. Do tego są bardziej skomplikowane w eksploatacji. Kolejną wadą, tak jak wspomniano powyżej, jest wypadnięcie z synchronizmu przy przeciążeniach, co powoduje unieruchomienie silnia synchronicznego.

Zastosowanie silnika synchronicznego

Zastosowanie silników synchronicznych różni się w zależności od wydajności. Te o wysokiej wydajności są odpowiednie do pomp, sprężarek i do zastosowań o dużej wytrzymałości. W urządzeniach małych i średnich, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi PMSM (ang. Permanent Magnet Synchronous Motor), są stosowane głównie jako napędy maszyn i pojazdów, ponieważ są bardziej odporne na zużycie niż silniki synchroniczne z uzwojeniem wzbudzenia (biegunami jawnymi lub utajnionymi).

Silniki synchroniczne nadają się idealne do urządzeń, w których wymagana jest stabilna i niezależna od obciążenia prędkość. Dla takich urządzeń szczególnie zalecane są właśnie silniki synchroniczne z magnesami trwałymi PMSM oraz silniki bezszczotkowe prądu stałego BLDC (ang. Brushless Direct-Current). Ich zastosowanie obejmuje również urządzenia sterujące, takie jak napędy obrabiarek – w tym serwomotory.

Silniki synchroniczne mogą pełnić także funkcję przesuwników faz. Pomagają regulować przepływ prądu i dlatego są stosowane przede wszystkim w elektrowniach i sieciach energetycznych. Duże generatory synchroniczne osiągają sprawność ponad 98%, co czyni je jednym z najbardziej wydajnych konwerterów energii w historii. Silniki synchroniczne są zatem najczęściej wykorzystywane jako generatory w elektrowniach i turbinach wiatrowych. Ponadto generatory synchroniczne są wykorzystywane do obsługi pojazdów szynowych i systemów napędowych statków. Ich specjalna konstrukcja służy również jako alternator w pojeździe.

Bezszczotkowy silnik prądu stałego BLDC

Silniki prądu stałego dzielą się na klika typów i spotykane są w różnego rodzaju aplikacjach czy urządzeniach. I tak, ze względu na sposób wzbudzenia pola magnetycznego dzielą się na obcowzbudne i samowzbudne. Samowzbudne dzielą się w zależności od połączenia stojana i wirnika na: szeregowe, bocznikowe i mieszane (szeregowo-bocznikowy). Na rynku spotykane są zarówno silniki prądu stałego o małych jak i dużych mocach. W przypadku mocy do 1 kW określane są mianem mikrosilników.

Mając na uwadze silniki prądu stałego warto wspomnieć o bezszczotkowym silniku synchronicznym prądu stałego BLDC, gdyż jest to jedna z nowszych konstrukcji. Silnik ten można również spotkać – jeżeli chodzi o wrzeciona – na przykład w niektórych maszynach do grawerowania. Z reguły w takich grawerkach silniki BLDC posiadają moc do 1kW, co klasyfikuje je do tzw. mikrosilników.

Ogólna budowa i zasada działania BLDC

Większość silników prądu stałego to silniki komutatorowe. W skrócie oznacza to tyle, że uzwojenia twornika zasilane są przez komutator. Komutator jest to rodzaj pierścienia nałożonego na rdzeń wirnika i stanowiącego połączenie z jego ramką. W najprostszych silnikach składa się z 2 przedzielonych części. Jego zadaniem jest zmiana kierunku przepływu prądu w wirniku, dzięki czemu wirnik ten jest w stanie się obracać, w zadanym kierunku. Bezszczotkowe silniki prądu stałego BLDC są maszynami synchronicznymi. Wyposażone są w uzwojony stojan, wirnik z magnesami trwałymi oraz dodatkowy układ sterujący, który pełni funkcję komutatora. Układ ten generuje sygnał sterujący, w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, który zależny jest od położenia wirnika względem uzwojeń. W celu uzyskania informacji o położeniu wirnika używa się enkoderów hallotronowych, elektromagnetycznych lub optoelektronicznych. Najczęściej stosowane są jednak czujniki Halla.

BLDC – jego wady i zalety

Bezszczotkowy silnik prądu stałego jest idealny do zastosowań wymagających wysokiej niezawodności i wydajności w niewielkich rozmiarach. Bezszczotkowe silniki prądu stałego są ogólnie uważane za silniki o wysokiej wydajności i sprawności, zdolne do wytwarzania dużych momentów obrotowych, w szerokim zakresie prędkości. Brak szczotek, w porównaniu do silników szczotkowych, powoduje zmniejszone koszty serwisowania, cichszą pracę oraz wydłuża ich żywotność. Zużyciu ulegają wówczas jedynie łożyska. Brak iskrzenia, jakie występuje przy stosowaniu szczotek, wpływa na zmniejszenie strat energetycznych. Oprócz tego, dzięki wyeliminowaniu z konstrukcji szczotek i komutatora, można osiągnąć większe prędkości obrotowe. Magnesy trwałe zamocowane na wirniku zmniejszają jego inercje, co polepsza właściwości dynamiczne silnika. Stosunek mocy do rozmiarów, w porównaniu do silników szczotkowych, jest na korzyść silników BLDC.

W silnikach asynchronicznych prąd rozruchowy może stanowić nawet siedmiokrotność prądu znamionowego, dlatego stosowane są specjalne przełączniki startowe. W silnikach BLDC taki element nie jest potrzebny. Koszt produkcji silnika BLDC jest jednak stosunkowo większy, ze względu na wyposażenie go w zaawansowane układy sterowania.

Zastosowanie silników BLDC

Silniki BLDC można zastosować zarówno w amatorskich jaki i profesjonalnych urządzeniach. Spotykane są często we wrzecionach maszyn do grawerowania czy frezarkach przeznaczonych do PCB, drewna lub tworzyw sztucznych.

Sposoby przeniesienia napędu z silnika do wrzeciona

Silniki prądu elektrycznego mogą przenosić napęd we wrzecionie w sposób bezpośredni lub pośredni. Poniższy obrazek (Rys.2) przedstawia schemat napędu bezpośredniego i pośredniego.

(Rys.2) Schemat napędu bezpośredniego i pośredniego.

Oprócz powyższych dwóch rodzajów, spotykane są także napędy zintegrowane, do których zalicza się elektrowrzeciona (Rys.3). W takim układzie wirnik silnika elektrycznego jest osadzony koncentrycznie z wrzecionem, a stojan z uzwojeniami zintegrowany jest bezpośrednio w jego korpusie. Innymi słowy, oś obrotu wrzeciona stanowi przedłużenie osi wirnika silnika, tworząc jedną całość. Dodatkowo elektrowrzeciona wyposażone są w przekładnie planetarne.

Rys.3 Elektrowrzeciono firmy WEISS

Napędy bezpośrednie i pośrednie stosowane są zazwyczaj we wrzecionach niskoobrotowych (do około 10 000 obr/min) o wysokim momencie obrotowym. Narzędzia skrawające o dużych średnicach – takie jak na przykład głowice frezarskie – wykonują obróbkę materiału przy mniejszych prędkościach obrotowych, w przeciwieństwie do narzędzi o małych średnicach. Prędkość obrotowa narzędzia wynika z obliczenia, w którym uwzględnia się – oprócz zalecanej prędkości skrawania narzędzia dla danego materiału obrabianego – także jego średnicę. Użycie większego narzędzia wiążę się koniecznością uzyskania większego momentu obrotowego. Wysoki moment obrotowy jest także szczególnie ważny przy obróbce twardych materiałów, stąd często we wrzecionach niskoobrotowych stosowane są przekładnie zębate z przełożeniem pasowym.

Jeżeli chodzi o elektrowrzeciona, to osiągają one znacznie większe prędkości obrotowe, sięgające nawet 50 000 obr/min. Charakteryzują się także mniejszym momentem obrotowym. W zakresie wysokich prędkości obrotowych skrawają głównie narzędzia o małych średnicach, które nie generują dużych sił skrawających. W elektrowrzecionach do mocy 30kW sprawdzają się silniki asynchroniczne, powyżej stosuje się silniki synchroniczne, które pozwalają uzyskać wysoki moment obrotowy przy niskich obrotach.

Głowice wrzecion

Realizację napędu pośredniego wrzeciona mogą ułatwić głowice wrzecion dostępne w ofercie sklepu EBMiA. Jest to rozwiązanie pozwalające na budowę zespołu wrzecionowego według własnej wizji konstrukcyjnej. Takie głowice świetnie nadają się do budowy wielonarzędziowych jednostek obróbczych, a przy wykorzystaniu dodatkowo falownika ( przemiennika częstotliwości) jesteśmy w stanie zbudować wrzeciono z bezstopniową regulacją obrotów.

Dodatkowo, głowice wrzecion mogą być stosowane w obrabiarkach do obróbki precyzyjnej, gdzie wymagane są bardzo niskie drgania i wysoka stabilność obrotowa. Zastosowanie takich głowic pozwala na osiągnięcie lepszej jakości obróbki oraz dłuższej żywotności narzędzi skrawających. Jest to możliwe dzięki wysokiej jakości wykonania oraz zastosowania wysokiej jakości łożysk.

W przypadku głowic wrzecion bez zintegrowanego silnika, istnieje możliwość dostosowania parametrów pracy do wymagań konkretnych procesów obróbczych, co pozwala na uzyskanie optymalnej wydajności oraz oszczędność energii.

Jedną z największych zalet głowic wrzecion jest możliwość dostosowania napędu do wymagań procesu obróbczego. Można zastosować silniki indukcyjne, serwo lub silniki bezszczotkowe, co pozwala na uzyskanie najlepszego wyniku pracy.

Ogólnie rzecz biorąc, głowice wrzecion są wysoce elastycznymi rozwiązaniami, które pozwalają na dostosowanie parametrów pracy do indywidualnych potrzeb. Dzięki temu są one stosowane w różnych branżach przemysłowych i cieszą się dużą popularnością ze względu na swoją uniwersalność i wysoką jakość obróbki.

Wpływ łożysk na żywotność silnika elektrycznego

Łożyska w silniku elektrycznym utrzymują wirnik w prawidłowym położeniu względem stojana. Dzięki temu zachowana jest stała szerokość szczeliny powietrznej, oddzielającej oba jego główne elementy, czyli wirnik i stojan. Oprócz tego, łożyska przenoszą obciążenia z wirnika na całą ramę silnika, przez co muszą być wytrzymałe.

Funkcje te sprawiają, że łożyska stanowią istotny element konstrukcyjny, wpływający na osiągi i niezawodność silników elektrycznych. W przypadku ich awarii, na przykład w małym silniku, generowany jest wysoki koszt związany z wymianą. Dodatkowo zużyte łożyska powodują zwiększone opory i wzrost ciepła, przez co mogą zostać uszkodzone pozostałe części silnika, co z kolei przyczyni się to tego, że naprawa będzie nieopłacalna. Z tego powodu projektując silnik powinno się dobierać łożyska najwyższej jakości i niezawodności. Z reguły tylko takie łożyska są dopuszczane do użytku przez rygorystyczne normy, jakim muszą sprostać producenci łożysk. Prawidłowo dobrane łożyska pozwalają bowiem na zachowanie długiej niezawodności i sprawności silnika, przy minimalnym tarciu i minimalnych stratach mocy.

W kolejnych artykułach opisujemy:

Silnik bezszczotkowy BLDC – co to jest, jak działa, zastosowanie, zalety

Falownik – zasada działania, rodzaje, zastosowanie i budowa

Enkoder – zasada działania, rodzaje, budowa

Łożyska do silników elektrycznych

Wrzeciono CNC – jakie wybrać?

UdostępnijShare on FacebookShare on Google+Tweet about this on Twitter

Powiązane produkty

Newsletter
Bądź na bieżąco