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图灵智控带您揭开西门子伺服电机的神秘面纱

2017-11-25 17:10:50 图灵智控 已读

  深圳西门子PLC代理商分享


  西门子伺服系统可实现优秀的动态定位和精确的运动控制序列,而丰富的西门子伺服电机产品结构紧凑,可实现卓越的动态特性和运行效率。在某些传动范围内,须要对被控东西完成高精度的位置控制,而实现正确的位置操纵的一个基本条件是需要有高精度的伺服电机。西门子伺服电机将是您的不二之选。


  一、西门子伺服电机分类:交流伺服和直流伺服两大类

  交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机(异步电机)相似。在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf,接恒定交流电压,利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化,达到控制电机运行的目的。交流伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格(要求分别小于10%~15%和小于15%~25%)等特点。

  直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。电机转速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j,式中E为电枢反电动势,K为常数,j为每极磁通,Ua、Ia为电枢电压和电枢电流,Ra为电枢电阻,改变Ua或改变φ,均可控制直流伺服电动机的转速,但一般采用控制电枢电压的方法,在永磁式直流伺服电动机中,励磁绕组被永久磁铁所取代,磁通φ恒定。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。


西门子电机的分类.jpg


  二、西门子直流伺服电机和西门子交流伺服电机的优缺点

  1、直流伺服电机的优点和缺点

  优点:速度控制精确,转矩速度特性很硬,控制原理简单,使用方便,价格便宜。

  缺点:电刷换向,速度限制,附加阻力,产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜)


  2、交流伺服电机的优点和缺点

  优点:速度控制特性良好,在整个速度区内可实现平滑控制,几乎无振荡,90%以上的高效率,发热少,高速控制,高精确度位置控制(取决于编码器精度),额定运行区域内,可实现恒力矩,惯量低,低噪音,无电刷磨损,免维护(适用于无尘、易爆环境)

  缺点:控制较复杂,驱动器参数需要现场调整PID参数确定,需要更多的连线。


西门子电机的特点.jpg

  三、西门子交流伺服电机和直流伺服电机的特点:

  1、交流伺服电机

  (1)笼型两相交流伺服电机(细长笼型转子、机械特性近似线性、体积和励磁电流小、小功率伺服、低速运转不够平滑)

  (2)非磁性杯型转子两相交流伺服电机(空心杯转子、机械特性近似线性、体积和励磁电流较大、小功率伺服、低速运转平滑)

  (3)铁磁杯型转子两相交流伺服电机(铁磁材料杯型转子、机械特性近似线性、转子转动惯量大、齿槽效应小、运行平稳)

  (4)同步型永磁交流伺服电机(由永磁同步电机、测速机及位置检测元件同轴一体机组,定子为3相或2相,磁性材料转子,必须配驱动器;调速范围宽、机械特性由恒转矩区和恒功率区组成,可连续堵转,快速相应性能好,输出功率大,转矩波动小;有方波驱动和正弦波驱动两种方式,控制性能好,为机电一体化产品)

  (5)异步型三相交流伺服电机(转子与笼型异步电机相似,必须配驱动器,采用矢量控制,扩大了恒功率调速范围,多用于机床主轴调速系统)


  2、直流伺服电机

  (1)印制绕组直流伺服电机(盘形转子、盘形定子轴向粘接柱状磁钢,转子转动惯量小,无齿槽效应,无饱和效应,输出转矩大)

  (2)线绕盘式直流伺服电机(盘形转子、定子轴向粘接柱状磁钢,转子转动惯量小,控制性能优于其他直流伺服电机,效率高,输出转矩大)

  (3)杯型电枢永磁直流电机(空心杯转子,转子转动惯量小,适用于增量运动伺服系统)

  (4)无刷直流伺服电机(定子为多相绕组,转子为永磁式,带转子位置传感器,无火花干扰,寿命长,噪声低)


  3、力矩电机

  (1)直流力矩电机(扁平结构,极数槽数换向片数串联导体数多;输出转矩大,低速或堵转下可连续工作,机械和调节特性好,机电时间常数小)

  (2)无刷直流力矩电机(与无刷直流伺服电机结构相似,但为扁平状,极数槽数串联导体数多;输出转矩大,机械和调节特性好,寿命长,无火花,噪声低)

  (3)笼型交流力矩电机(笼型转子,扁平结构,极数槽数多,启动转矩大,机电时间常数小,可长期堵转运行,机械特性较软)

  (4)实心转子交流力矩电机(铁磁材料实心转子,扁平结构,极数槽数多,可长期堵转,运行平滑,机械特性较软)


步进电机连接示意图.jpg

  4、步进电机

  (1)反应式步进电机(定转子均由硅钢片叠成,转子铁心上无绕组,定子上有控制绕组;步距角小,启动与运行频率较高,步距角精度较低,无自锁力矩)

  (2)永磁步进电机(永磁式转子,径向磁化极性;步距角大,启动与运行频率低,有保持转矩,消耗功率比反应式小,但须供正、负脉冲电流)

  (3)混合式步进电机(永磁式转子,轴向磁化极性;步距角精度高,有保持转矩,输入电流小,兼有反应式和永磁式两者的优点)

  5、开关磁阻电机(定转子均由硅钢片叠成,都为凸极式,与极数相接近的大步距反应式步进电机结构相似,带有转子位置传感器,转矩方向与电流方向无关,调速范围小,噪声大,机械特性由恒转矩区、恒功率区、串励特性区三部分组成)


西门子工业客户服务部.jpg


  四、西门子电机维护面临的问题

  生产过程中,电机是十分关键的设备,它的损坏,往往意味着机械设备的停止和生产过程的停顿。为了防止电机发生机械损坏,并尽早发现故障点,需要对电机的运行状态进行持续监视。

  1、西门子电机振动需要专业测量

  电机振动需要使用专用的测量仪器,比如压电式振动传感器和加速度传感器,这些传感器需要专门用的接口模块来进行信号处理。

  另外,这些传感器的安装位置需要与实际机械结构相配合,才能达到最佳测量效果。错误的安装位置,会影响测量的准确性和实时性;合适的安装位置,才能准确及时地反映设备的运行状态,这需要有丰富工程经验的工程师才能完成。


  2、西门子电机振动数据需要专业分析

  由振动传感器得到的数据并不能直接反映故障原因及位置,基于原始数据而进行的系统维护显得盲目而低效。

  这些原始振动数据需要交由振动分析专家,使用专业的软件工具,对振动的时域特性和频域特性进行分析,找到潜在的故障源并提供确凿可信的解决方案,最终指导维护人员更有针对性地开展维护工作,有效降低电机出现机械故障的概率。


       下图为:电机状态监视与分析服务系统结构图

电机状态监视与分析服务系统结构图.jpg


  3、电机状态监视与分析服务解决方案

  通过机旁固定安装的电机状态数据监视箱,电机的工作状态将会得到全方位监视,比如轴承振动、绕组温度、转子速度等信号,都可以在本地进行长期实时监视。一旦异常,系统将自动通过指示灯、短信、邮件等方式提醒现场维护人员。

  另外,电机状态数据会通过4G网络保持与西门子服务器的同步,西门子振动分析专家可以远程对电机状态数据进行分析,并向客户提供专业的分析报告和指导建议。


  五、西门子电机的产品亮点及客户受益

  维护更加方便: 减少计划停机时间,维护工作量减小; 维护更有针对性,基于状态的维护习惯; 更长的维护间隔,更低的维护成本;

  设备寿命延长:早期即发现问题,避免致命故障的发生; 更加科学的保养,更长的设备使用寿命;

  备件更加明确:基于历史数据,统计分析故障规律;更加有效的备件,提高备件利用率;节省备件成本,提升企业利润。


  总结:随着数控技术的迅速发展,我们不仅要多学习科技前沿的知识,也要多了解工业发展行业的最新资讯。西门子伺服电机并不神秘,揭开了西门子伺服电机的神秘面纱后,发现西门子已开发基于电机的机械振动等状态的监视服务和分析服务,这样可以在故障发生前发出预警,从而可以提前采取处理措施,避免严重故障的发生,这对系统长期稳定运行有十分重要的作用。另外,西门子还可以通过对振动数据的分析,使维护人员对电机的维护更有针对性,从而提高西门子电机维护的效率,增加设备的可用性。


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