Zalety stosowania silników wielobiegowych

Wymiana konwencjonalnych silników jednobiegowych na wielobiegowe w wielu przypadkach znacznie poprawia walory technologiczne i eksploatacyjne maszyn i maszyn do obróbki skrawaniem metali oraz zmniejsza pracochłonność ich produkcji.

Stosowane są silniki wielobiegowe:

• w napędach maszyn i maszynach do cięcia metalu, których prędkość obrotowa jest pożądana do zmiany w zależności od wielkości, twardości i innych właściwości fizycznych obrabianego materiału lub w zależności od czynników technologicznych. Należą do nich maszyny do cięcia metalu i obróbki drewna, separatory odśrodkowe, pogłębiarki i inne mechanizmy do różnych zastosowań;

• w maszynach, maszynach do obróbki metalu i mechanizmach o różnych prędkościach roboczych i jałowych (tartaki);

• do ruszania i zatrzymywania się bez ostrych uderzeń w stoły o znacznym rozpędzie (windy, podnośniki). W tym przypadku proces pracy odbywa się przy najwyższej prędkości obrotowej, a uruchamianie i zatrzymywanie mechanizmu — przy niskich obrotach, często z automatycznym przełączaniem liczby biegunów;

• w napędach maszyn i obrabiarkach o mocy zmieniającej się w zależności od pory dnia, pory roku itp. (pompy, wentylatory, urządzenia ładunkowe, przenośniki itp.);

• w napędach maszyn o kilku różnych celach, z których każdy wymaga innej prędkości, na przykład w urządzeniach szybów naftowych, gdzie najniższa prędkość jest używana do pompowania ropy, a najwyższa do instalowania rur;

• w mechanizmach, których zmiana prędkości zależy od pobieranej mocy. Przykładem są walcarki płaskie, gdzie początkowo przy znacznych odkształceniach metalu walcowanie odbywa się z małą prędkością, a operacje wykańczające z dużą prędkością.

• w blokach, gdzie oprócz regulacji prędkości obrotowej silnika poprzez przełączanie liczby biegunów, realizowane jest dodatkowe zwiększenie ograniczenia regulacji prędkości poprzez zmianę częstotliwości sieci zasilającej.

Dzięki zastosowaniu silników wielobiegowych w napędach elektrycznych maszyn i obrabiarek do metalu możliwe jest:

1) uproszczenie konstrukcji maszyn z wyłączeniem przekładni i zasilaczy;

2) zwiększenie wydajności, produktywności i łatwości obsługi maszyn skrawających;

3) poprawa jakości obróbki maszynowej poprzez zmniejszenie drgań i zmniejszenie niedokładności w działaniu mechanizmów o dużej liczbie kół zębatych;

4) zwiększenie wydajności maszyny poprzez zmniejszenie ogniw pośrednich łańcucha kinematycznego;

5) zmiana prędkości w ruchu bez zatrzymywania maszyny;

6) uproszczenie automatycznego zarządzania procesami ruszania, zatrzymywania, cofania i zatrzymywania;

7) uproszczenie automatycznego zarządzania trybami przetwarzania w zależności od czynników technologicznych.

Rozruch silnika przy niższej prędkości obrotowej ma również tę zaletę, że wartość bezwzględna prądu rozruchowego będzie w tym przypadku z reguły mniejsza niż prądy rozruchowe przy wyższych prędkościach. Podczas przełączania cewki z mniejszej liczby biegunów na większą, tj. gdy prędkość silnika spada, hamowanie rekuperacyjne silnika, co skraca czas zatrzymania maszyny i nie wiąże się ze stratami energii, jak ma to miejsce przy hamowaniu tyłem.

Istnieją szerokie możliwości zastosowania silników wielobiegowych w szerokiej gamie typów uniwersalnych i specjalnych zautomatyzowanych maszyn do cięcia metalu: tokarkach, tokarkach, wierceniu, frezowaniu, szlifowaniu, struganiu wzdłużnym i poprzecznym, ostrzeniu itp.

Silniki wielobiegowe są najczęściej stosowane w napędach obrabiarek i maszyn do obróbki drewna.

Znaczny zakres regulacji obrotów uniwersalnych maszyn do obróbki skrawaniem metali wymaga reduktorów lub przekładni o dużej liczbie stopni sterujących. Gdy proces regulacji odbywa się tylko w jeden sposób mechaniczny, skrzynie biegów są znacznie bardziej złożone konstrukcyjnie i wymagają bardziej złożonego układu sterowania.

Oba czynniki powodują wzrost pracochłonności i wzrost kosztów produkcji skrzyń biegów.Dlatego w obrabiarkach szeroko stosowany jest złożony układ regulacji prędkości, który jest połączeniem silnika elektrycznego, którego prędkości obrotowe są regulowane w dość szerokim zakresie, z przekładnią lub względnym kołem pasowym o wyższej sprawności w porównaniu do bardziej skomplikowanych przekładni.

Szczególnie wskazane jest stosowanie silników wielobiegowych w obrabiarkach do metalu, gdzie można ograniczyć się do dwóch, trzech lub czterech różnych prędkości przy prędkości wrzeciona maszyny równej prędkości silnika. W takim przypadku stosowane są wbudowane silniki wielobiegowe. Stojan silnika jest wbudowany we wrzeciennik maszyny, a wrzeciono jest połączone sprzęgłem z wałem wirnika silnika lub wirnik silnika jest montowany bezpośrednio na wrzecionie.

Taka konstrukcja maszyny okazuje się niezwykle prosta, jej łańcuch kinematyczny jest najkrótszy, a silnik jak najbliżej wału roboczego.

Jeżeli prędkość obrotowa wrzeciona narzędzia skrawającego do metalu nie odpowiada prędkości obrotowej silnika wielobiegowego, ten ostatni jest połączony z wrzecionem za pomocą napędu pasowego lub zębatego. Podobny schemat kinematyczny stosuje się w przypadku sal operacyjnych tokarek, frezarek czy małych wiertarek. Dodanie prostego wyszukiwania do takiego schematu znacznie rozszerza zakres sterowania prędkością maszyny, wydłużając łańcuch kinematyczny maszyny tylko przy niskich prędkościach obrotowych.

Zastosowanie silnika wielobiegowego w napędzie elektrycznym obrabiarki, podłączonego bezpośrednio do wariatora prędkości, znacznie rozszerza możliwości płynnej regulacji prędkości obrotowej maszyny.Zastosowanie np. silnika dwubiegowego 2p=8/2 oraz wariatora mechanicznego o przełożeniu 4:1 można zaimplementować do ustawienia bezstopniowej regulacji obrotów od 187 do 3000 obr/min, tj. uzyskać zakres regulacji 16:1.

Dzięki dwubiegowemu silnikowi 500/3000 obr./min i wariatorowi o przełożeniu 6:1 zakres płynnej regulacji prędkości maszyny został rozszerzony do 36:1, co jest możliwe dzięki zastosowaniu doładowania za wariatorem.

Zakres płynnej regulacji prędkości napędu można przesuwać w obszar wyższych lub niższych prędkości poprzez zmianę prędkości obrotowej silnika wielobiegowego. Jeśli to nie wystarczy, między silnikiem a wariatorem umieszczany jest nadbieg lub redukcja biegów, najczęściej pasek klinowy lub pasek klinowy.

Do płynnej regulacji prędkości w stosunkowo małym zakresie do 1:4 przy stałym momencie obrotowym na wale zastosowano silnik asynchroniczny z sprzęgło ślizgowe.

Sprawność takiego silnika określa wyrażenie η = 1 — s, gdzie s jest poślizgiem równym różnicy prędkości obrotowych wirnika i wału wyjściowego. Dlatego przy s = 80% sprawność wyniesie tylko 20%. W takim przypadku wszystkie straty mocy koncentrują się w bębnie sprzęgła.

Zastępując konwencjonalny silnik jednobiegowy wielobiegowym w napędzie ze sprzęgłem ślizgowym, można zwiększyć sprawność i rozszerzyć zakres regulacji prędkości tego napędu.Na przykład w silniku dwubiegowym o przełożeniu biegunów 2:1 regulacja prędkości odbywa się w krokach co przełożenie 2:1, aw przedziale między tymi prędkościami i poniżej nich płynną regulację realizuje sprzęgło poślizgowe. Całkowity zakres regulacji wyniesie 4:1 przy minimalnej sprawności 50%.

Dzięki pełniejszemu wykorzystaniu właściwości regulacyjnych sprzęgieł (zakres regulacji 5:1) możliwe jest rozszerzenie zakresu regulacji do 10:1 przy najniższej sprawności (przy najmniejszej prędkości obrotowej wału) η = 20 %.

Zastosowanie silnika trójbiegowego z uzwojeniem zmiennobiegunowym 2p = 8/4/2 pozwala zwiększyć zakres regulacji do 8:1 przy najniższej sprawności napędu η = 50% i osiągnąć granicę regulacji 20:1 przy sprawności przy najniższej prędkości η=20%.