ЭЛЕКТРОПРИВОД ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
ELECTRIC DRIVE OF ROTARY MOTION

Изобретение относится к области приводной техники и может быть использовано в качестве привода с бесступенчатым регулированием частоты вращения и крутящего момента.
Из уровня техники известен планетарный дисковый мотор-вариатор с принудительным регулированием передаточного отношения путем радиального перемещения фрикционных сателлитов с помощью шарикового нажимного устройства при работе нерегулируемого электродвигателя с жесткой характеристикой (патенты GB 13 84679, F16H 15/50, 19.02.1975 и ЕРО 459234 В1, F16H 15/52, 04.12.1991). К недостаткам устройства, принятого за аналог, относятся низкая скорость регулирования передаточного отношения, низкий КПД мотор-вариатора при малых нагрузках вследствие постоянной силы нажима в фрикционных контактах вариатора и увеличения относительных потерь холостого хода электродвигателя.
Известны приводы с асинхронными двигателями, в том числе входящими в состав мотор-редукторов и мотор-вариаторов с принудительным регулированием, в которых частота подаваемого в асинхронный двигатель тока регулируется посредством преобразователя частоты [М.Г.Чиликин, А.С.Сандлер, Общий курс электропривода. - М., Энергоиздат, 1981, с.161]. К недостаткам этого устройства, также принятого за аналог, относится ограниченная перегрузочная способность, определяемая отношением максимального крутящего момента к номинальному и не превышающая 2-3. Пусковой момент устройства аналога также обычно не превышает номинальный более чем в 2-3 раза, что недостаточно для ряда применений с высокими пусковыми нагрузками. С уменьшением частоты вращения асинхронного электродвигателя с частотным регулированием и самовентиляцией его длительно допустимый крутящий момент снижается, что дополнительно уменьшает мощность привода (см., например, журнал «Редукторы и приводы» №1(04) 2006, С.31-32).
Известен адаптивный планетарный дисковый мотор-вариатор, приводимый от нерегулируемого асинхронного электродвигателя. Вариатор автоматически изменяет передаточное отношение в зависимости от нагрузки благодаря тому, что он содержит механический регулятор в виде кулачкового диска, профилированные рабочие поверхности которого взаимодействуют с подпружиненными рычагами посредством роликов. Рычаги способны перемещать сателлиты под действием выходного крутящего момента мотор-вариатора, приложенного к кулачковому диску со стороны кинематически связанного с ним выходного вала (Н.В.Гулиа «Удивительная механика…», М., ЭНАС, 2005 г., с 127-128). Недостатком упомянутого устройства, также принятого за аналог, является невозможность принудительного регулирования скорости выходного вала независимо от нагрузки.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению устройством-прототипом является электропривод, включающий асинхронный электродвигатель, планетарный дисковый фрикционный вариатор с принудительным регулированием передаточного отношения и любую систему управления частотой вращения асинхронного двигателя, например, преобразователь частоты [Н.В.Гулиа, В.Г.Клоков, С.А.Юрков, Детали машин. - М.: Издательский центр «Академия», 2004, с.93]. Недостатком устройства-прототипа являются медленное регулирование передаточного отношения, невозможность его изменения при остановленном состоянии выходного вала, а также ограниченная перегрузочная способность.
Техническим результатом, на который направлено предлагаемое изобретение, является повышение пускового крутящего момента и перегрузочной способности электропривода, улучшение его динамических качеств, повышение КПД в диапазоне малых нагрузок.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в электроприводе вращательного движения, включающем электродвигатель, систему управления частотой вращения электродвигателя и планетарный дисковый фрикционный вариатор, вариатор выполнен адаптивным и содержит датчик частоты вращения выходного вала, электрически связанный с системой управления частотой вращения электродвигателя.
Другой особенностью предлагаемого изобретения является то, что адаптивный планетарный дисковый вариатор состоит из центральных внутренних и внешних фрикционных дисков, установленных соответственно на центральном валу и корпусе и охватывающих с боковых сторон промежуточные фрикционные диски; механизма совместного изменения передаточного отношения и нажима, выполненного в виде поворотных рычагов, несущих промежуточные фрикционные диски, и установленного на водиле планетарного вариатора, связанном с тихоходным валом, с возможностью изменения положения поворотных рычагов, причем механизм совместного изменения передаточного отношения и нажима выполнен с толкателями на поворотных рычагах, установленными с возможностью перемещения по направляющим на диске, связанном с тихоходным валом, и снабжен элементами нагружения поворотных рычагов, а также силовыми элементами осевого действия, прижимающими центральные фрикционные диски к промежуточным, а элементы нагружения связаны с поворотными рычагами с возможностью обеспечения поворота указанных рычагов в сторону, соответствующую уменьшению передаточного отношения вариатора от центрального вала к тихоходному валу, причем направляющие, по числу равные числу поворотных рычагов, выполнены в виде двух вырезов, имеющих форму отрезков спирали и расположенных по обе стороны от их максимального радиуса, отсчитываемого от центральной оси вариатора, и эти вырезы выполнены сходящимися друг с другом на этом максимальном радиусе, а центральные внутренние фрикционные диски установлены на центральном быстроходном валу подпружиненными друг к другу с возможностью ограниченного осевого перемещения и с передачей крутящего момента, при этом промежуточные фрикционные диски установлены на поворотных рычагах с возможностью как вращения, так и осевого перемещения, а центральные внешние фрикционные диски, выполненные в виде силовых элементов осевого действия, установлены на корпусе с возможностью регулировки осевого положения основания как минимум одного центрального внешнего фрикционного диска, с дорожками качения на них.
Следующей особенностью предлагаемого изобретения является то, что датчик частоты вращения выполнен в виде аналогового датчика.
Следующей особенностью предлагаемого изобретения является то, что датчик частоты вращения выполнен в виде инкрементного датчика.
Следующей особенностью предлагаемого изобретения является то, что датчик частоты вращения выполнен в виде датчика абсолютного отсчета.
Следующей особенностью предлагаемого изобретения является то, что датчик частоты вращения объединен с подшипником выходного вала вариатора.
Следующей особенностью предлагаемого изобретения является то, что электродвигатель выполнен в виде асинхронного электродвигателя.
В другом варианте предлагаемого изобретения электродвигатель может быть выполнен в виде синхронного электродвигателя.
Следующей особенностью предлагаемого изобретения является то, что система управления частотой вращения электродвигателя содержит автономный инвертор напряжения в качестве выходного силового звена.
Следующей особенностью предлагаемого изобретения является то, что система управления частотой вращения электродвигателя охвачена отрицательной обратной связью по частоте вращения выходного вала вариатора.
Следующей особенностью предлагаемого изобретения является то, что система управления частотой вращения электродвигателя содержит счетно-решающий элемент для вычисления величины крутящего момента на выходном валу вариатора и охвачена отрицательной обратной связью по выходному сигналу упомянутого счетно-решающего элемента.
На фиг.1 изображена структурная схема электропривода с регулированием частоты вращения выходного вала вариатора.
На фиг.2 представлена структурная схема электропривода с регулированием крутящего момента на выходном валу вариатора.
На фиг.3 представлен продольный разрез адаптивного дискового планетарного вариатора.
На фиг.4 представлен вид по А-А фиг.3.
На фиг.5 представлен вид по Б-Б фиг.3.
Электропривод (фиг.1) состоит из электродвигателя 1, адаптивного дискового планетарного вариатора 2, с выходным валом 3 которого связан отсчетный элемент 4 датчика 5 частоты вращения. Наилучшие показатели работы могут быть обеспечены применением в качестве электродвигателя 1 бесконтактных электрических машин, в первую очередь асинхронных, а также синхронных с возбуждением от постоянных магнитов и индукторных. Датчик 5 частоты вращения может быть как аналогового (синусно-косинусный либо резольвер), так и дискретного типа (инкрементный либо абсолютного отсчета). Упомянутые датчики известны [Практика приводной техники. Сервоприводы. SEW-Eurodrive, издание 09/2006, 11322853/RU, с.48-58]. В одном из вариантов предлагаемого изобретения датчик частоты вращения может быть объединен с подшипником выходного вала вариатора в интегральный мехатронный узел. Упомянутые подшипники со встроенными датчиками производит, например, компания SNR (подшипники серии ASB).
Предлагаемое изобретение может быть реализовано в виде электропривода с косвенным бездатчиковым регулированием выходного крутящего момента (фиг.2). В этом случае в состав системы управления дополнительно входит счетно-решающий элемент 8 для вычисления сигнала обратной связи по крутящему моменту. Алгоритмы бездатчикового управления электроприводом известны [Рудаков В.В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. - Л., Электроатомиздат, 1987, с.19].
Адаптивный дисковый планетарный вариатор 2 (фиг.3, 4, 5) содержит ведущий (быстроходный) центральный вал 9, соединенный с валом электродвигателя 1, объединенного с вариатором 2 в один блок - мотор-вариатор. На валу 9 посажена на шпонке с возможностью ограниченного осевого перемещения и передачи крутящего момента втулка 10. На втулке 10 с помощью упоров 11 и гайки 12, а также фасонной шпонки 13 посажены центральные внутренние фрикционные диски 14. Диски прижаты к промежуточным фрикционным дискам 15 с помощью тарельчатых пружин 16, упирающихся в борта упоров 11. Диски 14 посажены на втулке 10 с возможностью их осевого перемещения в пределах, допустимых осевой упругостью пружин 16. Внешние центральные фрикционные диски 17, контактирующие с промежуточными фрикционными дисками 15, посажены в корпусе 18 с помощью втулок 19 и 20 с упорами 21 на них. Между дисками 17 находится замкнутое или незамкнутое кольцо 22, определяющее осевое расстояние между основаниями дисков 17. Втулка 20 контактирует с торцовой крышкой 23 корпуса 18. Таким образом, основания дисков 17 оказываются зажатыми между крышкой 23 и упором 21. Крышка 23 крепится к корпусу 18, например, с помощью болтов 24, расположенных по торцам крышки 23 и корпуса 18 по окружности. Втулка 20 контактирует с диском 17 (фиг.3) своим упором 21.
Внутренние фрикционные диски 14 контактируют с промежуточными дисками 15 по дорожкам качения на дисках 14, могущих иметь как коническую, так и выпуклую тороидальную поверхность. Внешние же фрикционные диски 17, выполненные в виде силовых элементов осевого действия - дисковых пружин, имеют дорожки качения 25 тороидальной формы.
Диски 15 сидят на осях с возможностью некоторого осевого перемещения осей 26 в подшипниках 27. Подшипники 27 закреплены на поворотных рычагах 28, которые, в свою очередь, жестко закреплены (например, с помощью штифтов 29) на оси 30, или выполнены с ней заодно. Ось 30 посажена с возможностью поворота в водиле 31. Таким образом, механизм вариатора образует собой фрикционную планетарную передачу, где внешние центральные фрикционные диски 17 выполняют роль эпицикла, внутренние 14 - солнечного колеса, промежуточные диски 15 на осях 26 в подшипниках 27 поворотных рычагов 28 - сателлитов, а водило 31 - водила планетарной передачи.
Поворотные рычаги 28 выполняются с противовесами 32 (фиг.4) повышенной или пониженной массы для увеличения или уменьшения неуравновешенности поворотных рычагов 28. На поворотных рычагах 28, например, на их противовесах 32, закреплены оси 33, на которых с возможностью вращения посажены ролики 34, играющие роль толкателей кулачковой передачи, взаимодействующие с направляющими 35 (фиг.3, 4, 5), Направляющие выполнены в виде вырезов в диске 36, соединенном с выходным валом 3 вариатора. На валу 3 посажен (фиг.3) с возможностью поворота один конец водила 31, другой конец водила 31 зафиксирован с возможностью ограниченного осевого перемещения на подшипнике 37 на конце втулки 10. Другой конец втулки 10 снабжен подшипником 38, посаженным с возможностью ограниченного осевого перемещения по выходному валу 3. Таким образом, втулка 10 имеет возможность ограниченного буртами на валах 9 и 3 осевого перемещения относительно водила 31 и выходного вала 3, не имеющими возможность непосредственного осевого перемещения друг относительно друга. Благодаря подшипнику 39, втулка 10 имеет возможность осевого перемещения относительно корпуса 18 с закрепленными в нем дисками 17. Таким образом, по осевому положению дисков 17 выставляются диски 15 с их осями 26, свободно перемещаясь в осевом направлении относительно водила 31, а также диски 14, закрепленные в пружинах 16 на втулке 10.
Направляющие 35 для роликов 34 в диске 36, равные по числу поворотным рычагам 28, а стало быть, и роликам 34, выполнены в виде двух вырезов, имеющих форму отрезков спирали (фиг.5) и расположенных по обе стороны от их максимального радиуса, отсчитываемого от центральной оси вариатора. Эти вырезы выполнены сходящимися друг с другом на этом радиусе (у роликов 34 на фиг.5), и расходящимися по мере уменьшения радиуса. Между соседними вырезами для направляющих 35 остаются перемычки 40 для сохранения целостности диска 36 и его прочности.
Поворотные рычаги 28 выполнены (фиг.4) с элементами крепления 41 для подсоединения одного конца пружин 42 растяжения. Другой конец пружин 42 крепится к элементам крепления 43 на водиле 31. Таким образом, пружины 42 стягивают к центру концы поворотных рычагов 28, несущих диски 15, а также прижимают ролики 34 (толкатели) к направляющим 35.
В корпусе 18 вариатора находится смазка, предпочтительнее специальная вариаторная, повышающая коэффициент трения между фрикционными дисками. Устройства для заливки, контроля и слива масла на чертеже не показаны.
Для легкого попадания смазки в щель между внешними дисками 17 кольцо 22 и втулка 20 могут выполняться с радиальными отверстиями. В корпусе 18 на его внутренней цилиндрической поверхности выполняются продольные канавки 44 (фиг.3), проходящие под втулкой 20, кольцом 22 и дисками 17.
вых
3
дв
вых
вых
з
вых
В варианте с замкнутой системой регулирования частоты вращения (фиг.1) вышеописанный электропривод вращательного движения работает следующим образом. При отклонении частоты вращения n выходного вала 3 от заданной частоты n сигнал рассогласования dn поступает в регулятор 6, например, пропорционально-интегро-дифференциального типа (ПИД-регулятор) [Ким Д.П. Теория автоматического управления, Т.1, Линейные системы. - М., ФИЗМАТЛИТ, 2003, с.19]. Выходной сигнал f регулятора 6 воздействует на преобразователь частоты 7, изменяя частоту вращения электродвигателя 1 таким образом, чтобы частота вращения выходного вала 3 вариатора 2 соответствовала заданной. Например, при снижении выходной частоты вращения n положительный сигнал рассогласования dn ведет к увеличению частоты вращения электродвигателя 1, что при неизменном моменте сопротивления нагрузки ведет к увеличению частоты вращения n выходного вала 3 вариатора 2 до заданного значения n. При повышении момента сопротивления нагрузки передаточное отношение адаптивного вариатора 2 автоматически увеличивается, что вызывает снижение частоты вращения n выходного вала 3. В этом случае система регулирования скорости повышает частоту вращения электродвигателя 1, также обеспечивая стабилизацию выходной частоты вращения.
дв
дв
вых
вых
з
дв
вых
вых
з
В ряде применений электропривода (намоточные станки, прокатные станы) требуется регулирование его выходного крутящего момента. Это может быть осуществлено в замкнутой системе регулирования крутящего момента (фиг.2), в которой электропривод работает следующим образом. В счетно-решающий элемент 8 от преобразователя 7 частоты электродвигателя 1 в виде электрических сигналов поступают значения частоты вращения n и крутящего момента Т электродвигателя 1, а от датчика 5 частоты вращения выходного вала 3 вариатора 2 ее значение n. На основании этих величин, а также известных величин приведенного момента инерции электропривода и его механического КПД, счетно-решающий элемент 8 по уравнениям движения электропривода рассчитывает значение выходного крутящего момента Т, которое затем вычитается из сигнала задатчика момента Т, как сигнал отрицательной обратной связи. Сигнал рассогласования dT поступает в регулятор 6 крутящего момента, выходной сигнал f которого управляет частотой вращения электродвигателя. При снижении момента сопротивления нагрузки счетно-решающий элемент 8 регистрирует снижение выходного крутящего момента Т, а положительный сигнал рассогласования dT ведет к повышению частоты вращения электродвигателя 1 и, соответственно, повышению выходной частоты вращения n электропривода до тех пор, пока возрастающее сопротивление нагрузки не достигнет величины Т, определяемой задатчиком момента.
Электронная система управления путем изменения частоты вращения электродвигателя осуществляет принудительное регулирование электропривода с адаптивным вариатором 2, передаточное отношение которого автоматически изменяется под нагрузкой. Свойство адаптивного вариатора автоматически изменять передаточное отношение в зависимости от крутящего момента на выходном валу 3 является основополагающим для предлагаемого изобретения. Технический результат изобретения достигается именно при наличии вариатора со свойством адаптивности, то есть не с принудительным, а автоматическим изменением передаточного отношения.
Адаптивный вариатор 2 в электроприводе вращательного движения работает следующим образом. Работа вариатора начинается с минимального передаточного отношения, которое обычно составляет 1,2…1,3, то есть частота вращения вала 3 (фиг.3, 4, 5) в это число раз меньше частоты вращения вала 9. При этом крутящий момент от вала 9 через шпонку, или иное соединение для передачи крутящего момента, передается на втулку 10, сидящую на валу 9 с возможностью ограниченного осевого перемещения. С втулки 10 крутящий момент передается на упоры 11 и внутренние центральные фрикционные диски 14, соединенные шпонкой 13 с втулкой 10 с возможностью осевого перемещения на ней при работе устройства в пределах пружин 16 с передачей крутящего момента. Диски 14 прижаты с промежуточными фрикционными дисками 15 с двух сторон тарельчатыми пружинами 16, упирающимися своими основаниями в борта на упорах 11. Упоры 11 поджаты друг к другу гайкой 12 на втулке 10 и при вращении передают крутящий момент на диски 15, посаженные на оси 26, закрепленные с возможностью осевого перемещения в подшипниках 27, сидящих на поворотных рычагах 28. Рычаги 28, в свою очередь, закреплены на оси 30, посаженной с возможностью поворота в водиле 31. При вдвигании и выдвигании дисков 15, зажатых между дисками 14, диски 14 перемещаются в осевом направлении по втулке 10 с передачей крутящего момента. Диски 15 находятся также в фрикционном контакте с дисками 17, одновременно играющими роль внешних фрикционных дисков и силовых элементов осевого действия - дисковых пружин. Диски 17 зажаты между упорами 21 втулок 19 и 20 через кольцо 22 и передают крутящий момент (реактивный) на корпус 18 за счет трения. Благодаря тому, что осевой размер кольца 22 меньше осевого расстояния между основаниями дисков 17, свободно касающихся дисков 15 на их периферии, где их толщина минимальна, диски 17 всегда прижаты к дискам 15 через упругую деформацию первых. Таким образом, они передают усилие, образующее крутящий момент. Прижим дисков 17 к дискам 15 увеличивается по мере вдвигания дисков 15 конической формы между дисками 17 с увеличением упругой деформации последних, как дисковых пружин. Диски 17 закреплены на корпусе 18 в определенном осевом положении и устанавливают диски 15, свободно перемещающиеся в осевом направлении в водиле 31, которое жестко зафиксировано в осевом направлении в корпусе 18. В положении, когда прижим дисков 17 к дискам 15 практически одинаков с обеих сторон, диски 15 не подвержены изгибу. В свою очередь, диски 15 устанавливают прижатые к ним диски 14 в такое же положение, перемещая в осевом направлении диски 14 вместе с пружинами 16, упорами 11 и втулкой 10 по валу 9 и в водиле 31. Прижим дисков 15 к дискам 14, обеспечиваемый тарельчатыми пружинами 16, остается примерно постоянным при осевом перемещении дисков 14. Этот прижим намного меньше прижима дисков 17 к дискам 15 и существенно менее опасен с точки зрения износа дорожек качения. К тому же, смазка вариатора, особенно специальным вариаторным маслом (например, Сантотрак-50 производства США, или ВТМ-1 отечественного производства) полностью разделяет поверхности трения, намного уменьшая износ дорожек качения.
Изменение передаточного отношения вариатора происходит автоматически при изменении крутящего момента на выходном тихоходном валу 3, и, таким образом, вариатор самостоятельно приспосабливается к нагрузке. Происходит это следующим образом. При крутящем моменте на валу 3 меньше определенного значения, пружины 42 стягивают между собой элементы крепления 41 и 43 и поворачивают поворотные рычаги 28 так, чтобы диски 15, закрепленные на их концах, занимали максимально близкое к оси вращения вариатора положение (фиг.3, фиг.4). Передаточное отношение вариатора при этом минимальное. Этому при вращении водила 31 способствует также неуравновешенность поворотных рычагов 28 при выполнении противовесов 32 повышенной массы по отношению к той, при которой поворотные рычаги 28 уравновешены. Увеличение сопротивления вращения вала 3 вызывает увеличение крутящего момента на диске 36, соединенном с ним, что вызывает проворот этого диска и перемещение роликов 34 (толкателей) в направляющих 35 в сторону от их максимального радиального удаления от оси вращения валов вариатора (фиг.5). В зависимости от направления вращения вала 9, это перемещение может быть и в одну и в другую сторону от упомянутого положения роликов 34. Таким образом, вариатор может работать в режиме реверсирования, благодаря особой форме направляющих 35, расположенных по обе стороны вышеупомянутого положения роликов 34 в зоне максимального удаления от оси вращения валов вариатора.
Это перемещение роликов 34 вызывает угловое перемещение поворотных рычагов 28, растяжение пружин 42 и удаление дисков 15 от оси вращения валов вариатора на периферию. Это влечет за собой увеличение передаточного отношения вариатора, реально доходящего до значений 8…9. Смазка зон контакта дисков 16 и 17 с промежуточными дисками 15 осуществляется путем проникновения масла через отверстие во втулке 20 и кольце 22, а также канавки 44, в кольцевую щель между дисками 17 и разбрызгивания его промежуточными дисками 15 при вращении водила 31.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволит повысить перегрузочную способность и пусковой момент, по сравнению с известными мотор-редукторами с частотным регулированием и мотор-вариаторами, за счет того, что адаптивный вариатор способен автоматически повышать передаточное отношение под нагрузкой, в том числе при остановленном выходном вале, то есть в режиме тяжелого пуска. Другим преимуществом предлагаемого изобретения является более высокий КПД при малых нагрузках, по сравнению с известными мотор-вариаторами, поскольку частотное регулирование привода с адаптивным вариатором позволяет поддерживать оптимальный режим работы электродвигателя, в частности, за счет ослабления магнитного потока и снижения реактивного тока. Конструкция адаптивного вариатора позволяет быстро изменять передаточное отношение при резком изменении условий работы, что повышает динамические качества регулируемого электропривода.