CC BY
79
УДК 681.5
В.А. Постников, канд. техн. наук, проф., (916)562-99-20, М.О. Лозьянова, асп., (916) 571-75-48, [email protected] (Россия, Москва, МАИ (ГТУ))
ЭЛЕКТРОПРИВОД НА БАЗЕ ВОЛНОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ РЕАКТИВНОГО И ИНДУКТОРНОГО ТИПОВ
Проведено сравнение основных конструктивных особенностей и показателей электропривода на основе волновых электродвигателей реактивного и индукторного типов. Рассмотрены способы управления электроприводами с электродвигателями подобного типа.
Ключевые слова: волновая передача, электромагнитный генератор волн, волновой электродвигатель реактивный и индукторный, электропривод с волновым электродвигателем.
Электропривод на базе волновых электродвигателей выполняется на основе конструктивного объединения волновой передачи с электромагнитным волнообразователем в виде деформируемого магнитопровода-ротора и статора с многофазной обмоткой управления. Гибкий магнито-провод-ротор выполняет функцию механического генератора волн волновой зубчатой передачи и вводит гибкое колесо в зацепление с жестким колесом. Перемещение волны деформации гибкого колеса осуществляется за счет управления волной деформации гибкого магнитопровода-ротора. Такая структура электропривода позволяет исключить быстровращающиеся элементы передачи и быстроходные подшипники, что улучшает динамические характеристики электропривода и повышает его надежность. Кроме того, электромагнитный генератор волн вводит гибкое колесо волновой передачи в зацепление с жестким колесом практически без зазора, что повышает кинематическую точность зубчатой волновой передачи и привода в целом.
Высокая нагрузочная способность, как и у всех волновых передач, обусловлена многопарностью (до 40 % зубьев участвует в зацеплении) и двухзонностью зацепления двухволновых обычно волновых электродвигателей.
В принципе работы электропривода с волновыми электродвигателями есть существенное отличие в способе преобразования электрической энергии в механическую в сравнении с электроприводами на базе других известных типов электродвигателей, такими как коллекторные, асинхронные, синхронные и др. В обычных классических электродвигателях преобразование электрической энергии в механическую осуществляется за счет взаимодействия магнитных полей статора и ротора, приводящих к вращению жесткого ротора или линейному перемещению жесткого ротора-бегуна. В волновых электродвигателях электромеханическое преобразова-
ние осуществляется за счет создания электромагнитным генератором радиальной волны деформации магнитопровода-ротора и перемещением волны деформации при управлении магнитным полем.
Отмеченные конструктивные особенности и отличия в принципе работы выдвигают противоречивые требования в создании магнитопрово-да-ротора в части обеспечения его гибкости (деформируемости) и увеличения электромагнитного момента и мощности, что требует увеличения активной массы магнитопровода-ротора и ведет к повышению жесткости.
За прошедшее более чем полувека время с момента изобретения волновых электродвигателей предложено большое количество конструктивных схем, отраженных в патентах и авторских свидетельствах [1], где делается попытка преодоления отмеченных противоречий и улучшения характеристик волновых электродвигателей, но до настоящего времени довести до серийного производства удалось только волновые двигатели реактивного типа, которые имеют ряд недостатков и ограничены по величине выходного момента и мощности (рис.1).
Рис. 1. ВЭДреактивного типа с внешним пакетом статора с обмоткой и внутренним витым сердечником магнитопровода-ротора: 1 - выходной вал; 2 - волновое зубчатое зацепление; 3 - пакет статора с обмоткой; 4 - гибкий стакан ротора;
5 - подшипники скольжения; 6 - витой магнитопровод-ротор
Рассмотрим электропривод на базе волновых электродвигателей реактивного и индукторного типов с цилиндрической волновой передачей и проводится их сравнение. Диаметр гибкого колеса и расточки статора находится обычно в диапазоне 40...100 мм, толщина оболочки гибкого колеса 0,15...0,30 мм, модуль зубьев волновой передачи 0,15...0,30 мм, максимальная глубина деформации гибкого колеса и деформируемого магни-топровода составляет обычно чуть больше величины модуля зубьев для полного выхода зубьев гибкого колеса из зацепления с жестким колесом.
Остальные особенности конструкций и принцип работы рассматриваются с помощью приведенных далее рисунков.
Волновой электродвигатель (ВЭД) реактивного типа с внешним статором (нормального исполнения) представлен на рис. 1. В [2] приведен также подобный ВЭД с внутренним статором и внешним гибким ротором (обращенного исполнения). Реактивный ВЭД относительно прост в конструктивном исполнении, как это видно из рис. 1. Однако имеются технологические трудности изготовления мелкомодульной волновой передачи и витого магнитопровода-ротора. Последний выполняется из скрученной тонкой перфорированной ленты для снижения потерь в стали и использованием точечной сварки для скрепления слоев ленты. Гибкое колесо выполнено в виде тонкостенного цилиндра с донышком, зубчатое зацепление вынесено за пределы активной зоны.
Обмотка в ВЭД реактивного типа выполняется многополюсной в виде катушек на зубцах с расщепленным магнитным потоком фазы, как показано на рис. 2.
\ N 5 % N 5 N V \ —^ '41 ¿V - £ ч л £ ' \ ч_ г-- ( '
1
2
3
4
Электронный коммутатор
Рис. 2. Схема четырехфазной многополюсной обмотки с катушками,
размещенными на зубцах (полюсах), которая используется в ВЭД реактивного типа для шагового режима работы при одновременном питании двух фаз от электронного коммутатора
Магнитный поток такой обмотки замыкается практически в пределах соседних возбужденных зубцов как показано на рис. 3, что позволяет уменьшить толщину витого магнитопровода и его массу и увеличить быстродействие. Магнитные потоки, которые в такой схеме замыкаются через невозбужденные зубцы статора, составляют менее 5 %.
Основной недостаток ВЭД реактивного типа в том, что они не имеют фиксирующего и удерживающего момента при выключенных обмотках
управления, что требует установки специального фиксатора или муфты торможения. Кроме того, для исключения перехода двухволнового зацепления на одноволновое на роторе в реактивном ВЭД устанавливается специальный диск, ограничивающий амплитуду деформации. ВЭД реактивного типа выпускаются промышленностью в качестве шаговых двигателей с высокой разрешающей способностью (числом шагов на оборот более 1000), высокой точностью отработки шагов (не менее 5 минут), высокой частотой приемности (более 1500 шаг/с). Они имеют относительно большой для шаговых двигателей выходной момент (до нескольких Нм) и малую выходную угловую скорость (до нескольких десятков оборотов в минуту).
Рис. 3. Основная пространственная гармоника магнитной индукции реактивного ВЭД с расщеплением магнитного потока фазы
Индукторные ВЭД имеют более сложную, чем реактивные ВЭД конструкцию как это показано на рис. 4. Вместе с тем, они лишены ряда существенных недостатков, присущих реактивным ВЭД. Они имеют фиксацию волны деформации ротора за счет использования постоянного магнита с униполярным подмагничиванием, развивают на порядок больший выходной момент (до нескольких десятков Нм), обеспечивают большой удерживающий момент при обесточенных обмотках управления (более номинального), имеют более высокий КПД. При значительной перегрузке гибкое колесо волновой передачи выходит из зацепления с жестким колесом, что не требует установки муфты ограничения по моменту нагрузки. Если перегрузка является длительной, двигатель должен быть отключен. Дополнительные преимущества индукторных ВЭД обеспечивает использование в машине и ряда других конструктивных особенностей. Например, деформируемый ротор выполняется из пластин, которые набраны в небольшие пакеты и помещены на опоре в немагнитном сепараторе. Пакеты пластин поворачиваются на опоре с максимальной амплитудой, равной модулю зубьев в зоне зацепления волновой передачи, которая вынесена за пределы активной зоны электромагнитного генератора волн. Диаметр гибкого и жесткого колес удается в этом случае значительно увеличить по сравнению с диаметром расточки статора, что позволяет увеличить коэффициент редукции волновой передачи.
В.
I
а
Рис. 4. Волновой электродвигатель индукторного типа с внешним пакетом статора и многофазной распределенной обмоткой и возбуждением от постоянного магнита: 1 - гибкое колесо волновой передачи; 2 - жесткое колесо волновой передачи; 3 - дополнительный магнитопровод; 4 - витой сердечник; 5 - магнитная втулка; 6 - пакет статора; 7 - пластины ротора; 8 - сепаратор; 9 - опора пластин
Двухволновое зацепление в индукторных ВЭД получается в результате действия на деформируемый ротор двух магнитных полей: поля якорной четырехполюсной обмотки и поля униполярного подмагничивания от постоянного магнита. Эти два магнитных поля и суммарное магнитное поле при оптимальном возбуждении показаны на рис. 5. Оптимальное возбуждение подбирается за счет равенства амплитуды основной гармоники магнитодвижущей силы (МДС) якорной обмотки р и величины падения магнитного потенциала Гу в рабочем зазоре электромагнитного генератора волн от униполярного поля подмагничивания постоянного магнита. Если ВЭД сильно недовозбужден (Гу ¡р << 1), есть вероятность сбоя в работе волновой передачи и перехода на четырехволновое зацепление. Если же ВЭД сильно перевозбужден (>> 1), то либо потребуется увеличение
потребляемого тока, либо может произойти сбой с переходом волновой передачи на одноволновое зацепление.
Намагничивание магнита, если он выполнен не из редкоземельных материалов, а из более дешевого и температуростойкого материала, можно осуществлять при сборке ВЭД для предохранения от размагничивания. После первого включения машины, еще до передачи ее в эксплуатацию, ротор деформируется и устанавливается в двухволновое зацепление и далее при работе или отключении обмоток униполярный поток фиксирует ротор и обеспечивает большой удерживающий момент. Номинальный выходной момент у индукторных ВЭД также на порядок выше, чем у реактивных ВЭД.
Рис. 5. Магнитное поле волнового электродвигателя с постоянным магнитом: а - магнитное поле якорной обмотки (р=2); б - униполярное магнитное поле постоянного магнита; в - суммарное магнитное поле
при оптимальном возбуждении
Суммарные силы ^, обеспечивающие двухволновую деформацию и двухволновое зацепление ВЭД, показаны на рис. 6.
Рис. 6. Схема зубчатой волновой передачи и действие суммарных сил:
1 - жесткое колесо; 2 - гибкое колесо
Суммарные силы включают несколько составляющих сил, в том числе распределенную электромагнитную силу Рэм (а), упругую силу деформации Рупр, инерционную силу при радиальных колебаниях волны деформации ротора Рин, нормальную и тангенциальную силы реакции нагрузки Р^, Рт. Расчетные выражения для названных сил приведены в [2]. При расчетах обычно многофазные обмотки статора привязываются к неподвижным осям статора а, в, а большая и малая оси деформации к подвижным осям d и ц. Оси d и ц вращаются вместе с перемещением волны
деформации ротора с угловой скоростью О = —.
dt
На рис. 7 показаны оси а, в и й, д, а также распределение векторов сил при действии нагрузки на выходном валу двигателя. Составляющая Рд уравновешивает величину реакции нагрузки с учетом разложения
сил в зубчатом зацеплении, а составляющая Р^ обеспечивает удержание (поджатие) в зацепление колес волновой передачи. При отсутствии нагрузки на валу вектор силы Р1 совпадает с направлением Р^ и угол у = 0 .
Р, „(а)
Рис. 7. Распределение электромагнитной силы Рэм (а), действующей
на поверхность гибкого ротора и разложение вектора суммарной силы Р[ на ее составляющие Рд и рй при действии нагрузки на валу
Аналогично классическим синхронным машинам предпочтительность выбора осей й, д для записи уравнений динамики ВЭД обусловлена возможностью стабилизации картины магнитного поля в неравномерном рабочем зазоре, что позволяет перейти от периодически изменяющимся во времени индуктивных параметров к постоянным Ь^ и Ьд по продольной
(й) и поперечной (д) осям [2].
Силы (электромагнитная Рд и тангенциальная РТ) определяют вращающий момент на выходном валу
М = РТЯжки = РдПэм^жк = МэмПэмкжк , где ^жк - радиус жесткого колеса; и - число волн деформации, и = 2; Мэм - электромагнитный момент; пэм - электромагнитный КПД;
= Dжк/Dl - конструктивный коэффициент.
Нормальная сила в зацеплении PN зависит от угла зацепления аз гибкого и жесткого колес и определяет силу выдавливания гибкого колеса
Рвыд = M ■ ¿>жк tgа з . Продольная электромагнитная сила Pd должна с запасом превышать сумму силы выдавливания от нагрузки, инерционной силы Рин и упругой силы гибкого колеса магнитопровода Pупр [1]
р = (^ЬЩ + РМП + ^пр )kЗП .
Упругая сила деформации Рупр зависит от размера гибкого кольца
Л*гк, нормальной силы PN, материала и упругих свойств этого материала Е и ц (модуль упругости и коэффициент Пуассона) и момента инерции сечения деформируемого кольца I. В частности, амплитуда свободной деформации ротора определяется
. = ( 2 Р Д т - -гт-
Е ■ I
где I = Ак3Ьк; Ак - толщина кольца; Ьк - длина кольца.
Для расчета продольной составляющей электромагнитной силы Pd необходимо знать линейную токовую нагрузку или основную гармонику МДС обмотки Р1, МДС униполярного подмагничивания Г у, выражение
рабочего зазора 5а и магнитную индукцию в рабочем зазоре Ва1, которые определяются следующими выражениями
А1 = 0,9mфWф -1; р = 4Д/2 = 0,45тфЖф Ilkобl;
§а = 50 [ - 8Рта - ^ + РТу)];
В =Цо А1С>1/2 Рт [со^(Рта + ^) - ^б!] + Гу а1 8о 1 -8 соБ^а-О^ + рту)
Радиальную силу притяжения деформируемого ротора можно определить с использованием формулы Максвелла для поверхностной плотности электромагнитных сил с учетом пространственного и временного изменения магнитной индукции
'kD2 2п2п в2 Pd I I ^(а-^ + РтУ)с^().
4п 0 0 2Ц0
Полный расчет и анализ сил выполнен в [2].
Управление электроприводами с ВЭД, в частности программное,
98
позиционное, следящее, осуществляется с помощью относительно простых схем, учитывая малые мощность и габариты ВЭД. Наиболее рациональным для таких приводов являются шаговый и вентильный режимы, позволяющие реализовать разомкнутый и замкнутый электропривод, как показано на рис. 8 и 9.
Рис. 8. Схема подключения обмоток трехфазного ВЭД к трехфазному инвертору напряжения при соединении фаз звездой без нулевого
провода или треугольником
Сеть
Рис. 9. Функциональная схема электропривода с ВЭД с микропроцессорным управлением
Более простые схемы управления используются в шаговом электроприводе с реактивными ВЭД (см. рис. 2), где электронный коммутатор коммутирует обмотки импульсами однополярного напряжения.
Для индукторных ВЭД обычно используются инверторы напряжения с регулированием напряжения методом ШИМ. Микропроцессорная
99
схема управления (рис. 9) позволяет реализовать такие функции, как программное и следящее управление, ШИМ силовых ключей МК, реверсирование с помощью регистра знака (Рг.Зн) и обратные связи с помощью импульсного преобразователя угла и скорости (ИП) и преобразователя напряжения в частоту импульсов (ПНЧ) [3].
Рассмотренный электропривод с волновым электродвигателем реактивного и индукторного типа, может быть использован в качестве маломощного, тихоходного электропривода для высокоточных позиционных и следящих систем, где требуется высокая точность отработки углов поворота и относительно большой выходной момент при относительно простой схеме управления.
Список литературы
1. Аверьянов А.В., Гуськов П.А. Волновые электродвигатели в современных системах электропривода // Электротехн. пром-сть. Сер. 01 Электрические машины: обзор. информ. 1988. Вып. 23. С. 1-12.
2. Геращенко А.Н., Постников В.А., Самсонович С.Л. Пневматические, гидравлические и электрические приводы летательных аппаратов на основе волновых исполнительных механизмов: учебник. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Изд-во «МАИ-ПРИНТ», 2010. 548 с.
3. Микропроцессорное управление электроприводами станков с ЧПУ / Э.Л. Тихомиров [и др.]. М.: Машиностроение, 1990. 320 с.
M.O. Lozyanova, V.A. Postnikov
ELECTRIC MOTOR DRIVE BASED ON RELUCTANCE AND INDUCTOR TYPE WAVE MOTORS
The comparison of electric motor drives based on reluctance and inductor type wave motors design features and key figures is presented. Control techniques for electric motor drives with motors of such type are considered.
Key words: harmonic gear drive, electromagnetic wave generator, wave motor of reluctance and inductor type, electric motor drive with wave motor.
Получено 18.10.11
