CC BY
59
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
УДК 621.314 DOI: 10.17213/0321-2653-2017-4-53-56
ЭЛЕКТРОПРИВОД РУЛЕВОГО МЕХАНИЗМА
© 2017г. С.А. Пахомин, Л.С. Пахомин, А.А. Лазарев
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
ELECTRIC DRIVE OF THE STEERING MECHANISM
S.A. Pakhomin, L.S. Pakhomin, A.A Lazarev
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Пахомин Сергей Александрович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Электромеханика и электрические аппараты», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Пахомин Леонид Сергеевич - инженер, НИИ электромеханики, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Лазарев Александр Алексеевич - инженер, НИИ электромеханики, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Pakhomin Sergey Alexandrovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, head of department department, «Electromechanics and Electrical Apparatuses», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Pakhomin Leonid Sergeevich - Engineer of the Research Institute of Electromechanics, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Lazarev Alexander Alekseevich - Engineer of the Research Institute of Electromechanics, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Рассмотрена конструкция электрической рулевой машинки для управления движением подводного аппарата. В качестве преобразователя вращательного движения в поступательное предложено использовать ролико-винтовую передачу, обладающую наилучшими характеристиками по передаваемому усилию и скорости линейного перемещения. В качестве электромеханического преобразователя выбран вентильный двигатель с постоянными магнитами и зубцовой обмоткой, имеющий наилучшие удельные характеристики и обеспечивающий минимальные размеры активной части. Представлены результаты оптимизационного проектирования вентильного двигателя с тремя вариантами конфигурации зубцовой обмотки. Приведены варьируемые параметры и принятые при проектировании ограничения. Выполнен сравнительный анализ результатов оптимизационного проектирования двигателя с разными конфигурациями. Оптимизационное проектирование выполнено на базе полевой модели магнитного поля двигателя с использованием программы FEMM.
Ключевые слова: вентильный двигатель с постоянными магнитами; ролико-винтовая передача; зубцовая обмотка; электроцилиндр.
The design of the electric steering machine for a submersible traffic control is considered. As the rotary movement converter in forward it is offered to use the roliko-screw gear possessing the best characteristics on the transferred effort and speed of the linear movement. As the electromechanical converter it is chosen PM motor with tooth winding, having the best specific characteristics and providing the minimum sizes of the fissile part. Results of optimizing projection of the barrier-layer engine with three options of a configuration of a tooth winding are presented. The varied parameters and the restrictions accepted for at projection are specified. The comparative analysis of results of optimizing projection of the engine with different configurations is made. Optimizing projection is executed on the basis of field model of a magnetic field of the engine with use of the FEMM program.
Keywords: the PM motor; the roliko-screw gear; a tooth winding; the electrocylinder.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
Для управления траекторией движения подводных аппаратов в настоящее время используются гидроприводы рулей. В связи с этим подводные аппараты комплектуются дополнительными устройствами отбора мощности с основного вала в виде гидронасоса. Однако современные достижения в области создания электроцилиндров и широкая практика их успешного применения [1 - 3] позволяют рассматривать их в качестве альтернативы гидроприводам в подводных аппаратах с существенным расширением функциональных возможностей.
Настоящая статья посвящена вопросам конструирования и проектирования электрической рулевой машинки (ЭРМ) для управления движением подводного аппарата.
В состав электроцилиндра традиционно входят следующие главные компоненты: вентильный двигатель с постоянными магнитами (ВДПМ); блок электронного управления (БУ) с необходимыми обратными связями для питания обмоток ВДПМ; преобразователь вращательного движения в поступательное в виде ролико-винтовой передачи (РВП).
Данная конфигурация электроцилиндра была принята в качестве базовой кинематической схемы при создании ЭРМ. В спроектированной конструкции макетного образца ЭРМ реализованы следующие технические решения. Во-первых, применена система датчиков положения - датчика углового положения ротора и датчик среднего положения штока, обеспечивающих однозначность определения координаты штока в процессе перемещения в рабочем диапазоне и информацию для реализации алгоритма управления работой ВДПМ. Во-вторых, ЭРМ скомпонована практически в минимальном объёме, значительное влияние на который оказали размеры ролико-винтовой пары. Необходимость применения дорогостоящих РВП в ЭРМ обу-
словлена сочетанием относительно высоких скоростей линейного перемещения штока и значительными по величине усилиями. В-третьих, в качестве движителя применён вентильный двигатель с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов, обеспечивающий минимальный активный объём при низком уровне пульсаций электромагнитного момента и высоком значении КПД.
Главным силовым элементом ЭРМ (рис. 1) является ВДПМ. Ротор двигателя представляет собой пустотелый вал 14 сложной конструкции. Для обеспечения надёжной фиксации магнитов 3 на поверхности вала на магниты надевается тонкостенный стакан 4 из немагнитного металла. Внутри вала образована область для установки внешней обоймы 13 РВП, которая фиксируется гайкой 12. В зоне заднего подшипникового щита 9 ротор заканчивается лепестками 10 датчика положения ротора. На роторе размещены ради-ально-упорные подшипники 11 и 16, обеспечивающие надёжную фиксацию ротора при заданных осевых усилиях. Внутри пустотелого вала 14 расположен шток 18. Со стороны РВП на поверхности штока выполнена специальная резьба 15, являющаяся составной частью РВП. На штоке размещено упорное кольцо 17, ограничивающее выход штока 18. Каждая фазная катушка 1 зубцовой обмотки охватывает зубец 2. С внешней стороны заднего подшипникового щита 9 расположена плата 7 с оптическими датчиками. Комплект датчиков углового положения ротора представляют собой три мини-платы 6 с установленными на них оптическими датчиками 5, в прорези которых вращаются выполненные на роторе лепестки 10.
Три мини-платы размещены на общей кольцевой плате 7, на которой также размещена оптопара 8, регистрирующая среднее положение штока 18.
/ ' 1.2 3
9 10 11 12 13 14 15 16 ■17
Рис. 1. Электрическая рулевая машинка / Fig. 1. Electric steering machine
8
4
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2017. № 4
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
С учётом специфики исполнения и режимов работы привода ЭРМ выбор был сделан в пользу конструкции ВДПМ, у которого статор выполняется с зубцовыми обмотками, а ротор - с наклеенными на внешней поверхности редкоземельными постоянными магнитами и дополнительно удерживаемыми немагнитным «стаканом». Выбор ВДПМ с зубцовой обмоткой обусловлен наилучшими удельными моментными характеристиками такого типа машины в классе электрических машин малой мощности [4 - 5].
ВДПМ с зубцовыми обмотками имеет концентрические катушки на зубцах статора. Количество зубцов на полюс и фазу q меньше единицы, что позволяет при небольшом числе зубцов статора значительно увеличить количество пар полюсов р электродвигателя. Наряду с высокими удельными моментными характеристиками и КПД микромашины типа ВДПМ с зубцовыми обмотками якоря имеют низкий уровень пульсаций момента, что является важным фактором при решении задач позиционирования линейного положения штока с заданной точностью. Достоинства такого ВДПМ подтверждены его успешным применением в составе безредукторного варианта электроусилителя рулевого управления отечественной разработки для автомобиля «Приора» АО «Автоваз» [6].
В результате анализа вариантов возможных зубцовых соотношений [7] в качестве базовых для дальнейших расчётов выбраны три варианта конфигурации ВДПМ с соотношениями числа зубцов статора и количества полюсов 2Др = 9/6, 12/10 и 12/14. При проектировании двигателя решалась задача обеспечения заданного уровня крутящего момента М = 2 Н м в диапазоне частот вращения от 0 до 4500 мин-1 при минимальном уровне пульсаций момента и потерях в обмотке. По предварительным расчётам динамики работы ЭРМ такой уровень крутящего момента позволяет обеспечить требуемое быстродействие перекладки рулей. Габаритные размеры двигателя ЭРМ определены, в первую очередь, фиксированными радиальными размерами, которые обусловлены компоновочными решениями изделия. Внешний диаметр статора принят максимально возможным и равным 69 мм. Внутренний диаметр ротора ограничен размерами используемой РВП.
Проектирование ВДПМ для ЭРМ выполнено с использованием процедур оптимизации.
Полевая компьютерная модель ВДПМ, с помощью которой производилось оптимизацион-
ное проектирование, подробно описана в [8, 9]. Модель позволяет генерировать исходные данные для пакета FEMM и производить полевой расчёт ВДПМ (рис. 2) для наиболее часто применяемых конфигураций ротора и статора с разными типами обмоток; оптимизация производилась по методу Хука-Дживса [10]. В качестве варьируемых параметров использовались диаметр расточки статора, ширина зубца статора и размеры постоянного магнита.
Рис. 2. Магнитное поле ВДПМ 12/10 / Fig. 2. Magnetic field of VDPM 12/10
Толщина ярма статора 5,5 мм принята одинаковой для всех вариантов конфигураций магнитной системы и обусловлена необходимостью при изготовлении пакета статора проваривать магнитопровод вдоль внешней образующей. Принимая во внимание тот факт, что микродвигатель ЭРМ в основном работает в режимах с явным преобладанием потерь в обмотке, целесообразно применить сталь 2212 с высокой индукцией насыщения. Масса постоянных магнитов при расчёте электродвигателей всех зуб-цовых конфигураций принималась одинаковой для корректной сравнительной оценки вариантов ВДПМ. Результаты проектирования сведены в табл. 1.
Таблица 1/ Table 1 Результаты расчётов вариантов ВДПМ / Results of calculations of PM motors
Параметры Варианты
9/6 12/10 12/14
Внешний диаметр статора, мм 69 69 69
Длина пакета магнитопровода, мм 20 20 20
Диаметр расточки статора, мм 39 37,7 38
Число зубцов на статоре, шт. 9 12 12
Число пар полюсов, шт. 3 5 7
Диаметр неизолированного проводника, мм 0,6 0,63 0,71
Число параллельных ветвей, шт. 1 1 1
Пульсации момента (1-я гармоника), Нм 0,107 0,0057 0,0033
Фазный ток, А 9,7 9,1 11,4
Плотность тока, А/мм2 34,2 29,3 28,9
Потери в обмотке (при 2 Нм), Вт 253 188 187
Масса активной стали, г 298 287 282
Масса меди обмоток, г 102 103 104
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
Сравнение вариантов ВДПМ проведено по величине потерь в фазных обмотках. Оценка соотношения потерь в данном режиме позволяет сделать вывод и об эффективности двигателей в статических режимах работы.
Из спроектированных двигателей вариант ВДПМ с зубцовой конфигурацией 9/6 имеет наибольшие потери в обмотке 253 Вт при достаточно высоком уровне пульсаций момента 0,107 Н м. Варианты 12/10 и 12/14 весьма схожи по данным характеристикам, однако последний отличается существенно более высоким уровнем фазного тока, что повышает потери в блоке управления. Кроме того, он имеет в 1,4 раза более высокую основную частоту питания обмоток, что делает его ещё менее привлекательным в сравнении с двигателем конфигурации 12/10. Таким образом, на основании сравнительного анализа параметров спроектированных ВДПМ выбран двигатель с соотношением 12/10.
В настоящее время ЭРМ с конфигурацией 12/10 изготовлены и успешно прошли как стендовые, так и морские (в составе изделий) испытания, показали высокие динамические характеристики при допустимом уровне температуры активных частей.
Литература
1. http://www.aktuator.ru/electric_cylinders.shtml (дата обращения 14.09.2017).
2. http://electrocylinder.ru/o-nas/booklets/booklet3.pdf (дата обращения 14.09.2017).
3. Абдрахманов А.А., Сафин Г.Г. Актуаторы - как альтернатива гидро- и пневмоприводу / http://technology.snauka.ru /2016/12/11482 (дата обращения 14.09.2017).
4. Шевченко А.Ф. Магнитодвижущие силы однозубцовых дробных обмоток с д< 1 // Науч. вестн. НГТУ. 1996. № 2. С. 99 - 110.
5. Шевченко А.Ф. Многополюсные синхронные машины с дробными д<1 зубцовыми обмотками с возбуждением от постоянных магнитов // Электротехника. 2007. № 9. С. 3 - 8.
6. Безредукторный электромеханический усилитель рулевого управления легковых автомобилей / А.Ф. Шевченко, В.В. Мизевич, О.И. Новокрещенов, А.В. Комаров // Электротехника. 2007. № 9. С. 32 - 35.
7.https://pdfs.semanticscholar.org/1250/d84e08a600bfad3d2341 7a3b75ba25ae45ed.pdf (дата обращения 14.09.2017).
8. Пахомин Л.С. Полевая компьютерная модель вентильного двигателя с постоянными магнитами для оптимизационного проектирования // Изв. вузов. Электромеханика. 2010. № 3. С. 79 - 80.
9. Пахомин С.А., Пахомин Л.С., Крайнов Д.В. Макетный образец вентильного двигателя с постоянными магнитами для привода подводного аппарата // Изв. вузов. Электромеханика. 2012. № 1. С. 43 - 45.
10. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс. М.: Радио и связь, 1988. 128 с.
References
1. Available at: http://www.aktuator.ru/electric_cylinders.shtml (accessed 14.09.2017).
2. Available at: http://electrocylinder.ru/o-nas/booklets/booklet3.pdf (accessed 14.09.2017).
3. Abdrakhmanov A.A., Safin G.G. Aktuatory- - kak al'ternativa gidro- i pnevmoprivodu [Actuators - as an alternative to hydraulic and pneumatic drive]. Available at: http://technology.snauka.ru/2016/12/11482 (accessed 14.09.2017).
4. Shevchenko A.F. Magnitodvizhushchie sily odnozubtsovykh drobnykh obmotok s q < 1 [Magnetomotive forces of single-tooth fractional windings with q <1]. Nauchnyi vestnikNGTU, 1996, no. 2, pp. 99-110. (In Russ.)
5. Shevchenko A.F. Mnogopolyusnye sinkhronnye mashiny s drobnymi q<1 zubtsovymi obmotkami s vozbuzhdeniem ot postoyannykh magnitov [Multipole synchronous machines with fractional q <1 tooth windings with excitation from permanent magnets]. Elektrotekhnika = Electrical Engineering, 2007, no. 9, pp. 3-8. (In Russ.)
6. Shevchenko A.F., Mizevich V.V., Novokreshchenov O.I., Komarov A.V. Bezreduktornyi elektromekhanicheskii usilitel' rulevogo upravleniya legkovykh avtomobilei [Gearless electromechanical power steering of cars]. Elektrotekhnika = Electrical Engineering, 2007, no. 9, pp. 32-35. (In Russ.)
7. Available at: https://pdfs.semanticscholar.org/1250/d84e08a600bfad3d23417a3b75ba25ae45ed.pdf (accessed 14.09.2017).
8. Pakhomin L.S. Polevaya komp'yuternaya model' ventil'nogo dvigatelya s postoyannymi magnitami dlya optimizatsionnogo proektirovaniya [Field computer model of a synchronous motor with permanent magnets for optimization design]. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Elektromekhanika = Russian Electromechanics, 2010, no. 3, pp. 79-80. (In Russ.)
9. Pakhomin S.A., Pakhomin L.S., Krainov D.V. Maketnyi obrazets ventil'nogo dvigatelya s postoyannymi magnitami dlya privoda podvodnogo apparata [A model of a synchronous motor with permanent magnets for driving a submersible vehicle]. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Elektromekhanika = Russian Electromechanics, 2012, no. 1, pp. 43-45. (In Russ.)
10. Bandi B. Metody optimizatsii. Vvodnyi kurs [Optimization methods. Introductory course]. Moscow, Radio i svyaz', 1988, 128 p.
Поступила в редакцию /Received 20 сентября 2017 г. / September 20, 2017
