Перспективные конструкции электрических двигателей для стоматологической практики

УДК 621.313

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ СТОМАТОЛОГИЧЕСКОЙ ПРАКТИКИ

В.М. Питолин, Ю.В. Писаревский, Ж. А. Ген

В статье рассматривается проблема создания высокоэффективных малогабаритных электродвигателей для стоматологии. Проанализирован опыт разработки и применения бесконтактных двигателей постоянного тока за последние пятьдесят лет. Выбрана рациональная конструкция микродвигателя для стоматологической техники Ключевые слова: бесконтактный электродвигатель, конструкция, технические требования

При выборе микромоторов для оснащения современной техники, применяемой для проведения различных видов стоматологических работ, все чаще выбор падает на электрические двигатели, обладающие большей мощностью в сравнении с воздушными микротурбинами.

Среди существующих типов электродвигателей, применяемых в медицинской технике, большую роль играют бесщеточные двигатели постоянного тока (в англоязычной литературе называемые "brushless DC motors"). Они отличаются наиболее универсальными регулировочными свойствами и эксплуатационными характеристиками [3, 5].

Исследования, разработка и применение бес-щеточных двигателей ведутся с конца пятидесятых годов прошлого столетия. Первая серия бесщеточ-ных двигателей была создана путем замены щеточно-коллекторного узла двигателя постоянного тока коммутатором из полупроводниковых элементов. Такие двигатели получили название бесконтактных двигателей постоянного тока (БДПТ) [1].

БДПТ обладают всеми достоинствами двигателей постоянного тока, а отсутствие вращающихся и переключающихся контактов обеспечивает им, в сравнении с коллекторными двигателями постоянного тока (КДПТ), целый ряд преимуществ [1, 3] -повышенный ресурс работы в аналогичных условиях эксплуатации, в том числе, под влиянием механических и климатических факторов окружающей среды, широкий диапазон регулирования частоты вращения (500^40000 об/мин), меньшие габаритные размеры и вес двигательной части электропривода, возможность создания многоконтурных и многократных обратных связей двигателя и системы управления (по току, частоте вращения, углу поворота и т.д.), бесшумность и низкий уровень электромагнитных излучений, линейность регулировочной характеристики, низкую стоимость их производства и обслуживания, надежность. Именно эти свойства оказали решающее влияние на выбор типа электродвигателя для стоматологических установок. 1В настоящее время с одной стороны наметилась

Питолин Владимир Михайлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8 (473) 243-76-78, е-шаіі; kafedraet@mail.ru

Писаревский Юрий Валентинович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8 (473) 243-77-12 Ген Жанна Александровна - ВГТУ, ст. преподаватель, тел. 8(473) 243-76-78, е-шаіі: kafedraet@mail.ru

тенденция к усложнению стоматологического оборудования, а с другой стороны - к его универсальности, что особенно важно для производителей электрических машин в том числе и Российских производителей, ведущих жесточайшую конкурентную борьбу как с известными Европейскими фирмами-производителями (Bien-Air Dental SA, KaVo Dental GmbH, FAULHABER Group, SIRONA, Castellini и др.) так и с многочисленными китайскими и корейскими фирмами, предлагающими стоматологическое оборудование по очень низким, демпинговым ценам.

Очевидно, что применение одной и той же машины в терапевтических и зуботехнических установках значительно снижает затраты на подготовку производства и изготовление электродвигателей. Причем, чем выше степень унификации при высокой универсальности установки, тем выгоднее ее производство

Конструктивной особенностью БДПТ для стоматологии является наличие внутри корпуса электродвигателя вводных штуцеров для подачи в полость рта пациента жидкости и отсоса под избыточным давлением продуктов зубоврачебной деятельности, световодов, специальных жидкостей для охлаждения тканей при работе на высоких оборотах. Размеры этих штуцеров стандартизированы и определяют коэффициент заполнения внутреннего объема электродвигателя конструктивными материалами (рис. 1).

стоматологического инструмента

1 - двигатель в защитной оболочке,

2 - штуцеры,

3 - корпус двигателя

Кроме того, к микродвигателям для бормашин предъявляются повышенные требования по стойкости к внешним воздействиям (повышенная температура среды и повышенное давление при стерилизации в автоклаве и др.) при ограниченных габаритах машины.

Возможность уменьшения именно габаритных размеров и веса является конкурентным преимуществом современных бормашин, так как это напрямую связано с эргономическими требованиями, предъявляемыми врачами-стоматологами.

Применение последних достижений в области материаловедения, микроэлектроники и вычислительной техники способствует росту многообразия разрабатываемых бесконтактных двигателей постоянного тока (БДПТ).

В наиболее распространенных конструкциях БДПТ ротор является индуктором, имеющим двух-или четырехполюсный постоянный магнит.

Использование магнитных систем с большим числом полюсов ограничено диапазоном регулирования частоты вращения из-за увеличения частоты питающего напряжения f и увеличения рассеяния магнитного поля в системе. Конструкция с двухполюсным цилиндрическим магнитом допускает использование различных типов магнитов, в том числе и анизотропных, и является наиболее простой в изготовлении. При этом, магнит намагничен практически однородно, внутренний объем машины использован максимально при минимальном объеме пассивных элементов.

Изготовление сборного ротора связано с большими трудозатратами, поскольку каждый сектор должен быть изготовлен с высокой точностью, сборка ротора подразумевает использование ручного труда, кроме того, во избежание биений наружной поверхности ротора нужна дополнительная балансировка и окончательная шлифовка рабочей поверхности с последующим бандажированием.

С целью обеспечения прочности вращающихся элементов конструкции в высокоскоростных бес-

12 3,456 12

контактных двигателях постоянного тока применяются специальные оболочки, изготовленные из конструкционных нержавеющих сталей или конструкционных сталей с покрытием, а также алюминиевого сплава, меди, титана и т.п., кроме того они обеспечивают защиту постоянных магнитов от внешних воздействий.

Наличие центрального отверстие под вал внутри ротора приводит к искажению магнитного поля постоянного магнита и снижению энергетических возможностей магнитной системы, поэтому оно должно быть минимально необходимым. Кроме этого, магнитное поле постоянного магнита воздействует на вал двигателя, вызывая дополнительные потери. Как правило, вал изготавливают из немагнитной стали. Для уменьшения влияния магнитного поля на вал внутри магнита устанавливается магнитная втулка [1, 3].

В бесконтактных двигателях для стоматологического и зуботехнического оборудования, и бормашин в частности, используются три типа якорей, аналогично коллекторным двигателям постоянного тока (КДПТ): пазовый, гладкий и полый (рис. 2) [1,

2, 3].

Принимая во внимание назначение электродвигателя - для ручного инструмента, качественное сравнение можно выполнить при одинаковых внешних размерах машин, продиктованных эргономическими показателями инструмента. Обычно диаметр корпуса машины не превышает 25 мм.

Высокие удельные показатели, оцениваемые по развиваемому длительному моменту, отнесенному к массе двигателя (Н^м/кг) [3], определяются качеством применяемых материалов, величиной тепловых потерь и условиями теплоотвода.

Так пазовые конструкции (конструкция «а» рис. 2) хорошо работают при частотах до 20 000 об/мин, а двигатели с гладким якорем (конструкция «б» рис. 2) - в частотном диапазоне от 50 до 40000 об/мин.

а) 6) е)

Рис. 2. Конструкции бесконтактных двигателей постоянного тока, которые могут быть применены для стоматологического инструмента:

а) - пазовый якорь; б) - гладкий якорь; в) - полый якорь (1 - вал, 2 - постоянный магнит, 3 - защитная оболочка,

4 - обмотка якоря, 5 - магнитопровод, 6 - корпус)

При вращении якоря пазовой конструкции (рис. 2, а) происходит периодическое изменение числа зубцов, находящихся под полюсом машины, вследствие чего возникают пульсации магнитного потока с частотой, пропорциональной числу зубцов, и, как следствие, появляются соответствующие составляющие в спектре вибраций машины ("зубцовые гармонические") [2].

Витки обмотки якоря беспазовой конструкции (рис. 2, б) укладываются на изолированную гладкую поверхность сердечника и отделяются друг от друга только витковой изоляцией (толщиной 0,1-0,2 мм). Поэтому переход на использование беспазовой конструкции якоря ("гладкого якоря") позволяет устранить зубцовые гармонические вибрации. Общим недостатком этих машин является большая величина немагнитного зазора, обусловленного отсутствием магнитопроводящих элементов в обмоточном слое.

В процессе вращения ротора частота перемаг-ничивания стали магнитопровода в конструкциях с пазовым якорем достигает 400 Гц, а магнитопроводе гладкого якоря она доходит до 667 Гц.

Тепловые потери Ра двигателя можно представить в виде следующей суммы [4]:

Ра= Рм + Рс + Рмех + Рдоб ,

где Рм - потери в меди обмотки якоря;

Рс - потери в стали магнитопровода;

Рмех - механические потери, определяемые трением в подшипниках и о воздух;

Рдоб - добавочные потери обычно составляют несколько процентов от суммы остальных потерь и ими можно пренебречь.

Соотношения между потерями зависят от рабочей частоты вращения электродвигателя и числа пар полюсов. Так потери в стали магнитопровода Рс вследствие этого составляют от 10 до 50 % всех потерь в двигателе, механические потери Рмех составляют до 30 % всех потерь при наличии подшипников качения низкого класса точности и снижаются до 5-7 % при использовании подшипников качения со специальной смазкой.

Конструкции «а» и «б» рис. 2 имеют шихтованный магнитопровод, в котором выделяются потери Рс, оцениваемые в соответствии со следующим уравнением:

Р = кр,*1.0/50 В2

где к - поправочный коэффициент;

Руд 1.о/5о - удельные потери в стали на единицу массы при индукции 1 Тл и частоте 50 Гц;

1" - частота перемагничивания стального сердечника;

М - масса сердечника;

в - показатель степени, определяемый маркой применяемой стали (в=1,3 1,5).

Очевидно, что с учетом широкого регулирования частоты вращения электродвигателя (500_40000 об/мин) необходимо более тщательно выбирать марку стали магнитопровода.

Кроме того, необходимо учитывать, что интенсивность магнитного поля возбуждения, создаваемого постоянным магнитом, значительно больше магнитного поля якоря, потери в стали приблизительно пропорциональны квадрату индукции и частоты перемагничивания сердечника якоря, поэтому существенно зависят от частоты вращения ротора п (об/мин), так как

1 = £Е 60

С ростом частоты увеличивается влияние вихревых токов в процессе перемагничивания сердечника. Так, в одной и той же марке стали при одной и той же толщине листа, в двигателе с числом полюсов 2р=2, с увеличением частоты перемагничивания 1" в якоре с 8 Гц при скорости п=500 об/мин до 667 Гц при скорости п=40000 об/мин, потери возрастают в 64 раза.

Наиболее сильно этот эффект проявляется в пазовом якоре (рис. 2, а), где величина индукции в воздушном зазоре должна выбираться с учетом насыщения зубцов и допустимой температурой нагрева обмотки якоря.

В электродвигателе с полым якорем (конструкция «в» рис. 2) потери в стали практически отсутствуют, так как магнитопровод неподвижен относительно ротора, поэтому он не перемагничивает-ся, а его толщина определяется только степенью насыщения конструкционной стали (Ст. 3, Ст. 10).

Учет качественных ограничений позволяет установить диапазон вероятных значений электромагнитных нагрузок (А и В5) для основных конструкций БДПТ, работающих в режиме 81 при одинаковом времени включения (1в=180 с) и одинаковых габаритах (таблица).

Энергетические показатели электродвигателей

Наименование параметра Тип якоря

пазовый гладкий полый

Относительная длина X 1,2-1,6 3,5-4 2,0-2,5

Максимальное значение магнитной индукции в зазоре В5,Тл О, 00 о" ,6 о" ,8 ,5

Линейная нагрузка А, А/м 'Г О с? 4, ,5 (3 (6_8)-104 (3_4)104

Плотность тока 1, А/мм2 ж 8...25 5 3 О 5 2 О

Воздушный зазор 5, мм 0,35-0,5 0,15-0,3 2х

Оптимальное число пар полюсов р 1; 2 1; 2 1; 2

Коэффициент заполнения медью немагнитного зазора кзм 0,25-0,35 0,35-0,55 0,2-0,3

Коэффициент полюсного перекрытия а5 0,65-0,68 0,7-0,73 0,7-0,72

* - в кратковременном режиме

Анализ, выполненный по доступным источникам информации, показывает, что наиболее широкое применение находят электродвигатели с пазовым и гладким якорями, которые достаточно широко известны [2, 5].

Электродвигатели с полым якорем выпускаются в значительно меньшем объеме (в основном, это группа компаний FAULHABER Group, Швейцария), это связано с технологическими особенностями изготовления такого якоря.

Серийный выпуск БДПТ для стоматологических бормашин с полым якорем в России освоила только одна фирма (МЕДТОРГ+, г. Воронеж) и только одну модификацию машин (БД-2). Очевидно, что потенциальные возможности БДПТ с полым якорем ещё полностью не реализованы. Проведение дополнительных исследований в области оптимальных конструкций магнитных систем и якорных обмоток позволят значительно расширить область использования этих машин.

Кроме того, охлаждение проводников на гладком или в полом якоре происходит интенсивнее, чем в пазу сердечника, поэтому в этом случае имеется возможность повысить силу тока в проводниках обмотки якоря, а тем самым и развиваемый двигателем момент.

Управление современными бесконтактными двигателями осуществляется одним из двух способов - с помощью датчика углового положения ротора или с помощью «бездатчивого» (sensorless) алгоритма. Преимуществом «бездатчиковой» системы управления является возможность создать электродвигатель, выдерживающий многократную стерилизацию путем автоклавирования, так как по условиям применения двигательная часть бормашины по окончании каждой рабочей смены подвергается обязательной стерилизации в автоклаве в течение 2-2,5 часов при температуре t=130°-140° С.

Наиболее распространенный алгоритм «без-датчикового» управления БДПТ основан на косвенном измерении ЭДС одной из фаз двигателя, отключенной от источника питания на данном интервале времени. Коммутация токов обмотки осуществляется путем фиксации момента перехода через ноль ЭДС отключенной фазы [5].

Исследования показывают, что теплообмен таких машин значительно лучше, чем у коллекторных электродвигателей [3].

Таким образом, для стоматологического оборудования целесообразно применение БДПТ в внут-

ренним расположением постоянного магнита, как имеющих лучшие регулировочные, энергетические и ресурсные характеристики, чем коллекторные двигатели постоянного тока и асинхронные двигателя с наружным ротором.

Проведенные исследования показывают, что выбор конструкции электродвигателя существенно зависит от требуемого диапазона частоты вращения: в нижнем диапазоне частот стоматологического инструмента (20...20000 об/мин) целесообразно использовать двигатели с пазовым якорем, в среднем частотном диапазоне (50.40000 об/мин) - двигатели с гладким якорем, а диапазон высоких скоростей (500.300000 об/мин) может быть освоен за счет применения электродвигателей с полым якорем.

Переход к использованию беспазовых конструкций позволяет устранить не только зубцовые гармонические вибрации, но и значительно снизить потери в стали, что дает возможность освоения более высоких диапозонов частот вращения - от 20 000 до 60 000 об/мин.

В связи с необходимостью уменьшения потерь на перемагничивание и потерь от вихревых токов целесообразно использовать конструкцию электродвигателя с полым якорем, в которой ротор и сердечник якоря остаются неподвижными относительно друг друга, что позволит увеличить верхний предел частоты вращения электродвигателя.

Литература

1. Балагуров В. А., Гридин В. М., Лозенко В. К. Бесконтактные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. — М.: Энергия, 1975.— 128 с.

2. Васильев Ю. К. Электрические двигатели с гладким якорем для систем автоматики / под ред. Ю. К. Васильева. - М. : Энергия, 1979. - 176 с.

3. Овчинников И.Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность) / И.Е. Овчинников: Курс лекций. - СПб.: КОРОНА-Век, 2007. - 336 с.: ил.

4. Проектирование электрических машины: Учебник для вузов/ Под ред. И.П. Копылова, - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2011. -767 с.

5. Acamley P.P., Watson J.F. Review of Position Sensorless Operation of Brushless Permanent Magnet Machines// IEEE Trans. Ind. Electron. Vol. 53, No.2, P. 352-362, Apr. 2006.

Воронежский государственный технический университет

EFFICIENT DESIGNS FOR FUTURE OF THE ELECTRIC MOTORS FOR DENTAL PRACTICE

V.M. Pitolin, Y.V. Pisarevsky, Zh.A. Gen

This article addresses the problem of creating high-performance miniature electric motors for dentistry. The experiences of the development and application of the brushless dc motors, accumulated over the past fifty years, was analyzed. The rational construction of the micromotor for dental equipment was selected

Key words: brushless motor, design, technical requirements