Аналитический обзор электрических машин для высокоточных приводов в системах стабилизации и управления

УДК 62-89

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ПРИВОДОВ В СИСТЕМАХ СТАБИЛИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ

П. А. Желтиков

Представлен аналитический обзор применяемых в отечественной и мировой практике электрических машин для высокоточных приводов. Приведены классификация электрических машин, моментно-скоростные характеристики и значения показателей оптимальных для использования в приводах.

Ключевые слова: электропривод, электродвигатель, электромагнитный преобразователь, электромеханический преобразователь.

Высокоточные электроприводы в настоящее время находят все большее применение от робототехнических и следящих систем специального назначения до повседневно используемой бытовой техники. Одним из основных конструктивных элементов всех существующих электроприводов является электрическая машина, которая преобразует электрическую энергию постоянного или переменного тока в механическую, характеризуемую вращательным, поступательным или сложным движением выходного элемента.

В зависимости от конкретного назначения электропривода, точности движения, ресурса, надежности, заданных механических и мо-ментно-скоростных характеристик разработчиком производится выбор электрической машины. Существует достаточно большое количество вариантов классификаций, которые направлены на решение конкретных задач при выборе электрических машин. Один из вариантов представлен ниже.

В табл. 1, 2, 3, 4 представлены сведения о электрических машинах, применяемых в высокоточных электроприводах. Указанная классификация и данные о параметрах электрических машин выполнены аналогично работе [1], что с учетом применения терминологии стандарта ГОСТ 27471-87 [2] дает достаточно полное представление об электрических машинах.

В последнее время для применения в высокоточных приводах особое внимание уделяется вентильным электродвигателям как разновидности бесколлекторных синхронных электродвигателей с постоянными магнитами, но имеющим систему управления с преобразователем постоянного напряжения в переменное заданной частоты в зависимости от положения ротора.

Коллекторные электродвигатели

Таблица 1

Тип электродвигателя

Коллекторные электродвигатели

Постоянного тока

с возбуждением от постоянных магнитов

с отдельным возбуждением

комбинированного возбуждения

последовательного возбуждения

Переменного тока последо-ва-тельного возбуждения

Тип ротора

Ротор с коллектором

Электромагнитная схема

Моменто-скоростная характеристика

-1

п, мин К, Вт

П, % Мп/мн

^^макс/^^-н

2000...20000 0,2... 1000 0,4.0,8 4.10 < 10

< 6000 0,2.1000 0,3.0,7 4.6

<6

< 6000 20.1000 0,3.0,7

3.5

4.6

< 6000 20.1000 0,3.0,7 3.5 <5

3000.30000 10.1000 0,3.0,7 2.5 <5

Таблица 2

Асинхронные электродвигатели переменного тока

Тип электродвигателя

Асинхронные электродвигатели

трехфазные

однофазные конденсаторные с вспомогательными обмотками

двухфазные конденсаторные

однофазные с подключаемой вспомогательной обмоткой

однофазные с расщепленными полюсами

Тип ротора

Короткозамкнутый типа «беличья клетка»

Электромагнитная схема

Моменто-скоростная характеристика

п, мин К, Вт

п, %

Мп/Мн

Ммакс/Мн

< 3000

>50 0,5.0,8 1.3 1,5.3

< 3000 >500 0,3.0,7 1.2 < 1,5

< 3000 50.2000 0,5.0,75 Са2.4; Св:1.2 < 1,5

< 3000

< 500 0,3.0,6

0,2.1

< 1,5

< 3000

< 200 0,05.0,35

0,2.1 < 1,5

Таблица 3

Синхронные электродвигатели переменного тока

Тип электродвигателя

Синхронные электродвигатели

трехфазные

двухфазные

однофазные

Тип ротора

С постоянными магнитами и комбинированным рото-

ром

Ротор с постоянными магнитами

Ротор с постоянными магнитами

Реактивный ротор

Гистерезис-ный ротор

Электромагнитная схема

Моменто-скоростная характеристика

-1

п, мин К, Вт

П, % Мп/мн

М-макс/М-н

< 3000 > 200 > 0,5 < 3 < 1,5

< 3000 > 500

< 0,6

< 1,5

< 3000

< 50

< 0,6

< 1,5

< 3000 0,1...500 <0,05...0,5 0,5.2 < 1,5

< 3000 0,01.100 <0,05.0,4 0,2.2 < 1,5

Таблица 4

Электромагнитные и электромеханические преобразователи

Тип преобразова-

теля

Пропорциональный магнит

Подвижная катушка

Линейный электромеханизм

Преобразователь на принципе линейного электродвигателя

Электромагнитная схема

Полезная мощность, Вт

5.40

0,2.5

0,02.4

10.40

Произведение усилия на ход, Н- мм

20.1000

8.80

2.40

400.2000

Линейное отклонение, %

0,5.6

1.7

1.2

0,5.6

Частотный предел, Гц

10.150

100.200

100.300

10.200

В табл. 2, 3, 4 приняты следующие обозначения (рис. 1).

Ротор обмотанный с коммутатором Ротор с постоянными магнитами Гистерезисный ротор

Постоянные магниты

Стартовый конденсатор Номинальный крутящий момент Максимальный крутящий момент Частота вращения Напряжение Ток

Линейное перемещение

А

Мн

М,

макс

п V 1

х

О

о

Мп N

п

Р

Б

К, 8

Короткозамкнутый трех- или однофазный ротор

Реактивный ротор Обмотка

Короткозамкнутая обмотка

Рабочий конденсатор Пусковой крутящий момент Полезная мощность Коэффициент полезного действия Количество пар полюсов Сила

Полярность постоянных магнитов

Рис. 1. Условные обозначения в табл. 2, 3, 4

Идея создания вентильного электродвигателя, который стал бесколлекторным аналогом коллекторного электродвигателя, возникла в 30-е гг. XX века в СССР [3]. Управление вентильным двигателем может быть выполнено с датчиками или в бездатчиковом исполнении, но чтобы уменьшить общую стоимость исполнительных механизмов, применяются, как правило, бездатчиковые методы управления. К недостаткам отсутствия датчиков положения относятся повышенные требования к алгоритмам управления и более сложная электроника. Вентильные двигатели можно разделить на два типа: с синусоидальной противоЭДС и трапецеидальной противоЭДС. Вентильный двигатель трапецеидальной противоЭДС, как правило, более предпочтителен, так как алгоритмы управления данного типа электродвигателя проще [4].

Помимо применения вентильных электродвигателей вращательного действия, широкое применение в изделиях специального назначения находят вентильные электродвигатели углового движения (секторные) и линейные электродвигатели.

К достоинствам вентильных электродвигателей относится высокий ресурс и повышенная надежность, обусловленная отсутствием быстроизнашивающихся элементов (коллекторно-щеточного узла), а также высокий КПД, достигающий 90 %. К недостаткам следует отнести повышенную стоимость, обусловленную наличием электронной системы коммутации и управления.

В ряде высокоточных электроприводов, связанных с подачей топлива, гидравлической жидкости и кондиционированием воздуха, в летательных аппаратах применяются линейные электромеханизмы (табл. 4). Линейные электромеханизмы обеспечивают отличную герметизацию электромеханической части от рабочей области, что особенно важно при работе в среде газов, в том числе имеющих высокую температуру. Достоинством данного вида приводов являются линейная зависимость перемещения рабочего органа от тока управления и сохранение заданного положения под влиянием внешних воздействующих факторов: потоков газа, вибраций, ударов, и т.п. [5]. В настоящее время ведется разработка усовершенствованного линейного электромеханизма для применения в том числе и в летательных аппаратах нового поколения.

Среди последних разработок преобразователей важную роль играют пьезоэлектрические приводы. Применяемые в конструкции этих приводов пьезоэлектрические элементы генерируют большие силы при сравнительно малых перемещениях каждого элемента. Однако на сегодняшний день использование пьезоэлектрических приводов в высокоточных устройствах еще не приобрело широкого распространения [1]. Принципиальная схема пьезоэлетрического элемента представлена на рис. 2.

Рис. 2. Параллельный пьезоэлектрический преобразователь: У2<У,1: V1 - напряжение смещения; У2- контролируемое напряжение

К достоинствам пьезоэлектрических приводов относится возможность их применения в широком интервале температур с обеспечением высокой точности перемещения по заданной характеристике. К недостаткам следует отнести необходимость применения нескольких пьезолектри-ческих элементов с интеграцией их в одном устройстве.

На сегодняшний день актуальными направлениями являются разработка вентильных электродвигателей различных типов и систем их управления и разработка высокоточных электромеханических преобразователей и пьезоэлектрических приводов.

Список литературы

1. Ас1;иа1;ог8. ВаБЮБ апё АррНсаНопв / Её. 1апосИа Наг1;ти1 8рг^ег, 2004. 343 р.

2. ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.

3. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы. СПб.: Питер, 2007. 320 с.

4. Miller T.J.E. Brushless permanent-magnet and reluctant motor drives. Monographs in electrical and electronic engineering. Oxford: University Press, 1989. Vol. 21. 207 p.

5. Merritt Herbert E. Hydraulic control systems. New York; London; Sydney, 1967. 358 p.

Желтиков Павел Александрович, гл. конструктор, melm. ogk@mail. ru, Россия, Тамбовская область, Мичуринск, АО ««Мичуринский завод «Прогресс»

ANALYTICAL REVIEW OF ELECTRICAL MACHINES FOR HIGH-PRECISIONDRIVESIN SYSTEMS OF STABILIZATION AND CONTROL

P.A. Zheltikov

The analytical review of electric machines used for domestic and international practice for high-precision drives is presented. The classification of electrical, torque-speed characteristics and values of optimal parameters for use in drives are given.

Key words: electric drive, electric motor, electromagnetic converter, electromechanical converter.

Zheltikov Pavel Alexandrovich, chief designer, melm. ogk@mail. ru, Russia, Tambov region, Michurinsk, JSC «Michurinsky plant "Progress»