Вентильні двигуни та їхзастосування», Контент-платформа
«ВЕНТИЛЬНІ ДВИГУНИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ»
«Оренбурзький державний університет», м. Оренбург
Комплексна автоматизація виробництва, необхідна істотного підвищення продуктивності громадського праці, передбачає інтенсифікацію робіт у галузі створення промислових роботів і маніпуляторів, ефективність яких значною мірою визначається властивостями вхідних їх склад приводних механізмів. Удосконалення робототехнічних систем, і зокрема ширше впровадження адаптивних роботів, призвело до переважного розвитку та використання електричного приводу, що має високу надійність і простоту експлуатації. Цьому також сприяли досягнення в галузі електромашинобудування, систем керування електроприводами, широкі можливості електроніки, що дозволяють за рахунок оригінальних технічних рішень, нових технологій та матеріалів створювати високонадійні, швидкодіючі адаптивні системи.
Найбільшого поширення електроприводах роботів отримали колекторні електродвигуни постійного струму незалежного збудження різного конструктивного виконання. Тим не менш, через наявність щітково-колекторного вузла, що знижує надійність і термін служби приводу і є джерелом пилу, радіо - і акустичних перешкод, їх застосування обмежене, а в ряді випадків неможливо - в умовах агресивних і вибухонебезпечних середовищ, високої вологості та температури. Саме тому як в Україні, так і за кордоном великий інтерес до розробки вентильних електродвигунів постійного струму, що мають характеристики колекторних двигунів і надійність машин змінного струму.
Вентильні електродвигуни, як і інші типи двигунівскладі приводу промислового робота, повинні задовольняти специфічний йому комплекс вимог. Ця специфіка визначається поширеним нині модульним принципом побудови роботів з обмеженого числа щодо незалежних уніфікованих пристроїв — модулів та необхідністю розміщення електродвигунів безпосередньо у зчленуваннях конструктивної схеми робота. Найбільш жорсткі вимоги пред'являються до швидкодії, перевантажувальної здатності двигуна, масогабаритним показникам, економічності, надійності та ресурсу. Модульний принцип передбачає наявність ширшого ряду електродвигунів за потужністю та моментом у порівнянні з немодульними конструкціями. Відповідно до вимог електромеханічних модулів, електродвигуни повинні випускатися в 10 габаритах в діапазоні потужностей 10-10 000 Вт з розподілом в межах кожного габариту на типорозміри, що відрізняються частотою обертання і величиною переміщення вихідної ланки.
На сьогоднішній день практично у всіх розвинених країнах налагоджено серійний випуск двох- та трифазних вентильних мікроелектродвигунів потужністю до 1000 Вт, які використовуються в основному в звукозаписній апаратурі та різних системах автоматики. В Україні цьому багато в чому сприяли теоретичні дослідження та розробки , , , , , ([1]-[6]) та інших учених. Питання створення вентильних електродвигунів займаються вчені низки провідних зарубіжних фірм Великобританії, США, Японії, ФРН та інших країн. Останнім часом як у нас у країні, так і за кордоном ведуться інтенсивні роботи зі створення вентильних електродвигунів для приводу роботів різного призначення. При цьому поряд з електродвигунами, призначеними для роботи спільно з понижувальним редуктором, створюються моментнідвигуни для безпосереднього (безредукторного) приводу Діапазон моментів таких двигунів, що розвиваються, досить широкий (до 1000 Нм) при максимальній частоті обертання, що становить кілька десятків оборотів за хвилину. Так, в Україні розроблено серію моментних приводів з вентильними електродвигунами (ДБМ) для редукторних та безредукторних електромеханічних систем малої та середньої потужності (до 1 кВт). Діапазон моментів, що розвиваються 0,04-16 Нм. У стадії освоєння знаходяться три серії вентильних електродвигунів (ДВУ, 2ДВУ, ЗДВУ) для приводів подач верстатів з ЧПУ та роботів. Ці двигуни мають у своєму складі комплексний датчик, що включає безколекторний тахогенератор, безконтактний датчик положення ротора і датчик положення вихідної ланки маніпулятора. Охоплюваний діапазон моментів 0,05-170 Нм і частот обертання 2000-6000 об/хв.
Тим не менш, на сьогоднішній день вітчизняна промисловість не випускає жодної серії електродвигунів, у тому числі і вентильних, які повністю перекривали б необхідний для робототехніки діапазон потужностей відповідно до вимог прийнятих стандартів. Особливо це стосується приводів роботів, побудованих за модульним принципом, для яких потрібна широка номенклатура електродвигунів малої та середньої потужності. У зв'язку з цим при розробці нових серій електродвигунів для електромеханічних модулів необхідно поряд з використанням традиційних трифазних схем і конструкцій вентильних двигунів проаналізувати можливість застосування нових, оригінальних технічних рішень, які не поступаються їм за окремими показниками, а в ряді випадків і перевершують їх.
Слід також обумовити прийнятий підхід до розрахунку електродвигунів виходячи із заданого рівня ККД. Енергетичні показникиелементів електроприводу визначають, перш за все, його масогабаритні показники, так як обсяг напівпровідникового комутатора більшою мірою визначається потужністю, що розсіюється, на силових ключах. Тому підвищення ККД пов'язане безпосередньо з покращенням масогабаритних показників вентильного електродвигуна загалом. Для автономних роботів ці показники є вирішальними. При цьому застосування для постійних магнітів індуктора матеріалів з високим значенням коерцитивної сили дозволяє суттєво знизити об'єм ротора та зводить завдання досягнення мінімуму моменту інерції та масогабаритних показників до задачі раціонального конструювання електричної машини при забезпеченні максимуму ККД.
Принцип дії ВД. Двигуна містить двополюсний ротор і трифазний якір з котушками , , , а в якості інвертора використовується інвертор струму, що забезпечує незмінне значення первинного струму завдяки індуктивності (рисунок 1).
Інвертор «І» збирається на керованих напівпровідникових елементах – тиристорах чи транзисторах (для ВД малої потужності). Управління інвертором здійснюється системою управління "СУ" за допомогою безконтактних датчиків положення ротора "ДПР". Крім «ДПР» у ВД можуть використовуватися датчики, що фіксують положення амплітуди повного магнітного потоку, тривалість періоду комутації вентилів (кута) та ін, а також датчики, сигнали яких пропорційні напрузі та струму двигуна (датчики навантаження).
Рисунок 1 – Схема вентильного двигуна
Нехай в момент часу ротор і пов'язаний з ним потік збудження займають положення, зображене на малюнку, а ДПР включають відповідні напівпровідникові елементи фази і струм, що протікає в котушці, створює потік, спрямований під деяким кутом до потоку.Завдяки магнітним силам ротор починає повертатися так, щоб потік збігся з потоком. Коли осі потоків і зближуються ДПР дають сигнали перемикання відповідних елементів інвертора, завдяки чому виникає струм у фазі , а струм зникає. Порядок індексів у позначенні струму відповідає його напрямку у провідниках котушок. Потік якоря стрибком переводиться в положення, що викличе подальший поворот проти годинникової стрілки. При зближенні осей потоків і по сигналу ДПР елементи інвертора знову перемикаються, виникає струм у котушці фази , фаза відключається, створюється чергове стрибкоподібне переміщення на положення , що призводить до подальшого повороту ротора, потім створюється струм і т. д. Зазвичай на роторі ВД є високопровідні котушки (демпферні обмотки, полюсні наконечники та ін.), які згідно з відомим правилом Ленца прагнуть послабити зміну магнітного потоку в роторі. Тому стрибкоподібне переміщення потоку щодо ротора згладжуються і для ВД середньої і великої потужності можна вважати, що потік якоря обертається рівномірно з середньою швидкістю ротора, тобто в МДС якоря превалює перша гармоніка, що створює синхронно обертається поле, а вищі гармоніки МДС пригнічуються демп.
Обертання ротора, у свою чергу, призводить до наведення в обмотках якоря ЕРС обертання, яка, як відомо, пропорційна частоті обертання ротора і потоку. Форму кривої ЕРС обертання у першому наближенні вважатимуться синусоїдальної. ЕРС обертання подібно до ЕРС колекторних двигунів і синхронних двигунів, прагне компенсувати прикладене до якоря напругу.
Незадовільні питомі показники (маса на одиницю корисної потужності) та низький ККД електродвигунів змінного струму малої потужності зумовили переважнезастосування у приводах роботів електродвигунів постійного струму із збудженням від постійних магнітів. Ці двигуни мають найкращі енергетичні показники в порівнянні з іншими типами електричних машин з наступних причин:
- Потік збудження створюється полем постійних магнітів, а чи не за рахунок енергії джерела;
- електромагнітний момент у двигуні завдяки щітково-колекторному вузлу досягає найбільшого значення при фіксованому струмі якоря, оскільки забезпечується взаємна ортогональність векторів магнітної індукції полюсів та МДР якоря.
Крім того, електродвигуни постійного струму мають лінійні механічні і регулювальні характеристики при управлінні по ланцюгу якоря, що забезпечує великий діапазон регулювання частоти обертання і, порівняно простими способами.
1.Вевюрко, І. А., Зубакін, С. І.Літаки з повністюелектрифікованим обладнанням//Підсумки науки і техніки. Електроустаткування транспорту. М: ВІНІТІ. 1986. № 6. З 1-112.
2.Дубенський, А. А.Безконтактні двигуни постійного струму. М.: Енергія, 1967.
3.Овчинніков, І. Є., Лебедєв, Н. І.Безконтактні двигуни постійного струму. Л.: Наука, 1979.
4.Балагуров, Ст А., Гридін, Ст М., Лозенко, Ст К.Безконтактні двигуни постійного струму з постійними магнітами. М.: Енергія, 1975.
5.Лутідзе, Ш. І., Тафт, В. А.Введення в динаміку синхронних машин та машиннонапівпровідникових систем. 1973.
6.Овчинников, І. Е.Енергетичні характеристики безконтактних двигунів та їх оптимізація// Двигуни постійного струму з напівпровідниковими комутаторами. Л.: Наука, 1972. С. 19-38.