2880

3. ОРБИТАЛЬНО-ПЛАНЕТАРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ВНЕШНИМИ МАГНИТНЫМИ СИСТЕМАМИ.

Стремление улучшить массогабаритные показатели электроприводов,

перемещающихся в пространстве, привело к идее конструктивного отде-

ления магнитной системы двигателя (статора, индуктора) от якоря иди рото-

ра и переносу еѐ на неподвижное основание с тем, однако, расчѐтом, что ось якоря или ротора приведѐнного электродвигателя перемещается в воздушном зазоре внешней магнитной системы.

Орбитальные электроприводы являются частным случаем широкого класса электроприводов с внешними магнитными системами (ВМС). Приво-

ды с ВМС относятся к таким устройствам, оси якорей (роторов) которых пе-

ремещаются в пространстве. Траектория перемещения может быть линей-

ной, дуговой иди замкнутой круговой - орбитальные электроприводы. Сле-

дует заметить, что как планетарные, так и волновые редукторы также имеют подвижные элементы, оси которых перемещаются по замкнутой круговой траектории (орбите). В первом случае это сателлиты, во втором - роликовые генераторы волн. Основная идея универсального орбитального электро-

привода состоит в том, чтобы сателлиты или ролики генератора волн выпол-

нить конструктивно как одно целое с роторами асинхронного короткозамк-

нутого двигателя, причем роторы помещены в кольцевой зазор, образован-

ный обычным статором трѐхфазного (двухфазного) асинхронного двигателя.

Рассмотрим конкретные примеры выполнения привода.

На рис. 3.1 показана типовая конструктивная схема привода с плане-

тарным редуктором. Выходной вал 1 вращается благодаря взаимодействию сателлита 2 и венцевой шестерни 3. Вал сателлита установлен на вращаю-

щемся водиле 4, которое соединено с двигателем 5. Такие передачи обычно имеют несколько сателлитов, что уменьшает нагрузки м выравнивает ради-

альные усилия в передаче.

На рис. 3.1-3.4 показан переход от однодвигательного привода (рис.

3.1) с планетарным редуктором к приводу с ВМС. Так на рис 3.2 изображѐн многодвигательный привод, причѐм роторы двигателей расположены на од-

ной оси (мгновенной) с сателлитами, т.е. двигатели имеют с ними одну угло-

вую скорость. На рис. 3.3 показан обращѐнный вариант такого же привода,

т.е. двигатели вращают водило 4 с сателлитами не через зубчатое колесо, а

непосредственно укреплены на водиле, оси роторов вращают зубчатые шес-

терни 7, которые входят в зацепление с колесом 3. Поскольку статоры укреп-

лены на водиле, оно совершает вращательное движение. Обязательным эле-

ментом в этом случае является вращающийся токосъѐм 6.

Схема же с ВМС, показанная на рис. 3.4 обладает существенными пре-

имуществами. По сравнению со схемой рис. 3.3, в ней отсутствует вращаю-

щийся токосъѐм, общий для всех роторов двусторонний статор установлен неподвижно. Кроме того, в схеме 3.2, и в схеме 3.3 имеется дополнительное зубчатое колесо 3 и 7 и весь поток мощности проходит через водило 4, тогда как в схеме с ВМС – рис 3.4 – водило 4 выполняет лишь роль вращающейся направляющей прямо на сателлиты 2 и далее на выходное зубчатое колесо1.

Реальная конструкция показана на рис 3.5.

Аналогичен и переход от традиционной волновой передачи с одним входным валом к волновому приводу с ВМС с несколькими входными вала-

ми роторов, которые совершают, кроме обычного вращательного и орби-

тальное движение.

Здесь также наблюдается упрощение механизма редуктора, поскольку ролики генератора волн непосредственно вращается роторами асинхронных двигателей с общим статором.

Перейдем к рассмотрению собственно ВМС привода планетарного

(волнового) типа. Среди них можно отметить следующие модификации по месту расположения обмоток: с внешним статором - рис. 3.7, с внутренним статором – 3.6 и с внешним и внутренним статором одновременно – рис. 3.8.

Для уменьшения потока рассеяния в любой из модификаций могут быть ис-

пользованы как неподвижные пассивные магнитопроводы центральный на рис. 3.6. и внешний на рис. 3.7, так и подвижные магнитопроводы – рис 3.9.

В случае исполнения роторов, с постоянными магнитами, имеем син-

хронный вариант всех вышеописанных приводов. При выполнении роторов зубчатыми и размещении на статоре дополнительных обмоток или постоян-

ных магнитов, имеем синхронный двигатель с безобмоточным пассивным ротором и электромагнитным или магнитоэлектрическим возбуждением.

Однако наибольший практический интерес представляет асинхронный вариант привода.

Физика процесса при этом несколько отличается от классического принципа действия асинхронной машины, поскольку имеется многороторное исполнение, смещение роторов относительно оси водила, а также возможно одностороннее возбуждение.

Рассмотрим для простоты один ротор планетарного асинхронного при-

вода.

При обкатывании сателлитом центральной эпицеклической (венцевой)

шестерни 3 – см. рис. 3.5, ось ротора совершает вращательное движение с частотой вращения n2 :

Р- число пар полюсов,

f - частота питающей сети.

При повороте магнитного поля статора на один оборот, ротор, вращая сателлит, катящийся по венцу, повернется вокруг своей оси в обратную сто-

рону на угол, равный разности длин окружностей венца и сателлита, делѐн-

ной на радиус сателлита.

Rb - радиус делительной окружности венца,

Rc - радиус делительной окружности сателлита.

Переходя к частоте вращения (об/мин), получим:

Далее передача движения происходит по известным из теории планетарных передач соотношениям.

Определим соотношения, позволяющие выбрать число роторов-

сателлитов.

Для этого общее передаточное отношение i планетарной передачи представим так:

ii0 i1

i0 - передаточное отношение от входного вала к сателлиту,

i1 - передаточное отношение от сателлита к выходному валу.

Тогда приравнивая выражения для моментов привода с одним двига-

телем и обычным планетарным редуктором, и для привода с планетарным двигателем с ВМС получим:

M d - момент двигателя,

M p - момент ротора-сателлита, n - число роторов-сателлитов,

отсюда имеем, из получения не меньшего, чем исходный, момента:

Аналогично для моментов инерции, приведѐнных к валу сателлитов, имеем:

тогда, из условия получения не большего чем исходный, момента инерции имеем:

чисто геометрически условие записывается в виде:

где Rc - радиус средней линии зазора, r - радиус ротора сателлита.

Данные соотношения позволяют построить систему уравнений для выбора числа сателлитов.

Электромагнитный момент ротора-сателлита МЭ можно определить по известной формуле [ ] через взаимоиндуктивность М и потокосцепления

различных осей:

По сравнению с обычной асинхронной машиной, для привода с ВМС характерно наличие большей, чем обычно составляющей в вызванной пото-

ком рассеяния. Это определяется конфигурацией поля, в частности, отсутст-

вием полюсных наконечников в канале-зазоре магнитной системы.

Характерным является уменьшение момента у привода с односторон-

ней ВМС по сравнению с приводом, имеющим и внешний и внутренний ак-

тивный статор.

Следует отметить, что особенностью приводов с ВМС планетарного и волнового типов, которые объединяются термином ―орбитальные‖, является не синусоидальность магнитного поля в зазоре-канале. В частности, имеют место высшие пространственные гармоники, обусловленные как техниче-

скими факторами, так и, главным образом, эксцентрическим расположением статора и роторов. Это приводит к возникновению добавочных потерь.

Оценим основные процессы в орбитальном асинхронном приводе, ос-

новываясь на известных соотношениях теории асинхронных машин.

Уравнение напряжения U1 для статорной обмотки запишем в виде:

ной обмотке,

R1иX1 - активное и индивидуальное сопротивления обмотки статора,

*

I1 - ток статора.

Аналогично для вторичной обмотки при произвольном скольжении S ,

имеем:

где

X*2 S - индуктивное сопротивление рассеяния обмотки при скольжении,

R2 - активное сопротивление обмотки ротора.

Если у обычных асинхронных машин E2s uX 2s пропорциональны разно-

сти частоты вращения потока n1 и частоты вращения ротора n , то в орби-

тальном приводе вместо n должна использоваться переносная частота вра-

щения nп ,равная алгебраической сумме n и частоты водила nH . При этом до-

пущении формулы для E2s uX 2s остаются в традиционном виде:

Третье уравнение выражает баланс МДС обмоток статора и ротора:

I - условный намагничивающий ток.

Для всех МДС приведены амплитудные значения. Здесь m, k0 , w, p - со-

ответственно числа фаз, обмоточные коэффициенты, числа винтов и числа пар полюсов статора и ротора.

Остановимся подробнее на расчѐте магнитной цепи. Рассматривая упрощѐнную модель поперечного сечения магнитопровода орбитального привода, показанную на рис. 3.10, определим приближѐнно уменьшение маг-

нитного напряжения воздушного зазора, вызванного наличием ферромагнит-

*

ных роторов-сателлитов. Известно [] что магнитное напряжение F воздуш-

ного зазора равно:

Коэффициент Кб2 имеет для сплошного ротора аналогичное выраже-

ние. Однако для случая орбитального расположения нескольких ферромаг-

нитных роторов в планетарном или волновом приводе, их можно приблизи-

тельно считать зубцами некоторого эквивалентного ротора, образованного водилом и данными роторами-сателлитами. Тогда аналогом ширины шлица примем расстояние между роторами bp , определяемое как:

Если же рассматривается полная модель магнитопровода, с учѐтом зубцово-пазовой зоны роторов 6 (рис. 3.12), то формула для определения магнитного напряжения применяется в традиционном виде дважды: для зазора б1 ,между внешним статором и роторами и для зазора б2 между ро-

торами и внутренним статором.

Рассматривая распределение вихревых токов в плоской системе ор-

битального привода – рис. 3.11, видим, что зазоры б1 , б2 не являются по-

стоянными. Следовательно, для обобщения поля в токовой и бестоковой областях, с помощью векторного потенциала, необходимо интегрирование

уравнений Максвелла, а также Лапласа для бестоковой области и Пуассо-

на для токовой области с учѐтом переменного воздушного зазора. На ос-

новании выведенной выше формулы для K b 2 становиться возможным оценить уменьшение магнитного напряжения, вызванное наличием нерав-

номерного воздушного зазора по сравнению с постоянным зазором у дви-

гателя обычного исполнения.

Для экспериментальных исследований были изготовлены 2 макета планетарного привода с ВМС на базе микромашин. Первый макет вклю-

чал в себя статор от однофазного синхронного двигателя СД-09м потреб-

ляемой мощности 50 Вт с расточкой 38 мм. Подвижная часть состояла из двух роторов-сателлитов, представляющих собой полые алюминиевые цилиндры с внутренним диаметром 16мм, внешним диаметром 17,8мм длинной 65,8мм, укреплѐнные в подшипниках на вращающемся водиле.

Статор выключался по двухфазной схеме с конденсатором 2мкф. Сател-

литы имели внутреннее фрикционное зацепление с венцом, имеющий ра-

диус, близкий к радиусу расточки, и передаточным отношением 2,13.

Целью испытаний первого макета было выявление качественных особенностей функционирования орбитального привода, первичное ис-

следование конструктивной схемы.

Второй макет был выполнен аналогично, но в качестве индуктора использовался статор от автомобильного генератора внутренним диамет-

ром 110 мм, внешним диаметром 136 мм, с толщиной пакета 20 мм. На вращающемся водиле были укреплены ферромагнитные роторы однофаз-

ного двигателя типа РД-09 диаметром 22 мм, длиной 13 мм, с 13 медными стержнями короткозамкнутой обмотки. На роторах установлены шестер-

ни, имеющие 18 зубцов высотой 1,25 мм, радиус делительной окружности

9 мм, шестерни находятся во внешнем зацеплении с солнечной шестер-

нею.