Nghiên cứu phương pháp tính chọn thông số động cơ chấp hành cho truyền động điện

I

x
ự

.

b
x

ị

ĐO N

d

ế q ả

ề

d

ế q ả í

.

ả

i

Ụ
L I

Ụ

ĐO N ...................................................................................................... i

D NH

Ụ

Á HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................v

D NH

Ụ

Á BẢNG BIỂU ......................................................................... viii

HỮ VIẾT TẮT ...................................................................................................... ix
Ở ĐẦU ................................................................................................................. xii
CHƢƠNG 1 TẦ

QU N TRỌNG

Ủ

T NH

HỌN

H

Đ NG

Ơ

HẤP HÀNH ............................................................................................................2
1.1 Tại sao phải tính chọn kích cỡ động cơ ? ..........................................................2
1.2 Các khía cạnh kĩ thuật .......................................................................................3
1.3 Mục tiêu của việc chọn kích cỡ động cơ ...........................................................6
CHƢƠNG 2 QUÁ TRÌNH T NH

H

VÀ Ự

HỌN Đ NG Ơ .......7

2.1 Lựa chọn các thành phần cơ khí ......................................................................11
2.2 Xác định một chu kỳ tải...................................................................................13
2.2.1 Chuyển động hình tam giác ......................................................................14
2.2.2 Chuyển động hình thang ...........................................................................15
2.2.3 Xử lý độ dốc chuyển động ........................................................................16
2.2.4 Phép tính độ dốc chuyển động ..................................................................18
2.2.5 Các phương trình mô tả quá trình chuyển động. ......................................20
2.2.6 Giới hạn giật .............................................................................................21
2.2.6.1 Tính toán đường cong S .....................................................................25
2.3 Tính toán tải .....................................................................................................31
2.3.1.Tốc độ cực đại của tải ...............................................................................35

2.3.2. Quán tính tải và mômen cực đại ..............................................................35
2.3.3 Mômen hiệu dụng (RMS) của tải .............................................................37
2.4 Lựa chọn động cơ ...........................................................................................42
2.4.1 Kết hợp công nghệ động cơ cho các hệ thống ..........................................43
2.4.1.1 Động cơ bước .....................................................................................44
2.4.1.2 Động cơ một chiều có chổi than ........................................................45
ii


2.4.1.3. Động cơ một chiều không chổi than .................................................45
2.4.1.4. Động cơ cảm ứng ..............................................................................46
2.4.2.Các tiêu chí lựa chọn ................................................................................46
2.4.2.1 Việc phù hợp quán tính ......................................................................47
2.4.2.2 Giải thích đường cong mômen/tốc độ................................................49
2.4.2.3 Đường cong vận hành động cơ servo ................................................49
2.4.2.4 Đường đặc tính động cơ bước ............................................................54
2.4.2.5. So sánh động cơ servo với động cơ bước .........................................55
2.5 Cân nhắc thiết kế đặc biệt ................................................................................56
2.5.1. Sự truyền động bánh răng ........................................................................56
2.5.2. Các yêu cầu mômen động cơ và phanh giữ ............................................58
2.5.3 Ứng dụng theo chiều dọc ..........................................................................62
2.5.4 Lực đẩy .....................................................................................................64
2.5.5 Sự thay đổi các trọng tải ...........................................................................66
2.5.6 Hệ thống đa chiều (X – Y - Z) ..................................................................68
2.5.7 Nghiên cứu nhiệt .......................................................................................70
2.6 Ứng dụng mẫu .................................................................................................72
CHƢƠNG 3 T NH TOÁN MÔMEN TẢI VÀ QUÁN T NH TẢI .....................75
3.1. Các tính toán cơ bản .......................................................................................75
3.1.1 Các phương trình cơ bản...........................................................................75
3.1.2 Khối trụ đặc ..............................................................................................76

3.1.3 Khối trụ rỗng.............................................................................................77
3.1.4 Khối hình hộp chữ nhật ............................................................................78
3.2 Tính toán các thành phần cơ khí......................................................................79
3.2.1 Đĩa quay ....................................................................................................80
3.2.2 Truyền động bằng xích .............................................................................81
3.2.3 Khớp nối ...................................................................................................83
3.2.4 Truyền động bánh răng .............................................................................84
3.2.5 Hộp số/ servo giảm tốc .............................................................................86
iii


3.2.6 Puli-đai truyền ..........................................................................................87
3.2.7 Băng chuyền .............................................................................................89
3.2.8 Cơ cấu vít me ............................................................................................91
3.2.9 Cơ cấu truyền động thẳng .........................................................................92
3.2.10 Cơ cấu Máy cán ......................................................................................94
3.2.11 Cơ cấu truyền động thanh răng ...............................................................96
3.2.12 Bàn xoay .................................................................................................98
3.2.13 Máy cuốn truyền động giữa ....................................................................99
3.2.14 Máy cuốn truyền động bề mặt ..............................................................100
ẾT UẬN ............................................................................................................103
TÀI I U TH

HẢO ....................................................................................104

iv


D NH

Ụ

Á HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1.1: Chi phí vòng đời của một động cơ điện ..................................................2
Hình1.2.1: Ví dụ về đường đặc tính hiệu suất so với tải.............................................4
Hình 1.2.2: Ví dụ Động cơ hiệu suất cao / thấp ..........................................................5
Hình 2.1.1: Hệ truyền động sử dụng đĩa ...................................................................12
Hình 2.2.1.1 Chuyển động hình tam giác. ................................................................14
Hình 2.2.2.1 Chuyển động hình thang. ....................................................................15
Hình 2.2.3.1: Xác định gia tốc cực đại ......................................................................16
Hình 2.2.3.2: Tính toán tăng tốc cho chuyển động phức tạp ....................................17
Hình 2.2.3.3: Mômen trong quá trình chuyển động theo hình tam giác và hình thang .18
Hình 2.2.4.1: Dạng chuyển động hình thang ............................................................19
Hình 2.2.6.1: Đường biểu diễn tốc độ và mômen .....................................................22
Hình 2.2.6.2: Đường biểu diễn tốc độ và tăng tốc. ...................................................23
Hình 2.2.6.3: Giới hạn giật 0% .................................................................................23
Hình 2.2.6.4: Giới hạn giật 50% ...............................................................................24
Hình 2.2.6.5: Giới hạn giật 100% .............................................................................24
Hình 2.2.6.6: Chuyển động thẳng và giới hạn giật ..................................................25
Hình 2.2.6.1.1: Độ dốc gia tốc. ................................................................................25
Hình 2.2.6.1.3: Tính toán vận tốc trong thời gian tăng tốc. .....................................27
Hình 2.2.6.1.4: Tính vận tốc trong thời gian gia tốc không đổi ...............................28
Hình 2.2.6.1.5: Tính vận tốc trong thời gian giảm tốc ..............................................28
Hình 2.2.6.1.6: Kết quả phương trình đường cong S thông qua MS-Excel .............29
Hình 2.3.1: Tải động cơ ............................................................................................31
Hình 2.3.2: Quá trình truyền tải tới động cơ .............................................................32
Hình 2.3.1.2: Xác định tốc độ cực đại.......................................................................35
Hình 2.3.2.1: Ví dụ về mômen gia tốc và mômen cản ..............................................36
Hình 2.3.3.1: Mô tả các phân đoạn mômen và thời gian. .........................................38

Hình 2.3.3.2: Hình mô tả các phân đoạn mômen và thời gian ..................................40
Hình 2.4.2.1 : So sánh tốc độ ....................................................................................47
v


Hình 2.4.2.3.1: Quan hệ mômen với tốc độ điển hình cho các động cơ servo .........50
Hình 2.4.2.3.2: Ảnh hưởng của điện áp đối với Mômen /Tốc độ .............................51
Hình 2.4.2.3.3: Hệ thống 1 – sử dụng được ..............................................................52
Hình 2.4.2.3.4. Hệ thống 2 – không sử dụng được ...................................................52
Hình 2.4.2.3.5: Hệ thống có tốc độ cao, mômen RMS thấp .....................................53
Hình 2.4.2.4.1: Quan hệ mômen tốc độ điển hình của động cơ bước .......................54
Hình 2.4.2.5.1. Sự so sánh động cơ servo và động cơ bước .....................................55
Hình 2.5.2.1: Hệ thống trục vít .................................................................................58
Hình 2.5.2.2: Đồ thị vận tốc và mômen của hệ thống chuyển động tuyến tính ngang .59
Hình 2.5.2.3 Hệ thống trục vít có phanh ...................................................................60
Hình 2.5.2.4: Ảnh hưởng của mômen quán tính phanh giữ tới mômen tổng ...........60
Hình 2.5.2.5: Mômen tổng trong hệ thống chuyển động thẳng đứng .......................61
Hình 2.5.2.6. Mômen tổng có phanh giữ ..................................................................61
Hình 2.5.3.1: Hệ thống gắp và thả vật ......................................................................63
Hình 2.5.4.1: Hệ thống khoan mẫu ...........................................................................65
Hình 2.5.4.2: Chu kỳ tải khoan ................................................................................66
Hình 2.5.5.1: Ví dụ hệ thống gắp và thả vật .............................................................66
Hình: 2.5.5.2: Gắp và thả vật- dịch chuyển tải ........................................................67
Hình: 2.5.5.3: Gắp và thả vật– Chuyển động ngược trở về vị trí Gắp .....................67
Hình: 2.5.5.4: Gắp và thả - Tốc độ và mômen ..........................................................68
Hình 2.5.6.1: Gắp và thả vật – Dịch chuyển tải ........................................................69
Hình 2.5.7.1: Ảnh hưởng nhiệt đến hiệu suất động cơ .............................................70
Hình 3.1.2.1: Khối trụ đặc .........................................................................................76
Hình 3.1.3.1: Khối trụ rỗng .......................................................................................77
Hình 3.1.4.1: Khối hình hộp chữ nhật .......................................................................78

Hình 3.2.1.1: Đĩa quay ..............................................................................................81
Hình 3.2.2.1: Truyền động bằng xích .......................................................................81
Hình 3.2.3.1: Khớp nối..............................................................................................83
Hình 3.2.4.1 Truyền động bánh răng ........................................................................84
vi


Hình 3.2.5.1 Hộp số ..................................................................................................86
Hình 3.2.6.1 Puli-đai truyền ......................................................................................87
Hình 3.2.7.1 Cơ cấu băng chuyền .............................................................................89
Hình 3.2.8.1 Cơ cấu vitme ........................................................................................91
Hình 3.2.9.1 Cơ cấu truyền động thẳng ....................................................................92
Hình 3.2.10.1 Cơ cấu Máy cán..................................................................................94
Hình 3.2.11.1 Cơ cấu truyền động thanh răng ..........................................................96
Hình 3.2.12.1 Bàn xoay.............................................................................................98
Hình 3.2.13.1 Máy cuốn truyền động giữa ...............................................................99
Hình 3.2.14.1 Máy cuốn ..........................................................................................100

vii


D NH

Ụ

Á BẢNG BIỂU

Biểu đồ 2.1: Sơ đồ quá trình tính kích cỡ và lựa chọn động cơ. ...............................10
Biểu 2.4.1 Quá trình lựa chọn động cơ .....................................................................42
Bảng 2.4.1.1 Các đặc điểm công nghệ động cơ ........................................................44

viii


HỮ VIẾT TẮT
Ý HI U

Ý NGHĨ ,

IÊU TẢ

Aend

Diện tích mặt đáy trụ

Aside

Diện tích mặt bên cạnh

a

Gia tốc

cos  

Góc ứng dụng

D

Đường kính bánh răng

DGL

Đường kính bánh răng phía tải

DGM

Đường kính bánh răng phía động cơ

Dp

Đường kính bánh răng

DPL

Đường kính puli tải

DPM

Đường kính puli động cơ

DRL

Đường kính trục cuộn phía tải

DRM

Đường kính trục cuộn phía động cơ

DSL

Đường kính của đĩa xích trên tải

DSM

Đường kính của đĩa xích trên động cơ/ Đường kính của bánh đĩa
trên động cơ

e

Hiệu suất cơ cấu

Fg

Trọng lực ma sát/ Trọng lực tác dụng

Ffr

Lực ma sát

FP

Lực đẩy kéo

g

Hằng số gia tốc trọng trường g = 9,81m/s2

h

Chiều cao khối/ Chiều cao khối trụ

I RMS

Mômen RMS

JA

Mômen quán tính cơ cấu truyền động

Ja-a

Quán tính tính theo trục a-a

Japp

Quán tính của ứng dụng (gây ra bởi kết cấu cơ khí)

Jb-b

Quán tính tính theo trục b-b
ix


JB→M

Mômen quán tính của dây đai tác dụng lên động cơ

JDisk

Mômen quán tính của bánh răng

JC

Quán tính của khớp nối

JC→M

Quán tính của dây xích tácdụng lên động cơ

JDisk

Mômen quán tính của bánh răng/ Mômen quán tính của con lăn/
Mômen quán tính của đĩa

JGL

Quán tính bánh răng phía tải

JGL→M

Quán tính bánh răng phía tải tác dụng lên động cơ

JGM

Quán tính của bánh răng phía động cơ

JL

Quán tính tải tác dụng lên động cơ/ Quán tính của tải

JL→M

Quán tính của tải tác dụng lên động cơ/ Mômen quán tính của tải
tác dụng lên động cơ

JP

Mômen quán tính bánh răng

JPL

Mômen quán tính của puli tải

JPL→M

Mômen quán tính của puli tải tác dụng lên động cơ

JPM

Mômen quán tính của puli động cơ

Jroto

Quán tính của roto

JRL

Mômen quán tính của trục cuộn phía tải

JRL→M

Mômen quán tính của trục cuộn phía tải tác dụng lên động cơ

JRM

Mômen quán tính của trục cuộn phía động cơ

JSL→M

Quán tính của bánh đĩa phía tải tác dụng lên động cơ

JSM

Quán tính của bánh đĩa trên động cơ

Jtotal

Quán tính tổng có tính đến tải

Jtotal

Mômen quán tính tổng

Jsystem

Quán tính tổng của hệ thống

L

Chiều dài trụ/ bề dày của đĩa/ Chiều dài khớp nối/ Chiều dài khối

m

Khối lượng trụ

Nr

Tỷ số truyền

Nr

Tỉ số truyền
x


NTL

Số răng của đĩa xích trên tải/ Số răng của bánh phía tải

NTM

Số răng của đĩa xích trên động cơ/ Số răng của bánh phía động cơ

PS

Bước răng của cơ cấu

PD

Điện trở phân tán

r

Bán kính

r0

Bán kính ngoài

ri

Bán kính trong

sin  

Góc ứng dụng

Ta

Mômen gia tốc

TC

Mômen cản (gây ra bởi kết cấu cơ khí)

TL

Mômen tải

TL-M

Mômen tải tác động lên động cơ

Ttotal

Mômen tổng

TP

Mômen tải trọng

t

Thời gian

ta

Thời gian tăng tốc

tc

Thời gian không đổi (làm việc cố định)

td

Thời gian giảm tốc

to

Thời gian dừng (thời gian với tốc độ bằng 0)

V

Thể tích

v

Vận tốc

vmax

Vận tốc cực đại

vL

Tốc độ tải

vM

Tốc độ động cơ

Vf

Vận tốc cuối

W

Trọng lượng

WB

Trọng lượng đai truyền

WC

Trọng lượng của dây xích
xi


WL

Trọng lượng tải

WM

Trọng lượng bánh răng

WT

Trọng lượng bàn trượt

w

Chiều rộng

w

Bề rộng khối chữ nhật

ω

Vận tốc góc

ω max

Vận tốc góc cực đại

α

Gia tốc



Độ dài (quay)

a

Độ dài (quay) khi tăng tốc

c

Độ dài (quay) khi tốc độ không đổi

d

Độ dài (quay) khi giảm tốc



Khối lượng riêng

μ

Hệ số ma sát

γ

Góc tác dụng

xii


Ở ĐẦU
1.

do c ọn

t

Cùng với sự phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước trong thời đại
hội nhập quốc tế, việc mở rộng phát triển công nghiệp là một đòi hỏi tất yếu. Cùng
với sự phát triển đó việc mở rộng sử dụng động cơ chấp hành cũng là một đòi hỏi
khách quan.
Phần lớn các hệ thống sản xuất tự động chính đều liên quan đến việc sử dụng
hệ điều khiển chuyển động phức tạp, bên cạnh thành phần cơ học, còn có các thành
phần điện như động cơ servo, bộ khuyếch đại và bộ điều khiển.
Nhiệm vụ đầu tiên cho kỹ sư thiết kế hệ thống chuyển động, trước khi điều
chỉnh và lập trình các thành phần điện là để xác định một cách hợp lý phối hợp bộ
truyền động và động cơ có kích cỡ nhỏ nhất mà vẫn có thể cung cấp mômen, tốc độ

và tăng tốc theo yêu cầu của thiết lập cơ học đã cho. Tuy nhiên các kỹ sư thường
quen thuộc với các chi tiết điện, nhưng thiếu kiến thức về làm thế nào để tính toán
các yêu cầu momen của các thành phần cơ học được truyền động.
Trên cơ sở phân tích trên tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu phương pháp
tính chọn thông số động cơ chấp hành cho truyền động điện”.
2.

ục t êu ng ên cứu của luận văn
Xây dựng các công thức tính chọn kích cỡ động cơ chấp hành phù hợp với
yêu cầu truyền động điện như tốc độ, quán tính và mômen

3. Đố tƣợng ng ên cứu
Các động cơ chấp hành sử dụng trong các hệ truyền động điện
4. P ƣơng p áp ng ên cứu
Quá trình tính kích cỡ và lựa chọn động cơ dựa trên các phép tính mômen và
quán tính được áp đặt bởi thiết lập cơ học cộng với tốc độ và sự tăng tốc theo yêu
cầu của hệ truyền động. Động cơ được lựa chọn phải có khả năng vận hành an toàn
bằng cách cung cấp đầy đủ mômen và tốc độ.

1


HƢƠNG 1 TẦ

QU N TRỌNG Ủ T NH HỌN

H

Đ NG Ơ

HẤP HÀNH
Không nên đánh giá thấp tầm quan trọng của tính chọn kích cỡ động cơ chấp
hành. Kích cỡ động cơ phù hợp sẽ không chỉ dẫn đến kết quả tiết kiệm chi phí đáng
kể bằng cách tiết kiệm năng lượng, giảm giá thành và các chi phí hoạt động, giảm
thời gian chết, vv, nó còn giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống điều khiển truyền động
tốt hơn.
1 1 Tạ sao p ả tín c ọn kích cỡ ộng cơ ?
Các động cơ chấp hành đại diện cho các yếu tố chi phí có ảnh hưởng nhất
trong thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động, không chỉ do giá thành, mà còn
trong quá trình hoạt động. Một động cơ mômen cao sẽ đòi hỏi một bộ khuếch đại
mạnh mẽ hơn và do đó tốn kém hơn so với động cơ nhỏ hơn. Sự kết hợp của động
cơ mômen cao kết hợp với bộ khuếch đại không chỉ dẫn đến chi phí ban đầu cao
hơn, mà nó còn dẫn đến chi phí hoạt động cao hơn, đặc biệt tiêu thụ năng lượng
tăng. Người ta ước tính, giá mua chỉ có khoảng 2% tổng chi phí vòng đời, trong khi
đó điện là khoảng 96%.

Chi phí năng lượng-96%

Giá mua -2%

Chi phí dịch vu và bảo trì – 2%

Hình 1.1.1: Chi phí vòng đời của một động cơ điện

Chọn kích cỡ động cơ servo phù hợp sẽ không chỉ đảm bảo hiệu năng
hệ thống tốt nhất, nó còn tiết kiệm chi phí. Các phương pháp thông thường tính
2


chọn kích cỡ động cơ servo là dựa trên tính toán tải của hệ thống, sau đó xác định

kích cỡ cần có của động cơ. Tiêu chuẩn thực tiễn yêu cầu để thêm một hệ số an toàn
cho của mômen bù vào các yếu tố ma sát, điều mà có thể xảy ra do sự lão hóa của
các thành phần cơ khí. Tuy nhiên, việc xác định tải của hệ thống và lựa chọn động
cơ servo phù hợp có thể cực kỳ tốn thời gian. Mỗi động cơ có quán tính roto của
riêng nó, và quán tính này tham gia vào mômen tải của hệ thống, mà ta biết mômen
bằng quán tính nhân với gia tốc. Sự tính toán mômen của hệ thống phải được tiến
hành cho mỗi động cơ trong ứng dụng đang được xem xét.
Kết quả, đó không phải là một nhiệm vụ dễ dàng để lựa chọn động cơ tối ưu
cho ứng dụng đang xem xét khi biết rằng có rất nhiều số lượng lớn các động cơ
servo có sẵn trên thị trường. Nhiều động cơ, hiện đang được hoạt động, đã được
chọn do nguyên nhân chúng lớn hơn so với yêu cầu và đã có sẵn (ví dụ như từ hàng
tồn kho). Bộ Năng lượng Mỹ ước tính rằng khoảng 80% của tất cả các động cơ ở
Hoa Kỳ được sử dụng quá kích cỡ.
Những lý do chính khi chọn động cơ quá kích cỡ là:
- Các yêu cầu về tải không rõ ràng
- Cho phép tăng tải (ví dụ như do lão hóa các thành phần cơ khí)
- Khả năng sẵn có (ví dụ như hàng tồn kho)
Không chỉ có công suất tiêu thụ lớn hơn mà còn do một số nguyên nhân kỹ thuật
quan trọng
1 2 ác k ía cạn kĩ t uật
Một động cơ quá cỡ tất nhiên phổ biến hơn động cơ dưới cỡ đó. Một động
cơ dưới cỡ sẽ không có khả năng chuyển tải đầy đủ (hoặc không gì cả), và trong
trường hợp đặc biệt, có thể bị quá nhiệt và bị cháy, đặc biệt là khi nó không thể tiêu
tán nhiệt đủ nhanh. Động cơ lớn hơn sẽ ở trạng thái mát, nhưng nếu nó là quá lớn,
nó sẽ lãng phí năng lượng trong quá trình hoạt động kém hiệu quả. Sau cùng, quá
trình tình chọn kích cỡ động cơ cũng có thể được xem như là một yếu tố cân bằng
năng lượng.

3

Động cơ xoay chiều có xu hướng chạy nóng khi nó bị quá tải và non tải.
Động cơ servo, loại quá cỡ hoặc loại dưới cỡ, chắc chắn sẽ bắt đầu bị rung hoặc đối
mặt với vấn đề ngừng chạy.
Một trong những quan niệm sai lầm lớn trong quá trình thiết kế chuyển động
là cho rằng việc lựa chọn động cơ lớn hơn yêu cầu chỉ là một chi phí nhỏ so với
việc giữ được tải đã cho, nhất là khi tải có thể tăng trong suốt vòng đời sử dụng do
mài mòn cơ khí. Tuy nhiên, như thể hiện trong hình dưới đây, hiệu suất động cơ bị

Hiệu suất %

suy giảm nhanh chóng khi động cơ hoạt động non tải.

Tải trọng %

Hình1.2.1: Ví dụ về đường đặc tính hiệu suất so với tải
Hình 1.2.1 cho thấy một ví dụ về hai động cơ 10 HP và 100 HP. Trong cả hai
trường hợp có một sự suy giảm mạnh hiệu suất của động cơ khi tải bằng khoảng
30% tải định mức.
Tuy nhiên, các đường cong như trong hình, sẽ thay đổi đáng kể từ động cơ
này sang động cơ kia và rất khó để nói chính xác khi nào một động cơ quá cỡ. Khi
động cơ hoạt động ở mức 40% hoặc ít hơn so với tải định mức, cần phải giảm kích
cỡ động cơ, đặc biệt là trong các trường hợp tải không thay đổi nhiều. Các ứng dụng
sư dụng động cơ servo thường yêu cầu hoạt động ngắn hạn ở mức tải cao hơn, đặc

4


biệt là trong quá trình tăng tốc và giảm tốc độ, do đó cần xem xét mômen trung bình
(RMS) và mômen cực đại trong việc vận hành động cơ này.

Tuy nhiên, có những ưu điểm của việc sử dụng động cơ quá cỡ:
 Thành phần cơ khí (ví dụ như khớp nối, vòng bi, vv) có thể, tùy thuộc
vào môi trường và chất lượng dịch vụ, bị mài mòn và kết quả là có
thể tạo ra lực ma sát cao hơn. Lực ma sát tham gia vào mômen không
đổi của thiết lập cơ học.
 Việc quá cỡ có thể bổ sung cho năng lực mở rộng trong tương lai và
không cần thiết phải thay thế động cơ
 Các động cơ quá cỡ có thể chịu được tải lớn không lường trước được
 Động cơ quá cỡ có khả năng khởi động và hoạt động trong điều kiện
điện áp thấp
Nói chung, một động cơ quá cỡ lên đến 20% là hoàn toàn chấp nhận được.
Những động cơ hiệu suất cao, so với động cơ tiêu chuẩn, sẽ duy trì mức độ
hiệu suất của chúng trên một phạm vi rộng lớn hơn nhiều (xem hình 1.2.2) và phù
hợp hơn với việc quá cỡ này.

Hiệu suất %

Hiệu suất cao
cao cao

Hiệu suất thấp

Tải trọng %

Hình 1.2.2: Ví dụ Động cơ hiệu suất cao / thấp
5


13

ục t êu của v ệc c ọn kích cỡ ộng cơ
Mục tiêu chính của tính kích cỡ động cơ được dựa trên tiêu chí kinh doanh:

có được hiệu suất tốt nhất với giá thấp nhất. Như chúng ta đã học được từ chương
trước các chi phí vòng đời của một động cơ điện là:


Chi phí mua hàng - 2%



Sửa chữa, dịch vụ, bảo trì, ... - 2%



Chi phí hoạt động (điện) - 96%
Để có được hiệu suất tốt nhất với giá tốt nhất, điều bắt buộc là cần tìm động

cơ nhỏ nhất đáp ứng được các yêu cầu, tức là động cơ có mômen càng gần với
moomen yêu cầu thì càng tốt. Có một sự thừa nhận (đúng đối với phần lớn các
trường hợp) là mômen nhỏ tỷ lệ thuận với kích cỡ nhỏ hơn, chi phí thấp hơn và tiêu
thụ điện năng thấp hơn. Tiêu hao năng lượng nhỏ hơn dẫn đến việc sử dụng bộ
truyền động/bộ khuếch đại nhỏ hơn và giá thành thấp hơn.
Từ quan điểm kỹ thuật đó việc cần làm là tìm động cơ có quán tính phù hợp
với quán tính của các thiết lập cơ học càng gần càng tốt, tức là tỷ lệ tối ưu giữa tải
và quán tính rotor là 1: 1. Việc phù hợp quán tính sẽ tạo ra hiệu suất tốt nhất. Tuy
nhiên, với những động cơ servo ở tỷ lệ 6:1 vẫn có thể tạo ra hiệu suất hợp lý. Bất kỳ
tỷ lệ cao hơn sẽ dẫn đến sự không ổn định của hệ thống và cuối cùng sẽ dẫn đến
nhiều trục trặc.
Trong nhiều trường hợp, cần phải thêm hộp số giữa động cơ và tải trọng thực

tế. Hộp số làm giảm quán tính, theo tỷ lệ thuận của tỷ số truyền. Trường hợp này
cho phép chạy động cơ nhỏ hơn với mức giá phải trả là thêm hộp số vào hệ thống.
Mặt khác, giảm giá thành bằng cách sử dụng một sự kết hợp động cơ/bộ truyền
động nhỏ hơn là chỉ có thể bù đắp cho giá của hộp số.
Như vậy mục tiêu của việc chọn kích cỡ động cơ là để:


Có được hiệu suất tốt nhất với giá tốt nhất



Mômen của động cơ càng gần với mômen tải càng tốt



Quán tính của động cơ phù hợp với quán tính tải càng gần càng tốt



Tìm một động cơ phù hợp hoặc vượt quá tốc độ yêu cầu
6


HƢƠNG 2 QUÁ TRÌNH T NH

H

VÀ Ự

HỌN Đ NG Ơ

Quá trình tính kích cỡ và lựa chọn động cơ dựa trên các phép tính mômen và
quán tính được áp đặt bởi thiết lập cơ học cộng với tốc độ và sự tăng tốc theo yêu
cầu của ứng dụng (hệ truyền động). Động cơ được lựa chọn phải có khả năng vận
hành an toàn thiết lập cơ học bằng cách cung cấp đầy đủ mômen và tốc độ.
Một khi các yêu cầu đã được thành lập, dễ dàng để tìm các đường cong
mômen với tốc độ hoặc các thông số kỹ thuật động cơ và lựa chọn đúng động cơ.
Quá trình xác định kích cỡ liên quan đến các bước sau:
a.T

n lập các mục t êu c uyển ộng

Các ý chính sau của hệ điều khiển chuyển động sẽ giúp thiết lập các thông số
cần thiết cho các bước tiếp theo.
 Có cần định vị chính xác?
 Có cần lặp lại vị trí?
 Có cần tốc độ chính xác?
 Chuyển động tuyến tính hoặc quay?
 Nếu chuyển động tuyến tính: chuyển động theo chiều ngang hay theo chiều
đứng ?
 Có cần quan tâm yếu tố nhiệt - Nhiệt độ môi trường xung quanh?
 Công nghệ động cơ nào phù hợp nhất cho hệ truyền động
b. ựa c ọn của các t

n p ần cơ ọc

Người kỹ sư phải quyết định thành phần cơ học nào được sử dụng cho hệ truyền
động đã cho. Ví dụ: hệ truyền động tuyến tính có thể cần vít dẫn hướng hoặc băng
tải. Để chuyển đổi tốc độ, có thể sử dụng hộp số hoặc dây đai (đai truyền).
 Truyền động trực tiếp ?

 Hệ truyền động đặc biệt hay các thiết bị cơ học tiêu chuẩn?
 Nếu hệ truyền động tuyến tính: dùng động cơ tuyến tính hay vít dẫn hướng,
băng tải, vv…?
7


 Giảm tốc - Hộp số, dây đai, vv?
 Kiểm tra kích thước trục - chọn khớp nối
 Kiểm tra thành phần cơ khí để giới hạn tốc độ và gia tốc
a. Xác ịn một c u trình ( ộ dốc) tả
Người kỹ sư phải xác định vận tốc cực đại, gia tốc cực đại, thời gian chu
trình làm việc, độ dốc tăng tốc và giảm tốc, thời gian dừng, vv, đặc trưng cho hệ
truyền động đã cho.
 Xác định các thông số chuyển động quan trọng như vận tốc, độ tăng tốc,
 Độ dốc chuyển động hình tam giác, hình thang hay hình khác?
 Nếu hệ truyền động tuyến tính: cần đảm bảo chu trình làm việc không vượt
quá phạm vi hoạt động của thiết bị chuyển động tuyến tính.
 Có cần giới hạn giật ?
 Xem xét trọng tải lực đẩy?
 Tải có thay đổi trong chu trình làm việc?
 Có giữ phanh không khi vận tốc bằng không?
d.Tín toán tả
Tải được xác định bởi mômen cần thiết để vận hành hệ truyền động đã cho.
Giá trị mômen xác định bởi quán tính "phản ánh" sự tác động của hệ truyền động
đến động cơ và sự tăng tốc trên trục động cơ.
 Tính quán tính của tất cả các thành phần chuyển động
 Xác định quán tính của động cơ
 Xác định vận tốc, gia tốc trên trục động cơ
 Tính toán mômen tăng tốc trên trục động cơ
 Xác định lực không quán tính như trọng lực, ma sát, lực trước tải, ...

 Tính toán mômen không đổi trên trục động cơ.
 Tính gia tốc tổng và mômen hiệu dụng (RMS) (liên tục trong chu trình làm
việc) trên trục động cơ.
e. Lựa c ọn ộng cơ
Động cơ phải có khả năng cung cấp mômen theo yêu cầu của các thiết lập cơ khí
8


cộng với mômen gây ra bởi chính rotor của động cơ. Mỗi động cơ có quán tính
rotor riêng của nó, góp phần vào mômen của toàn bộ hệ thống chuyển động. Khi lựa
chọn một động cơ, kỹ sư cần phải tính toán lại mômen tải cho mỗi động cơ.
 Quyết định công nghệ động cơ để sử dụng (động cơ một chiều có chổi than,
động cơ một chiều không chổi than, động cơ bước, vv)
 Chọn sự kết hợp động cơ/bộ truyền động (hệ truyền động/động cơ)
 Động cơ có đảm bảo tốc độ tối đa cần thiết không? Nếu không, chọn hệ
truyền động/động cơ tiếp theo.
 Sử dụng quán tính rotor để tính toán gia tốc (cực đại) của hệ thống (động cơ
cộng với thành phần cơ khí) và mômen hiệu dụng (RMS)
 Mômen định mức động cơ có chịu được mômen hiệu dụng của hệ thống?
Nếu không, chọn hệ truyền động/động cơ tiếp theo.
 Mômen gián đoạn động cơ có chịu được mômen cực đại của hệ thống
không? Nếu không, chọn hệ truyền động/động cơ tiếp theo.
 Đường cong hoạt động của động cơ (mômen theo tốc độ) có đáp ứng được
yêu cầu về mômen và tốc độ không? Nếu không, chọn hệ truyền động/động
cơ tiếp theo.
 Nếu tỷ lệ tải so với quán tính rotor vượt quá phạm vi nhất định (đối với động
cơ servo là 6:1) cần xem xét việc sử dụng hộp số hoặc tăng tỷ số truyền của
hộp số hiện có. Động cơ servo không nên vận hành với tỷ lệ lớn hơn 10:1.
Như đã đề cập trước đó, kích cỡ động cơ vượt quá lớn hơn lên đến 20% là
hoàn toàn chấp nhận được. Yếu tố vượt quá kích cỡ này nên được thực hiện trong

quá trình kiểm tra mômen cần thiết.
Quá trình lựa chọn động cơ được mô tả trên đây giải thích sự phổ biến của
các chương trình tính chọn kích cỡ động cơ. Quá trình tính toán lại các yêu cầu
mômen cho hệ truyền động/động cơ có thể cực kỳ tốn thời gian nếu xem xét số
lượng lớn các động cơ có sẵn trong công nghiệp. Mục tiêu của tính chọn kích cỡ
động cơ là để tìm thấy động cơ tối ưu cho các ứng dụng và động cơ đó phải có sẵn.
Biểu đồ dưới đây mô tả quá trình tính kích cỡ và lựa chọn động cơ

9


Thành lập các mục tiêu chuyển động.
Lựa chọn của các thành phần cơ giới.
Định nghĩa của một chu trình (làm việc) tải.
Tính trọng tải.
Lựa chọn động cơ
Động cơ có hỗ trợ
vận tốc yêu cầu?
Thêm quán tính/ mômen được
thêm bởi động cơ đúng

đúng

Mômen / Đường cong
động cơ có sẵn

sai
sai

Động cơ mômen

saiđánh
giá? Ứng dụng mô
men RMS?

Mômen được đánh
giá/ Tốc độ bằng
không?

sai
sai

Thêm bánh
răng hoặc
tăng tỉ lệ
bánh răng
hiện có

Động cơ mômen
cực
đúng
đại? Ứng dụng mômen cực đạị.

đúngcực đại/ Tốc
Mômen
độ bằng không?

đúng
Thêm động cơ vào danh
sách “được chọn”

đúng

sai
Nạp quán tính rotor

đúng
Biểu đồ 2.1: Sơ đồ quá trình tính kích cỡ và lựa chọn động cơ.
10


* Đường cong mômen/ tốc độ đã có sẵn ? Các bảng dữ liệu động cơ cần cung cấp
thông tin mômen định mức và mômen gián đoạn. Trong trường hợp các đường cong
vận hành (mômen với tốc độ) đã có sẵn hãy sử dụng các đường cong này, khi đó
chúng cho kết quả lựa chọn tốt hơn.
* Tỷ số Mômen định mức/tốc độ đạt yêu cầu ? Hãy chắc chắn rằng mômen RMS và
vận tốc tối đa của hệ thống được đảm bảo.
* Tỷ số Mômen cực đại/ tốc độ đạt yêu cầu ? Đảm bảo rằng mỗi phân đoạn mômen / tốc độ của chu trình làm việc được được đảm bảo
Các mục sau đây sẽ giải thích các bước giữa "Lựa chọn các thành phần cơ
khí” và “Lựa chọn động cơ” chi tiết hơn, có ứng dụng mẫu minh họa.
2.1 ựa c ọn các t

n p ần cơ k í

Người kỹ sư phải quyết định thành phần cơ khí nào được dùng đối với ứng
dụng đã cho. Ví dụ, một hệ truyền động tuyến tính có thể cần hệ dẫn vít hoặc băng
tải. Để thay đổi tốc độ, có thể sử dụng hộp số hoặc đai truyền.
Để chuyển đổi tốc độ, có thể sử dụng hộp số hoặc dây đai (đai truyền).
 Truyền động trực tiếp ?
 Hệ truyền động đặc biệt hay các thiết bị cơ học tiêu chuẩn?
 Nếu hệ truyền động tuyến tính: dùng động cơ tuyến tính hay vít dẫn hướng,

băng tải, vv…?
 Giảm tốc - Hộp số, dây đai, vv?
 Kiểm tra kích thước trục - chọn khớp nối
 Kiểm tra thành phần cơ khí để giới hạn tốc độ và gia tốc
Các thành phần cơ khí phổ biến nhất cho một hệ truyền động là:
 Đố vớ truy n dẫn tốc ộ:
 Hộp số
 Bộ truyền động dây đai
 Bộ truyền động dây xích
 Đố vớ c uyển ộng tuyến tính:
 Băng tải
11


 Dẫn vít
 Cơ cấu chấp hành tuyến tính
 Cơ cấu thanh răng
 Đố vớ các mục íc k ác:
 Ghép nối
 Phanh
 Bộ mã hóa


ác ứng dụng k ác:
 Bảng quay
 Máy cán
 Máy cuốn
 Cần trục
Mô tả chi tiết chức năng của các thành phần này không nằm trong nội dung

luận văn này, tuy nhiên nó là quan trọng trong việc tính kích cỡ và chọn động cơ,
trong việc tính toán mômen và quán tính tương ứng. Chi tiết hơn xem Chương 3 Tính toán mômen quán tính và mômen tải. Các kiến thức về việc làm thế nào để
tính toán quán tính và mômen của các thành phần này cũng sẽ giúp đỡ trong việc
tính toán của các thiết bị cơ khí phức tạp hơn.
Trong phần sau đây, chúng ta sẽ xem xét một ứng dụng cơ khí rất đơn giản,
tức là một động cơ và một đĩa như trong hình dưới đây.

Hình 2.1.1: Hệ truyền động sử dụng đĩa

12


Đĩa này đại diện cho phần lớn các thành phần tải của động cơ, tức là khi tính
toán quán tính của đĩa, ta có thể làm tương tự cho vít dẫn hướng, băng tải, dây ròng
rọc, và các loại tải khác. Cánh quạt, ròng rọc, bánh răng, vv có thể được xem như là
đĩa và do đó sử dụng cùng phương trình quán tính.
Hệ truy n ộng mẫu

1

Hệ truy n ộng sử dụng ĩa
Mục tiêu chuyển động của Hệ truyền động mẫu
này là có được độ dốc chuyển động hình thang, tức
là tăng tốc đĩa tới một tốc độ nhất định, giữ tốc độ
một thời gian và sau đó giảm tốc độ về không một
lần nữa. Đĩa có đường kính 2 inch, độ dày 1.2 inch.
Nguyên vật liệu là thép, trong đó có mật độ nguyên
liệu là 0,28 lbs/in3

2.2. Xác ịn một c u kỳ tả

Một chu kỳ tải, tức là cách chuyển động thực tế được sử dụng, có thể có
nhiều hình dạng.Ví dụ, có nhiều ứng dụng đơn giản như máy thổi, truyền động băng
tải, máy bơm, vv gây ra mômen không đổi hoặc thay đổi ít trong một thời gian dài.
Xác định kích cỡ động cơ cho các ứng dụng này khá đơn giản và không yêu cầu sử
lý nào nữa của chu trình chuyển động. Luận văn này chủ yếu liên quan với các ứng
dụng servo, yêu cầu thay đổi mômen đột ngột và thường xuyên trong chu kỳ tải.
Các hình thức đơn giản nhất của chu kỳ tải servo là độ dốc chuyển động hình
tam giác và hình thang (như được giải thích chi tiết trong các chương tiếp theo).
Chúng xác định các dữ liệu quan trọng như tốc độ tối đa và sự tăng tốc tối đa và bao
trùm phần lớn các ứng dụng chuyển động. Theo tự nhiên có chuyển động rất phức
tạp và xử lý phân tích chi tiết chúng sẽ cho kết quả chính xác hơn của các yêu cầu
mômen RMS, trong khi các yêu cầu mômen cực đại (ngắt quãng) phụ thuộc chủ yếu
vào khả năng tăng tốc tối đa bên trong chu trình chuyển động.
Để xử lý các chu kỳ tải người kỹ sư phải xác định vận tốc tối đa, tăng tốc tối
đa, thời gian chu kỳ làm việc, độ dốc tăng tốc và giảm tốc, thời gian dừng, vv, đặc
trưng cho ứng dụng.
 Xác định các thông số chuyển động quan trọng như vận tốc, độ tăng tốc,
13