CC BY
63
УДК 621.313.8 ББК 31.261.2
В.А. НЕСТЕРИН, ВС. ГЕНИН, Р.А. РОМАНОВ, ДА. ТОКМАКОВ, А.В. ЩЕРБАКОВ, С.А. ЮНИН, Э.М. АРТЫКАЕВА, Р Ф. ЯРЫШ
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СВЕРХМИНИАТЮРНЫХ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Ключевые слова: сверхминиатюрный двигатель, вентильный двигатель, редкоземельный магнит, поликапиллярная структура, конструкция.
Приведен краткий обзор областей применения и дан анализ существенных конструктивных особенностей миниатюрных и сверхминиатюрных двигателей. Показаны общие, свойственные таким электродвигателям особенности характеристик. Представлена оригинальная конструкция сверхминиатюрной вентильной машины со статором в виде полого стеклянного цилиндра с поликапиллярной структурой, возбуждением от постоянных магнитов. Отсутствие стального сердечника способствует снижению «паразитных» пульсаций электромагнитного момента двигателя. Предложенные технические решения должны способствовать повышению показателей надёжности двигателя.
Область применения сверхминиатюрных электродвигателей достаточно обширна. Это, например, медицинское оборудование, приводы в системах измерения электронных и туннельных микроскопов, приводы миниатюрных сборочных роботов и манипуляторов, исполнительные механизмы в бытовой технике и др. [4, 8-10, 13]. Основными требованиями, предъявляемыми к таким двигателям, является минимизация размеров и массы при сравнительно умеренных требованиях к электромеханическим параметрам.
Например, в устройствах контроля печатных плат возникла необходимость в использовании сверхминиатюрных электродвигателей для перемещения диагностического оборудования качества пайки элементов. Необходимость обусловлена уменьшением размеров пассивных элементов (резисторов, конденсаторов и пр.), увеличением плотности их размещения и более высокой точностью позиционирования. Сверхминиатюрные электродвигатели и приводы на их основе используются в качестве исполнительного механизма для зондирующего щупа или управления видеокамерой в системе «летающей матрицы» [6, 14]. Применение сверхминиатюрных электродвигателей позволило уменьшить энергопотребление и понизить массогабаритные показатели диагностического оборудования.
Сверхминиатюрные электрические двигатели и приводы на их основе используются в фармацевтическом и лабораторном медицинском оборудовании, в системах точного позиционирования и дозирования лекарственных препаратов и веществ [8]. Например, в протезе кисти руки bebonic3 компании RSLSteeper используется 14 микродвигателей, из них 9 электродвигателей должны иметь сверхмалые размеры [10].
Микродвигатели нашли применение в диагностическом оборудовании трубопроводов небольшого поперечного сечения. Сложность диагностики подобных трубопроводов заключается в том, что часто отсутствует возможность проведения внешнего визуального осмотра и использования традиционных систем дефектоскопии. Так, новая система диагностики компании
РаиШаЬег представляет собой робототехнический комплекс, использующий 9 микродвигателей постоянного тока. Ранее в системе внутренней диагностики трубопровода для осуществления питания и связи с оператором использовался жгут из электрических кабелей диаметром 39 мм. Преимущества нового диагностического оборудования на основе сверхминиатюрных двигателей заключаются в следующем:
- возможность диагностики трубопроводов малого сечения;
- расширение функциональных возможностей, связанных с большей степенью свободы перемещения по трубопроводу;
- низкие показатели энергопотребления;
- повышенные характеристики транспортабельности и мобильности [13].
Сверхминиатюрные электродвигатели
достаточно широко используются в авиамоделировании, робототехнике [11] и даже в бытовой технике. Например, массовое применение сверхминиатюрных электродвигателей наблюдается в качестве исполнительного механизма системы вибрационного оповещения сотовых телефонов (рис. 1).
При традиционных конструктивных решениях, на основе которых построены машины средней мощности, ротор электродвигателя представляет собой шихтованный сердечник из листов электротехнической стали [12].
На статоре электродвигателя располагается постоянный магнит. На валу расположен коллекторный узел для подачи напряжения на обмотку ротора. Щётки коллекторного узла расположены на заднем щите, изготовленном из полимерного материала. В качестве подшипника скольжения используется с одной стороны сам щит, с другой -роль подшипника играет латунная втулка.
Другим распространённым конструктивным решением является обращённая электрическая машина, устройство которой показано на рис. 2 [12].
Ротор двигателя представляет собой полый вал, вращающийся вокруг постоянного магнита, расположенного на корпусе неподвижного статора. По всей длине статора расположена латунная втулка, используемая в качестве подшипника скольжения. Подобное решение позволяет существенно снизить биение вала.
Конструктивное решение располагать обмотку на роторе позволяет эффективно решить проблему намотки катушечных групп, но при этом снижает ресурс работы микродвигателя за счёт появления в конструкции коллекторного узла.
Рис. 1. Сверхминиатюрный двигатель системы вибрационного оповещения сотовых телефонов
Рис. 2. Обращенная электрическая машина
Основным недостатком рассмотренных конструкций является большое количество сборочных единиц и деталей в составе электродвигателей. Второй недостаток - ограниченность возможностей миниатюризации.
Помимо рассмотренных конструктивных схем в сверхминиатюрных электродвигателях получили применение новые оригинальные технологии. Это МБМ8-технология [5] - технология напыления механических элементов конструкции и системы привода на кремниевую подложку и технология микролитографии [1] для создания обмотки статора. Существенным недостатком этих технологий является их сложность.
Главной конструктивной особенностью разработанного авторами сверхминиатюрного вентильного электродвигателя (СМВЭД) является то, что статор и его обмотки изготовлены с применением стекловолоконной технологии с поликапиллярной структурой.
По этой технологии статор изготавливается из стекла методом вытягивания из расплава трубки с поликапиллярной структурой, перетягивания преформ и спекания. Для создания отверстий растворимые стекла поликапиллярной структуры подвергаются химической и механической обработке, образовавшиеся отверстия заполняются проводящими металлами или материалами со специальными свойствами. В вакууме наносятся покрытия на трущиеся конструктивные элементы с целью уменьшения коэффициента трения. Технология позволяет изготавливать стеклоструктуры с геометрией любой сложности [2, 7].
Применение стеклянных трубок применительно к этой технологии позволило разработать новую конструкцию бесконтактного магнитоэлектрического двигателя с предельными минимальными размерами диаметра статора 1,8 мм.
На рис. 3 показано устройство СМВЭД.
; ¿> 7 2 3 6 5 7 8
Рис. 3. Устройство СМВЭД: 1 - вал; 2 - корпус статора; 3 - балансировочные шайбы; 4 - передний щит; 5 - задний щит; 6 - обмотка; 7 - соединительные дорожки обмоток статора;
8 - выводные концы обмотки
Диаметр рассматриваемого СМВЭД составляет 4 мм, а длина вместе с выводным концом ротора - 12 мм. Балансировочные шайбы 3 применяются для уменьшения биения ротора в горизонтальном направлении. На вал 1 крепится двухполюсный цилиндрический постоянный магнит. Он фиксируется в вертикальном положении с помощью переднего 4 и заднего 5 щитов, вид которых показан на рис. 4. Щиты представляют собой кольца, которые могут быть выполнены из любого твёрдого немагнитного материала с нанесением
на него токопроводящих дорожек. Малые размеры СМВЭД исключают возможность использования традиционных подшипников, их роль в качестве подшипников скольжения выполняют сами щиты.
Маловитковая распределенная обмотка статора представляет собой проводников из свинцово-оловянистого припоя, заполняющего микроскопические капиллярные отверстия в тонкой стеклянной цилиндрической трубке с поликапиллярной структурой. Получаемые таким образом проводники соединяются между собой в обмотку токопроводящими дорожками на поверхностях щитов. К внешней стороне заднего подшипникового щита подводятся выводные концы обмотки 8 (см. рис. 3).
Для образования га-фазной обмотки количество проводников статора должно определяться формулой:
Zl = 2 р ■ т ■ д (1)
где 2 р - число полюсов ротора; т - число фаз обмотки статора; д - число проводников на полюс и фазу.
11
С:1
0.2
2
а
б
Рис. 4. Щиты подшипниковые: а - передний щит; б - задний щит
Учитывая, что число полюсов ротора для скоростных машин целесообразно выбирать равным двум (2р = 2), а число д - целым (1, 2, 3 и т.д.), то г1 может принимать значения: 6, 12, 18, 24 и т.д.
Современные технологические возможности позволяют изготавливать поликапиллярные стеклянные трубки достаточно малых диаметров (2-3 мм и менее) с числом отверстий г1, равным 12 и более, что, в свою очередь, позволяет пропорционально увеличивать ЭДС микромашины и напряжение пита-
ния при заданной частоте вращения ротора в соответствии с выражением для действующего значения ЭДС фазы обмотки статора:
Е = 2,22 / •Фи1 • (2)
т • р
Р • п
где /1 =- - частота электрического тока в проводниках обмотки; п - час-
60
тота вращения ротора, об/мин; Фт1 - амплитуда магнитного потока полюса, созданного намагниченным ротором и сцепленного с фазной обмоткой статора; т - число фаз статора; р - число пар полюсов ротора; к01 - обмоточный коэффициент.
Система возбуждения СМВЭД представляет собой цилиндрический диаметрально намагниченный ротор из высококоэрцитивного магнитотвер-дого материала [3, 4].
Как следует из выражения (2), ЭДС обмотки и частота вращения ротора определяются значением магнитного потока Фт1, который, в свою очередь, может быть найден на основании расчета магнитного поля, созданного намагниченным ротором. Согласно этому можно записать
__2-п,
Ф = | Вг • йъ = ¡ъ | Вг • г • й а
5 0 (3)
где ¡ъ - длина активной части ротора; г - радиус цилиндрической поверхности 8, проходящей через оси проводников обмотки статора; Вг - радиальная составляющая индукции магнитного поля в зоне расположения проводников обмотки статора.
На основании электромагнитного расчёта определены базовые параметры и конструктивные размеры СМВЭД.
Изготовлены макетные образцы. Габаритные размеры СМВЭД и его основные характеристики, полученные по результатам испытаний макетных образцов в генераторном режиме, представлены в таблице.
Основные характеристики СМВЭД
Характеристика Значение
Номинальное напряжение 3 В
Длина активной части ротора 8 мм
Внешний диаметр ротора 1,8 мм
Масса 1,3 г
Диапазон регулирования скоростей 0 - 5400 об/мин
Номинальная момент до 0,09 мН-м
Выводы. 1. Современная мехатроника и робототехника нуждаются в сверхминиатюрных электрических машинах. Область применения таких двигателей и приводов на их основе весьма широка - от медицинского оборудования до систем измерения в электронных и туннельных микроскопах, приводах манипуляторов роботов, исполнительных механизмах в технологическом оборудовании и бытовой технике. Основными требованиями, предъяв-
ляемыми к таким двигателям, является минимизация размеров и массы, при сравнительно умеренных требованиях к электромеханическим параметрам.
2. Представлена оригинальная конструкция сверхминиатюрной вентильной машины со статором в виде полого стеклянного цилиндра с поликапиллярной структурой и возбуждением от постоянных магнитов. Поликапиллярная стекловолоконная технология позволяет минимизировать массогабарит-ные показатели двигателя, повысить технологичность и устойчивость к воздействию агрессивных сред. Отсутствие стального сердечника способствует снижению пульсаций электромагнитного момента двигателя.
3. Ротор, изготовленный из постоянного магнита цилиндрической формы, позволяет исключить из конструкции двигателя наиболее износостойкий элемент конструкции - щёточный узел. Безвекторный алгоритм управления позволяет исключить необходимость использования датчика положения ротора и использовать минимальное количество деталей в конструкции двигателя. Предложенные технические решения должны способствовать повышению показателей надёжности двигателя.
Литература
1. Анненков В.А., Беспалов В.Я., Шиянов А.И. Проектирование и технология изготовления микроэлектромеханических устройств // Электричество. 2012. № 12.
2. Белоглазов В.И., Суховеев С.П., Суетин Н.В. Создание микронных и субмикронных трехмерных структур с использованием стекловолоконных технологий, mhtml [Электронный ресурс]. URL: http://www.microsystems.ru/files/publ/3.htm (дата доступа: 14.12.2007).
3. Нестерин В.А. Оборудование для импульсного намагничивания и контроля постоянных магнитов. М.: Энергоатомиздат, 1986. С. 88.
4. Нестерин В.А., Волокитина Е.В. Компоненты интеллектуальных мехатронных модулей. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2014.
5. Самарин А. Миниатюрные линейные пьезоэлектрические двигатели // Компоненты и технологии. 2006. № 10.
6. Способ тестирования печатных плат летающими щупами [Электронный ресурс]. URL: http://www.wonderfulpcb.ru/news/content-168.html.
7. Технология и оборудование для стеклянных структур: сайт компании. URL: http://oootegs.all.biz/info-about.
8. Dauereinsatz in der medizinischen Labordiagnostik. FAULHABER info, 2004, Ausgabe 1.
9. Faulhaber präsentiert neueste Mikro-Antriebssysteme. FAULHABER info, 2003, Ausgabe 2.
10. Innovation. Geht Hand in Hand. FAULHABER info, 2016, Ausgabe 1.
11. Seegen A. Kleinstmotoren bewegen die «Welt». Antriebs & Schalttechnik, 2015, Ausgabe 6.
12. StoltingH.-D. von, Hanser C. Handbuch Elektrische Kleinantriebe. München, Verlag, 2011,
464 S.
13. Zugstarker Kanalroboter mit DC-Kleinmotoren. FAUHLABER info, 2003, Ausgabe 2.
14. Zuverlässige Antriebslösung für Flying-Probe-Systeme. FAUHLABER info, 2003, Ausgabe 2.
НЕСТЕРИН ВАЛЕРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры электромеханики и технологии электротехнических производств, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (v.nstrn@mail.ru).
ГЕНИН ВАЛЕРИЙ СЕМЕНОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (v.s.g.auts.chgu@mail.ru).
РОМАНОВ РОМАН АРТЕМЬЕВИЧ - начальник отдела инновационных разработок, ЗАО «ЧЭАЗ», Россия, Чебоксары (ragnum@mail.ru).
ТОКМАКОВ ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ - технический директор, ЗАО «ЧЭАЗ», Россия, Чебоксары (tokmakov_da@mail.ru).
ЩЕРБАКОВ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - директор, ООО «ТОСС», Россия, Саратов.
ЮНИН СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ - начальник лаборатории электроники, ООО «ТОСС», Россия, Саратов.
АРТЫКАЕВА ЭЛЬМИРА МИДХАТОВНА - кандидат технических наук, доцент кафедры электро- и теплоэнергетики, Альметьевский государственный нефтяной институт, Россия, Альметьевск (85elmira@bk.ru).
ЯРЫШ РАВИЯ ФОАТОВНА - кандидат технических наук, доцент кафедры электро- и теплоэнергетики, Альметьевский государственный нефтяной институт, Россия, Альметьевск (raviyaraviya@rambler. ги).
V. NESTERIN, V. GENIN, R. ROMANOV, D. TOKMAKOV, A. SHCHERBAKOV, S. YUNIN, E. ARTYKAEVA, R. YARYSH
DESIGN FEATURES OF SUBMINIATURE MAGNETOELECTRIC MACHINES
Keywords: subminiature motor, brushless DC motor, rare earth magnet, polycapillary structure, design.
A brief review of the application areas and the analysis of the essential design features of miniature and subminiature motors are given. Characteristics that are general and typical of such electric motors are shown. The original design of the subminiature brushless DC motor with a stator in the form of a hollow glass cylinder of a polycapillary structure is presented. Permanent magnets produce excitation. The absence of the steel core helps to reduce the «parasitic» pulsations of the electromagnetic moment of the motor. The proposed technical solutions should help improve the reliability of the motor.
References
1. Annenkov V.A., Bespalov V.Ya., Shiyanov A.I. Proektirovanie i tekhnologiya izgotovleniya mikroelektromekhanicheskikh ustroistv [Design and manufacturing technology for microelectrome-chanical devices]. Elektrichestvo, 2012, no. 12.
2. Beloglazov V.I., Sukhoveev S.P., Suetin N.V. Sozdanie mikronnykh i sublikronnykh trekh-mernykh struktur s ispol'zovaniem steklovolokonnykh tekhnologii [Creation of micron and sub-three-dimensional structures using fiberglass technologies]. Available at: http://www.microsystems.ru/fi-les/publ/3.htm.
3. Nesterin V.A. Oborudovanie dlya impul'snogo namagnichivaniya i kontrolya postoyannykh magnitov [Equipment for pulse magnetization and control of permanent magnets]. Moscow, Energoa-tomizdat Publ., 1986, p. 88.
4. Nesterin V.A., Volokitina E.V. Komponenty intellektual'nykh mekhatronnykh modulei [Components of intelligent mechatronic modules], Cheboksary, Chuvash State University Publ., 2014.
5. Samarin A. Miniatyurnye lineinye p'ezoelektricheskie dvigateli [Miniature linear piezoelectric motors]. Komponenty i tekhnologii, 2006, no. 10.
6. Sposob testirovaniHa pechatnynh plat letaHushhimi shhupami [Method of testing printed circuit boards flying probe]. Available at: http://www.wonderfulpcb.ru/news/content-168.html.
7. O kompanii Tehnologiya i Oborudovanie dlya Steklyannyh Struktur [Technology and equipment for glass structures: company website]. Available at: http://oootegs.all.biz/info-about.
8. Dauereinsatz in der medizinischen Labordiagnostik. FAULHABER info, 2004, Ausgabe 1.
9. Faulhaber präsentiert neueste Mikro-Antriebssysteme. FAULHABER info, 2003, Ausgabe 2.
10. Innovation. Geht Hand in Hand. FAULHABER info, 2016, Ausgabe 1.
11. Seegen A. Kleinstmotoren bewegen die «Welt». Antriebs & Schalttechnik, 2015, Ausgabe 6.
12. Stolting H.-D. von, Hanser C. Handbuch Elektrische Kleinantriebe. München, Verlag, 2011,
464 S.
13. Zugstarker Kanalroboter mit DC-Kleinmotoren. FAUHLABER info, 2003, Ausgabe 2.
14. Zuverlässige Antriebslösung für Flying-Probe-Systeme. FAUHLABER info, 2003, Ausgabe 2.
NESTERIN VALERY - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Electro-mechanics and Electrotechnical Technologies, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (v.nstrn@mail. ru).
GENIN VALERY - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department Control and Automatic Technical Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (v.s.g.auts. chgu@mail. ru).
ROMANOV ROMAN - Chief of Department of Innovative Developments, JSC «ChEAZ», Russia, Cheboksary (ragnum@mail.ru).
TOKMAKOV DMITRY - Technical Director, JSC «ChEAZ», Russia, Cheboksary.
SHCHERBAKOV ANDREY - Director, LLK «TOSS», Russia, Saratov.
YUNIN SERGEY - Chief of Electronics Laboratory, LLK «TOSS», Russia, Saratov.
ARTYKAEVA ELMIRA- Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Electrical and Thermal Energy, Almetyevsk State Oil Institute, Russia, Almetievsk (85elmira@bk.ru).
YARYSH RAVIYA - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Electrical and Thermal Energy, Almetyevsk State Oil Institute, Russia, Almetievsk.
Ссылка на статью: Нестерин В.А., Генин В.С., Романов Р.А., Токмаков Д.А., Щербаков А.В., Юнин С.А., Артыкаева Э.М., Ярыш Р.Ф. Конструктивные особенности сверхминиатюрных магнитоэлектрических машин // Вестник Чувашского университета. - 2017. - № 3. - С. 115-122.
