Учебное пособие 1969

А. М. Литвиненко

ОРБИТАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Учебное пособие

Воронеж 2001

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

А.М. Литвиненко

ОРБИТАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Учебное пособие

Воронеж 2001

УДК 658.52.011.56.012.3.05

Литвиненко А. М. Орбитальные электромеханические системы: Учеб. по-

собие / А. М. Литвиненко: Изд-во ВГТУ, 2001, 93 с.

В учебном пособии рассмотрены особенности орбитальных систем и раз-

новидности орбитальных приводов, а также выбор оптимальных роторов орби-

тальных электромеханических систем.

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 210100 «Управление и информатика в ТС» и 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».

Учебное пособие подготовлено на магнитном носителе в текстовом ре-

дакторе MS WORD 97 и содержится в файле ―Orbit.rar‖

Табл. 1. Илл. 50. Библиография: 23 назв.

Научный редактор: д-р техн. наук В.Л.Бурковский

Рецензенты:

НИИ Механотроника-Альфа (ген. Директор к.т.н. Э.Г.Кузнецов)

д-р техн. наук Ю. С. Сербулов

Издается по разрешению редакционно-издательского совета Воронежско-

го государственного технического университета

Литвиненко А. М., 2001

Оформление. Издательство Воронежского государственного технического университета, 2001

ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы. Одной из тенденций развития современной

электромеханики является повышенный интерес к многоэлементным, много-

функциональным электромеханическим системам, переход от однокоорди-

натного к многокоординатному электроприводу. Преимуществом многодви-

гательного привода является увеличение числа валопроводов, что уменьшает момент и нагрузки в передачах, облегчается задача унификации, уменьшает-

ся суммарный момент инерции. Многокоординатный электропривод позво-

ляет эффективно решать многие технологические задачи. Основные особен-

ности многодвигательных электромеханических систем приведены в работах М.Г. Чиликина, В.И. Ключева, А.С. Сандлера.

Интересным направлением развития электромеханических систем яв-

ляются машины с "внутренними" дополнительными координатами, напри-

мер, машины двойного движения, которые позволяют преодолеть фундамен-

тальный недостаток любого низкоскоростного безредукторного электропри-

вода - малую эффективность взаимодействия контуров тока и потока при невысокой скорости изменения токосцепления. При этом делались много-

численные попытки электрофицировать механизмы типа винт-гайка или червяк-червячное колесо, а также синтезировать даже машины тройного движения, когда используются все три пространственные координаты для перемещения ротора и статора относительно внешнего магнитопровода. По-

добные системы используются также в качестве преобразователей движе-

ния, большое число их конструктивных разновидностей описано в работах Д.В. Свечарника.

Некоторое распространение получили так называемые многороторные машины. Следует заметить, что существуют две существенно различных раз-

новидности многороторных машин. Первая, наиболее распространенная разновидность - это машины с концентрическим расположением роторов.

Наиболее широко известная конструктивная схема обычно применяется при

4

использовании асинхронного двигателя в качестве исполнительного. При этом один ротор является рабочим, а второй вращает вентилятор, который обдувает рабочий ротор и статор, способствует улучшению теплоотдачи особенно в пусковых режимах, когда частота вращения недостаточна для удовлетворения работы вентилятора, если бы он был укреплен на валу ос-

новного ротора. Обычно с вентилятором соединен внутренний ротор с об-

моткой типа "беличья клетка" . Интенсивное охлаждение позволяет повы-

сить мощность двигателя, улучшить его быстродействие. Такие исполни-

тельные двигатели для систем автоматики описаны в работах Е.М. Лопухина,

Ю.С. Чечета.

Вторая разновидность многороторных машин - это машины с орби-

тальным расположением роторов. Базой одной из реализации данного на-

правления являются многороторные электромеханические системы, имею-

щие общую(внешнюю) магнитную систему (ВМС). Изучение таких уст-

ройств до последнего времени практически не велось, поскольку оставалась неизвестной область их широкого практического использования и вообще технико-экономическая целесообразность.

Тем не менее известны, в основном на уровне изобретений, некоторые разработки в данном направлении. Это касается, в первую очередь, привода разного рода многовальных механизмов в текстильном и трикотажном про-

изводствах, привода шпинделя хлопкоуборочной машины и привода часо-

вых механизмов. Из общетехнических же устройств можно выделить лишь асинхронный двигатель по а.с. СССР N 40447 /С.П. Розанов, опубл. 31.12.1934 г. заявлен 30.11.33 г., заявка N 138320, ротор двигателя выполнен в виде ряда прижимаемых пружинами к поверхности расточки статора роли-

ков из магнитного материала, установленных своими валами в подшипниках торцевых дисков, сидящих на рабочем валу двигателя. А также планетарное устройство по а.с. НРБ N18557 / JI.Г. Попенков, Б. А. Йонычев и И.Н. Ва-

сильев, опубл. 25.02.75, заявлено 16.03.72, заявка N 19995, где описывается

5

неподвижный индуктор с расположенными около него (внутри или сна-

ружи) цилиндрическими телами - сателлитами, закрепленными на водиле.

Общей оценкой подобных устройств, приводимой в технической литературе,

является их низкий коэффициент мощности и использования веса из-за нали-

чия увеличенных воздушных зазоров в магнитной цепи. Это и предопредели-

ло практическое нераспространение данных электромеханических систем.

Рассматривая многороторные орбитальные машины, невозможно не упомянуть двигатели с катящимся ротором и гибким ротором. Развитию тео-

рии и внедрения в производство двигателей с гибким ротором (волновых) во многом способствовали работы А.И. Москвитина, А.И. Бертинова, В.П. На-

ния, С.Н. Алексеева-Мохова и В.В. Варлея. Практически если для любой многороторной машины рассмотреть случай использования только одного ротора с фрикционной передачей и с увеличенным диаметром этого ротора,

при которой воздействуют силы одностороннего магнитного притяжения, то в результате такого преобразования получим двигатель с катящимся рото-

ром. Положительные качества таких двигателей – увеличенная редукция, хо-

рошее быстродействие, малое время торможения, небольшая кратность пускового тока, отсутствие высокоскоростных подшипников обусловили их определенное распространение в тихоходном электроприводе, причем в торцевом варианте, а также с корпусными поверхностями качения. Однако,

такие их недостатки, как сложность конструкции, вызванная наличием кине-

матического звена между ротором и выходным валом, вибрации, шумы, не-

стабильная работа в условиях ударов и тряски, сравнительно небольшой срок службы из-за износа поверхностей катков, препятствуют их широкому рас-

пространению.

В работах И.П. Копылова при рассмотрении электромеханических преобразователей с различными модификациями роторов, рассмотрены электромеханические системы с несколькими роторами в расточке статора.

Указывается, что при математическом описании таких систем следует учи- 6

тывать совместное влияние роторов друг на друга и связь с полем статора.

Также отмечается, что практические применения многороторных элект-

ромеханических преобразователей пока неизвестны, но их возможности следует изучать.

Таким образом, основная проблема, связанная с многороторными ма-

шинами, состоит в том, что возможная значительная экономия матери-

альных ресурсов, связанная с широким использованием апробированных уз-

лов (статоров, роторов) серийных машин, не может быть реализована из-

за отсутствия общей конкуренции применения многороторных орбитальных электромеханических систем, их областей широкого внедрения и четко очер-

ченных технико-экономических преимуществ.

Между тем, бурное развитие промышленной робототехники, совер-

шенствование исполнительных двигателей, сделало возможным и целесооб-

разным расширение применения орбитальных электромеханических систем – многороторных электромеханических преобразователей с ВМС. Особенно эффективно их использование в промышленных роботах, работающих в цилиндрической системе координат, а также в двухскоростном электропри-

воде. И в первом и во втором случае достигается улучшение массо-

габаритных показателей, уменьшение момента инерции подвижной части манипулятора промышленного робота (ПР), увеличение грузоподъемности и быстродействия, повышение производительности.

При этом простая перекомпоновка штатного электропривода в орби-

тальный может привести и к неоднозначным последствиям, проявляющимся,

например, в эффекте "переноса массы" с движущегося основания на непод-

вижное, что несмотря на улучшение динамических характеристик, приводит к увеличению общей массы.

Чтобы максимально уменьшить подобные негативные последствия, а

также максимально учесть особенности многорежимного функционирова-

ния роторов, особенности их теплофизического состояния в кольцевом кана-

7

ле ВМС, необходимо тщательно проанализировать основные физические процессы в данных системах для того, чтобы синтезировать основные зави-

симости и отношения для последующего оптимального проектирования.

Следует отметить также, что возможное многорежимное функциони-

рование роторов, например, в двухскоростном приводе, а именно, с собс-

твенным вращением роторов (пониженная скорость) и с вращением "состав-

ного" ротора (повышенная скорость), предложено автором и не исследо-

валось до настоящего времени.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка кон-

цепций орбитальных электромеханических систем и электроприводов на их основе с разработкой теории и с последующим выходом на инженерные ме-

тоды расчета.

В рамках данной цели можно указать следующие конкретные задачи исследования:

1. Изучить особенности орбитальных систем с учетом увеличения чис-

ла регулируемых координат и независимых параметров, обратив особое внимание на характер изменения линейной нагрузки и индукции в зазоре для различных исполнений роторов и ВМС.

2.Дать рекомендации по применению конкретных конструктивных схем при использовании имеющихся манипуляторов и роторов, а также для многоскоростного привода и привода орбитальных роторных вентиляторов.

3.Разработать основные положения учета специфики магнитных це-

пей.

4. Проанализировать основные механические режимы работы орби-

тальных систем.

5. Оценить основные теплофизические соотношения и разработать на их основе основные положения теплового и вентиляционного расчетов с учетом двойного / собственного и орбитального / движения роторов, а также возможности интенсификации теплообмена.

8

6. Привести основные технико-экономические сравнения показателей приводов на основе двигателей обычного исполнения с одной стороны, и ор-

битальных электромеханических систем с другой. 7. Обобщить полученные результаты.

1. ОРБИТАЛЬНЫЙ ПРИВОД РОБОТОВ Совершенствование электрических приводов промышленных робо-

тов (ПР) неразрывно связано с улучшением их массо-габаритных показате-

лей. Это подразумевает, с одной стороны, уменьшение собственно массы и объема электропривода, что приводит к возможности увеличения массы пе-

реносимого груза, быстродействия, производительности роботов и техноло-

гических комплексов на их основе, а с другой стороны - увеличения удельных массо-габаритных показателей усилия, момента, мощности и т.п.

на единицу массы или объема. От этих показателей, а точнее от их уве-

личения, зависит уменьшение наибольшей (первой) постоянной времени следящей позиционной системы привода робота. Уменьшение постоянной времени повышает сопрягающую частоту и следовательно, частоту среза.

Это увеличивает при правильном выборе корректирующих устройств запас устойчивости, а также добротность следящей системы - основную динами-

ческую характеристику привода.

Кроме того, уменьшение постоянной времени приводит к увеличению ускорения, а, следовательно, и приемистости по скорости - основной момент

- энергической характеристики привода. Это является следствием уменьше-

ния движущихся масс, и, следовательно, механической инерционности сис-

темы "двигатель - объект управления". В частности, при вращательном дви-

жении, уменьшается момент инерции. При этом также увеличивается произ-

водительность робототехнических комплексов.

9

Существует несколько путей решения данной проблемы.

1. Применение в роботостроении более качественных материалов,

обеспечивающих функционирование привода при меньших массе или объе-

ме.

Примером может служить применение самарий-кобальтовых постоян-

ных магнитов в двигателях постоянного тока. Эти магниты обладают увели-

ченной магнитной энергией. Однако этот путь приводит к существенному

увеличению первоначальной стоимости привода.

2. Увеличение интенсивности энергетических процессов в приводе,

в частности, повышение плотности тока. Однозначно повышается и тепло-

вые нагрузки, что ведет к необходимости установки систем охлаждения,

температурного контроля и регулирования. При этом увеличиваются экс-

плуатационные расходы, связанные с повышенным износом и старением,

уменьшается срок службы привода.

3. Существует также третий путь улучшения массо-габаритных пока-

зателей. Он связан с тщательным весовым анализом, нахождением совер-

шенных конструктивных решений, обеспечивающих заданные требования.

Одним из способов его реализации является применение внешних, не свя-

занных конструктивно с подвижными частями робота магнитных систем. В

зазоре магнитных систем размещаются при позиционировании активные элементы привода. Таким образом, элемент с наибольшей массой - магнит-

ная система - не входит в состав подвижной части привода, а располагается отдельно. Это существенно уменьшает массу и габариты привода. При этом уменьшается и стоимость за счет того, что источники поля магнитных систем могут выполняться не из редкоземельных металлов, а в виде обычных элек-

тромагнитов.

Естественно, при таком исполнении привода, к робото-техническому комплексу предъявляется ряд специфических требований:

Во-первых, ограничивается число точек позиционирования. На рабо-

10