CC BY
52
2022 Электротехника, информационные технологии, системы управления № 41 Научная статья
DOI 10.15593/2224-9397/2022.1.09 УДК 621.313.282.3:615.477.21
А.П. Плюснин1, Д.А. Опарин1, А.В. Опарина2
Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Пермь, Россия 2ООО «ЗЕЛЕНЫЙ МИР», Пермь, Россия
РАСЧЕТ ЛИНЕЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ БИОНИЧЕСКОГО ПРОТЕЗИРОВАНИЯ
Рассматриваются бионические протезы и перспективы применения в них линейных двигателей. По ранее установленным требованиям к параметрам предлагаемых к использованию цилиндрических линейных вентильных двигателей проведён расчет, приведены его результаты, построены примерные 30-модели двигателя и его компонентов. Цель исследования: расчет и проектирование управляемого цилиндрического линейного вентильного двигателя для бионического протезирования, использующего в качестве источника питания малогабаритный источник постоянного тока, который можно разместить непосредственно в корпусе протеза. Методы: Расчет выполнялся в среде Mathcad, поскольку использовался итерационный подход для получения необходимых параметров машины. Для построения 30-моделей применялась среда с открытым исходным кодом. Результаты: расчет показал возможность создания цилиндрического линейного вентильного двигателя для использования в приводах бионических протезов. Были получены трехмерные модели двигателя, его компонентов и их расположения в предполагаемом корпусе протеза. Корпус протеза рассчитан на замещение предплечья и кисти. Двигатели пригодны для дальнейшего применения в проектировании протезов и позволяют предварительно оценить расположение двигателей в протезе с целью последующего улучшения компоновки, повышения унификации, ремонтопригодности и потенциально для разработки модульной конструкции с быстро-съемными элементами. Практическая значимость: расчет цилиндрического линейного двигателя малой мощности показал возможность применения данного типа двигателей в приводных механизмах бионических протезов средних размеров с потенциалом к применению в протезах цельной конечности, а также потенциал в дальнейшей миниатюризации и использования таких двигателей в различных исполнительных устройствах.
Ключевые слова: протезирование, бионические протезы, расчёт, электрические машины, линейный двигатель.
A.P. Plyusnin1, D.A. Oparin1, A.V. Oparina2
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation 2 LLC "GREEN WORLD», Perm, Russian Federation
CALCULATION OF A LINEAR MOTOR FOR THE PURPOSE OF BIONIC PROSTHETICS
The article is devoted to bionic prostheses and the prospects of linear drives uses. According to the previously established requirements for the parameters of the proposed for use cylindrical linear valve motors, a calculation was carried out, its results are presented, and the motor approximate 3D models and its components are built. The purpose of the study: Calculation and design of a controlled cylindrical linear valve motor for bionic prosthetics using a small-sized DC source as a power source, which can be placed directly in the body of the prosthesis. Methods: The calculation was performed in the Mathcad environment since an iterative approach was used to obtain the required machine parameters. An open source environment was used to build 3D models. Results: the calculation showed the possibility of creating a cylindrical linear valve motor for use in drives of bionic prostheses. Three-dimensional models of the drive, its components and their location in the proposed body of the prosthesis were obtained. The body of the prosthesis is designed to replace the forearm and hand. The drive are suitable for further use in the design of prostheses and allow a preliminary assessment of the location of the motors in the prosthesis in order to further improve the layout, increase unification, maintainability and, potentially, the development of a modular design with quick-release elements. Practical significance: the calculation of a low-power cylindrical linear motor showed the possibility of using this type of motor in the drive mechanisms of medium-sized bionic prostheses with the potential for use in solid limb prostheses, as well as the potential for further miniaturization and the use of such motors in various actuators.
Keywords: prosthetics, bionic prostheses, calculation, electric machines, linear motor.
Введение
Потеря конечностей является серьёзной проблемой человечества на протяжении всей его истории. Примерно 12 % людей на планете имеют повреждения, затрудняющие социальную жизнь и профессиональную деятельность. Около 390 тысяч людей в год становятся инвалидами по причине потери верхних конечностей [1]. Пытаясь уменьшить негативное влияние травмы, человечество изменяет инфраструктуру городов, адаптирует окружающую среду для лиц с ограниченными возможностями, а также прибегает к помощи искусственных конечностей - протезов. Самые современные протезы используют электрический привод и называются бионическими.
Бионические протезы являются естественным развитием более ранних версий протезов, где приведение в действие подвижных частей протеза осуществлялось за счет усилий самого пользователя и механики. Подобные протезы, первые варианты которых появились ещё
в Древнем Египте, используются до сих пор, являясь наиболее доступным видом протезов.
Однако необходимость больших энергетических затрат от пользователя и далекое от естественного управление делают тяговые протезы скорее временным решением, малоподходящим для постоянного использования.
Наиболее оптимальным ходом на данном этапе технического развития является использования внешних источников энергии, оставляя за пользователем только функцию управления. Управление протезов с внешним источником энергии может осуществляться различными методами, такими как тяги, механическое включение и выключение электрического контакта или перемещение ползунка реостата, однако наиболее предпочтительной является система управления, которая не требует дополнительных управляющих движений и является предельно близкой к управлению естественной конечностью. Таковой является система, в которой в качестве управляющих сигналов используются биоэлектрические потенциалы мышц. В СССР работы по созданию протезов верхних конечностей, управляемых биоэлектрическими сигналами от культи, начались в 1956 г., а в 1961 г. началось их промышленное производство [2].
Современные бионические протезы изготавливаются разных видов, в том числе с косметическими оболочками, призванными имитировать кожные покровы человека. Примером такого протеза может служить протез stradivary, показанный на рис. 1, менее похожий протез кисти bebionic фирмы RSLSteeper [3] показан на рис. 2.
Рис. 1. Протез stradivary фирмы Моторика
Рис. 2. Кисти протеза bebionic фирмы RSLSteeper
В качестве приводов подвижных частей бионических протезов могут использоваться электрические, гидравлические и пневматические приводы, однако ни гидравлика, ни пневматика не получили широкого распространения. Это обусловлено сложностью техобслуживания рабочего тела: необходимость хранения жидкости или газа, их охлаждения, а в случае гидравлики - очищения, и, как следствие, усложняется поиск средств восстановления ресурса автономности привода протеза, увеличиваются сложность и стоимость технического обслуживания. Тем не менее стоит отметить, что пневматика все же имеет место, например, в качестве амортизации для протезов нижних конечностей.
На данный момент можно выделить следующие предназначенные для использования в протезах электромеханические кисти, представленные на рынке: Bebionic производства RSLSteeper, i-limb, производства Touch Bionics и Michelangelo производства Ottobock [4, 5]. Данные протезы имеют в виде движителей электрические машины вращения, таким образом, имеет смысл рассматривать электрические приводы как наиболее перспективные, так как они не требуют специального обслуживания рабочего тела, имеют достаточно высокий КПД и малые габариты.
В бионическом протезировании используются различные типы электрических двигателей. Линейные электрические двигатели имеют такой же тип движения, как и человеческие мышцы, что позволит сделать движение наиболее естественным. Существует разработка open bionix, которая использует линейные актуаторы PQ12-63-12-P Linear Actuator на каждый палец, однако мощность таких линейных актуато-ров невелика, и предлагается разработать более мощные двигатели и способы их расположения [6]. Существует также разработка, использующая линейные актуаторы для передачи движения посредством кабелей, но используются слишком крупные двигатели, не приспособленные для установки в автономные протезы [7]. Предполагаемое расположение двигателей в гильзе протеза можно увидеть на рис. 3.
Рис. 3. Схематичная 3D-модель, показывающая расположение двигателей в гильзе протеза
Расчет развиваемого усилия, исходя из предварительно
выбранных данных
Для расчета была принята адаптированная методика А.Д. Коро-таева, в которую были внесены изменения, позволяющие применить её к малогабаритным машинам [8]. Данная методика позволяет рассчитать небольшие цилиндрические линейные двигатели с постоянными магнитами, работающие в синхронном режиме. Фактически это позволит управлять линейными двигателями в шаговом режиме, что обеспечит нам необходимую точность позиционирования. Приняты следующие допущения:
- ориентировочная длина хода штока должна составлять не менее 30 мм, чтобы сымитировать сокращение мышцы человека;
- предполагаемое линейное усилие выбирается эмпирическим методом, после чего корректируется в случае превышения контролируемых параметров двигателя;
- предварительное количество витков, зубцовое деление и ток выбираются эмпирическим методом, в случае необходимости корректируются путём итерационного расчёта;
- габаритные размеры двигателя приняты, исходя из частного случая внутреннего объема корпуса протеза, который от пользователя к пользователю будет меняться.
Примем предварительные данные для расчета двигателя, показанные далее в таблице, вид расчетной модели представлен на рис. 4, а на рис. 5 изображен реальный вид магнита вторичного элемента проектируемого двигателя. В качестве постоянного магнита принят спеченный КёБеБ (неодим-железо-бор) магнит. Материал магнита выбран по ТТУ - НЖБ-50Н. [9, 10]
ООООООСХХЮОООООООООСХХХХХХХХХЮ
) а
ж Ш| 1|| 9 ш
ь
Рис. 4. Вид расчетной модели
Линейное усилие двигателя можно определить по формуле (1)[7]: Г = а • п • В • (Я2 + 5) • 1тоА • А, (1)
где А - линейная токовая нагрузка, а - полюсной коэффициент, определяемый по формуле:
а = (2)
Задавшись предварительным количеством витков, зубцовым делением и током, можно рассчитать линейную токовую нагрузку:
А= —= 5,22 2 • 1 0 3 ■ (3)
Также линейную токовую нагрузку можно определить, задаваясь мощностью и индукцией в зазоре:
д =_^__(4)
а-^-Впред-(02+5)-гт0й'
По формуле (5) рассчитаем длину магнита при переходе к декартовой системе координат. Магнит в декартовой системе координат представлен на рис. 4.
1ср = 0,5 (йт + йт)п = 0,022. (5)
Высота магнита составит:
ат = 0,5 (йт -йт) = 5- 10_3. (6)
Предварительные данные для расчета двигателя
Параметр Обозначение Значение
Предварительное линейное усилие 1 пред 15 Н
Полюсное деление индуктора т 410-3 м
Зубцовое деление индуктора и 1,35-10-3 м
Длина индуктора lmod 8110-3 м
Диаметр магнита вторичного элемента от 12,510-3 м
Диаметр вторичного элемента D2 12,510-3 м
Диаметр двигателя ^ 2540-3 м
Ширина магнита вторичного элемента Ь 2,5^10-3 м
Ширина полюса вторичного элемента Ьъ 5 • 10-3 м
Внутренний диаметр магнита вторичного элемента dm 2-10-3 м
Размер воздушного зазора 5 0,25^10-3 м
Остаточная индукция магнита [8] Вг 1,47 Тл
Остаточная напряженность магнита [8] Но 1035 103 А/м
Предполагаемое количество витков в пазу катушки индуктора т 15
Предполагаемое зубцовое деление 1,35^10-3 м
Предполагаемый номинальный действующий ток I 0,47 А
Длина воздушного зазора может быть определена так:
1=п-(02 + 5) = 0,041. (7)
Теперь рассчитаем магнитное сопротивление в воздушном зазоре:
д5 = = 8,023 -106. (8)
5 Но-Ь-1 К '
Площадь поперечного сечения магнитов будет вычисляться по формуле [11]:
ср (9)
Рассчитывается магнитное сопротивление в магнитах вторичного элемента [12]:
^=^7^ = 6,40 3-107. (10)
Рис. 5. Реальный вид магнита ЦЛВД
Рис. 6. Магнит в декартовой системе координат Определяем МДС магнита:
¿т = Я0-/1т = 5 . 1 7 5-1 03. (11)
Тогда, исходя из схемы замещения, можно записать уравнение:
ф 5 = 1гЬг = 7, 1 8 2 -1 0 - 5. (12)
Кщ+К 5
Рассчитываем площадь полюса:
5пол = Ь • / = 9,924 • 1 0 - ^ (13)
Тогда с учетом (13) усредненная индукция в зазоре двигателя будет определяться так:
Вср = 2^ = 1,447■ (14)
• пол
С учетом полученных значений пересчитаем тяговое усилие, развиваемое двигателем, подставив в (1) значение, полученное в (14) [13, 14]:
Г = а • п • В • (И2 + 5)• Iт0А • А = 1 4, 7 1 4 ■ (15)
Расчет пазов индуктора
Итоговое усилие, развиваемое двигателем, достаточно близко к заявленному. Теперь необходимо проверить допустимость заявленных в начале количества витков и размеров паза. Паз индуктора представлен на рис. 7 [15].
Рассчитаем высоту паза без учета шлица по формуле:
кп = ——---—:-= 5, 6 5 • 1 0 3. (16)
Вычислим ширину паза без учета ширины зубца [16]:
Ьп = ^-0,3 5 • 1 0 - 3. (17)
Таким образом, по следующей ниже формуле можно получить площадь паза, в которую будет укладываться обмотка индуктора:
5п = Лп-Ьп = 5, 6 5 -1 0 - 6. (18)
Для обмотки выберем высокопрочный медный провод с эмалевой изоляцией марки ПЭТВ. Согласно ГОСТ 26615-85, предварительно выберем допустимый диаметр неизолированного провода, равный 0,4 мм, при диаметре изолированного провода 0,5 мм [17].
С учетом данных размеров площадь поперечного сечения медной части проводника будет определяться по формуле:
<7=~тс= 1,2 5 7 • 1 0 - 7 , (19)
где ё - диаметр неизолированного провода.
Теперь можно рассчитать коэффициент заполнения паза медью по формуле:
Кт = ^ = 0, 3 34. (20)
п
Рис. 7. Паз индуктора двигателя
Рис. 8. Паз индуктора двигателя с расположенной нём обмоткой
Коэффициент заполнения паза обмоткой же будет рассчитываться так:
К2 =
= 0,746,
где диз рассчитывается как
а2
"-из
= ^ •тс = 1,63 • 10"
4
(21)
(22)
где ёиз - диаметр изолированного провода.
Обычно коэффициент заполнения паза медью обмоткой из круглого провода с эмалевой изоляцией составляет около 0,3, коэффициент же заполнения паза обмоткой составляет 0,7-0,75 [18].
Таким образом, при предварительной толщине изоляции паз недостаточно заполнен. Принимая диаметр изолированного провода равным 0,53 мм, после повторных вычислений получим коэффициент заполнения паза, равный 0,746. Паз с расположенной в нём обмоткой показан на рис. 8.
Расчет сопротивлений машины
По формулам (23) и (24) определим продольную и поперечную индуктивности двигателя [19]:
Ьн =
ъ-р-Кфа
+ 1тоА • Лп = 0,013;
(23)
п
из
Iц = "Г^ + 2 р - Но - Ж -1т0„ - Ап = О, О 1 3 . (24)
ТТ-р-Кфд
В уравнениях (23) и (24) коэффициенты имеют расшифровки, представленные далее.
Число витков одной фазы обмотки индуктора:
Ж = 2 р - И^. (25)
Обмоточный коэффициент вычисляется по формуле:
/¿об = ^¿Г1 = О,668, (26)
2
где у - коэффициент покрытия индуктора обмоткой, принятый примерно равным 0,95.
Коэффициент формы потока можно определить по формуле:
Т2 1_|у
*Ф=Т 67 7■ (27)
Коэффициент магнитной проводимости воздушного зазора рассчитывается по формулам [20]:
= 73'10"6, (28)
Ki = Г1Г7 • fc«i = 1373 • 10-6. (29)
В формулах (28) и (29) коэффициент воздушного зазора равен единице (ks = 1), так как одна из сторон воздушного зазора зубчатая, другая гладкая, а вентиляционных каналов нет. Длина воздушного зазора совпадает с длиной индуктора (4 = /mod). Коэффициенты насыщения машины по продольной и поперечной осям равны между собой и равны 1,2 (km = k^d = 1,2). Коэффициенты формы поля по продольной и поперечной осям равны 1 в связи с равномерностью зазора (kaq = kad = 1) [21].
Коэффициент магнитной проводимости паза рассчитывается по формуле [20]:
Лп = 0, 6 2 + = 2, 50 3^ (30)
Зная индуктивность, можно рассчитать индуктивные сопротивления по формулам [22]:
Xd = 2Tt-/-L (31)
Xq = 2 и • / • L(32)
На основе векторной диаграммы, представленной на рис. 9, находятся проекции напряжения на оси ё и представленные ниже:
//•5 1 п ( 0) =/^-/¿т; (33)
/ • с о 5 ( 0) + + (34)
Рис. 9. Схематичная векторная диаграмма ЦЛВД Для расчета напряжения необходимо рассчитать кроме прочего активное сопротивление обмотки индуктора и ЭДС холостого хода. Средняя длина провода в катушке:
Iи^=Аср 1 • И • ИЪ = 1,0 3 7, (35)
где Бср1 рассчитывается согласно формуле:
(36)
0тЛ = = о,022.
сР 1 2
Рассчитывается общая длина обмотки индуктора:
¿инд = Iи • 2 р = 2 0,7 3 5. (37)
Активное сопротивление обмотки индуктора определяется по формуле:
г
1 6 8 • 1 о " 8- ги
ч
= 2,772,
(38)
где 1,68-10 - удельное сопротивление меди.
ЭДС холостого хода зависит от скорости вторичного элемента и вычисляется по формуле:
Яо = 4,44 • И • Фм • /Соб • /, (39)
где Фм определяется так:
Фм = 5ср • тг • \ • £>2 = 1, 1 5 1 • 1 0 "4. (40)
Проекции токов в уравнениях напряжений можно вычислить:
2т-/ m-E0-F
Ia = (41)
Ч -VM.C- .С v ^
Id = ^^Ц- (42)
Теперь по формуле на основе проекций (33) (34) получим напряжение:
U = V (U • sin (0) ) 2 + (U • eos (0) ) 2. (43)
Выражение (43) можно переписать следующим образом:
U = V ( Iq • - Id • г)2 + (Id •Xd +Iq т+ Я0 ) 2. (44)
Электромагнитное усилие, действующее на вторичный элемент в синхронном режиме, определяется так:
Г _ рэм _ m • £0 • I • с о s ф . .
= Т = 2т •/ . (45)
Расчет потерь
Зная сопротивление обмотки индуктора и протекающий по ней ток, можно рассчитать потери на нагрев обмоток по формуле:
Д Роб = г •I2. (46)
Зададимся данными массы, полученными из модели проектируемого двигателя. Масса зубца mz = 0,000939 кг, масса спинки индуктора ma = 0,007237 кг, масса полюса вторичного элемента тп = 0,004669 кг. Общая масса зубцов индуктора и полюсов вторичного элемента рассчитывается по формулам соответственно [23].
Mz = mz • z = 0,056. (47)
Мп = тп • 5 = 0,02 3. (48)
Индукция в зубце индуктора вычисляется согласно выражению:
5z = lVt»'Imod = 5,583 . (49)
(tz Ьп) ¿mo d
Индукция в спинке индуктора вычисляется согласно выражению (50).
= «-Дер -Т-Вср! = 5,024. (50)
а 2 -0, 35 - 10"3 -Оср1 4 '
Индукция в полюсе вторичного элемента определяется по формуле:
Вп = 5ср - ф+Пт) - 1 т 0 " = 2 , 1 5 1 . (51)
^т - I т о с1
0.5
0.6
^(Т ,0.4) 11 (Г .0.5) т^.О.б)0-4
о.:
-— — —---
/. -- /
м к ?
О 10 20 30 40 50
Рис. 10. Зависимость КПД от питающего напряжения при разных токах
%.2 0.4 0.6 0.8 1 12
I
Рис. 11. Зависимость развиваемого усилия от тока индуктора
Потери в стали зубцов можно определить по уравнению [24]:
Д Р2 = р-В22-(£) 1 3 - М2. (52)
Потери в стали спинки индуктора:
Д Ра = р^(£) 1 . 3-жа. (53)
Потери в стали полюсов вторичного элемента:
Д Ри = р •#•(£) 1 3-Мп . (54)
Механические потери АРмех = 0,7Р Вт, а добавочные потери вычислим по формуле:
ДРдоб = 0,005Р, (55)
где Р - потребляемая двигателем мощность, которая определяется по выражению:
Р = т • / • / • с о б ф . (56)
Рассчитаем суммарные потери по формуле:
2 ДР = Д Роб + Д Р2 + Д Ра + Д Рп + Д Рмех + Д Рдоб. (57) КПД двигателя можно вычислить по формуле [25]:
Л = рм (58)
На рис. 10 представлена зависимость КПД от частоты питающего напряжения при разных токах [25].
На рис. 11 представлена зависимость развиваемого двигателем усилия от тока в индукторе [25].
Тепловой расчет
Рассчитаем удельный тепловой поток на единицу цилиндрической внутренней поверхности индуктора:
ДРоб • 'т 0 " +ДРа+ДР2+ДРмех 0 =- ср1 ,5- (59)
чс тт(02+2-0,35-10"3)гтос1 ■ 4 у
Превышение температуры охлаждаемой поверхности индуктора над температурой воздуха можно получить по формуле:
Дипов = . (60)
пов ссг(1+2 •Т/) 4 '
где а1 - коэффициент теплоотдачи, равный 80 Вт/(°С-м ), К - коэффициент, учитывающий, что часть тепла снимается корпусом и отдаётся в окружающую среду, принятый равным 0,5.
Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой воздуха снаружи определяется так:
ЕДР1
=
S ■а
^кор ^в
(61)
где ав - коэффициент подогрева воздуха, принятый равным 15 Вт/(°С-м ), £кор - площадь поверхности корпуса, ЕАР1 вычисляется по выражению:
'mod
ЕАР1=ЕАР-(1-^)-(дРоб •
+ ДР7 + АРп + AR
(62) (63)
Определяем площадь корпуса двигателя:
^кор = + 2 • 10"3) • (/той + 3 • 10"3) =
На рис. 12 представлены зависимости превышения температуры охлаждающей поверхности индуктора над температурой воздуха от частоты при разных токах.
Рис. 12. Зависимости превышения температуры охлаждающей поверхности индуктора над температурой воздуха от частоты при разных токах
На рис. 13 отображена зависимость превышения температуры воздуха внутри двигателя над температурой воздуха снаружи от частоты при разных токах.
20
15
.0.4)
Дува.О.б)10 Див^ Д7)
У У
•V . V.-
у* .'/'■■у
О 10 20 30 40 50
I
Рис. 13. Зависимость превышения температуры воздуха внутри двигателя над температурой воздуха снаружи от частоты при разных токах
Результаты
В результате расчета был спроектирован линейный цилиндрический вентильный двигатель. Диаметр индуктора составил 25 мм, длина индуктора составляет 81 мм. Развиваемое двигателем усилие соответствует необходимому и составляет 14,7 Н при токе 0,47 А. Графики развиваемого двигателем усилия, КПД и температур были представлены.
Зависимость усилия, развиваемого двигателем от тока обмотки индуктора, и зависимость КПД от тока позволяют сделать предположение, что целесообразной будет разработка системы управления, которая позволит изменять частоту питающего напряжения и ток в обмотке индуктора. В таком случае помимо изменения скорости движения вторичного элемента и, как следствие, пальцев пользователь получит возможность изменять развиваемое двигателем и пальцами усилие и КПД.
В промежутки времени, когда отсутствует необходимость удержания протезом чего-либо, целесообразным будет снизить развиваемое усилие удержания путем уменьшения тока обмотки индуктора. Это позволит снизить потери в обмотке, тем самым увеличив КПД, что положительно отразится на времени автономной работы [26].
В то же время возможен обратный вариант, когда необходимо удержание или перемещение протезом чего-либо с достаточно большой массой. В этом случае можно кратковременно увеличить ток в обмотке индуктора, тем самым увеличив развиваемое двигателем усилие. КПД соответственно снизится, но допустимо предположить, что в некоторых случаях развиваемое усилие приоритетнее КПД. Температура при увеличении усилия возрастёт, однако в случае кратковременного увеличения не будет значительно превышать номинальную [27].
Общий вид построенной 3D-модели индуктора представлен на рис. 14. Медным цветом обозначена обмотка, соответствующая диаметром изолированной обмотке. Индуктор состоит из пазов с обмоткой, 3D-модель которых показана на рис. 15. Вырезы на спинке индуктора необходимы для выводов обмоток, которые на данных 3D-моделях не обозначены [28]. Модель вторичного элемента представлена на рис. 16, где серым цветом обозначены полюса, а черным - постоянные магниты. Светлосерый элемент в центре - немагнитная труба, на которую насаживаются полюса и магниты.
Рис. 14. 3Б-модель индуктора двигателя
Рис. 15. 3Б-модель паза индуктора с обмоткой
Рис. 16. 3Б-модель вторичного элемента двигателя
Рис. 17. 3Б-модель расположения вторичного элемента в индукторе двигателя
Расположение вторичного элемента внутри индуктора можно увидеть на рис. 17.
Спроектированный двигатель предполагается применять в приводах бионических протезов верхних конечностей, в частности, - для приведения в движение пальцев кисти. Однако, учитывая, что движение большинства мышц в теле человека имеет линейный характер, то применение линейных двигателей оправданно и в других приводах, как, например, в полных протезах руки или протезах нижних конечностей, также возможно их использование в других отраслях, например при создании автоматизации теплиц в растениеводстве, при автоматизации в шлифовальных станках, приводах ЧПУ станков, в исполнительных механизмах нефтяной, газовой и авиационной промышленности.
Следует отметить, что для применения цилиндрического линейного вентильного двигателя в приводах других разновидностей протезов его целесообразно масштабировать, так как размер, во многом ограничиваемый объёмом внутреннего пространства протеза, можно изменить, тем самым увеличив развиваемое двигателем усилие, площадь охлаждающей поверхности и КПД.
Также спроектированный ЦЛВД можно применять в приводах активных экзоскелетных систем, так как они имеют схожие с протезами требования к характеру движения, повторяющего таковое мышц опорно-двигательной системы человека. В данном случае двигатель так же целесообразно масштабировать, если не использовать его в качестве привода усиления пальцев. Это обусловлено менее жесткими размерными ограничениями, обоснованными отсутствием необходимости расположения двигателей внутри корпуса, повторяющего очертания человеческого тела. Однако некоторые ограничения всё же остаются, чтобы избежать чрезмерного увеличения размеров и массы экзоскелета, что затруднит работу оператора и может привести к травмам.
Применение его в приводах манипуляторов также допустимо. В данном случае требования, накладываемые на размер и развиваемое усилие, могут варьироваться в зависимости от размеров самого манипулятора и его назначения.
Спроектированный двигатель соответствует заявленным требованиям, а именно:
- двигатель имеет цилиндрическое исполнение;
- у него достаточно высокая точность позиционирования;
- достаточно малый вес двигателя;
- длина хода вторичного элемента составляет 40 мм, что укладывается в установленные рамки;
- длина индуктора составляет 81 мм, диаметр же - 25 мм. Данные размеры не выходят за рамки допустимых значений;
- использование корпуса, закрывающего индуктор, позволит добиться необходимой степени пыле- и влагозащиты;
- в ходе работы двигатель не перегревается.
Заключение
В ходе работы был спроектирован линейный цилиндрический двигатель, специально предназначенный для использования в приводах бионических протезов верхних конечностей, отвечающий основным требованиям, предъявляемым к нему в области применения.
Предполагается его использование в составе привода для приведения в движение пальцев бионического протеза кисти путем смещения вторичного элемента, тем самым имитируя естественное сокращения мышц человека. Размещение двигателей, в зависимости от уровня ампутации и формы культи, возможно как непосредственно в самой кисти, так и в предплечье.
В дальнейшем следует разработать систему управления спроектированным двигателем, в частности, аппаратное обеспечение, которое будет отвечать за интерпретацию полученных от пользователя сигналов. Система должна быть достаточно быстрой и точной, чтобы вызывать у пользователя как можно меньше ощущение чужеродности конечности. Необходимо выбрать источники питания, дающие необходимое время автономной работы протеза и имеющие соответствующий ресурс работы.
Библиографический список
1. Рудьковский Д.Н., Кан Д.В. Анализ рынка современных бионических протезов // Молодежь и современные информационные технологии: сб. тр. XV Междунар. науч.-практ. конф. студ., аспир. и молод. учёных (Томск, 4-7 декабря 2017 г.). - Томск: Изд-во Нац. исслед. Томск. политехн. ун-та, 2017. - С. 272-273.
2. Славуцкий Я.Л. Физиологические аспекты биоэлектрического управления протезами. - М.: Медицина, 1982. - 288 с.
3. Bebionic User Guide [Электронный ресурс]. - URL: https://www.ottobockus.com/media/local-media/prosthetics/upper-limb/files/ 14112_bebionic_user_guide_lo.pdf (дата обращения: 10.05.2021).
4. I-Limb Ultra [Электронный ресурс]. - URL: https://media.ossur.com/ image/upload/v 1573570126/product-documents/en-us/PN20267/catalogs/PN20 267_i-Limb_Ultra.pdf (дата обращения: 10.05. 2021).
5. Протезирование. Верхние конечности [Электронный ресурс]. -URL: https://www.ottobock.ru/media/local-media/for-specialists/prosthetics/ 646k6-prostheses-upper-limb-catalogue.pdf (дата обращения: 10.05. 2021).
6. Открытый проект OpenBionics [Электронный ресурс]. - URL: https://openbionicslabs.com/ (дата обращения: 10.02.2022).
7. Poddar S., Cummiskey D., Kang J. A Cable-actuated Prosthetic Emulator for Transradial Amputees // International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC). - 2021. - P. 4529-4532.
8. A Method for calculating a cylindrical linear valve motor with permanent magnets for an electric drive of a grinding machine / A.D. Korotaev, N.V. Zhuzhgov, E.A. Chabanov, A.T. Klyuchnikov, A.L. Pogudin, P.V. Kuleshov // Russian Electrical Engineering. - 2021. - Vol. 92, № 11. -P. 644-649.
9. Спеченные NdFeB (неодим-железо-бор) магниты [Электронный ресурс]. - URL: http://www.tulamagnit.ru/spech.htm (дата обращения: 10.02.2022).
10. Мишин Д.Д. Магнитные материалы: учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 1981. - 335 с.
11. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: учебник для вузов по специальности «Электромеханика». -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1994. - 318 с.
12. Зечихин Б.С., Журавлев С.В., Ситин Д.А. Расчетные коэффициенты синхронных машин с редкоземельными магнитами // Электричество. - 2009. - № 3. - C. 35-40.
13. Ключников А.Т., Коротаев А.Д., Чирков Д.А. Метод расчета магнитной цепи цилиндрического линейного вентильного двигателя по схеме замещения // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2016. - Т. 14, № 9. - С. 64-69.
14. Расчет характеристик цилиндрического линейного вентильного двигателя / В.В. Шапошников, Р.О. Токарев, А.Д. Коротаев, Е.А. Чабанов // Инновационные технологии: теория, инструменты, практика. -2018. - Т. 1. - С. 375-382.
15. Мирзин А.М., Коротаев А.Д., Шутемов С.В. Усилие тяжения цилиндрического линейного вентильного двигателя с постоянными магнитами между статором и вторичным элементом // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 6. - 185 с.
16. Ключников А.Т., Коротаев А.Д., Шутемов С.В. Моделирование цилиндрического линейного вентильного двигателя // Электротехника. - 2013. - № 11. - С. 14-17.
17. Овчинников И.Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность): курс лекций. - СПб.: КОРОНА-Век, 2007. - 336 с.
18. Проектирование электрических машин: учебник для вузов / под ред. И.П. Копылова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Юрайт, 2011. -767 с. - (Основы наук).
19. Чирков Д.А., Коротаев А.Д., Ключников А.Т. Расчет основных параметров цилиндрического линейного вентильного двигателя по схеме замещения // Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике. - 2016. - Т. 1. - С. 144-149.
20. Беляев Е.Ф., Шулаков Н.В. Дискретно-полевые модели электрических машин: учеб. пособие. Ч. I. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. - 457 с.
21. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока: учебник для вузов. - СПб.: Питер, 2008.
22. Бинс К., Лауренсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. - М.: Энергия, 1970. - 376 с.
23. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. - М.: Высшая школа, 1984. - 431 с.
24. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах / А.В. Иванов-Смоленский, Ю.В. Абрамкин, А.И. Власов [и др.]; ред. А.В. Иванов-Смоленский. - М.: Атомэнергоиз-дат, 1986. - 216 с.
25. Тимашев Э.О., Чирков Д.А., Коротаев А.Д. Рабочие характеристики цилиндрического линейного вентильного двигателя // Электротехника. - 2018. - № 11. - C. 27-31.
26. Свечарник Д.В. Линейный электропривод. - М.: Энергия, 1979. - 152 с.
27. Соколов М.М., Сорокин Л.К. Электропривод с линейными двигателями. - М.: Энергия, 1974. - 136 с.
28. Шутемов С.В. Исследование цилиндрического линейного вентильного электродвигателя для погружного бесштангового насоса // Фундаментальные исследования. - 2016. - № 12-4. - С. 800-805.
References
1. Rud'kovskii D.N., Kan D.V. Analiz rynka sovremennykh bionicheskikh protezov [Analysis of the market of modern bionic prostheses]. Molodezh' i sovremennye informatsionnye tekhnologii. Sbornik trudov XV Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii studentov, aspirantov i molodykh uchenykh (Tomsk, 04-07 dekabria 2017 g.). Tomsk: Natsional'nyi issledovatel'skii Tomskii politekhnicheskii universitet, 2017, pp. 272-273.
2. Slavutskii Ia.L. Fiziologicheskie aspekty bioelektricheskogo upravleniia protezami [Physiological aspects of bioelectric control of prostheses]. Moscow: Meditsina, 1982, 288 p.
3. Bebionic User Guide, available at: https://www.ottobockus.com/media/ local-media/prosthetics/upper-limb/files/14112_bebionic_user_guide_lo.pdf (accessed 10 May 2021).
4. I-Limb Ultra, available at: https://media.ossur.com/image/ upload/v1573570126/product-documents/en-us/PN20267/catalogs/PN20267-_i-Limb_Ultra.pdf (accessed 10 May 2021).
5. Protezirovanie. Verkhnie konechnosti [Prosthetics. Upper limbs], available at: https://www.ottobock.ru/media/local-media/for-specialists/pros-thetics/646k6-prostheses-upper-limb-catalogue.pdf (accessed 10 May 2021).
6. Otkrytyi proekt OpenBionics [Open project OpenBionics], available at: https://openbionicslabs.com/ (accessed 10 February 2022).
7. Poddar S., Cummiskey D., Kang J. A Cable-actuated Prosthetic Emulator for Transradial Amputees. International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC), 2021, pp. 4529-4532.
8. Korotaev A.D., Zhuzhgov N.V., Chabanov E.A., Klyuchnikov A.T., Pogudin A.L., Kuleshov P.V. A Method for Calculating a Cylindrical Linear Valve Motor with Permanent Magnets for an Electric Drive of a Grinding Machine. Russian Electrical Engineering, 2021, vol. 92, no. 11, pp. 644-649.
9. Spechennye NdFeB (neodim-zhelezo-bor) magnity [Sintered NdFeB (neodymium-iron-boron) magnets], available at: http://www.tulamagnit.ru/ spech.htm (accessed 10 February 2022).
10. Mishin D.D. Magnitnye materialy [Magnetics materials]. Moscow: Vysshaia shkola, 1981, 335 p.
11. Kopylov I.P. Matematicheskoe modelirovanie elektricheskikh mashin [Electrical machines mathematical modeling]. 2nd ed. Moscow: Vysshaia shkola, 1994, 318 p.
12. Zechikhin B.S., Zhuravlev S.V., Sitin D.A. Raschetnye koeffitsienty sinkhronnykh mashin s redkozemel'nymi magnitami [Design factors for synchronous machines with rare earth magnets]. Elektrichestvo, 2009, no. 3, pp. 35-40.
13. Kliuchnikov A.T., Korotaev A.D., Chirkov D.A. Metod rascheta magnitnoi tsepi tsilindricheskogo lineinogo ventil'nogo dvigatelia po skheme zameshcheniia [Calculating method the cylindrical linear valve motor magnetic circuit of an according to the equivalent circuit]. Informatsionno-izmeritel'nye i upravliaiushchie sistemy, 2016, vol. 14, no. 9, pp. 64-69.
14. Shaposhnikov V.V., Tokarev R.O., Korotaev A.D., Chabanov E.A. Raschet kharakteristik tsilindricheskogo lineinogo ventil'nogo dvigatelia [Calculation of cylindrical linear brushless motor characteristics]. Innovatsionnye tekhnologii: teoriia, instrumenty, praktika, 2018, vol. 1, pp. 375-382.
15. Mirzin A.M., Korotaev A.D., Shutemov S.V. Usilie tiazheniia tsilindricheskogo lineinogo ventil'nogo dvigatelia s postoiannymi magnitami mezhdu statorom i vtorichnym elementom [Pulling force of a cylindrical linear valve motor with permanent magnets between the stator and the secondary element]. Sovremennyeproblemy nauki i obrazovaniia, 2013, no. 6, 185 p.
16. Kliuchnikov A.T., Korotaev A.D., Shutemov S.V. Modelirovanie tsilindricheskogo lineinogo ventil'nogo dvigatelia [Cylindrical linear valve motor simulation]. Elektrotekhnika, 2013, no. 11, pp. 14-17.
17. Ovchinnikov I.E. Ventil'nye elektricheskie dvigateli i privod na ikh osnove (malaia i sredniaia moshchnost') [Valve electric motors and drives based on them (low and medium power)]. Saint Petersburg: KORONA-Vek, 2007, 336 p.
18. Proektirovanie elektricheskikh mashin [Electrical machines design]. Ed. I.P. Kopylov. 4nd ed. Moscow: Iurait, 2011, 767 p. (Osnovy nauk).
19. Chirkov D.A., Korotaev A.D., Kliuchnikov A.T. Raschet osnovnykh parametrov tsilindricheskogo lineinogo ventil'nogo dvigatelia po skheme zameshcheniia [Calculation of the main parameters of a cylindrical
linear valve motor according to the equivalent circuit]. Avtomatizatsiia v elektroenergetike i elektrotekhnike, 2016, vol. 1, pp. 144-149.
20. Beliaev E.F., Shulakov N.V. Diskretno-polevye modeli elektricheskikh mashin [Electrical machines discrete field models]. Perm': Permskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet, 2009, iss. 1, 457 p.
21. Vol'dek A.I., Popov V.V. Elektricheskie mashiny. Mashiny peremennogo toka [Electric cars. AC machines]. Saint Petersburg: Piter, 2008.
22. Bins K., Laurenson P. Analiz i raschet elektricheskikh i magnitnykh polei [Electric and magnetic fields analysis and calculation]. Moscow: Energiia, 1970, 376 p.
23. Gol'dberg O.D., Gurin Ia.S., Sviridenko I.S. Proektirovanie elektricheskikh mashin [Electrical machines design]. Moscow: Vysshaia shkola, 1984, 431 p.
24. Ivanov-Smolenskii A.V., Abramkin Iu.V., Vlasov A.I. et al. Universal'nyi metod rascheta elektromagnitnykh protsessov v elektricheskikh mashinakh [Universal method for calculating electromagnetic processes in electrical machines]. Ed. A.B. IvanovSmolenskii. Moscow: Atomenergoizdat, 1986, 216 p.
25. Timashev E.O., Chirkov D.A., Korotaev A.D. Rabochie kharakteristiki tsilindricheskogo lineinogo ventil'nogo dvigatelia [Cylindrical linear valve motor operating characteristics]. Elektrotekhnika, 2018, no. 11, pp. 27-31.
26. Svecharnik D.V. Lineinyi elektroprivod [Linear electric drive]. Moscow: Energiia, 1979, 152 p.
27. Sokolov M.M., Sorokin L.K. Elektroprivod s lineinymi dvigateliami [Electric drive with linear motors]. Moscow: Energiia, 1974, 136 p.
28. Shutemov S.V. Issledovanie tsilindricheskogo lineinogo ventil'nogo elektrodvigatelia dlia pogruzhnogo besshtangovogo nasosa [Study of a cylindrical linear valve motor for a submersible rodless pump]. Fundamental'nye issledovaniia, 2016, no. 12-4, pp. 800-805.
Сведения об авторах
Плюснин Александр Павлович (Пермь, Россия) - студент Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: plus20100@mail.ru).
Опарин Денис Андреевич (Пермь, Россия) - старший преподаватель кафедры «Электротехника и электромеханика» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский проспект, 29, e-mail: dlowarp@gmail.com).
Опарина Анастасия Владимировна (Пермь, Россия) - заведующая питомником в компании ООО «Зеленый мир» (614089, Пермь, ул. Самаркандская, 54, e-mail: rikana18@yandex.ru).
About the authors
Aleksandr P. Plyusnin (Perm, Russian Federation) - Student Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, 29, Komsomolsky pr., e-mail: plus20100@mail.ru).
Denis A. Oparin (Perm, Russian Federation) - Senior Lecturer of the Department of Electrical Engineering and Electromechanics Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, 29, Komsomolsky pr., email: e-mail: dlowarp@gmail.com).
Anastasya V. Oparina (Perm, Russian Federation) - nursery manager in the company LLC "Green world" (614089, Perm, 54 Samarkandskaya, str., e-mail: rikana18@yandex.ru)
Поступила 15.03.2022
Одобрена 28.03.2022
Принята к публикации 20.06.2022
Финансирование. Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации по государственному заданию FSNM-2020-0028.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов. Все авторы внесли эквивалентный вклад в подготовку публикации.
