Вентильные двигатели и их применение

«Вентильные двигатели и их применение»

Комплексная автоматизация производства, необходимая для существенного повышения производительности общественного труда, предполагает интенсификацию работ в области создания промышленных роботов и манипуляторов, эффективность которых в значительной степени определяется свойствами входящих в их состав приводных механизмов. Совершенствование робототехнических систем, и в частности более широкое внедрение адаптивных роботов, привело к преимущественному развитию и использованию электрического привода, обладающего высокой надежностью и простотой эксплуатации. Этому также способствовали достижения в области электромашиностроения, систем управления электроприводами, широкие возможности электроники, позволяющие за счет оригинальных технических решений, новых технологий и материалов создавать высоконадежные, быстродействующие адаптивные системы.

Наибольшее распространение в электроприводах роботов получили коллекторные электродвигатели постоянного тока независимого возбуждения различного конструктивного исполнения. Тем не менее, из-за наличия щеточно-коллекторного узла, снижающего надежность и срок службы привода и являющегося источником пыли, радиои акустических помех, их применение ограничено, а в ряде случаев невозможно — в условиях агрессивных и взрывоопасных сред, высокой влажности и температуры. Именно поэтому как в России, так и за рубежом велик интерес к разработке вентильных электродвигателей постоянного тока, обладающих характеристиками коллекторных двигателей и надежностью машин переменного тока.

Вентильные электродвигатели, как и другие типы двигателей в составе привода промышленного робота, должны удовлетворять специфичному для него комплексу требований. Эта специфика определяется распространенным в настоящее время модульным принципом построения роботов из ограниченного числа относительно независимых унифицированных устройств — модулей и необходимостью размещения электродвигателей непосредственно в сочленениях конструктивной схемы робота. Наиболее жесткие требования предъявляются к быстродействию, перегрузочной способности двигателя, массогабаритным показателям, экономичности, надежности и ресурсу. Модульный принцип предполагает наличие более широкого ряда электродвигателей по мощности и моменту по сравнению с немодульными конструкциями. Согласно требованиям для электромеханических модулей, электродвигатели должны выпускаться в 10 габаритах в диапазоне мощностей 10—10 000 Вт с делением в пределах каждого габарита на типоразмеры, отличающиеся частотой вращения и величиной перемещения выходного звена.

На сегодняшний день практически во всех развитых странах налажен серийный выпуск двухи трехфазных вентильных микроэлектродвигателей мощностью до 1000 Вт, которые используются в основном в звукозаписывающей аппаратуре и различных системах автоматики. В России этому во многом способствовали теоретические исследования и разработки И. А. Вевюрко, А. А. Дубенского, Н. И. Лебедева, В. К. Лозенко, Ш. И. Лутидзе, И. Е. Овчинникова ([1]-[6]) и других ученых. Вопросами создания вентильных электродвигателей занимаются ученые ряда ведущих зарубежных фирм Великобритании, США, Японии, ФРГ и других стран. В последнее время как у нас в стране, так и за рубежом ведутся интенсивные работы по созданию вентильных электродвигателей для привода роботов самого различного назначения. При этом наряду с электродвигателями, предназначенными для работы совместно с понижающим редуктором, создаются моментные двигатели для непосредственного (безредукторного) привода. Диапазон развиваемых моментов таких двигателей достаточно широкий (до 1000 Нм) при максимальной частоте вращения, составляющей несколько десятков оборотов в минуту. Так, в России разработана серия моментных приводов с вентильными электродвигателями (ДБМ) для редукторных и безредукторных электромеханических систем малой и средней мощности (до 1 кВт). Диапазон развиваемых моментов 0,04—16 Нм. В стадии освоения находятся три серии вентильных электродвигателей (ДВУ, 2ДВУ, ЗДВУ) для приводов подач станков с ЧПУ и роботов. Эти двигатели имеют в своем составе комплексный датчик, включающий в себя бесколлекторный тахогенератор, бесконтактный датчик положения ротора и датчик положения выходного звена манипулятора. Охватываемый диапазон моментов 0,05—170 Нм и частот вращения 2000—6000 об/мин.

Тем не менее, на сегодняшний день отечественная промышленность не выпускает ни одной серии электродвигателей, в том числе и вентильных, которые бы полностью перекрывали необходимый для робототехники диапазон мощностей в соответствии с требованиями принятых стандартов. Особенно это относится к приводам роботов, построенных по модульному принципу, для которых требуется широкая номенклатура электродвигателей малой и средней мощности. В связи с этим при разработке новых серий электродвигателей для электромеханических модулей необходимо наряду с использованием традиционных трехфазных схем и конструкций вентильных двигателей проанализировать возможность применения новых, оригинальных технических решений, не уступающих им по отдельных показателям, а в ряде случаев и превосходящих их.

Поскольку публикации, посвященные применению вентильных электродвигателей в приводах роботов, носят, как правило, частный характер и представляют собой описание отдельных конструктивных и принципиальных схем, имеется необходимость рассмотреть комплекс вопросов исследования, разработки и проектирования вентильных электродвигателей с позиции их использования в приводах промышленных роботов различного назначения и наиболее полного удовлетворения предъявляемых к ним как специальных требований, так и требований в составе электромеханических модулей.

Особое внимание, следует уделить двухфазным и четырех-секционным схемам вентильных электродвигателей. Во-первых, описанию трехфазных двигателей с однои двух-полупериодным питанием посвящено достаточно много публикаций. Во-вторых, результаты исследований авторов показывают, что на основе рассматриваемых схем электродвигателей, возможно создать вентильный электропривод постоянного тока, который в ряде случаев превосходит по своим характеристикам привод с трехфазными двигателями с позиции удовлетворения требований к ним в составе робота. Кроме того, в двухфазных двигателях проще организуется резервирование элементов, чем в трехфазных, что имеет значение для повышения надежности систем и увеличения ресурса работы. Хотя в настоящее время четырехсекционные и двухфазные вентильные двигатели нашли применение в подавляющем большинстве случаев в автоматических системах малой мощности, авторы показывают возможность существенного расширения диапазона развиваемых моментов, мощности и достижимых усилий (применительно к электромеханическим модулям поступательного перемещения), реализованную в конкретных образцах двигателей.

Следует также оговорить принятый подход, к расчету электродвигателей исходя из заданного уровня КПД. Энергетические показатели элементов электропривода определяют, прежде всего, его массогабаритные показатели, так как объем полупроводникового коммутатора в большей степени определяется рассеиваемой мощностью на силовых ключах. Поэтому повышение КПД связано непосредственно с улучшением массогабаритных показателей вентильного электродвигателя в целом. Для автономных роботов эти показатели решающие. При этом применение для постоянных магнитов индуктора материалов с высоким значением коэрцитивной силы позволяет существенно снизить объем ротора и сводит задачу достижения минимума момента инерции и массогабаритных показателей к задаче рационального конструирования электрической машины при обеспечении максимума КПД.

Принцип действия ВД. Двигательная часть содержит двухполюсный ротор и трёхфазный якорь с катушками, ,, а в качестве инвертора используется инвертор тока, обеспечивающий неизменное значение первичного тока благодаря индуктивности (рисунок 1).

Инвертор «И» собирается на управляемых полупроводниковых элементах — тиристорах или транзисторах (для ВД малой мощности). Управление инвертором осуществляется системой управления «СУ» с помощью бесконтактных датчиков положения ротора «ДПР». Помимо «ДПР» в ВД могут использоваться датчики, фиксирующие положение амплитуды полного магнитного потока, длительность периода коммутации вентилей (угла) и др., а также датчики, сигналы которых пропорциональны напряжению и току двигателя (датчики нагрузки).

коллекторный электродвигатель вентильный конструктивный.

Рисунок 1 — Схема вентильного двигателя.

Пусть в момент времени ротор и связанный с ним поток возбуждения занимают положение, изображённое на рисунке, а ДПР включают соответствующие полупроводниковые элементы фазы и протекающий в катушке ток, создаёт поток, направленный под некоторым углом к потоку. Благодаря магнитным силам ротор начинает поворачиваться так, чтобы поток совпал с потоком. Когда оси потоков и сблизятся ДПР дают сигналы на переключение соответствующих элементов инвертора, благодаря чему возникает ток в фазе, а ток исчезает. Порядок индексов в обозначении тока соответствует его направлению в проводниках катушек. Поток якоря скачком переводится в положение, что вызовет дальнейший поворот против часовой стрелки. При сближении осей потоков и по сигналу ДПР элементы инвертора опять переключаются, возникает ток в катушке фазы, фаза отключается, создаётся очередное скачкообразное перемещение на в положение, что приводит к дальнейшему повороту ротора, затем создаётся ток и т. д. Обычно на роторе ВД имеются высокопроводящие катушки (демпферные обмотки, полюсные наконечники и др.), которые согласно известному правилу Ленца стремятся ослабить изменение магнитного потока в роторе. Поэтому скачкообразное перемещение потока относительно ротора сглаживаются и для ВД средней и большой мощности можно полагать, что поток якоря вращается равномерно со средней скоростью ротора, т. е в МДС якоря превалирует первая гармоника, создающая синхронно вращающееся поле, а высшие гармоники МДС подавляются демпфирующими контурами.

Вращение ротора, в свою очередь приводит к наведению в обмотках якоря ЭДС вращения, которая, как известно пропорциональна частоте вращения ротора и потоку. Форму кривой ЭДС вращения в первом приближении можно считать синусоидальной. ЭДС вращения подобно ЭДС коллекторных двигателей и синхронных двигателей, стремится скомпенсировать приложенное к якорю напряжение.

Неудовлетворительные удельные показатели (масса на единицу полезной мощности) и низкий КПД электродвигателей переменного тока малой мощности обусловили преимущественное применение в приводах роботов электродвигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Эти двигатели обладают наилучшими энергетическими показателями по сравнению с другими типами электрических машин по следующим причинам:

• — поток возбуждения создается полем постоянных магнитов, а не за счет энергии источника;
• — электромагнитный момент в двигателе благодаря щеточно-коллекторному узлу достигает наибольшего значения при фиксированном токе якоря, поскольку обеспечивается взаимная ортогональность векторов магнитной индукции полюсов и МДС якоря.

Кроме того, электродвигатели постоянного тока обладают линейными механическими и регулировочными характеристиками при управлении по цепи якоря, что обеспечивает большой диапазон регулирования частоты вращения и, причем сравнительно простыми способами.

• 1. Вевюрко, И. А., Зубакин, С. И. Самолёты с полностью электрифицированным оборудованием// Итоги науки и техники. Электрооборудование транспорта. М: ВИНИТИ. 1986. № 6. С 1−112.
• 2. Дубенский, А. А. Бесконтактные двигатели постоянного тока. М.: Энергия, 1967.
• 3. Овчинников, И. Е., Лебедев, Н. И. Бесконтактные двигатели постоянного тока. Л.: Наука, 1979.
• 4. Балагуров, В. А., Гридин, В. М., Лозенко, В. К. Бесконтактные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. М.: Энергия, 1975.
• 5. Лутидзе, Ш. И., Тафт, В. А. Введение в динамику синхронных машин и машиннополупроводниковых систем. 1973.
• 6. Овчинников, И. Е. Энергетические характеристики бесконтактных двигателей и их оптимизация// Двигатели постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами. Л.: Наука, 1972. С. 19−38.