Управляемый каскадный электрический привод

Полезная модель относится к каскадным электрическим приводам вращательного движения, состоящим из двух и более электродвигателей, и способно найти применение при создании безредукторных приводов.
Известен каскадный электрический привод (Пат. №2050672, 1995 г.), состоящий из двух соосно установленных электродвигателей, каждый включает внутренний магнитопровод на валу и наружный магнитопровод. Одна пара одноименных магнитопроводов электродвигателей соединена между собой жестко, а один из одноименных магнитопроводов другой пары установлен неподвижно. При этом второй магнитопровод другой пары установлен с возможностью вращения и является выходным элементом привода.
Такое устройство обеспечивает получение привода с высоким крутящим моментом только при низких частотах вращения, а также с широким диапазоном изменения частоты вращения с нижним пределом, равным нулю. Получение же больших скоростей вращения, близких к двойной номинальной, при постоянном значении величины момента или получение удвоенного момента при постоянной скорости вращения получить с помощью этого электропривода невозможно.
Прототипом полезной модели является управляемый каскадный электрический привод (пат. №2402857 2012 г.), содержит два электродвигателя, установленных в корпусе соосно, каждый из которых состоит из ротора, жестко закрепленного на своем валу, и статора, причем статор одного электродвигателя выполнен неподвижным и закреплен на корпусе, а статор другого выполнен подвижным и установлен с возможностью свободного вращения относительно вала, при этом привод дополнительно содержит крепежное кольцо, жестко закрепленное на валу электродвигателя с неподвижным статором, на крепежном кольце закреплены две электромагнитные муфты, одна из которых имеет возможность контакта с фрикционной прокладкой, имеющей выступ, заходящий во впадину корпуса подвижного статора, соосную с указанным выступом, другая электромагнитная муфта имеет возможность контакта со своей фрикционной прокладкой и соединения при ее помощи с имеющим шлицевую выточку под данную фрикционную прокладку валом электродвигателя, статор которого подвижный, причем рабочие площади указанных двух фрикционных прокладок, контактирующих с указанными электромагнитными муфтами, выполнены равными для обеспечения одинаковой производительности данных электромагнитных муфт, при этом на корпусе привода закреплена третья электромагнитная муфта, имеющая возможность контакта с третьей фрикционной прокладкой, имеющей выступ, который заходит в корпус подвижного статора, имеющего впадину, соосную с указанным выступом третьей фрикционной прокладки.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности плавного управления его характеристиками, и контроля скорости вращения двигателями.
Задачей полезной модели является улучшение охлаждения управляемого каскадного электрического привода.
Техническим результатом полезной модели является расширение температурных диапазонов применения управляемого каскадного электрического привода.
Технический результат достигается тем, что управляемый каскадный электрический привод, содержит два электродвигателя, установленных в корпусе соосно, каждый из которых состоит из ротора, жестко закрепленного на своем валу, и статора, причем статор одного электродвигателя выполнен неподвижным и закреплен на корпусе, а статор другого выполнен подвижным и установлен с возможностью свободного вращения относительно вала, при этом привод дополнительно содержит крепежное кольцо, жестко закрепленное на валу электродвигателя с неподвижным статором, на крепежном кольце закреплены две электромагнитные муфты, одна из которых имеет возможность контакта с фрикционной прокладкой, имеющей выступ, заходящий во впадину корпуса подвижного статора, соосную с указанным выступом, другая электромагнитная муфта имеет возможность контакта со своей фрикционной прокладкой и соединения при ее помощи сварки с имеющим шлицевую выточку под данную фрикционную прокладку валом электродвигателя, статор которого подвижный, причем рабочие площади указанных двух фрикционных прокладок, контактирующих с указанными электромагнитными муфтами, выполнены равными для обеспечения одинаковой производительности данных электромагнитных муфт, при этом на корпусе привода закреплена третья электромагнитная муфта, имеющая возможность контакта с третьей фрикционной прокладкой, имеющей выступ, который заходит в корпус подвижного статора, имеющую впадину, соосную с указанным выступом третьей фрикционной прокладки, при этом на вступающей за ротор части обеих валов установлены крыльчатки охлаждения, также на выступающей с левой стороны за корпус неподвижного статора установлена крыльчатка вентилятора.
Размещение на выступающей за ротор части вала электродвигателя с неподвижным статором и вала электродвигателя с подвижным статором крыльчаток охлаждения позволяет отслеживать снизить температуру внутри электродвигателей, что позволит более эффективно охлаждать обмотки статора и ротора, тем самым позволяя расширить температурный диапазон и применить менее дорогостоящею изоляцию обмоток, а установка крыльчатки вентилятора с левой стороны корпуса неподвижного статора позволит ускорить конвекционный теплообмен корпуса неподвижного статора и окружающей среды, тем самым более эффективно охлаждает электрический привод.
Предлагаемое устройство пояснено чертежами: на фиг. 1 изображен общий вид устройства, на фиг. 2 изображен вид в разрезе, на фиг. 3 изображены характеристики электрического двигателя, на фиг. 4 изображены характеристики электропривода при разном напряжении питания на фиг. 5 изображены суммарные характеристики электропривода при одинаковых частотах вращения, на фиг. 6 изображены суммарные характеристики электропривода при разных частотах вращения.
Управляемый каскадный электрический привод состоит из двух электродвигателей I и II установленных соосно и оснащенных электромагнитными муфтами 1, 2 закрепленных на кольце 3. Кольцо 3 закреплено на валу 4, с помощью фрикционной сварки и вращается вместе с валом 4. Статор 5 электродвигателя I выполнен неподвижно и закреплен на корпусе 6, а ротор 7 закреплен неподвижно на валу 4 на подшипниках 8 независимо от вращения вала 9. Статор 10 электродвигателя II выполнен подвижными установлен с возможностью вращения на валу 9 на подшипниках 11. Ротор 12 электродвигателя II жестко закреплен на валу 9 на подшипниках 11 и 13 электромагнитная муфта 14 закреплена на корпусе 6. Электромагнитная муфта 14 воздействует на корпус статора 10 электродвигателя II при помощи фрикционной прокладки 15, имеющей выступ, заходящий в корпус статора 10 электродвигателя II. Электромагнитная муфта 1 соединяется с валом 9 при помощи фрикционной прокладки 16, а электромагнитная муфта 2 соединяется с корпусом статора 10 электродвигателя II при помощи фрикционном прокладки 17. Причем фрикционная прокладка 17 имеет выступ, заходящий в корпус статора 10 электродвигателя II, а фрикционная прокладка 16 жестко закреплена шлицем вала 9. Рабочие площади фрикционных прокладок 16 и 17 должны быть одинаковы, для одинаковой производительности электромагнитных муфт 1 и 2. На концах роторов 7 и 12, установлены крыльчатки охлаждения 18 и 19. С левого конца неподвижного статора I установлена крыльчатка вентилятора 20.
Управляемый каскадный электрический привод работает следующим образом: для получения удвоенного значения момента при одинаковой частоте вращения необходимо произвести управление электромагнитными муфтами 1, 2, 14 в следующем порядке. Подаем питающее напряжение на электромагнитными муфты 1 и 14, и отключаем от питания электромагнитную муфту 2. При этом ротор 7 вращается на валу 4, а подвижный статор 10 остается неподвижным, так как электромагнитная муфта 14 тормозит корпус подвижного статора 10. При помощи электромагнитной муфты 1 происходит зацепление ротора 12, вращающегося на валу 9. В итоге получаем удвоенный момент на валу 9 от двух асинхронных двигателей при одинаковой частоте вращения.
Для получения удвоенного значения скорости вращения при одинаковой величине вращающего момента необходимо произвести управление электромагнитными муфтами в следующем порядке. Подаем питающее напряжение на электромагнитную муфту 2 и отключаем электромагнитные муфты 1 и 14. При этом ротор 7 вращается на валу 4 и передает крутящий момент и скорость на подвижный статор 10 с помощью электромагнитной муфты 2. Ротор 12 вращается с асинхронной скоростью относительно подвижного статора 10. В итоге получаем на валу 9 удвоенное значение скорости вращения при одинаковой величине вращающего момента.
Получение плавных изменений, а также малых значений скорости и реверс осуществляется следующим образом.
Изменяя напряжение питания U на каждом из двигателей привода, можно изменять наклон характеристики каждого двигателя n=f(M,U). Следовательно, возможно управлять наклоном рабочей характеристики n=f(M) всего привода. При одинаковом значении синхронных частот вращения двигателей эта характеристика проходит через точку М=0, n=0, фиг. 5. При различных значениях синхронных частот вращения двигателей характеристика проходит через точку М=0, , фиг. 6.
На фиг. 3 показаны типовые характеристики асинхронного двигателя в зависимости от относительной величины питающего напряжения. На фиг. 4, 5, 6 показан принцип формирования суммарной характеристики привода. Следует заметить, что параметры двигателя, в частности активное сопротивление ротора влияют на жесткость характеристик, т.е. на их наклон. На фиг. 4 представлены характеристики для каскада из двух двигателей. Здесь характеристики двигателя II относятся к его выходному элементу (либо к статору на фиг. 1, либо к ротору на фиг. 1), направление вращения которого противоположно принятому за положительное вращение. Соответственно и крутящий момент, развиваемый двигателем II на выходном элементе, также имеет противоположное направление. Так как при работе привода двигатели I и II развивают одинаковые по величине моменты, то их характеристики могут быть суммированы, фиг. 5. Видно, что, изменяя напряжение питания, можно изменить наклон рабочих характеристик одного из двигателей и тем самым можно получить необходимую результирующую характеристику, согласованную с нагрузочной характеристикой рабочего механизма при заданной частоте вращения. Возможно также и одновременное изменение напряжения питания обоих двигателей в противоположных направлениях.
Если частоты вращения двигателей привода одинаковы, то результирующие характеристики привода проходят через точку М=0, n=0 с любым наклоном, фиг. 5. Если наклон нулевой, то привод фактически превращается в упор, препятствующий повороту приводимого устройства под действием внешнего момента.
Если значения частот двигателей привода различны, то результирующая характеристика проходит через точку М=0, ,
а наклон суммарной характеристики определяется наклоном характеристик двигателей. Результирующая характеристика может быть с положительным наклоном, отрицательным (падающая характеристика) или с нулевым наклоном (абсолютно жесткая характеристика), в последнем случае привод вращается с частотой .
Из графиков на фиг. 5, 6 видно, что привод может развивать максимальный крутящий момент при малых частотах вращения. Важно заметить то, что этот момент близок к моменту, развиваемому двигателями при номинальных значениях напряжения.
Привод допускает реверсирование вращения без переключения фаз. Это достигается путем соответствующего изменения величин напряжений на двигателях I и II.
т
зад
т
Управление частотой вращения привода решено схемой автоматического регулирования устройствами, представленной на фиг. 7. Система состоит из преобразователя 22 текущей частоты n вращения в нормированный сигнал. Элемент 21 сравнивает сигналы, пропорциональные заданному n и текущему n значениям частот вращения. Контроллер 24, вырабатывает управляющее воздействие по заданному закону регулирования (векторному, пропорциональному, интегральному, дифференциальному или их сочетаниям), осуществляет управление преобразователями частоты 25, 26, а также вырабатывает управляющие сигналы на электромагнитные муфты 1, 2 и 16.
Использование предложенного решения позволит расширить температурный диапазон применения электропривода, за счет крыльчаток охлаждения ротора и крыльчатки вентилятора неподвижного статора, что позволит снизить температуру внутри корпусов электродвигателей и позволит использовать менее дорогостоящие изоляционные материалы. Применение данного каскадного электрического привода найдет применение в промышленности, электротранспорте, машиностроении, станкостроении, и т.д.