Aktuální vydání

celé číslo

03

2024

Automatizační technika v energetice a teplárenství, úspory energie

Snímače teploty

celé číslo

Spolehlivost pohonů Maxon

číslo 11/2006

Spolehlivost pohonů Maxon

Elektrické stejnosměrné pohony dodávané švýcarskou firmou Maxon Motor AG pokrývají pole výkonů sahající od zlomků wattu až po několik set wattů. Pohony značky Maxon při správném použití plní i velmi vysoké požadavky na dobu života a spolehlivost. Optimálním pohonem může být, podle povahy úlohy, jak samotný motor, tak i kombinace sestavená z motoru, převodovky, snímače a řídicí jednotky (obr. 1), které jsou součástí soustavy komponent Maxon. Obr. 1. K návrhu pohonu poslouží jednak katalog a jednak program, který je volně dostupný na webových stránkách http://www.maxonmotor.com. Program přijme zadání požadovaných parametrů a poskytne množství možných kombinací komponent. Na dobu života a spolehlivost pohonu mají rozhodující vliv předimenzování komponent pohonu a charakter provozu. Do rozsahu vybraných kombinací lze zasáhnout nastavením filtrů, které vyloučí komponenty, které by byly využity blízko k horní mezi (100 %) přípustných hodnot parametrů. Doba života a spolehlivost dále souvisejí s konstrukcí a novými výrobními technologiemi komponent značky Maxon a možnostmi řídicích jednotek ochránit komponenty před poškozením přetížením. Souvislost doby života se spolehlivostí vyplývá ze zákonitého nárůstu pravděpodobnosti poruchy se stupněm opotřebení pohonu provozem. Závislost doby života na stupni zatížení motorů dokládá obr. 2, kde svislé úsečky v průbězích značí ukončení provozního života jednotlivých motorů z deseti zkoušených. Zkoušeny byly dva typy komutátorových motorů s kovovými kartáči, deset motorů každého typu ve standardním provedení a deset v provedení s kondenzátory v rotoru (metoda Capacity Long Life – CLL), a to při zatížení odpovídajícím 39 % (obr. 2a) a 67 % (obr. 2b) přípustného proudu. Velmi dobře je patrný vliv procentního zatížení i příznivý vliv metody CLL na dobu života motorů.

Obr. 2.

Obr. 1. Síť pohonů sestavená z jednotek značky Maxon
Obr. 2. Zkoušky doby života dvou typů motorů v provedení standardním a tzv. CLL

Motory DC

Motory s mechanickou komutací (komutátorové motory, motory DC) se uplatňují při požadavku na proměnnou rychlost v podmínkách nedostatku prostoru a jednoduchého napájení stejnosměrným zdrojem. Spolehlivost konvenčních motorů, nabízených řadou výrobců, je omezována zejména rychlým postupem opotřebení kartáčů a komutátoru jiskřením. Z rotorů motorů Maxon je konstrukčně odstraněno feromagnetické jádro a s ním i podstatná část zdroje energie pro vznik oblouků při přepínání proudu. Kartáče ubývají pomalu a s koncem jejich života jsou už opotřebeny i lamely komutátoru. Spolehlivost rozběhu po dlouhé době stání je větší u kovových kartáčů z drahých kovů než u grafitových kartáčů. Kovové kartáče se s výhodou používají u menších motorů Maxon při plynulém provozním zatížení bez častých startů. Rotory motorů s kovovými kartáči se osazují kondenzátory zapojenými mezi lamelami k dalšímu omezení napětí, které má vliv na délku oblouků na lamelách komutátorů (metoda CLL).

Spolehlivost motorů je ovlivněna také druhem ložisek. Kluzná samomazná ložiska, používaná zejména v menších motorech, pracují spolehlivě v provozu s plynulým, spojitým a dosti rychlým chodem, kterým se v ložiskách vytvoří olejový film. Pro nepravidelný chod malou rychlostí s častým zastavováním jsou vhodnější provedení s kuličkovými ložisky. Pro zajištění spolehlivosti je nutné zkontrolovat radiální zatížení hřídele s ohledem na nosnost ložisek.

Motory EC

V motorech s elektronickou komutací (motory EC) je mechanické přepínání proudu do sekcí vinutí nahrazeno elektronickým přepínáním, které je řízeno snímači polohy rotoru. Vlastnosti, dané stejnosměrným motorům přepínáním napájení sekcí podle natočení rotoru, se u motorů EC zachovávají. Doba života motoru je omezena pouze výdrží ložisek. Spolehlivost ložisek určuje i spolehlivost motoru. Ve všech motorech EC značky Maxon, a to včetně jejich nejmenších typů s vnějším průměrem 6 mm, jsou používána kuličková předepnutá ložiska.

Převodovky

Převodovky malých rozměrů, které odpovídají motorům s výkony do 400 W, se standardně mažou trvalou náplní mazacího tuku. Společnost Maxon vyrábí převodovky s předlohou a planetové převodovky. Používají se převážně planetové převodovky, jejichž rozměry navazují na tvar motorů a při převodových poměrech mezi 50 : 1 až 100 : 1 dobře využijí moment přiřazených motorů. Levnější převodovky s předlohou mají význam pro úlohy s malými požadavky na výstupní krouticí moment i na potřebu prostoru.

Obr. 3.

Obr. 3. Planetová převodovka s keramickými čepy planet

Doba života planetových převodovek je při stejném zatížení v procentech přípustné hodnoty srovnatelná s dobou života komutátorových motorů Maxon. Doba života i spolehlivost těchto převodovek jsou příznivě ovlivněny použitím keramických čepů, na nichž jsou kluzně uloženy planety (obr. 3). Tyto čepy jsou při jednosměrném chodu namáhány otěrem v jednom směru a jsou kritickým místem malých převodovek s tukovou náplní. Společnost Maxon vyřešila problém odolnosti čepů vlastním vývojem keramických komponent ze ZrO2.

Opotřebení komponent převodovek progresivně rostě s růstem vstupní rychlosti v oblasti nad doporučenou rychlostí. Při vysoké rychlosti je z mazacích míst nadměrně vypuzováno mazivo a zvětšuje se otěr. Doporučené vstupní rychlosti převodovek střední velikosti s keramikou (průměry 32 až 42 mm) jsou asi 8 000 min–1 a odpovídají největším otáčkám připojitelných motorů DC.

Snímače

Magnetické inkrementální snímače natočení (enkodéry) poslední generace typu MR se vyznačují větší odolností proti otřesům a malou citlivostí na změny magnetické mezery. Odolnost se projevuje spolehlivější funkcí. Dosahuje se jí použitím nové metody, při níž se snímá směr magnetického pole pólů zmagnetovaného kotouče. Obvody snímačů jsou vedle toho vyrobeny mikrotechnologií zajišťující jim malé setrvačnosti, a tudíž větší odolnost proti chvění.

Obr. 4.

Obr. 4. Princip eliminace elektromagnetického rušení signálu polohy: a) uspořádání, b) průběhy signálů v čase

Velkou odolnost proti vnějšímu elektromagnetickému rušení a spolehlivý přenos dat ze snímače do řídicí jednotky nabízejí snímače v provedení se zvláštním budičem (line driver), který k signálům A, B a I vytváří jako doplněk jejich negované průběhy A", B" a I". Na vstupu řídicí jednotky odpovídá uvedenému budiči příjímací obvod (line receiver), který vyhodnocuje rozdíly signálů a jejich negací (A – A", B – B" a I – I"). Rozdíly jsou minimálně ovlivněny napětím indukovaným v důsledku přítomnosti rušivých polí (pokud jsou vodiče originálního a doplňkového signálu vedeny paralelně plochým kabelem; viz obr. 4, kde modrá barva značí původní signál, fialová doplňkový a červená rušení).

Ochrana motorů řídicími jednotkami

Spolehlivost řídicích jednotek postupně roste zaváděním nejmodernějších elektronických komponent, zmenšováním počtů propojek a miniaturizací. Miniaturizace zlepšuje odolnost proti vibracím. Vliv zlepšování funkce řídicích jednotek na spolehlivost pohonu se projevuje zejména zdokonalováním ochrany motoru před přetížením.

Řízení motorů DC

Základní ochrany motoru před přetížením se dosahuje nastavením nejvyššího přípustného trvalého proudu Icont. Takovou jednoduchou ochranou je vybavena řídicí jednotka otáček menších komutátorových motorů LSC 30/2, která řídí otáčky analogově ztrátovým řízením napájecího napětí. Přípustný proud Icont se nastaví potenciometrem jednotky na proud uvedený v katalogovém listu motoru. Tento způsob ochrany ovšem neumožňuje využít větší záběrný nebo krátkodobý proud.

Obr. 5.

Obr. 5. Cyklické omezování proudu jednotkou ADS 50/5

Jednotky řady ADS pro řízení otáček větších komutátorových motorů mají proto vedle popsané ochrany volbou Icont volitelný mód ochrany motoru v pulsním provozu. Na řídicí jednotce se dvěma samostatnými potenciometry nastaví jednak proud Icont, který motor podle katalogu snese trvale, a jednak proud Imax, který je třeba pro rychlý start nebo překonání krátkodobě zvýšeného odporu. Jednotka připustí proud Imax po dobu 0,1 s a pak přepne mezní proud do motoru na hodnotu Icont. Po uplynutí 0,9 s semůže cyklus Imax s přechodem na Icont opakovat (obr. 5).

Řízení motorů EC

Jednokvadrantová řídicí jednotka otáček DEC 50/5 pro motory EC je vybavena pouze jednoduchou ochranou motoru omezením trvalého proudu Icont. Dále je chráněna před vlastním poškozením v důsledku zkratu a přehřátí.

Obr. 6.

Obr. 6. Příklady zrychlení motoru v závislosti na historii při řízení jednotkou DES 50/5: a) Imax = 3Icont, b) Imax = 2Icont

Novější podobná jednotka DEC 24/1 pro slabší motory je již vybavena ochranou při pulsním provozu, která připustí proud Imax o nejvýš dvojnásobné velikosti nastaveného trvalého proudu Icont po dobu 1 s. Impuls se může opakovat po době, která závisí na velikosti impulsu.

Ještě dokonalejší ochranu motoru poskytuje nově zkonstruovaná jednotka DECV 50/5, která řídí otáčky čtyřkvadrantově, tj. s urychlováním a přibrzďováním. Jednotka integruje přírůstky teploty motoru při krátkodobých přetíženích proudem Imax, který opět může být až dvojnásobkem trvale přípustného proudu Icont. Integrace zahrnuje i pokles teploty během odlehčení motoru, kterému přiřazuje čtvrtinový vliv na teplotu v poměru k vlivu přetěžování. Jednotka pak povoluje přetížit motor podle aktuálního stavu integrálu.

Další nová čtyřkvadrantová jednotka DEC70/10 pro nejvýkonnější motory má dále zdokonalenou ochranu motoru v pulsním provozu. Integruje přírůstky a poklesy teploty tak, že dvojnásobnému přetížení přiřazuje přírůstek s váhou rovnou jedné, zatížení menšímu než trvalým proudem Icont přiřazuje úbytek s váhou jedné třetiny a nulovému proudu s váhou dvou třetin.

Obr. 7.

Obr. 7. Příklady cyklického omezování proudu jednotkou DES 50/5: a) Imax = 3Icont, b) Imax = 2Icont

Komfortní řídicí jednotka otáček se sinusovým průběhem proudu DES pak připouští krátkodobě po dobu ta proud Imax až do trojnásobku Icont, a to podle předchozího průběhu proudu (obr. 6a, obr. 6b). Je-li motor zatížen delší dobu trvalým proudem Icont, není přípustný žádný větší proud (ta = 0 s). V cyklickém provozu pak jednotka DES určuje dobu trvání špičky a následující nutnou ochlazovací prodlevu na základě průběhu minulého zatěžování (obr. 7).

Jednotky EPOS

Nejmodernější jednotky řízení polohy, rychlosti a momentu řady EPOS, typ EPOS P, byly pro svou vysokou technickou a uživatelskou úroveň oceněny na letošním strojírenském veletrhu v Brně Zlatou medailí MSV 2006. Pokrokový je i použitý způsob ochrany motoru před poškozením při přetížení, založený na porovnávání vypočítané okamžité teploty vinutí s jeho přípustnou teplotou. Jednotka počítá okamžitou teplotu vinutí z okamžitého teplotního spádu z vinutí do okolí motoru, který závisí na součiniteli prostupu tepla a na přívodu tepla. Přivedené teplo v posledním časovém úseku je integrálem součinu čtverce proudu a ohmického odporu v čase. Tepelná kapacita vinutí se do výpočtu dostává jako jeho tepelná časová konstanta.

Ing. Václav Brož,
Uzimex Praha spol. s r. o.

UZIMEX PRAHA, spol. s r. o.
Na Celné 5
150 00 Praha 5
tel.: 257 323 938
fax: 257 325 025
e-mail: praha@uzimex.cz
http://www.uzimex.cz