Моментные двигатели - это обычные электрические двигатели с двумя основными особенностями: низкая рабочая скорость и бескорпусное исполнение, т. е. отсутствие корпуса, вала и подшипников.
При этом предполагается, что моментный двигатель встраивается в какой-либо управляемый объект или машину без всякой механической передачи, например, редуктора (безредукторный привод). Это устраняет зазоры, упругости, кинематические ошибки и другие механические проблемы, уменьшающие точность управляемого привода и его полосу пропускания.
Первые применения
Впервые моментный двигатель был применен в 1842 г. шотландским предпринимателем Робертом Дэвидсоном в четырехколесной повозке для железнодорожной линии Эдинбург – Глазго. В этой повозке колеса сидели на деревянных валах двигателей, имеющих три продольные железные полосы, которые поочередно притягивались электромагнитами статора, переключаемыми механическими коммутируемыми на валах двигателями. Подобные электродвигатели называются теперь индукторными. Повозка весом 5 тонн развивала скорость до 4 миль/час, и журналисты обратили внимание на то, что впервые вращение колеса было получено непосредственно, т. е. напрямую, от электродвигателя. Отсюда и пошел современный термин «прямой привод» (Direct Drive), хотя в отечественной литературе применялся и термин «безредукторный привод».
Другой широко известный пример прямого привода – электрический молот знаменитого французского электротехника Марселя Депре, созданный в 1882 г. Он представлял собой линейный электромагнит с сердечником (молотом) массой 23 кг и обмоткой, секции которой переключались ручным коммутатором. При токе 43 А молот ударял по наковальне с силой 70 кг. Это положило начало линейным двигателям.
В 30-40-х годах XX века появился безредукторный дугостаторный асинхронный привод, применяемый до сих пор в мощном электроприводе металлургической, цементной и других отраслях промышленности.
Однако все это были отдельные уникальные конструкции, тогда как в подавляющем большинстве случаев применялись редукторные приводы на базе быстроходных (1000 – 10 000 об/мин) электродвигателей постоянного и переменного тока.
Серийное производство
В 1948 г. американская компания Inland Motors начала серийное производство встраиваемых коллекторных электродвигателей серии Т. Этот двигатель имеет три отдельные части: статор с постоянными магнитами, пазовый ротор с обмоткой и щеточно-коллекторный узел. В настоящее время эта компания, ставшая частью Kollmorgen Corp., предлагает десятки типономиналов таких двигателей диаметром от 22 до 240 мм с длительным моментом 0,01 – 38 Нм и пиковым до 200 Нм.
Аналогичные двигатели стали выпускаться компаниями Clifton, Kearfott, Sierracin Magnedine и др. В СССР также были разработаны подобные двигатели для гироскопии, управления антенн и оптических приборов. Однако крупносерийное производство коллекторных моментных двигателей не было налажено, как в силу технологических сложностей, так и из-за целого ряда присущих им недостатков: низкой надежности и малого срока службы, взрыво- и пожароопасности, наличия электромагнитных помех, загрязнения окружающей среды, низкой механической стойкости и т. д.
Опыт СССР и России
Поэтому предприятия как в СССР, так и за рубежом сосредоточили усилия на бесконтактных вентильных электродвигателях встраиваемого исполнения на базе синхронных машин с постоянными магнитами на роторе. Этому способствовало также появление мощных редкоземельных магнитов. Подобные двигатели для конкретных специальных задач начали проектироваться в 1970-х годах во ВНИИЭМ, НИЭМ (г. Миасс), ЦНИИАГ, ЦНИИКП, ЦНИИэлектроприбор и на других предприятиях страны. В это же время на московском заводе «Машиноаппарат» по заказу ЦНИИАГ (В. Н. Бродовский, Ц. Л. Садовская) создаются моментные двигатели более широкого применения типа ДМВ. На базе этих машин по заданию ряда предприятий («Ленинец», «Фазотрон», «Геофизика», «Полет» и ЦНИИАГ) разрабатывается большая серия пазовых и гладких двигателей ДБМ с самарий-кобальтовыми магнитами диаметром 40 – 185 мм с моментами 0,01 – 16 НМ. Двигатели проектировались под руководством главного конструктора М. М. Минкина специалистами СКБ завода «Машиноаппарат» Ю. М. Беленьким, В. Н. Матвеевой и др.
Параллельно в ленинградском ВНИИМЭМ шла разработка датчиков положения ротора (редуктосинов) серии ВТ (разработчики Л. М. Епифанова, В. Н. Куликов и др.). Первые Госкомиссии по приемке двигателей ДБМ120 - ДБМ185 и датчика ВТ120 прошли в 1984 г., после чего сразу началось их серийное производство на заводе «Заря» в 
В 2010 г. петербургская компания ЗАО «ЭЛМА-Ко» под руководством главного конструктора Л. М. Епифановой закончила разработку нового ряда моментных двигателей с улучшенными характеристиками ДБМВ с самарий-кобальтовыми магнитами, включающего 20 типономиналов диаметром от 50 до 240 мм с моментами 0,025 – 100 Нм. По сравнению с двигателями серии ДБМ эти двигатели обладают повышенным коэффициентом статической добротности по моменту и меньшей электромеханической постоянной времени. Это достигнуто переходом от распределенной обмотки статора двигателей ДБМ к сосредоточенной катушечной (зубцовой) обмотке, а также заменой ротора коллекторного типа с тангенциально намагниченными магнитами на ротор типа «звездочка», с магнитами, намагниченными радиально. Двигатели ДБМВ с приемкой 5 производятся в настоящее время заводом «ЛЕПСЕ» (г. Киров).
А. Г. Микеров, профессор, д.т.н.
konstruktor.net
Появившиеся в конце прошлого века моментные электродвигатели сейчас широко применяются как в редукторных приводах, так и в прямом приводе, особенности которого рассмотрены в февральском выпуске журнала Control Engineering Россия за 2012 г. Наиболее распространены бесконтактные моментные двигатели с постоянными магнитами на роторе, различные варианты конструкции которых рассмотрены, например, в октябрьском выпуске того же журнала за 2007 г. Традиционная методика выбора электродвигателя для любого привода давно известна. Для этого вычисляется усредненная механическая мощность, необходимая для движения объекта управления (рабочего механизма) с заданными скоростями и ускорениями в различных режимах работы. Далее выбирается максимальное значение этой мощности, называемое требуемой мощностью, которое сравнивается с номинальной мощностью на валу двигателя, указанной в его паспортных данных или даже на его шильдике. Однако для бесконтактных моментных двигателей проблема состоит в том, что для них такой параметр, как номинальная мощность, обычно не указывается.
Для пояснения проблемы выбора моментного двигателя рассмотрим типовую конструкцию классического коллекторного двигателя постоянного тока, показанную на рисунке 1.
Рис. 1
В корпусе с постоянными магнитами на статоре установлен ротор с подшипниками и щеточно-коллекторным узлом. Обмотка двигателя, называемая якорем, размещена на роторе, поэтому все тепло за счет потребляемого электрического тока выделяется только в роторе, поскольку постоянные магниты сами не нагреваются. Все это тепло отводится от ротора в корпус, в основном через воздух с торцов и через воздушный зазор, поскольку через подшипники и щетки поток тепла незначителен. Далее корпус двигателя охлаждается конвекцией воздуха, а часть тепла уходит через торец корпуса, которым двигатель соединяется с конструкцией привода. Таким образом, точный расчет температуры обмотки как основного повреждающего фактора при различных моментах, скоростях и режимах (например, частом реверсировании) весьма сложен, поскольку изменяются условия теплоотвода. Поэтому разработчики коллекторных электродвигателей испытывают двигатель в каком-то одном, так называемом номинальном режиме (в номинальной точке), с номинальными моментом, скоростью и мощностью, на валу, который и рекомендуют потребителю. Превышение усредненного момента нагрузки или механической мощности на валу двигателя больше номинального значения не допускается, даже если, например, двигатель используется при температуре окружающей среды ниже максимально допустимой, или потребитель обдувает двигатель воздухом или устанавливает на его корпус радиатор. Это объясняется тем, что прямой пересчет температуры обмотки в новой точке, отличной от номинальной, затруднен, поэтому требуются новые испытания двигателя в этой новой точке. Таким образом, для классических коллекторных двигателей постоянного тока назначение номинальной мощности на валу двигателя как основного фактора при его выборе по традиционной методике вполне оправдано. Положение не сильно меняется для встраиваемого моментного двигателя коллекторного типа. Например, на рисунке 2 показан такой моментный двигатель компании Kollmorgen.
Рис. 2.
Здесь все тепло по-прежнему выделяется в роторе и отводится в основном через окружающую воздушную среду и частично – через вал ротора, не показанный на рисунке. Поэтому и здесь выбор двигателя по номинальной мощности вполне оправдан.
Совершенно иную конструкцию имеют бесконтактные моментные двигатели, например, двигатели серии STK компании Alxion (рисунок 3) или серии ДБМ компании «Машиноаппарат» (рисунок 4). В таких двигателях, в отличие от двигателей классической конструкции, обмотка размещена на статоре, а магниты – на роторе. Поэтому все выделяющееся тепло легко отводится на корпус привода.
Рис. 3.
Рис. 4.
По характеру нормирования параметров бесконтактные моментные двигатели могут быть номинального и интенсивного использования. В первом случае аналогично двигателям классической конструкции для фиксированной схемы включения и управления задаются номинальные рабочий режим и механическая мощность на валу, которые гарантируются либо для двигателя без корпуса (при конвективном теплообмене), или при рекомендуемой конструкции теплоотвода. Например, моментные двигатели компаний Siemens или Ruch Serwomotor снабжаются дополнительным жидкостным охлаждением. Пример такого двигателя серии 1FW6 компании Siemens показан на рисунке 5, где в центре хорошо видны патрубки для подвода охлаждающей жидкости.
Рис. 5.
Таким образом, в двигателях номинального использования функциональные возможности двигателя сильно ограничены, однако выбор таких двигателей может производиться по классической методике.
В отличие от двигателей номинального использования бесконтактные моментные двигатели интенсивного использования как правило:
Очевидно, что при традиционном номинальном использовании в этом случае потребовалось бы задавать множество номинальных режимов и точек, в каждой из которых двигатель нужно испытывать отдельно. Чтобы этого избежать, разработчики бесконтактных моментных двигателей интенсивного использования разрешают любые схемы включения, управления и режимы – при условии, что максимальная температура обмотки никогда не превышает заданного предельного значения (для моментных двигателей серий ДБМ и ДБМВ это +150 °С). Таким образом, под интенсивным использованием понимается возможность эффективного применения двигателя во всех условиях и режимах. Однако при этом у потребителя возникают две проблемы:
Оба этих вопроса рассматриваются в следующем разделе.
Методика выбора бесконтактного моментного двигателя включает следующие этапы:
Первые два этапа требуют построения механической характеристики моментного двигателя в виде зависимости частоты вращения ротора n и мощности на валу P от вращающего момента M. Пример такой характеристики показан на рисунке 6, где: nх – частота вращения холостого хода, Mп – пусковой момент, а Pмакс – максимальная механическая мощность на валу двигателя, определяемая по формуле:Pмакс = 0,25 Mп nх .
Рис. 6.
В выбранной рабочей точке (режиме) А двигатель будет развивать рабочий вращающий момент Mр при рабочей частоте вращения nр и рабочей механической мощности на валу Pр. В двигателях номинального использования рабочая точка определяет номинальный режим двигателя, назначаемый разработчиком двигателя чаще всего в точке максимума КПД, лежащей левее точки максимальной механической мощности на валу. Для двигателей интенсивного использования рабочая точка может быть выбрана потребителем в любой точке механической характеристики: от режима холостого хода до пускового режима, в том числе и в точках максимума КПД или максимальной механической мощности на валу. Однако очевидно, что для исполнительных двигателей, т. е. двигателей сервоприводов и приводов регулируемой скорости, в отличие от нерегулируемых приводов, КПД не является решающим показателем, поскольку такой двигатель должен обеспечивать прежде всего точность и быстродействие привода. Рассмотрим простой пример. Известно, что взрослый мужчина может толкать неисправную легковушку (или даже пустой двухосный вагон). Но если попросить его остановить у крыльца с точностью в 1 см, это будет воспринято как дурная шутка. Между тем тот же мужчина легко подведет карандаш на бумаге к заданной точке с ошибкой менее 1 мм. Отсюда следует известное практическое правило: чем точнее привод, тем он должен быть менее нагружен. Очевидно, что и для быстродействия двигатель должен располагать большими запасами по моменту. Это же правило следует и из теории нелинейных систем автоматического управления. Рассмотрим, например, регулировочную характеристику двигателя постоянного тока, т. е. зависимость частоты вращения n от управляющего напряжения U при большом моменте нагрузки, показанную на рисунке 7.
Рис. 7.
Ясно, что двигатель не запустится, пока управляющее напряжение не превысит напряжение трогания Uн, определяемое моментом нагрузки. Предельное значение скорости nмаксограничено допустимым максимальным напряжением питания. Мерой нелинейности этой характеристики является отношение Uмакс/Uн. Очевидно, что чем она выше, тем привод ближе к линейному, и тем вероятнее возможность обеспечить его высокую точность, плавность и быстродействие. Применительно к моментным двигателям мерой нелинейности привода является коэффициент линейности (называемый иногда коэффициентом плавности), равный отношению пускового момента к рабочему:kпл = Мп / Мр.Значение коэффициента линейности рекомендуется выбирать в пределах:kпл = 3 – 20,где минимальное значение этого коэффициента назначается для простых, не очень точных приводов, а максимальное – для особо точных следящих или регулируемых приводов. С этой точки зрения ситуация, показанная на рисунке 7, является неприемлемой, поскольку здесь kпл = 2.Таким образом, выбор коэффициента линейности определяет рабочую точку А двигателя, и если за рабочую механическую мощность на валу принять требуемую мощность двигателя Pр = Pтр, то на рисунке 6 легко найти максимальную механическую мощность на валу по формуле:P_макс=P_р (kпл^2)/4(kпл-1) . Это позволяет легко выбрать из каталога подходящий типономинал моментного двигателя по его максимальной механической мощности на валу. Затем, построив его механическую характеристику, можно вычислить рабочую частоту вращения двигателя и необходимое передаточное отношение редуктора с учетом его КПД и нужных запасов по скорости.Для прямого привода редуктор отсутствует, поэтому моментный двигатель выбирается по требуемому пусковому моментуМп ? kпл Мтр,где Мтр – требуемый момент объекта управления (рабочего механизма). Этап выбора типономинала двигателя завершается нахождением мощности электрических потерь в обмотке статора. Для этого по известным методикам вычисляется эквивалентный (среднеквадратичный) момент двигателя, зависящий от рабочего режима, а по нему – амплитуда фазного тока статора и мощность электрических потерь в обмотке (потерь в меди) Pэ. Необходимо, однако, учитывать, что при работе в режиме вентильного двигателя помимо синфазной составляющей тока, образующей вращающий момент, в обмотке протекает квадратурная составляющая тока, вызванная запаздыванием в электронной части. Кроме того, дополнительный нагрев вызывают высокочастотные составляющие фазных токов за счет негармонической формы тока, широтно-импульсной модуляцией и т. д. Расчет теплоотвода (радиатора) проводится методом электротермических аналогий. Для этого установившийся процесс отвода тепла от обмотки в окружающую среду представляется в виде упрощенной цепи, показанной на рисунке 8, где:Tоб, Tст, Tр и Tср – установившиеся значения температуры обмотки, посадочной поверхности статора двигателя, радиатора и окружающей среды соответственно;Rт, Rп и Rр – тепловые (называемые иногда термическими) сопротивления двигателя, перехода статор – радиатор и радиатора соответственно.
Рис. 8.
Как видно из приведенного рисунка, в методе электротермических аналогий температура является аналогом напряжения, мощность электрических потерь – аналогом электрического тока, а тепловое сопротивление – аналогом электрического сопротивления цепи. Тепловое сопротивление моментного двигателя интенсивного использования указывается в его паспортных данных. Тепловое сопротивление перехода статор – радиатор может быть уменьшено плотной посадкой, специальными пастами и смазкой, поэтому составляет обычно малую величину. Тепловое сопротивление радиатора или корпуса привода, в который встраивается моментный двигатель, подлежит определению и указанию в техническом задании на конструировании радиатора. Пример электропривода линейного движения с моментным двигателем типа ДБМ и радиатором приведен на рисунке 9.
Рис. 9.
Для расчета требуемого теплового сопротивления радиатора в соответствии с рисунком 8 задаются допустимой температурой обмотки Тоб (которая должна быть ниже предельной максимально допустимой температуры для данного типа двигателя, например, 150 °С) и определяют установившуюся температуру статора и требуемое тепловое сопротивление радиатора и перехода статор – радиатор.
По тепловому сопротивлению радиатора или корпуса с помощью известных методик определяют их конструкцию, а также решают вопрос о необходимости дополнительного обдува или жидкостного охлаждения. Для предотвращения перегрева обмотки в корпус встраивается термореле или датчик перегрева, как это показано, например, для прямого привода в февральском выпуске журнала Control Engineering Россия за 2012 г. Разумеется, справедливость тепловых расчетов следует подтвердить испытаниями опытного образца.
controleng.ru
Моментным двигателем
Моментные двигатели HIWIN называется электромеханический преобразователь, с большим выходным моментом. В рабочем режиме ротор этого двигателя либо неподвижен, либо вращается с малой скоростью.
Моментные двигатели (Torque Motor)
Моментные двигатели HIWIN широко используются в качестве исполнительных элементов в современных системах автоматики, телемеханики, измерительной техники и станкостроении. В этих областях моментные двигатели пришли на смену быстроходным двигателям с редуктором.
Достоинства высокомоментного двигателя (Torque Motor)
Моментные двигатели HIWIN
Моментные двигатели NIWIN - это синхронные низкооборотные высокомоментные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов с полым валом.
Двигатели HIWIN серии TMS
Двигатели HIWIN серии TMS короткие, компактные и надежные. Используются в системах позиционирования, поворотных столах. Оптимальны для механизмов с большим моментом и высокой динамикой.
Имеют жесткое, безлюфтовое соединение между двигателем и нагрузкой. Регулирование с помощью сервоприводов HIWIN
Сервоприводы HIWIN реализуют быстрый разгон и хорошую равномерность движения. Двигатели серии TMS имеют полую конструкцию вала и хорошо подходит для решения задач в области автоматизации. В комплект поставки должны входить, соединительные кабели.
В качестве достоинств моментных двигателей HIWIN можно также отметить следующее:
ОПОРНЫЙ ПОДШИПНИК С ПЕРЕКРЕСТНЫМИ РОЛИКАМИ (cross roller)
В опорном подшипнике с перекрестными цилиндрическими роликами эти ролики расположены поперечно, каждый последующий ролик расположен перпендикулярно к предыдущему, в 90° пазе V-образной формы и отделен от других роликов сепаратором. Такая конструкция позволяет одному подшипнику принимать нагрузки по всем направлениям, радиальным и осевым.
Области применения моментных двигателей HIWIN
| Классификация производств | Область использования | Особенности и основные причины для использования | ||||
| Точность | Скорость | Жесткость | Компактность | Простотаобслуживания | ||
|
Станки
|
Магазины смены инструмента | + | + | + | ||
| Привод подач и приводы главного движения | + | + | + | + | ||
| Машины для сборки | Машины по монтажу электрических компонентов | + | + | + | + | |
| Высокоскоростные сборочные машины для электронных компонентов | + | + | + | + | ||
| Различные монтажно-сборочные машины | + | + | + | + | ||
| Другое производственное оборудование | Химическое покрытие, очистка пластин, ионная имплантация | + | + | + | ||
| Высокоточные транспортные механизмы, измерительные системы, дефектоскопы | + | + | + | + | ||
| Измерительно-испытательное оборудование | Электромеханическая узлы | + | + | + | ||
| Обследование электрических компонентов | + | + | + | |||
| Обследование оптических компонентов | + | + | + | |||
| Установки химического анализа | + | + | ||||
| Другое измерительное / испытательное оборудование | + | + | + | |||
| Робототехника | Роботы-манипуляторы в линиях сборки | + | + | + | + | + |
| Различные виды транспортных роботов | + | + | + | + | ||
| Измерительно / транспортные роботы в нано-производствах | + | + | + | + | ||
Станки
www.servosystem.ru
В схемах автоматики, телемеханики и вычислительной техники наряду с автоматическими системами непрерывного действия, которые выполняются с помощью рассмотренных выше обычных двигателей, широко применяются системы дискретного (импульсного) действия. В таких системах используются специальные исполнительные двигатели, которые получили название шаговых.
Шаговые двигатели – это электромеханические устройства, которые преобразуют электрические импульсы напряжения управления в дискретные (скачкообразные) угловые и линейные перемещения ротора с возможной его фиксацией в нужных положениях.
Первые шаговые двигатели изготовлялись в виде электромагнита, приводящего во вращение храповое колесо (рис. 22.10), которое за одно включение электромагнита под напряжение (за один такт) перемещалось на вполне определенный угол – шаг, величина которого определяется величиной зубцового шага храпового колеса.
Рис.22.10. Шаговый двигатель с электромагнитом и храповиком
Для обеспечения реверса на валу двигателя устанавливалось два храповых колеса, повернутых на 180° друг относительно друга, и двигатель снабжался двумя электромагнитами. Не смотря на наличие ряда недостатков храповых шаговых двигателей, они и в настоящее время находят довольно широкое применение в схемах автоматики.
В приводах подачи прецизионных шлифовальных станков, приборов точной механики и оптики часто требуется отработка перемещений, составляющих несколько микрометров, а иногда и десятые доли микрометра. При использовании для этой цели шаговых двигателей как обладающих малым угловым шагом все же необходима механическая передача с большим передаточным отношением, которой свойственны существенные погрешности. Так как в перечисленных установках очень высоки точностные требования, то применение шаговых двигателей практически исключается. Частичным решением задачи может быть использование шаговых двигателей с электрическим дроблением шага, когда посредством специальной электронной схемы при подаче очередного импульса обеспечивается перемещение не на полный шаг, а только на его часть. По сути дела в этом случае от дискретного управления переходят к непрерывному. Однако и здесь не обойтись без механической передачи.
В связи с этим для микроперемещений необходимы двигатели, выполненные на иной физической основе. Принципиально возможно построение двигателей на основе теплового расширения тела, электромагнитного взаимодействия, магнитострикций; обратного пьезоэффекта.
Двигатели для микроперемещений, построенные на тепловом расширении тела, не используются из-за большой инерционности и отрицательного влияния температурных полей на окружающие приборы и узлы.
Двигатели, выполненные как втяжные или поворотные электромагнитные устройства, иногда находят применение, однако очень трудно в них обеспечить тяговое усилие, слабо зависящее от перемещения. Кроме того, такой двигатель весьма инерционен из-за большой индуктивности тяговой катушки. Полоса пропускания управляющего сигнала в нем составляет 10...20 Гц. Положительное качество двигателя – обеспечение достаточно больших перемещений, определяемых ходом электромагнита (ход может составлять несколько миллиметров). В большинстве случаев в прецизионных установках наряду с микроперемещениями необходимы и относительно большие юстировочные подачи.
Более широко применяют магнитострикционные двигатели, в которых используется свойство стержня из ферромагнитного материала изменять длину под воздействием магнитного поля. Максимальное относительное изменение продольных размеров стержней из таких материалов, как никель, железоникелевые, железохромникелевые и железокобальтовые сплавы, сплавы типа инвар и другие, может составлять (20...50)·10-6. Следовательно, при длине 100 мм свободный конец стержня может перемещаться на 2... 5 мкм. Пороговая чувствительность составляет 0,05...0,10 мкм. Недостаток магнитострикционного двигателя, так же как и электромагнитного – инерционность, обусловленная процессами, происходящими в намагничивающей катушке. Однако индуктивность ее несколько меньше, так как зазора в магнитной цепи может не быть. Все же полоса пропускания и в этом случае не превышает 30 Гц. На точность работы двигателя существенно влияют внешнее тепловое поле и нагрев стержня. Следует иметь в виду, что намагничивающая катушка двигателя сама создает ощутимое тепловое поле, так как ее размеры и потребление энергии достаточно велики.
Наиболее предпочтителен пьезоэлектрический двигатель, выполняемый обычно как столбик из пьезокерамических шайб, склеенных между собой. Исходным материалом для пьезокерамики служат оксиды металлов (титанат бария, цирконат-титанат свинца и др.). Когда к торцевым поверхностям шайб приложено напряжение, то в зависимости от ориентации электрического поля столбик сжимается или удлиняется. В некоторых пределах зависимость удлинения от напряженности электрического поля носит линейный характер. Максимальное относительное удлинение может составлять (5...7)·10-4. Следовательно, пьезостолбик длиной 50 мм может обеспечить перемещение до 25 мкм, т. е. примерно на порядок больше, чем в магнитострикционных двигателях. Напряжение, подаваемое на шайбу, достаточно велико – до 300 В. Потребление энергии незначительно.
Существенное достоинство пьезоэлектрического двигателя быстродействие. Полоса пропускания достигает 1000 Гц. К недостаткам как магнитострикционного, так и пьезоэлектрического двигателей относится наличие петли гистерезиса в характеристиках. Ширина петли может достигать 20...30 % максимального перемещения. В пьезоэлектрических двигателях влияние гистерезиса можно несколько ослабить предварительным сжатием столбика шайб.
Усилия, которые могут создавать магнитострикционный и пьезоэлектрический двигатели, естественно, зависят от размеров стержня и шайб и в реальных двигателях составляют несколько сотен ньютонов.
Часто максимальные перемещения, которые могут обеспечить магнитострикционный и пьезоэлектрический двигатели, недостаточны. Тогда приходится прибегать к шаговым двигателям, построенным на тех же принципах. Работу шагового пьезоэлектрического двигателя поясняет Рис.22.11. Двигатель состоит из столбика пьезоэлектрических шайб 2 и двух зажимных устройств 1 и 3 на его концах. При нормальной работе в непрерывном режиме зажимное устройство 3 зафиксировано, а устройство 1 свободно. В зависимости от напряжения, поданного на шайбы, осуществляются микроперемещения конца А.
Рис.22.11. Схема шагового пьезоэлектрического двигателя:
1,3 — зажимные устройства; 2 — шайба пьезоэлектрическая
При использовании возможного ресурса перемещений и соответственно при достижении напряжением предельного значения зажим 1 фиксирует конец А, напряжение с шайб снимается, а зажим 3 освобождает конец В. При этом столбик шайб сжимается до исходной длины (конец В подтягивается). После этого зажим 3 вновь фиксируется, а зажим 1 – отпускает конец А; далее вновь подается напряжение на шайбы и двигатель начинает работать, перемещая конец А, соответственно управляя объектом, механически связанным с двигателем. Если одного шага перемещения оказывается недостаточно, то цикл повторяется. Зажимными устройствами управляют с помощью специального коммутатора. Для того чтобы зафиксировать конец столбика шайб, можно установить механические устройства (например, цанговые зажимы) с управлением от магнитов или тех же пьезокерамических элементов – шайб.
Шаговый магнитострикционный двигатель работает на том же принципе.
studfiles.net
При открытии двери, установке выключателей или при работе пресс-форм система должна достигнуть определенного положения и поддерживать его в безопасном режиме. Наши моментные двигатели DRM.. отличаются особенной надежностью в этом случае.
Моментные двигатели серии DRM.. Моментные двигатели серии DRM.. DRM.. – это 12-полюсный двигатель, предназначенный для работы с номинальным крутящим моментом состояния покоя. Благодаря этому он является оптимальным приводом для всех областей применения, где положение останова достигается после короткого движения и должно выполняться безопасно. Моментный двигатель – это обычное обозначение двигателей данного типа.
В компании SEW-EURODRIVE Вы подберете подходящий двигатель, отвечающий различным требованиям и с разными скоростями в одном редукторе. Это обусловлено тем, что мы предлагаем три номинальных крутящих момента для каждого моментного двигателя. Кроме того, DRM.. также всегда термически безопасен и защищен в случае блокировки ротора.
Наш моментный двигатель требует 3-фазного питания от сети. Электрическая конструкция позволяет моментным двигателям работать в тяжелых условиях S1 со 100% продолжительностью включения в случае блокировки ротора. Это означает, что моментный двигатель постоянно обеспечивает полный допустимый момент.
Однако если для Вашего применения очень высокий пусковой момент требуется лишь на короткое время, мы рекомендуем рабочий цикл S3. В этом рабочем цикле двигатель работает с продолжительностью включения 15% и таким образом достигается крутящий момент, превышающий номинальный в три / пять раз. Идеально подходит для пресс-форм, например.
Само собой разумеется, что все оборудования подходит для моментных двигателей, и Вы можете использовать множество дополнительных функций модульной системы двигателей DR..
Задача решена только наполовину, если нет редуктора? Это не проблема, ведь редукторные моментные двигатели собраны на основе многофункциональной модульной концепции, подобно мотор-редукторам. Моментные двигатели развивают меньший крутящий момент по сравнению с двигателями переменного тока серии DR ... такой же конструкции из-за термических условий, что обеспечивает более широкий диапазон возможных комбинаций с нашими редукторами.
www.sew-eurodrive.ru
Моментные двигатели Количество просмотров публикации Моментные двигатели - 152
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Моментные двигатели |
| Рубрика (тематическая категория) | Автоматизация |
В моментных двигателях ротор, развивая необходимый момент, поворачивается лишь на весьма малые углы, составляющие долю его оборота. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, двигатель работает практически с неподвижным ротором или, как говорят, в режиме короткого замыкания.
В качестве моментных бывают использованы двигатели различного типа как постоянного, так и переменного токов. К примеру, у двигателя постоянного тока независимого возбуждения момент короткого замыкания пропорционален приложенному напряжению. У асинхронного двигателя (трехфазного или двухфазного) момент определяется квадратом напряжения в цепи статора, причем в двухфазном двигателе достаточно регулировать ток в одной обмотке (обмотке управления) и изменять момент за счёт внесения асимметрии.
Наиболее рациональным является двухфазный синхронный двигатель с возбуждением от постоянного магнита и питанием обмотки статора постоянным током (рис. 19.8), в котором изменяя соотношение токов от I1= max, I2 = 0 до I1 = 0, I2 = max, можно обеспечить поворот ротора в пределах 90°. При I1 = max положение ротора будет совпадать с осью обмотки 1, при I2 = max — с осью обмотки 2.
Системы с моментными двигателями отличаются повышенным быстродействием. Поскольку двигатель не вращается, то его механическая инерция не влияет на динамику системы, а переходные процессы определяются в основном электромагнитной инерцией обмоток. Так как электромагнитная постоянная двигателя обычно существенно меньше электромеханической, то переходные процессы в них завершаются быстрее, чем при отработке перемещений.
Моментные двигатели - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Моментные двигатели" 2014, 2015.
В моментных двигателях ротор, развивая необходимый момент, поворачивается лишь на весьма малые углы, составляющие долю его оборота. Таким образом, двигатель работает практически с неподвижным ротором или, как говорят, в режиме короткого замыкания. В качестве моментных... [читать подробнее].
В моментных двигателях ротор, развивая необходимый момент, поворачивается лишь на весьма малые углы, составляющие долю его оборота. Таким образом, двигатель работает практически с неподвижным ротором или, как говорят, в режиме короткого замыкания. В качестве моментных... [читать подробнее].
referatwork.ru
Изобретение относится к области электротехники, в частности к моментным магнитоэлектрическим двигателям, и может быть использовано для создания момента в различных системах коррекции и программного разворота. Моментный двигатель содержит магнитную систему, состоящую из многополюсного постоянного магнита и магнитопровода, а также активный элемент в виде спирально намотанной электропроводящей ленты, покрытой слоем изоляционного материала. На боковых краях ленты поочередно с одного и другого края выполнены узкие поперечные вырезы. Эти вырезы на каждом витке намотки ленты находятся над и под аналогичными вырезами на нижележащем и вышележащем слоях. Эти вырезы создают на витом активном элементе боковые пазы, причем расстояние между смежными пазами соответствует полюсному делению магнита. К концам намотанной ленты подключен источник постоянного тока. Технический результат - расширение рабочего диапазона углов взаимного поворота ротора и статора моментного двигателя. 3 ил.
Изобретение относится к электрическим двигателям, а именно к моментным магнитоэлектрическим двигателям, и может найти применение для создания момента в различных системах коррекции и программного разворота.
В приборных устройствах широко применяются системы коррекции, программного разворота, цепи силовых обратных связей, следящие системы. Исполнительными устройствами таких систем чаще всего являются электрические машины, называемые (в зависимости от их назначения) датчиками момента, двигателями стабилизации, двигателями отработки, моментными двигателями. Требования, предъявляемые к указанным устройствам, как правило, оказываются более жесткими, чем требования, предъявляемые к электрическим машинам общего назначения. Это приводит к необходимости разработки специальных конструкций исполнительных устройств приборов.
Известны наиболее распространенные типы моментных двигателей: асинхронные, электромагнитные, магнитоэлектрические и электродинамические [Авиационные моментные двигатели / Л.И.Столов, Б.Н.Зыков, А.Ю.Афанасьев, Ш.С.Галеев. - М.: Машиностроение. 1979. С.С.7-8, 15-16]. Конструктивные особенности моментных двигателей определяются принципами их работы. Асинхронный моментный двигатель функционирует за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля, создаваемого статорной обмоткой, с наведенными этим полем токами в обмотке ротора. Электромагнитные моментные двигатели содержат ферромагнитный якорь, притягиваемый к сердечнику с обмоткой, по которой пропускается электрический ток. Электродинамический моментный двигатель в своем составе имеет обмотку управления, активные проводники которой находятся в постоянном магнитном поле, создаваемом электромагнитом; при протекании через обмотку управления постоянного тока создается момент, пропорциональный этому току.
Перечисленные типы моментных двигателей имеют свои преимущества и недостатки, к числу последних относится малая величина рабочего диапазона углов относительного разворота ротора и статора, в котором создается достаточная величина развиваемого момента.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по использованию, технической сущности и достигаемому результату является магнитоэлектрический моментный двигатель, выбранный в качестве прототипа [Авиационные моментные двигатели / Л.И.Столов, Б.Н.Зыков, А.Ю.Афанасьев, Ш.С.Галеев. - М.: Машиностроение. 1979. С.14]. Конструктивно магнитоэлектрический моментный двигатель состоит из многополюсного постоянного магнита и статора-магнитопровода, а также обмотки управления, расположенной на немагнитной обойме. Активные проводники обмотки находятся в магнитном поле в зазоре между магнитом и магнитопроводом. При подаче в обмотку управления электрического тока моментный двигатель развивает момент, пропорциональный этому току и имеющий знак, зависящий от направления протекания тока. Для увеличения момента, развиваемого двигателем, постоянный магнит выполнен многополюсным. В зависимости от конструктивного исполнения прибора, в котором используется моментный двигатель, подвижным элементом может быть как магнитная система, включающая в себя постоянный магнит и внешний магнитопровод, так и обойма (немагнитный стакан) с расположенной на ней обмоткой. В последнем случае для передачи тока на подвижную обмотку в приборе предусматриваются специальные токоподводы.
Наряду с положительными качествами такого моментного двигателя (простота конструкции, пропорциональность развиваемого момента от тока), имеются и недостатки, в частности малый рабочий диапазон углов взаимного поворота магнита и обмотки, что характерно для случая использования многополюсного магнита. Рабочий диапазон определяется положением, когда активные проводники обмотки находятся в зоне действия магнитного потока полюсов магнита. При больших углах взаимного поворота проводники обмотки выходят из-под полюса и попадают в зону, где действуют магнитные потоки рассеяния и создаваемый момент резко уменьшается. Одним из приемов расширения рабочего диапазона углов работы моментного двигателя является увеличение длин дуг полюсов магнита. Однако такой прием имеет недостаток, заключающийся в том, что резко увеличивается масса магнитной системы и в итоге растет момент инерции подвижной части прибора, ухудшая динамические характеристики последнего.
Поставлена задача разработать моментный двигатель, обладающий достаточно большим рабочим диапазоном углов взаимного поворота обмотки и магнитной системы, не увеличивая его габариты.
Эта задача решена следующим образом. В соответствии с прототипом моментный двигатель содержит первичный элемент, выполненный в виде многополюсного магнита и магнитопровода. Магнит и магнитопровод соединены диафрагмой из немагнитного материала. Согласно изобретению вторичный элемент, в отличие от обмотки двигателя-прототипа, выполнен в виде спирально намотанной электропроводящей ленты, покрытой слоем изоляционного материала. Намотка из электропроводящей ленты помещена в зазор между полюсами магнита и магнитопроводом. К концам ленты подключен источник постоянного тока. По боковым краям ленты поочередно с одного и другого края выполнены узкие поперечные вырезы. Расположение этих вырезов выполнено таким образом, что вырезы на каждом витке намотки ленты находятся над и под аналогичными вырезами на нижележащем и вышележащем слоях, образуя пазы во вторичном элементе (в намотке электропроводящей ленты). При этом расстояние между смежными пазами во вторичном элементе (намотке), полученными наложением участков ленты с вырезами, соответствует полюсному делению магнита.
Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2.
Многополюсный постоянный магнит 1 соединен с магнитопроводом 2 немагнитной диафрагмой 3 в единый узел - первичный элемент. В зазор между полюсами магнита и магнитопроводом помещается вторичный элемент 4, который представляет собой спирально намотанную ленту из электропроводящего материала, преимущественно немагнитного для исключения моментов тяжения при работе двигателя. Лента покрыта слоем изоляционного материала. На фиг.2 элемент крепления вторичного элемента (намотки) обозначен как 5. По боковым краям ленты имеются поперечные вырезы, которые при намотке образуют во вторичном элементе боковые пазы. Расстояние между центрами получившихся боковых пазов равно полюсному делению магнита. Если к началу и концу ленты подключить источник постоянного тока, то характер протекания тока определяется наличием в ленте поперечных вырезов. Поперечные составляющие этого тока, взаимодействуя с полем постоянного магнита, вызывают появление сил, создающих момент относительно оси вращения подвижного элемента моментного двигателя - магнитной системы или вторичного элемента (намотки ленты).
Работа предлагаемого моментного двигателя поясняется следующим образом. На фиг.3 представлен элемент ленты, из которой выполняется намотка вторичного элемента. Поперечные вырезы, выполненные на боковых сторонах ленты, заставляют ток J протекать по диагоналям участков ленты, лежащих между вырезами. При этом ток J имеет две компоненты: Jn - продольную, направленную вдоль ленты, и Jo - поперечную (осевую), направленную поперек ленты в направлении, совпадающем с осью вращения подвижной части моментного двигателя. Полюсы магнита на фиг.3 отображены прямоугольниками N и S. Предполагается, что полюсы находятся над плоскостью рисунка и силовые линии магнитного поля, создаваемого полюсом N, входят в плоскость рисунка, а силовые линии полюса S выходят из него. Взаимодействие компонент тока Jo с магнитным полем приводит к появлению сил F, действующих на магнит - источник магнитного поля. Суммарное действие этих сил приводит к появлению вращающего момента, который стремится повернуть магнитную систему относительно неподвижной намотки из ленты. Продольные составляющие тока Jn вызывают появление сил Р, которые действуют со стороны магнита на опоры его подвеса. В том случае, если магнит имеет одну пару полюсов, то эти силы создают момент, перпендикулярный оси вращения моментного двигателя, и вызывают радиальную нагрузку на опоры. Если число пар полюсов магнита больше одной, то силы в осевом направлении взаимно компенсируются и в радиальном направлении нагрузки на опоры не создают. Величина полезного момента, создаваемого силами F, будет тем больше, чем больше выполнено витков в намотке, так как под действием магнитного потока полюса будут находиться участки ленты с одним и тем же характером протекания тока.
Пример технической реализации изобретения поясняется фиг.2. Постоянный магнит 1 и магнитопровод 2 монтируют на немагнитной диафрагме 3, которую, в свою очередь, крепят к подвижной части прибора. Вторичный элемент-намотку 4 крепят на оправке 5, которую, в свою очередь, монтируют на неподвижном элементе прибора. Вторичный элемент (намотка) выполнен из тонкой ленты фольги, которую наматывают на тонкую трубчатую основу. На ленте, как минимум с одной стороны, нанесен слой изоляционного материала. Вырезы на боковых краях ленты могут быть выполнены в процессе ее намотки лучом лазера. Трубчатая основа для намотки выполнена из материала с высокой теплопроводностью, что позволит при повышенной плотности тока в ленте отводить тепло на корпус прибора. Предлагаемая технология выполнения вторичного элемента не ограничивает возможные варианты его изготовления.
Технический результат изобретения: расширение рабочего диапазона углов взаимного поворота ротора и статора моментного двигателя, при котором величина развиваемого момента достаточна для нормальной работы прибора.
Моментный двигатель, содержащий первичный элемент, выполненный в виде многополюсного магнита и магнитопровода, отличающийся тем, что вторичный элемент, находящийся в зазоре между полюсами магнита и магнитопроводом, выполнен в виде спирально намотанной электропроводящей ленты, покрытой слоем изоляционного материала, к концам которой подключен источник постоянного тока, а по боковым краям ленты поочередно с одного и другого края выполнены узкие поперечные вырезы, причем вырезы на каждом витке намотки ленты находятся над и под аналогичными вырезами на нижележащем и вышележащем слоях, причем расстояние между смежными пазами вторичного элемента, полученными наложением участков ленты с вырезами, соответствует полюсному делению магнита.
www.findpatent.ru
