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伺服电机的高功率密度和宽转速范围

来源:郑宇铭 智造商2018.07.07阅读 26062

  Kollmorgen 的这款伺服新品。


  PicSource:Kollmorgen | AKM2G


  目前发布的这款产品,总体规格参数大致如下:
  ●功率:0.3 ~ 10 kW;
  ●堵转扭矩:0.65 ~ 75.2 Nm;
  ●法兰尺寸:
  ●共包含 6 个基座;
  ●从 063 ~ 215( IEC58 ~ 192);


  PicSource:Kollmorgen | AKM2G


  可选反馈类型包括:
  ●Hiperface DSL;
  ●EnDat2.2;
  ●SFD3;
  ●Resolver ;


  PicSource:Kollmorgen | AKM2G


  可选 speedtec 或 y-tec 电气接口,支持单电缆连接。
  乍看起来,这款 AKM2G 和市面上大部分伺服电机貌似并没有什么太大区别。
  不过,从 Kollmorgen 官方发布的资料中,我们还是看到了 AKM2G 电机的几个差异性特点。


  PicSource:Kollmorgen | AKM2G


  更高的功率输出密度
  Kollmorgen 官方宣称 AKM2G 的机体尺寸较市面上同类型产品(包括 AKM 上一代产品)小 20%,并且在同等尺寸条件下CONTROL ENGINEERING China版权所有,其动力输出能力要高出 30% 之多。
  为此,我们专门查阅了目前市场上几款主流伺服电机的技术资料,并就几项主要的规格参数与 AKM2G 进行了比较。


  PicSource:智造商


  上表所示的几个型号的电机,分别来自欧系 Rexroth 的 MS2N、SIEMENS 的 1FK7 和日系 YASKAWA 的 SGM7A、SGM7G,动力输出范围基本在堵转扭矩 20Nm 一档。
  可以看到,22.1 Nm / 5000 RPM 的 AKM2G-62,其法兰半径仅为 165 mm,而同为 165 mm 法兰尺寸的 MS2N-C0BQ 和 SGM7A-70A,在机体长度上都比 AKM2G-62 长出不少;1FK7100 的长度的确比 AKM2G-62 短了 21 mm,但法兰框架却更大控制工程网版权所有,达到了 215 mm,而且其堵转扭矩仅为 18 Nm,额定转速也只有 3000 RPM。
  所以,仅从目前这几款主流电机的输出特性来看,AKM2G 在功率输出密度方面的表现的确是比较出色的。


  PicSource:Kollmorgen | AKM2G


  对于设备用户来说,较高的功率密度,一方面,有助于在相对有限的物理空间内为设备提供更高的机械动力输出;另一方面,则能够在保持设备较高水平的运控性能的同时,帮助其优化机电系统的空间布局和总体成本。


  PicSource:Kollmorgen | AKM2G


  更宽的转速范围
  一般来说,同一系列伺服电机的转速输出能力,会随着扭矩规格的升高而呈现逐渐下降的趋势;而目前市面上主流的伺服电机,在进入大扭矩规格( 堵转扭矩 > 15 Nm )后,其额定转速很少有能超过 3000 RPM 的。


  PicSource:Kollmorgen | AKM2G


  但如果看一下 AKM2G 的规格参数就不难发现,其在 22 Nm 一档依然能够有 5000 RPM 的额定转速输出,即使是堵转扭矩为 75.2 Nm 的 AKM2G-74,额定转速输出也高达 3000 RPM。


  PicSource:Kollmorgen | AKM2G


  这种较宽的电机转速范围,首先自然是能够为设备带来更大的提速空间,有助于其产能和运行效率的提升;而如果考虑到电机扭矩与转速之间基于传动速比的换算关系,那么这样的转速特性也将在一定程度上帮助用户在机电传动系统的优化上作出更加灵活的调整,以满足各种不同类型的应用需求,例如:成本、效率、性能...等等。


  PicSource:Gerhard Schubert


  有一个我拍脑袋想到的非常适合 AKM2G 的大扭矩、高转速应用场景,就是薄膜材料的高速收放卷。在料卷满载启动时,因为负载惯量较高,所以需要的是大扭矩输出;而在料卷接近空载的时候,超高的产线速度和极小的卷径,就要求电机运行在高转速时依然能有足够的扭矩输出,用于完成对材料张力的控制。


  PicSource:Kollmorgen | AKM2G


  更高的运行能效
  关于节能控制工程网版权所有,在 AKM2G 的宣传视频中,Kollmorgen 官方使用了上面这张负载 / 能效曲线图,并且其配音表述是这样的:
  “We’re able to give the customer the best possible energy efficiency...”
  “我们可以为用户提供最好的能效...”
  尽管从这样的描述中我们几乎很难获得有关 AKM2G 能效特性的实质性量化数据CONTROL ENGINEERING China版权所有,但是通过上面提到的有关功率密度和转速范围的两个电机特性控制工程网版权所有,我们应该还是能看到因为使用这款电机而可能给设备系统带来的能效提升的机会。


  PicSource:Machine Design


  我们知道,伺服电机运行时的负载利用率越高,其能耗效率也就越高,而一般情况下,如果这个负载利用率低于 30%,能耗效率就会呈现陡然骤降的趋势(如上图)。因此在电机选型时,应尽可能让电机的运行保持在较高的负载利用率水平( 通常在 40% ~ 80% 之间 )。而 AKM2G 的高功率密度和宽转速范围特性,其实是在一定程度上为运控传动系统的设计提供了更为优化的选项,例如:
  ●用更小规格的电机为运控设备带来更加出色的动力性能;
  ●通过速比匹配,确保电机运行在较高的负载利用率区域;
  ●...


  PicSource:Kollmorgen | AKD2G


  另外,目测 AKM2G 较低的转子惯量,应该也能够帮助减少电机运行时作用在电机本身的动力消耗。当然,考虑到传动系统刚性和负载惯量匹配的问题,这也就给驱动器的动态负载调节能力提出了极高的要求。

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