Ленточная намотка моментного двигателя

В современном мире при разработке или эксплуатации различных
систем управления в промышленности – телемеханика, автоматика,
измерительная техника в качестве исполнительного механизма традиционно
применяются моментные двигатели которые имеют большие преимущества
перед обычными двигателями. Габариты и большое энергопотребление так и
остаются главным недостатком моментных двигателей.
В современном мире разработка и применение таких двигателей
получило главное развитие, но постоянное повышение технико-экономических
требований к управляющим системам, появление новейших материалов,
выпуск двигателей ограниченными партиями вносят новые аспекты в
конструирование моментных двигателей. На сегодняшний день имеется
разработанное специальное программное обеспечение, и пакеты различных
прикладных программ, которые позволяют практически полностью
автоматизировать все этапы проектирования.
По конструкции двигатели различают: нормального исполнения и
обращенного исполнения. В двигателе нормального исполнения – обмотка
управления размещена под индуктором, а в двигателе обращенного
исполнения – обмотка управления может располагаться как на статоре, так и на
роторе. Достоинством моментного двигателя с постоянными магнитами
является относительно малое потребление мощности на единицу момента, так
как рабочий магнитный поток обеспечивают постоянные магниты.
В работе рассмотрено дальнейшее исследование идеи нового варианта
создания активного элемента исполнительных устройств, в которых функции
обмотки машин традиционного исполнения выполняет ленточная намотка
(пакетный элемент). Проведенные исследования будут являться основой для
развития теоретических аспектов двигателя подобного рода. В ходе работ,
проведенных в предыдущие годы, предложен принцип действия моментного
двигателя оригинального исполнения, спроектирован и изготовлен макет такого
двигателя, проведены аналитические и экспериментальные исследования с
помощью программных продуктов COMSOL Multiphysics и T-Flex Cad и
разработанных исследовательских установок.
Полученные аналитические исследования еще необходимо
откорректировать, потому как в математических моделях двигателя не
учитывались некоторые факторы, такие как деформация токовых линий
распределенного по пластине тока, искажение основного магнитного потока,
протекающим по пластине током, а также влияния тепла. Данная коррекция
возможна с помощью проведения экспериментальных исследований на
специально разработанной установке.
Моментные двигатели находят все большее применение и имеют ряд
преимуществ по сравнению с другими традиционными двигателями. В связи с
этим в МД возникает большая потребность практически во всех динамически
развивающих отраслях. При проектировании МД учитываются факторы,
которые оказывают влияние на надежность, работоспособность и качество
работы машины. Одним из таких факторов является нагрев, источником
которого во многом являются собственные тепловыделения. Следовательно,
возникает необходимость для учета тепловых потерь на этапе проектирования,
для чего необходимы методы теплового расчет МД.
При изготовлении МД особую роль играет – обмотка, в которой больше
всего происходит нагрев и чаще всего двигатель выходит из строя. Для этого
необходимо провести экспериментальные исследования. В магистерской работе
объектом исследования является – ленточная намотка МД.
Данная работа посвящена исследованию ленточной намотки в
моментном двигателе, а именно экспериментальному исследованию влияния
геометрических параметров пластины.
В настоящей работе исследуются тепловые режимы ленточной намотки
моментного двигателя, которая представляет собой новый вариант активного
элемента исполнительных устройств. Исследования проводились с целью
выяснения влияния величины и длительности протекания тока на
температурные характеристики моментного двигателя. Исследования
построены с использованием численных методов и выполнены с помощью
программного продукта COMSOL Multiphysics. В результате исследований
получен характер распределения температурных полей в элементах ленточной
намотки моментного двигателя. Определение относительных габаритов,
обеспечивающее минимальное сопротивление. Продемонстрированы
возможности применения предложенной методики исследования при расчете и
проектировании подобных двигателей.
1 Моментные двигатели
Моментный двигатель – обычный электрический двигатель, или еще
одно традиционное название электромеханический преобразователь. В нем на
вход подается электрический сигнал постоянного или переменного тока, а на
выходе получаем электромагнитный момент. Рабочий режим такого двигателя –
ротор двигателя вращается с малой частотой или неподвижен. Двигатель имеет
следующие особенности – низкая частота вращения и бескорпусное
исполнение.
В настоящее время в термин “моментный двигатель” вкладываются два
понятия. С одной стороны, это означает, что электродвигатель предназначен
для создания момента при работе на сверхнизких скоростях поворота нагрузки;
с другой, полагается, что двигатель оптимизирован по удельному развиваемому
моменту на единицу массы, объема или потребляемой из сети мощности [1].
Современный термин “моментный двигатель” имеет два понятия:
– электродвигатель предназначен для создания момента при работе на
сверхнизких скоростях поворота нагрузки;
– электродвигатель оптимизирован по удельному развиваемому моменту на
единицу массы, объема или потребляемой из сети мощности.
Обычно моментный двигатель монтируется в какой-либо управляемый
объект или машину без всякой механической передачи, например, редуктора
(безредукторный привод) и поэтому отличаются от классических
электродвигателей, так как не имеют корпуса, вала и подшипников. Двигатель
выполнен в виде двух узлов: ротора и статора, имеющих форму плоских колец,
которые монтируются в элементы привода (рисунок 1).
Рисунок 1 – Двигатель ДБМ (Двигатель Бесконтактный Моментный)
1.1 История создания моментных двигателей
Впервые моментный двигатель был применен в 1842 г. шотландским
предпринимателем Робертом Дэвидсоном в четырехколесной повозке для
железнодорожной линии Эдинбург – Глазго. На повозке колеса были насажены
на деревянные валы 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 впервые вращение колеса было
получено непосредственно, т. е. напрямую, от электродвигателя. Отсюда и
пошел современный термин «прямой привод» (DirectDrive) или термин
«безредукторный привод».
Другой известный пример прямого привода – электрический молот
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. 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.
Это были отдельные уникальные конструкции, так как в подавляющем
большинстве случаев применялись редукторные приводы на базе
быстроходных (1000 – 10 000 об/мин) электродвигателей постоянного и
переменного тока.
Опыт СССР и России.
Появление мощных редкоземельных магнитов вернули интерес к
созданию бесконтактных электродвигателей встраиваемого исполнения на базе
синхронных машин с постоянными магнитами на роторе.
Эти двигатели для выполнения специальных задач начали
проектироваться в 1970-х годах во ВНИИЭМ, НИЭМ (г. Миасс), ЦНИИАГ,
ЦНИИКП, ЦНИИэлектроприбор и на других предприятиях страны. На
московском заводе «Машиноаппарат» создаются моментные двигатели для
широкого применения типа ДМВ. На базе этих машин и была разработана
большая серия пазовых и гладких двигателей ДБМ с самарий – кобальтовыми
магнитами с моментами 0,01 – 16 Нм. Двигатели ДБМ производятся в ОАО
«Машиноаппарат» до сих пор, пополнившись новыми рядами 2ДБМ и 3ДБМ
(рисунок2).
В двигателях ряда 3ДБМ самарий-кобальтовые магниты заменены более
мощными магнитами типа «нежебор», но все отечественные марки магнитов
«нежебор» пока не обеспечивают высокий уровень надежности и стабильности,
необходимые для объектов промышленности и военной техники.