Vấn đề xuất hiện ở tốc độ thấp
Mô-men xoắn cogging là gợn mô-men xoắn định kỳ xảy ra trong động cơ nam châm vĩnh cửu ngay cả khi không có dòng điện chạy qua. Nó xuất phát từ sự tương tác giữa các nam châm rôto và các răng của stato - từ thông nam châm muốn thẳng hàng với đường từ trở thấp nhất, nghĩa là nó muốn thẳng hàng với một răng stator chứ không phải theo một rãnh. Khi rôto quay, từ thông luân phiên thẳng hàng và lệch hướng với các răng liên tiếp, tạo ra dạng sóng mô men xoắn với các đỉnh và đáy ở tần số được xác định bởi số cực và khe.
Đối với hầu hết các ứng dụng, mô-men xoắn bánh răng là một mối phiền toái nhỏ. Đối với các hệ thống servo chính xác, động cơ truyền động trực tiếp và khớp robot cần chuyển động trơn tru ở tốc độ thấp, đó là hạn chế thiết kế cơ bản. Một cánh tay robot hợp tác di chuyển với tốc độ 5 vòng/phút thông qua thao tác lắp ráp chính xác sẽ làm cho mọi đỉnh mô-men xoắn bánh răng hiển thị dưới dạng gợn sóng vận tốc trong lỗi vị trí - và gợn sóng vận tốc đó xuất hiện dưới dạng lỗi kích thước trong bất kỳ thứ gì robot đang lắp ráp.
Bài viết này đề cập đến nguyên nhân gây ra mô-men xoắn, cách đo lường nó và phương pháp thiết kế nam châm nào thực sự làm giảm nó so với phương pháp nào chỉ giải quyết vấn đề.
1. Điều gì đặt ra tần số và biên độ cogging
Tần số mô men xoắn được xác định bằng bội số chung nhỏ nhất (LCM) của số cực và số khe. Một động cơ 10 cực, 12 khe có LCM(10, 12)=60, do đó có 60 đỉnh mô-men xoắn bánh răng trên mỗi vòng quay. Động cơ 10 cực, 15 khe có LCM(10, 15)=30 nên chỉ có 30 đỉnh trên mỗi vòng quay. LCM cao hơn có nghĩa là có nhiều đỉnh hơn trên mỗi vòng quay ở biên độ thấp hơn - tổng năng lượng trong dạng sóng răng cưa gần như không đổi, nhưng nó được phân bổ thành nhiều đỉnh hơn, nhỏ hơn.
Đây là lý do tại sao cấu hình cuộn dây khe phân đoạn - trong đó tỷ lệ khe trên cực trên mỗi pha không phải là số nguyên - lại phổ biến trong các ứng dụng truyền động trực tiếp và servo tốc độ thấp. Cấu hình 10 cực, 12 khe (0,4 khe trên mỗi cực trên mỗi pha) có LCM cao hơn cấu hình 10 cực, 9 khe (0,3 khe trên mỗi cực trên mỗi pha), có nghĩa là biên độ cogging trên mỗi chu kỳ thấp hơn với chi phí tần số cao hơn.
Biên độ cogging được xác định bởi mật độ từ thông nam châm, tỷ lệ giữa cung và bước cực của nam châm, chiều dài khe hở không khí và hình dạng khe stato. Trong số này, tỷ lệ hồ quang nam châm là tỷ lệ mà nhà cung cấp nam châm có thể kiểm soát. Những cái khác được cố định bởi thiết kế cán động cơ.
2. Tỷ lệ hồ quang nam châm: Thông số nam châm duy nhất ảnh hưởng trực tiếp đến hiện tượng cogging
Đối với động cơ nam châm gắn trên bề mặt, có một tỷ lệ hồ quang nam châm tối ưu - tỷ lệ giữa chiều dài hồ quang nam châm và bước cực - giúp giảm thiểu mô-men xoắn. Điều tối ưu này tồn tại bởi vì mô men xoắn có liên quan đến đạo hàm của tổng năng lượng từ của khe hở không khí đối với vị trí rôto và đạo hàm đi qua 0 ở các tỷ số cung cụ thể.
Đối với động cơ 10 cực, 12 khe có khe hở rãnh stato điển hình là 2–3 mm trong lỗ stato 80 mm, tỷ lệ hồ quang nam châm giảm thiểu cogging là khoảng 0,833 (năm phần sáu bước cực). Sử dụng tỷ lệ cung 0,75 - một bước cực đầy đủ trừ đi một bước rãnh - cũng tạo ra độ bám gần như bằng 0 cho sự kết hợp này. Mức tối ưu chính xác phụ thuộc vào chiều rộng khe hở và chiều dài khe hở không khí; cần phải mô phỏng với hình dạng cán thực tế để tối ưu hóa chính xác.
Tỷ lệ hồ quang không thể khắc phục được điều gì: nếu khe hở của khe cán rộng so với bước nam châm, độ bám dính sẽ cao bất kể tỷ lệ hồ quang. Khe hở rộng gây ra sự thay đổi điện trở lớn khi rôto quay. Nam châm nhìn thấy một tiếng "va chạm" mỗi khi có một khe đi qua. Không có sự tối ưu hóa tỷ lệ cung nào sẽ loại bỏ điều này nếu độ mở khe lớn hơn khoảng 20% bước rãnh.
3. Xiên: Hiệu quả nhưng tốn kém
Sự lệch trục - quay các nam châm hoặc các lá stator theo một bước rãnh dọc theo hướng trục - là phương pháp đáng tin cậy nhất để giảm mô men xoắn. Khi nam châm bị lệch bởi một bước rãnh, các đỉnh răng cưa ở mỗi vị trí trục sẽ bị lệch pha so với nhau và các đỉnh này sẽ bị triệt tiêu khi tính tổng theo trục. Về lý thuyết, độ lệch hoàn hảo bằng chính xác một bước rãnh sẽ giảm độ lệch về 0. Trong thực tế, sự thay đổi trong quá trình sản xuất ở góc nghiêng để lại độ lệch còn lại ở mức 10–20% giá trị không bị lệch.
Chi phí của việc xiên là có thật. Nam châm lệch có chi phí sản xuất cao hơn - hình dạng góc cạnh đòi hỏi các đồ đạc tùy chỉnh và làm tăng lãng phí vật liệu. Các lớp cán bị lệch theo trục yêu cầu một ngăn xếp cán quay khó lắp ráp hơn và tăng chiều dài động cơ một chút. Sự thỏa hiệp phổ biến nhất là lệch bước: sử dụng hai hoặc ba đoạn nam châm hướng trục trên mỗi cực, mỗi đoạn được dịch chuyển một phần của bước rãnh. Độ lệch bước hai đoạn đạt được mức giảm độ lệch khoảng 70% so với không lệch; ba đoạn đạt 85–90%.
Đối với động cơ có chiều dài trục 60 mm, bước lệch hai đoạn có nghĩa là mỗi đoạn nam châm dài 30 mm với độ lệch góc bước 1/2 khe giữa chúng. Ở 12 khe và đường kính lỗ 80mm, một bước rãnh có chiều dài cung 20,9mm, hoặc khoảng 9,4 độ ở bề mặt rôto. Do đó, độ lệch góc giữa các đoạn là 4,7 độ. Điều này có thể đạt được bằng các thiết bị cố định từ hóa tiêu chuẩn và không yêu cầu hình dạng nam châm bất thường.
4. Vát cạnh bằng nam châm và tạo hình hồ quang
Vát cạnh các cạnh nam châm - giảm độ dày xuyên tâm gần các đầu nam châm - tạo ra sự phân bố mật độ từ thông hướng tâm hình sin thay vì phân bố hình thang. Điều này làm giảm hàm lượng sóng hài của cả EMF phía sau và mô-men xoắn bánh răng đồng thời.
Hiệu ứng định lượng phụ thuộc vào độ sâu vát so với độ dày nam châm. Độ sâu vát bằng 20% độ dày xuyên tâm của nam châm giúp giảm biên độ cogging xuống 35–50% so với nam châm mặt phẳng, đồng thời giảm cơ bản EMF ngược chỉ 3–5%. Sự cân bằng là thuận lợi khi mục tiêu thiết kế có độ trễ thấp và chất lượng dạng sóng EMF ngược có thể chấp nhận được.
Tạo hình hồ quang cực - thay đổi khe hở không khí dọc theo hồ quang nam châm bằng cách sử dụng nam châm có bề mặt ngoài cong không đồng tâm với rôto - hiệu quả hơn nhưng yêu cầu gia công chính xác hơn. Bề mặt cong tạo ra sự thay đổi hình sin về chiều dài khe hở không khí tạo ra sự phân bố mật độ từ thông gần hình sin. Kết hợp với tỷ lệ hồ quang tối ưu, điều này có thể giảm hiện tượng co ngót xuống dưới 0,5% mô-men xoắn định mức mà không bị lệch.
5. Đặc điểm kỹ thuật và đo lường mô-men xoắn
Mômen xoắn được xác định bằng phần trăm của mômen định mức. Đối với các ứng dụng servo công nghiệp nói chung, 2–3% là có thể chấp nhận được. Đối với robot cộng tác và hệ thống truyền động trực tiếp, 1% là mục tiêu điển hình. Đối với hình ảnh y tế, xử lý chất bán dẫn và định vị quang học chính xác, cần có 0,3–0,5%.
Phép đo được thực hiện bằng cách quay chậm trục động cơ (thường ở tốc độ 1–5 vòng/phút mà không cấp dòng điện) trong khi đo mô-men xoắn trục bằng cảm biến mô-men xoắn chính xác. Mô-men xoắn đạt đỉnh tới đỉnh trong một chu kỳ điện là giá trị được báo cáo. Phép đo phải được thực hiện ở tốc độ đủ chậm để hiệu ứng quán tính không đáng kể - ở tốc độ 5 vòng/phút, đối với động cơ có quán tính rôto 50g·cm², mô-men quán tính ở tần số điện 1 Hz nhỏ hơn 0,01 N·m, không đáng kể so với động cơ mô-men xoắn định mức 0,1 N·m.
Khi chỉ định các yêu cầu về mômen xoắn cho nhà cung cấp nam châm, hãy cung cấp: số cực, số khe, tỷ lệ hồ quang nam châm, chiều dài khe hở không khí và độ co mục tiêu theo phần trăm của mômen định mức. Nhà cung cấp có thể xác nhận xem hình dạng nam châm có tương thích với mục tiêu của bạn hay không hoặc đề xuất điều chỉnh tỷ lệ cung và cấu hình nghiêng để đạt được mục tiêu đó.
6. Những gì không thể sửa được chỉ bằng nam châm
Không thể cố định mô-men xoắn từ các khe hở rộng của stato bằng thiết kế nam châm. Giải pháp duy nhất là: đóng các khe hở bằng các nêm khe từ tính (làm tăng thêm chi phí và độ phức tạp của việc lắp ráp), sử dụng thiết kế cán mỏng với các khe hở hẹp hơn (yêu cầu thiết kế lại cán màng), hoặc chấp nhận mức độ bám dính và sử dụng dòng điện phun (bù cogging chủ động trong ổ đĩa) để hủy nó trong hoạt động vòng kín.
Bù khớp cắn chủ động hoạt động bằng cách đưa vào một lệnh mô-men xoắn tiến tiến ngược với cấu hình mô-men xoắn bánh răng đo được, được đồng bộ hóa với vị trí bộ mã hóa. Điều này hiệu quả và được sử dụng rộng rãi trong các bộ truyền động servo hiệu suất cao. Nó không loại bỏ hiện tượng co ngót khỏi vật lý động cơ - nó bù đắp cho nó bằng điện. Độ chính xác bù phụ thuộc vào mức độ phù hợp của cấu hình bánh răng đo được với động cơ thực tế và bất kỳ biến thể nào giữa các động cơ sản xuất đều yêu cầu hiệu chuẩn riêng.
Đối với các ứng dụng có độ chính xác cao với khối lượng thấp, việc hiệu chuẩn riêng lẻ là khả thi. Đối với sản xuất số lượng lớn, nó làm tăng thêm chi phí và độ phức tạp. Giải pháp lâu dài tốt hơn là làm cho bánh răng đủ thấp thông qua thiết kế cán mỏng và nam châm để việc bù chủ động là tùy chọn thay vì bắt buộc.
HIMAGNET cung cấp cho nam châm phân đoạn hồ quang với tỷ lệ hồ quang được tối ưu hóa, cấu hình lệch từng bước và cấu hình cạnh vát để giảm mô-men xoắn. Để được hỗ trợ phân tích cogging trên thiết kế động cơ của bạn,liên hệ với nhóm kỹ thuật của chúng tôivới số cực, số vị trí và mục tiêu ăn khớp của bạn.
