CC BY
28
УДК 62-89
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ПРИВОДОВ В СИСТЕМАХ СТАБИЛИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ
П. А. Желтиков
Представлен аналитический обзор применяемых в отечественной и мировой практике электрических машин для высокоточных приводов. Приведены классификация электрических машин, моментно-скоростные характеристики и значения показателей оптимальных для использования в приводах.
Ключевые слова: электропривод, электродвигатель, электромагнитный преобразователь, электромеханический преобразователь.
Высокоточные электроприводы в настоящее время находят все большее применение от робототехнических и следящих систем специального назначения до повседневно используемой бытовой техники. Одним из основных конструктивных элементов всех существующих электроприводов является электрическая машина, которая преобразует электрическую энергию постоянного или переменного тока в механическую, характеризуемую вращательным, поступательным или сложным движением выходного элемента.
В зависимости от конкретного назначения электропривода, точности движения, ресурса, надежности, заданных механических и мо-ментно-скоростных характеристик разработчиком производится выбор электрической машины. Существует достаточно большое количество вариантов классификаций, которые направлены на решение конкретных задач при выборе электрических машин. Один из вариантов представлен ниже.
В табл. 1, 2, 3, 4 представлены сведения о электрических машинах, применяемых в высокоточных электроприводах. Указанная классификация и данные о параметрах электрических машин выполнены аналогично работе [1], что с учетом применения терминологии стандарта ГОСТ 27471-87 [2] дает достаточно полное представление об электрических машинах.
В последнее время для применения в высокоточных приводах особое внимание уделяется вентильным электродвигателям как разновидности бесколлекторных синхронных электродвигателей с постоянными магнитами, но имеющим систему управления с преобразователем постоянного напряжения в переменное заданной частоты в зависимости от положения ротора.
Коллекторные электродвигатели
Таблица 1
Тип электродвигателя
Коллекторные электродвигатели
Постоянного тока
с возбуждением от постоянных магнитов
с отдельным возбуждением
комбинированного возбуждения
последовательного возбуждения
Переменного тока последо-ва-тельного возбуждения
Тип ротора
Ротор с коллектором
Электромагнитная схема
Моменто-скоростная характеристика
-1
п, мин К, Вт
П, % Мп/мн
^^макс/^^-н
2000...20000 0,2... 1000 0,4.0,8 4.10 < 10
< 6000 0,2.1000 0,3.0,7 4.6
<6
< 6000 20.1000 0,3.0,7
3.5
4.6
< 6000 20.1000 0,3.0,7 3.5 <5
3000.30000 10.1000 0,3.0,7 2.5 <5
Таблица 2
Асинхронные электродвигатели переменного тока
Тип электродвигателя
Асинхронные электродвигатели
трехфазные
однофазные конденсаторные с вспомогательными обмотками
двухфазные конденсаторные
однофазные с подключаемой вспомогательной обмоткой
однофазные с расщепленными полюсами
Тип ротора
Короткозамкнутый типа «беличья клетка»
Электромагнитная схема
Моменто-скоростная характеристика
п, мин К, Вт
п, %
Мп/Мн
Ммакс/Мн
< 3000
>50 0,5.0,8 1.3 1,5.3
< 3000 >500 0,3.0,7 1.2 < 1,5
< 3000 50.2000 0,5.0,75 Са2.4; Св:1.2 < 1,5
< 3000
< 500 0,3.0,6
0,2.1
< 1,5
< 3000
< 200 0,05.0,35
0,2.1 < 1,5
Таблица 3
Синхронные электродвигатели переменного тока
Тип электродвигателя
Синхронные электродвигатели
трехфазные
двухфазные
однофазные
Тип ротора
С постоянными магнитами и комбинированным рото-
ром
Ротор с постоянными магнитами
Ротор с постоянными магнитами
Реактивный ротор
Гистерезис-ный ротор
Электромагнитная схема
Моменто-скоростная характеристика
-1
п, мин К, Вт
П, % Мп/мн
М-макс/М-н
< 3000 > 200 > 0,5 < 3 < 1,5
< 3000 > 500
< 0,6
< 1,5
< 3000
< 50
< 0,6
< 1,5
< 3000 0,1...500 <0,05...0,5 0,5.2 < 1,5
< 3000 0,01.100 <0,05.0,4 0,2.2 < 1,5
Таблица 4
Электромагнитные и электромеханические преобразователи
Тип преобразова-
теля
Пропорциональный магнит
Подвижная катушка
Линейный электромеханизм
Преобразователь на принципе линейного электродвигателя
Электромагнитная схема
Полезная мощность, Вт
5.40
0,2.5
0,02.4
10.40
Произведение усилия на ход, Н- мм
20.1000
8.80
2.40
400.2000
Линейное отклонение, %
0,5.6
1.7
1.2
0,5.6
Частотный предел, Гц
10.150
100.200
100.300
10.200
В табл. 2, 3, 4 приняты следующие обозначения (рис. 1).
Ротор обмотанный с коммутатором Ротор с постоянными магнитами Гистерезисный ротор
Постоянные магниты
Стартовый конденсатор Номинальный крутящий момент Максимальный крутящий момент Частота вращения Напряжение Ток
Линейное перемещение
А
Мн
М,
макс
п V 1
х
О
о
Мп N
п
Р
Б
К, 8
Короткозамкнутый трех- или однофазный ротор
Реактивный ротор Обмотка
Короткозамкнутая обмотка
Рабочий конденсатор Пусковой крутящий момент Полезная мощность Коэффициент полезного действия Количество пар полюсов Сила
Полярность постоянных магнитов
Рис. 1. Условные обозначения в табл. 2, 3, 4
Идея создания вентильного электродвигателя, который стал бесколлекторным аналогом коллекторного электродвигателя, возникла в 30-е гг. XX века в СССР [3]. Управление вентильным двигателем может быть выполнено с датчиками или в бездатчиковом исполнении, но чтобы уменьшить общую стоимость исполнительных механизмов, применяются, как правило, бездатчиковые методы управления. К недостаткам отсутствия датчиков положения относятся повышенные требования к алгоритмам управления и более сложная электроника. Вентильные двигатели можно разделить на два типа: с синусоидальной противоЭДС и трапецеидальной противоЭДС. Вентильный двигатель трапецеидальной противоЭДС, как правило, более предпочтителен, так как алгоритмы управления данного типа электродвигателя проще [4].
Помимо применения вентильных электродвигателей вращательного действия, широкое применение в изделиях специального назначения находят вентильные электродвигатели углового движения (секторные) и линейные электродвигатели.
К достоинствам вентильных электродвигателей относится высокий ресурс и повышенная надежность, обусловленная отсутствием быстроизнашивающихся элементов (коллекторно-щеточного узла), а также высокий КПД, достигающий 90 %. К недостаткам следует отнести повышенную стоимость, обусловленную наличием электронной системы коммутации и управления.
В ряде высокоточных электроприводов, связанных с подачей топлива, гидравлической жидкости и кондиционированием воздуха, в летательных аппаратах применяются линейные электромеханизмы (табл. 4). Линейные электромеханизмы обеспечивают отличную герметизацию электромеханической части от рабочей области, что особенно важно при работе в среде газов, в том числе имеющих высокую температуру. Достоинством данного вида приводов являются линейная зависимость перемещения рабочего органа от тока управления и сохранение заданного положения под влиянием внешних воздействующих факторов: потоков газа, вибраций, ударов, и т.п. [5]. В настоящее время ведется разработка усовершенствованного линейного электромеханизма для применения в том числе и в летательных аппаратах нового поколения.
Среди последних разработок преобразователей важную роль играют пьезоэлектрические приводы. Применяемые в конструкции этих приводов пьезоэлектрические элементы генерируют большие силы при сравнительно малых перемещениях каждого элемента. Однако на сегодняшний день использование пьезоэлектрических приводов в высокоточных устройствах еще не приобрело широкого распространения [1]. Принципиальная схема пьезоэлетрического элемента представлена на рис. 2.
Рис. 2. Параллельный пьезоэлектрический преобразователь: У2<У,1: V1 - напряжение смещения; У2- контролируемое напряжение
К достоинствам пьезоэлектрических приводов относится возможность их применения в широком интервале температур с обеспечением высокой точности перемещения по заданной характеристике. К недостаткам следует отнести необходимость применения нескольких пьезолектри-ческих элементов с интеграцией их в одном устройстве.
На сегодняшний день актуальными направлениями являются разработка вентильных электродвигателей различных типов и систем их управления и разработка высокоточных электромеханических преобразователей и пьезоэлектрических приводов.
Список литературы
1. Ас1;иа1;ог8. ВаБЮБ апё АррНсаНопв / Её. 1апосИа Наг1;ти1 8рг^ег, 2004. 343 р.
2. ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
3. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы. СПб.: Питер, 2007. 320 с.
4. Miller T.J.E. Brushless permanent-magnet and reluctant motor drives. Monographs in electrical and electronic engineering. Oxford: University Press, 1989. Vol. 21. 207 p.
5. Merritt Herbert E. Hydraulic control systems. New York; London; Sydney, 1967. 358 p.
Желтиков Павел Александрович, гл. конструктор, melm. ogk@mail. ru, Россия, Тамбовская область, Мичуринск, АО ««Мичуринский завод «Прогресс»
ANALYTICAL REVIEW OF ELECTRICAL MACHINES FOR HIGH-PRECISIONDRIVESIN SYSTEMS OF STABILIZATION AND CONTROL
P.A. Zheltikov
The analytical review of electric machines used for domestic and international practice for high-precision drives is presented. The classification of electrical, torque-speed characteristics and values of optimal parameters for use in drives are given.
Key words: electric drive, electric motor, electromagnetic converter, electromechanical converter.
Zheltikov Pavel Alexandrovich, chief designer, melm. ogk@mail. ru, Russia, Tambov region, Michurinsk, JSC «Michurinsky plant "Progress»
