Электродвигатели с катящимся ротором
Одно из направлений развития безредукторного электропривода связано с применением двигателей с катящимся ротором, которые имеют малую частоту вращения и могут без понижающего редуктора сочленяться с производственными механизмами, требующими невысоких скоростей движения рабочих органов. Принцип действия двигателей с катящимся ротором рассмотрим с помощью рис. 1.
На рисунке внешнее заштрихованное кольцо 1 представляет собой статор двигателя. Внутри статора расположен гладкий ферромагнитный ротор 2, ось которого Q2 не совпадает с осью статора Q1. Несовпадение осей статора и ротора, или, другими словами, эксцентриситет ротора, является важным отличительным признаком двигателей с катящимся ротором.
Предположим теперь, что статор двигателя создает в воздушном зазоре вращающееся магнитное поле, которое имеет резко выраженный максимум магнитной индукции (способы получения такого несимметричного поля будут рассмотрены ниже). Если в рассматриваемый момент времени этот максимум совпадает с точкой А на внутренней окружности статора (рис. 1,а), то ферромагнитный ротор под действием силы магнитного притяжения Fм,п займет положение, показанное на рис. 1,а. Это положение ротора будет равновесным, так как сила магнитного притяжения проходит через точку А касания ротора и статора.
Рис. 1. Принцип действия двигателя с катящимся ротором.
Рассмотрим теперь другой момент времени, когда вращающееся магнитное поле повернулось против часовой стрелки на некоторый угол. Сила магнитного притяжения, совпадающая по направлению с максимумом индукции магнитного поля, также изменит свое направление и займет положение, показанное на рис. 1,6. Так как направление силы притяжения FM.n уже не проходит через точку касания статора и ротора, на последний начинает действовать вращательный момент относительно точки А. Под действием этого момента ротор начнет перекатываться по поверхности статора, пока вновь не займет равновесное положение, которое соответствует направлению силы FM,„ через новую точку касания статора и ротора А’ (пунктир на рис. 1,6).
При непрерывном вращении такого несимметричного магнитного поля ротор будет непрерывно перекатываться по поверхности ста гора вслед за максимумом индукции этого поля. При таком обкатывании ротором статора ось ротора Q2 будет вращаться вокруг оси статора Q1 с частотой вращения магнитного поля, а сам ротор будет вращаться вокруг собственной оси в противоположную сторону с частотой, во много раз меньшей частоты вращения магнитного поля. Покажем это математически с помощью рис. 1,б.
Если магнитное поле совершит полный оборот, то ротор из-за разности длин окружностей качения статора Di и ротора D2 повернется в противоположном направлении на угол ар, который, как центральный угол, может быть рассчитан по формуле
Из этой формулы видно, что если диаметры ротора и статора близки по величине, то угол поворота ротора вокруг своей оси весьма мал. Полученное соотношение справедливо и для частот вращения магнитного поля по и ротора вокруг своей оси пр, а именно:
Выполняя ротор с диаметром D2, близким к Di, можно получить весьма малые отношения (Dx—D2)/D2, а следовательно, и очень низкие частоты вращения ротора пр. Коэффициент редукции скорости kp, определяемый обратным отношением D2/(Di—D2), для современных двигателей с катящимся ротором достигает 1500. Это качество и является основным и наиболее ценным достоинством двигателей с катящимся ротором.
Несмотря на относительно краткую историю своего развития — первые двигатели с катящимся ротором были разработаны еще в СССР в 1944 г. — в настоящее время имеется много различных модификаций и типов их исполнения. Классификация этих двигателей обычно проводится по нескольким признакам, а именно:
по роду тока двигатели с катящимся ротором подразделяются на двигатели постоянного и переменного тока, последние в свою очередь могут быть однофазными или многофазными и работать в синхронном или асинхронном режиме:
по конструктивному исполнению двигатели могут быть цилиндрическими, коническими или дисковыми, одно- или двухстаторными и иметь внутренний или наружный ротор;
по исполнению ротора бывают двигатели с короткозамкнутым ротором, с массивным ферромагнитным ротором, с полым ротором, который в свою очередь может быть ферромагнитным или немагнитным;
по способу возбуждения двигатели разделяются на двигатели с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением, с самоподмагничиванием, индукторные, реактивные и комбинированные;
по выполнению поверхностей качения двигатели могут быть гладкие или зубчатые;
по характеру движения ротора двигатели выполняются непрерывными или дискретными (шаговыми);
по направлению вращения двигатели бывают реверсивными и нереверсивными.
Рис. 2. Синхронный индукторный двигатель с катящимся ротором.
Кроме перечисленных признаков, двигатели с катящимся ротором могут подразделяться по назначению, мощности, основным характеристикам, характеру кинематической передачи от вала двигателя, режиму работы.
Рассмотрим теперь некоторые основные конструктивные исполнения этих двигателей и покажем конкретные способы получения несимметричного вращающегося поля.
На рис. 2 показана схема конструкции индукторного синхронного двигателя с катящимся ротором. Б корпусе двигателя 1 закреплены сердечник статора 2 с обмоткой 3 и постоянные магниты 4. Обмотка статора 3 создает симметричное вращающееся магнитное поле Фс, а постоянные магниты 4 — радиально направленное и неподвижное в пространстве магнитное поле Ф„. В результате сложения этих магнитных полей образуется вращающееся несимметричное магнитное поле с резко выраженным максимумом магнитной индукции. Образование этого несимметричного поля иллюстрирует рис. 3, на котором показано распределение индукции вдоль окружности воздушного зазора двигателя соответственно поля статора Вс, поля постоянных магнитов Вп и результирующего поля В 5. Максимум индукции В перемещается вдоль окружности статора с частотой вращения по, и вместе с ним перемещается точка соприкосновения ротора и статора. Сердечник 5 ротора двигателя (рис. 2) набирается из листов электротехнической стали и не имеет обмоток. Он монтируется на полой ферромагнитной втулке 6, служащей одновременно магнитопроводом для потока постоянного подмагничивания Фп. На этой же втулке крепятся и кольцевые сердечники 7, являющиеся частью магнитопровода для поля постоянных магнитов.
Особенность конструкции рассматриваемого двигателя заключается в наличии на роторе специальных катков 8, которые при вращении ротора обкатываются по специальным направляющим статора 9. Их наружный диаметр несколько больше диаметра ротора, что устраняет непосредственное соприкосновение ротора со статором и тем самым их износ.
При наличии катков соотношение частот вращения ротора и статора принимает
вид:
где D„, Dк — соответственно диаметры направляющих статора и катков ротора.
Внутри полой втулки располагается механизм передачи несоосного вращения ротора (на рисунке не показан), пример устройства которого будет рассмотрен ниже.
Рис. 3. Образование несимметричного вращающегося поля двигателя с катящимся ротором.
По своему исполнению рассмотренный двигатель является синхронным двигателем с возбуждением от постоянных магнитов и гладкими поверхностями качения.
Его конструкция легко может быть преобразована также к варианту с электромагнитным возбуждением или с зубчатыми поверхностями качения. В первом случае постоянный магнит заменяется электромагнитом, обмотка возбуждения которого включается на напряжение постоянного тока. Как вариант возбуждения в этом случае может быть реализовано самовозбуждение (самоподмагничивание) двигателя.
Для реализации зубчатого зацепления статора и ротора гладкие обкатываемые поверхности должны быть заменены зубчатой передачей. Редукция по скорости в этом случае будет определяться соотношением чисел зубцов зубчатых колес.
Рассмотренный двигатель может работать как в синхронном, так и асинхронном режиме работы. Синхронный режим, который практически уже был описан при рассмотрении принципа работы двигателя с катящимся ротором, характеризуется неизменной частотой вращения поля ротора пр, находящейся в постоянном соотношении с частотой вращения поля статора п0, и отсутствием проскальзывания между обкатываемыми поверхностями.
Асинхронный режим двигателей имеет место при проскальзывании катков ротора относительно направляющих статора. Такой режим работы двигателя наступает, когда момент нагрузки (момент сопротивления движению) становится больше развиваемого двигателем вращающего момента. В этом случае двигатель переходит в асинхронный режим работы с частотой вращения
Очевидно, что асинхронный режим может иметь место только у двигателей с гладкими поверхностями качения.
Рассмотрим еще одно конструктивное исполнение двигателя уже вместе с механической передачей. Двигатель (рис. 4) имеет два сердечника 1, расположенные внутри корпуса 2, который одновременно служит и магнитопроводом. На сердечниках 1 размещаются обмотки переменного тока 3, а внутри корпуса — тороидальная обмотка постоянного подмагничивания 4. Магнитопроводы 5 ротора двигателя крепятся на полой ферромагнитной втулке 6. Конструкция двигателя не предусматривает специальных поверхностей качения, и ротор при работе двигателя непосредственно обкатывается по внутренней поверхности статора. Наличие двух статоров позволяет повысить вращающий момент двигателя и снизить мощность и размеры обмотки постоянного подмагничивания.
Рис. 4. Двухстаторный двигатель переменного тока с катящимся ротором.
Для передачи несоосного вращения вала ротора предусмотрена механическая передача Кардана. Эта передача включает в себя карданный шарнир 7, расположенный внутри втулки ротора, который с помощью карданного вала 8 соединяется с другим карданным шарниром 9. Выходной вал 10 двигателя вращается в подшипнике 11, размещенном во фланце 12. Этот фланец в совокупности с упругими стержнями 13 образует так называемую эластичную подвеску статора, которая позволяет снизить вибрацию приводимого в движение механизма, улучшить рабочие характеристики двигателя и условия обкатывания.
Рассмотренная передача Кардана, которая широко используется в автомобилях и некоторых других механизмах, преобразует медленное вращение ротора вокруг своей оси во вращение выходного вала.
Кроме передачи Кардана, в двигателях с катящимся ротором широкое распространение нашли передачи Сешерона и Ольстома, выполняющие те же функции.
Основным достоинством двигателей с катящимся ротором, как уже отмечалось выше, является возможность получения низких частот вращения привода при значительных вращающих моментах без применения механических редукторов.
Двигатель обладает высокими динамическими показателями работы: время его пуска составляет примерно 0,01 с, а реверса — 0,02 с. При торможении двигателя отключением переменного напряжения статора он за счет постоянного подмагничивания развивает большой тормозной момент, вследствие чего время и путь его торможения незначительны, а ротор фиксируется силой притяжения в конечном положении. Достоинствами двигателя являются также большой пусковой момент и относительно небольшой пусковой ток, а также отсутствие в большинстве конструкций подвижных электрических контактов и высокоскоростных подшипников. Сравнительно высокими являются и энергетические показатели работы, которые улучшаются по мере увеличения мощности двигателей.
Вместе с тем двигатели этого типа имеют и заметные недостатки. К их числу в первую очередь относятся сложность конструкции самого двигателя и необходимость применения специальных механических устройств для передачи несоосного вращения ротора. Работа двигателя сопровождается шумом и вибрациями, возникающими за счет действия центробежных сил при вращении ротора. При наличии ударных нагрузок вращение двигателя нестабильно.
Несмотря на указанные недостатки, двигатели с катящимся ротором находят широкое применение для самых разнообразных производственных механизмов, таких как дозаторы, часовые механизмы, манипуляторы, системы телеметрического управления, станки для намотки реохордов и проволочных потенциометров, дуговые нагревательные печи и многие другие. Растет мощность этих двигателей. Сообщается о разработке двигателя мощностью 2 кВт в Японии, 3 кВт в Австрии и даже 20 кВт (nHOM=60 об/мин, Мном=3250 Н-м).
Серийно двигатели с катящимся ротором в широком ассортименте выпускаются во Франции, Англии, Японии и США. В России также налажен серийный выпуск таких двигателей, разработка которых ведется МЭИ, МАИ и некоторыми другими организациями. В табл. 3 приведены содержащиеся в технические данные некоторых образцов отечественных и зарубежных синхронных двигателей с катящимся ротором (СДКР).
Таблица 3
В табл. 3 для краткости в каждой графе указан диапазон параметров двигателей данной серии. Так, например, двигатели серии Р-5 выпускаются на частоты вращения от 2 до 200 об/мин, на мощности от 0,24 до 8,4 Вт и моменты от 0,45 до 2,4 Н-м и т. д.
« Электродвигатели с гладким якорем
Электродвигатели с малоинерционным ротором »
Источник: //leg.co.ua/info/elektricheskie-mashiny/elektrodvigateli-s-katyaschimsya-rotorom.html