Full Text

Введение В большинстве машин поступательного и возвратно-поступательного движения перемещение исполнительных органов создается обычными электродвигателями вращательного действия. В настоящее время для этих целей используется почти 50 % выпускаемых асинхронных электродвигателей [1-3]. Для преобразования вращательного движения двигателя в поступательное перемещение исполнительного органа применяются дополнительные механические вспомогательные устройства (редуктор, шестерня-рейка, винт-гайка, гидро- или колесная передача и др.). При этом усложняется конструкция машины, увеличиваются их вес и стоимость, снижаются надежность и общий коэффициент полезного действия. Отмеченные недостатки во многих случаях можно устранить, заменив приводной электродвигатель вращательного движения линейным двигателем. Достоинствами этого типа двигателей являются: отсутствие сложных механических передач между двигателем и исполнительным механизмом, отсутствие механических контактов между двигателем и исполнительным органом, простота конструкции, надежность в работе [4-6]. Особенности конструирования цилиндрического линейного вентильного двигателя с постоянными магнитами Линейные двигатели преобразуют электрическую энергию, потребляемую из сети, непосредственно в поступательное движение исполнительного органа без всяких промежуточных механических устройств [7-9]. Характерной особенностью линейных двигателей является разомкнутость индуктора и вторичного элемента (ротора), что приводит к появлению продольного краевого эффекта, который проявляется в неравномерном распределении поля по длине воздушного зазора двигателя и его выпучивания за пределы индуктора [10, 11]. К вариантам конструкций линейных двигателей можно отнести цилиндрический линейный асинхронный электродвигатель (ЦЛАД) [2, 11-14] и цилиндрический линейный вентильный электродвигатель с постоянными магнитами (ЦЛВД) [15-18]. ЦЛВД состоит из неподвижного цилиндрического индуктора, штока с постоянными магнитами и ферромагнитными полюсами [19]. На индукторе имеются зубцы и пазы, в которых находятся цилиндрические катушки, образующие трехфазную обмотку [20]. Продольный разрез индуктора и вторичного элемента представлен на рис. 1, согласно которому принципиальная конструкция ЦЛВД состоит из статора (неподвижная часть), включающего цилиндрический корпус 1 - полый цилиндр, индуктора 2, вмонтированного в корпус и состоящего из немагнитных чашек; катушки, уложенные в чашки и образующие единую трехфазную обмотку 3, а также ротора (вторичный элемент, исполнительный орган, подвижная часть), который включает немагнитный шток 4, закрепляемый к корпусу с помощью подшипников скольжения, постоянные магниты с аксиальным намагничиванием 5, которые крепятся неподвижно на штоке, полюса 6. Трехфазная обмотка индуктора создает на внутренней поверхности индуктора одну волну магнитной индукции, бегущую вдоль оси корпуса двигателя [21]. Рис. 1. Продольный разрез индуктора и вторичного элемента ЦЛВД ЦЛВД можно использовать для электроприводов возвратно-поступательного движения различных общепромышленных механизмов и, в частности, в составе шлифовального станка вместо асинхронных двигателей вращательного движения со сложной кинематической схемой [22, 23]. ЦЛВД осуществляет непосредственное перемещение план-шайбы шлифовального станка в пределах Dх = 0…28 мм. Усилие прижима шлифовальной головки к поверхности план-шайбы составляет 392 Н. Усилие перемещения план-шайбы определяется как Н, где kтр - коэффициент трения при шлифовании, . Исследования подтвердили, что для выполнения шлифовальным станком возложенной функции (обработка поверхности деталей) при заданных параметрах (прижимное усилие, расстояние и усилие перемещения план-шайбы) наиболее целесообразно использовать из всех возможных конструкций линейных двигателей именно ЦЛВД. На основе произведенных расчетов были определены геометрия экспериментального модуля ЦЛВД и параметры трехфазной обмотки индуктора [24-26]. Выполнен эскизный проект модуля, согласно которому проводились работы по его изготовлению [27, 28]. Магниты вторичного элемента в соответствии с расчетом, производимым в связи с рационализацией конструкции линейного двигателя, применялись из материала «неодим-железо-бор» производства «ПОЗ-Прогресс» (Российская Федерация, Свердловская область, город Верхняя Пышма) [4]. При производстве модуля линейного двигателя корпус изготавливался из металлической трубы, внутренняя поверхность которой обрабатывалась по классу Н8. Чашки магнитопровода цилиндрического индуктора производились из стали Ст45. По внешней кромке чашек фрезеровались вырезы для выводов обмоток, укладываемых в них (рис. 2-5). Рис. 2. Чашка индуктора Рис. 3. Выводы фазы А обмотки индуктора Рис. 4. Выводы фазы В обмотки индуктора Рис. 5. Выводы фазы С обмотки индуктора Рис. 6. Полюса и промежуточные кольца вторичного элемента Согласно проведенному расчету конструкции ЦЛВД магнитопровод индуктора состоит из 12 чашек, каждая высотой 10 мм, диаметром 105 мм (см. рис. 3-5). Внутри каждой чашки размещаются кольцевые обмотки, концы которых выводятся через боковые вырезы чашки. На рис. 3 показаны выводы катушек фазы А; на рис. 4 - фазы В; на рис. 5 - фазы С. В пределах каждого выреза колец катушки соединяются между собой перемычками и образуют фазные обмотки А, В, С. Подвижная часть двигателя (вторичный элемент) состоит из немагнитного штока, на который насаживаются полюса из стали. Внутри полюса размещаются кольцевые магниты с аксиальным намагничиванием, а сами полюса соединяются с помощью промежуточных немагнитных колец, изготовляемых из нержавеющей стали. На рис. 6 показаны немагнитные промежуточные кольца и полюса. На рис. 7 представлена секция ротора в сборе без магнитов, а на рис. 8 показан вторичный элемент с магнитами в сборе. При сборке ротора в каждый полюс устанавливался магнит, после чего пакет полюсов насаживался на немагнитный шток (рис. 8). Рис. 7. Секция вторичного элемента без магнитов Рис. 8. Секция вторичного элемента с магнитами в сборе Структурная схема испытательного стенда для снятия статических тяговых усилий, развиваемых разработанным и изготовленным маломощным ЦЛВД, представлена на рис. 9. На рис. 10 показан внешний вид испытательного стенда ЦЛВД. Согласно рис. 9 стенд включает в себя ЦЛВД, состоящий из неподвижного статора с индуктором 1 и подвижного вторичного элемента 2. Двигатель закреплен на жестком неподвижном основании 7. Между ротором 2 и опорной стойкой 4 устанавливается динамометр 3 для измерения тяговых усилий. С помощью болта 5 изменяется положение ротора 2 относительно неподвижного статора с формированием при этом необходимого силового воздействия на вторичный элемент. Усилие также может быть сформировано посредством утяжелителей, подвешиваемых через блочную передачу (рис. 10). Текущее положение ротора, которое соответствует тяговому усилию, фиксируется с помощью линейки 6, установленной на основании 7. Рис. 9. Испытательный стенд для снятия тяговых характеристик ЦЛВД: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - динамометр; 4 - опорная стойка; 5 - болт для фиксации ротора; 6 - мерная линейка смещения ротора; 7 - основание Рис. 10. Внешний вид испытательного стенда ЦЛВД Для снятия статических характеристик был подобран момент времени на графиках мгновенных значений токов фаз обмотки индуктора таким образом, чтобы ток в фазе А имел максимальное положительное значение. Следовательно, в двух соседних фазах В и С ток имел отрицательные значения, равные по модулю половине амплитудного. Для реализации указанного распределения токов использовалась схема, в которой обмотки фаз В и С соединялись параллельно, а обмотка фазы А подключалась последовательно с ними. При таком варианте соединения обмоток индуктора использовался источник постоянного тока регулируемого напряжения. Такой испытательный стенд позволяет снимать семейства статических характеристик при разных токах, протекающих в обмотках индуктора двигателя [18]. Тяговое усилие ЦЛВД имеет прямопропорциональную зависимость от линейной токовой нагрузки обмотки индуктора: , где - число витков в пазу статорного диска (чашки индуктора); - ток фазы обмотки индуктора; - зубцовое деление ЦЛВД. Рис. 11. Зависимость тяговых усилий от линейной токовой нагрузки ЦЛВД На рис. 9 представлена расчетная зависимость тягового усилия от линейной токовой нагрузки ЦЛВД. Расчет был произведен методом конечных элементов с применением программы ANSYS Maxwell [15, 20, 29]. Зависимость (рис. 11) снята с помощью испытательного стенда, изображенного на рис. 9, согласно которому погрешность расхождения данных, полученных расчетным путем и экспериментальным, не превышает 8 % в рабочей зоне линейной токовой нагрузки, что является вполне приемлемым для практических расчетов. Заключение Линейные двигатели в последнее время получили широкое распространение по причине их способности формировать поступательное или возвратно-поступательное движение без применения сложных механических преобразователей [4-6]. По этой причине все большее количество предприятий Российской Федерации организовывают производство линейных двигателей на своих мощностях. Цилиндрический линейный вентильный двигатель как один из представителей линейных двигателей применяется на практике все чаще, чем остальные конструкции, по причине лучших энергетических и силовых показателей [5, 9]. Представленная в статье технология производства цилиндрического линейного вентильного двигателя основана на предварительном проектно-конструкторском расчете, который приведен в текущем номере журнала. Технология производства линейного двигателя раскрыта в статье в виде последовательности действий, отражающих особенности выбора материала и операций. По эскизному чертежу собран экспериментальный испытательный стенд, реализация которого на практике показала наличие возможностей различного его комплектования. Испытания цилиндрического вентильного двигателя, который был спроектирован специально для шлифовального станка, прошли успешно во всех предусмотренных режимах. Подтверждена высокая степень сходимости расчетных и экспериментальных значений тягового усилия, развиваемого опытным образцом. Погрешность результатов не превысила 8 %.

About the authors

E. A Chabanov

Perm National Research Polytechnic University

A. D Korotaev

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 123

PDF (Russian) - 46

Refbacks

• There are currently no refbacks.