2.2.3 Малоинерционные двигатели

Рассмотрим в качестве примера структуру привода поступательно движущейся каретки (рис. 2.8).

Р

2

ис. 2.8. Структура привода поступательно движущейся каретки:

1 – ротор электродвигателя; 2 – соединительная муфта; 3 – шестерня с числом зубцов z₃; 4 – колесо с числом зубцов z₄; 5 – винтовой механизм; 6 – исполнительное звено – каретка

При быстром разгоне (разгон с большим ускорением) момент двигателя тратится, в основном, на преодоление инерции всех подвижных элементов

где J_пр – приведенный к валу двигателя момент инерции системы;

 – угловое ускорение вала двигателя.

Приведенный к валу двигателя момент инерции механизма (без учета инерции валов, винта и зубчатых колес) будет равен

(2.4)

где u₁ – передаточное число зубчатой пары 3-4, u₁ = z₄/z₃;

u₂ – передаточное число пары винт-гайка, u₂ = φ/s;

φ – угол поворота винта;

s – перемещение каретки (гайки); при φ = 2π и однозаходном винте с шагом t: s = t, u₂ = 2/t (рад/м);

m₆ – масса каретки;

J₁ и J₂ – моменты инерции ротора 1 двигателя и муфты 2 соответственно.

Понятия приведенный момент инерции J_пр и приведенная масса m_пр  одни из главных в механике. Они определяются исходя из баланса кинетической энергии звеньев механизма. Например, если звено движется поступательно, его кинетическая энергия Т_п = mV²/2. Кинетическая энергия этого звена, приведенная к вращающемуся валу, Т_в = J_пр²/2. Приравнивая Т_в = Т_п, получим J_пр = mV²/²= m/u², где u  передаточное отношение механизма, передающего движение от звена, движущегося поступательно, к вращающемуся валу.

Анализируя формулу (2.4), видим, что хотя масса ротора много меньше массы каретки, ротор (по сравнению с кареткой) может оказывать большее влияние на приведенный момент инерции механизма.

В быстродействующих устройствах с большим угловым ускорением ε приведенный момент инерции J_пр должен быть сведен к минимуму, что достигается, в частности, применением малоинерционных двигателей.

Двигатели с малым моментом инерции ротора строятся по трем основным схемам (рис. 2.9): с цилиндрическим полым ротором, с дисковым ротором, с ротором малого диаметра.

Ротор в виде тонкостенной цилиндрической оболочки 1 (рис. 2.9, а) изготавливается, например, из стеклопластика, провода обмотки ротора заливают в тело оболочки. Внутренний магнитопровод 2 неподвижен (в отличие от вращающегося магнитопровода 6 на рис. 2.6, б). Вследствие малой массы ротор имеет небольшой момент инерции.

Рис. 2.9. Малоинерционные двигатели:

а – двигатель с цилиндрическим полым ротором; б – двигатель с дисковым ротором; в – двигатель с ротором малого диаметра

1 – оболочка; 2 – неподвижный магнитопровод; 3, 7 – ротор; 4 – магниты; 5 – подвижный магнитопровод; 6 – вращающийся магнитопровод

В двигателе с дисковым ротором (рис. 2.9, б) ротор 3 выполнен в виде тонкого диска. Провода обмоток заложены внутри диска. Все магниты 4 и магнитопровод 5 неподвижны. Коллектор 6 – торцевого типа. Ротор легкий, с малым моментом инерции.

В двигателе с ротором малого диаметра (рис. 2.9, в) ротор 7 выполнен в виде вала, на поверхности которого закреплены проводники обмотки. Вследствие малого диаметра ротор имеет небольшой момент инерции.