Многодвигательный электромеханический привод

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к конструкции многодвигательного электромеханического привода общего вала, имеющего микропроцессорное управление.
Известен многодвигательный электромеханический привод (МЭМП) (патент US №5463914 от 02.02.1994), в котором имеется несколько электродвигателей, на выходных валах которых установлены шестерни, взаимодействующие с зубчатым колесом одноступенчатого или двухступенчатого редуктора, выходной вал которого приводит логический объект, например, барабан стиральной машины или вентилятор. Каждый электродвигатель имеет мощность, меньшую в сравнении с суммарной мощностью электромеханического привода, но высокую частоту вращения ротора, что позволяет уменьшить габариты и повысить надежность электромеханического привода.
Недостаток такого МЭМП - значительные габариты зубчатых передач и повышенный уровень шума многозубых шестерен и колес редуктора.
Известно эксцентриково-циклоидальное внутреннее или внешнее зацепление составных зубчатых профилей (патент RU №2385435 от 22.12.2008), состоящее из нескольких смещенных по фазе относительно друг друга зубчатых дисков, каждый из которых взаимодействует с одним однозубым венцом в виде эксцентрика из множества имеющихся на валу эксцентриков, число которых равно числу дисков. Каждый эксцентрик является цилиндрическим и имеет подшипник качения. Эксцентриковый вал может приводиться во вращение от двигателя любого типа, в том числе от электродвигателя.
Недостаток электромеханического привода с редуктором, имеющим описанное эксцентриково-циклоидальное зацепление - сложность конструкции зацепления, высокая трудоемкость изготовления и пониженная надежность, обусловленная отсутствием резервирования электроприводов.
Известно микропроцессорное управление электроприводами с вентильными двигателями, оснащенными датчиками положения ротора, соединенными с контроллером управления электроприводами [http://www.tusur.ru/filearchive/reports-magazine/2012-26-1/199.pdf]. Каждый электродвигатель имеет транзисторный модуль, подсоединенный к блоку управления электроприводами (контроллеру), датчик тока и транзисторный ключ. Блок управления электроприводами обеспечивает прием и передачу команд с центрального микропроцессора, управляет направлением вращения электродвигателей и регулирует скорости их вращения. Описание режимов работы множества электродвигателей на общий вал отсутствует.
Известно описание системы управления вентильным индукторным электродвигателем [http://elmech.mpei.ac.ru/books/edu/SRM_design/index.html], включающей микропроцессор. Сигналы от датчика положения ротора вентильного индукторного электродвигателя передаются в микропроцессор через устройство преобразования и согласования, которое приводит сигналы к виду и уровню, необходимому для нормальной работы микропроцессора. Микропроцессор вырабатывает оптимальный алгоритм коммутации обмоток вентильного индукторного электродвигателя согласно программе, заложенной в микропроцессор.
Известен многодвигательный следящий электропривод, включающий несколько одинаковых по мощности работающих на общую нагрузку электроприводов [патент RU №2326488 от 24.10.2006]. Каждый следящий электропривод включает электродвигатель, передаточный механизм, датчик угла поворота и скорости вращения ротора электродвигателя, установленный на электродвигателе или в передаточном механизме, задатчик текущей угловой скорости и регулятор скорости вращения ротора электродвигателя, соединенные с блоком управления моментом электродвигателя.
В данном многодвигательном электромеханическом приводе не раскрыта конструкция главного передаточного механизма от выходных валов следящих электроприводов на главный выходной вал, соединенный с объектом нагрузки, отсутствуют средства отсоединения множества электроприводов от главного выходного вала с объектом нагрузки для их свободного вращения за счет накопленной кинетической энергии, а также способ торможения главного вала с объектом нагрузки для их остановки. Функциональные возможности такого многодвигательного электромеханического привода существенно понижены.
Известен МЭМП с зубчатым и волновым редукторами [патент US №8117945 от 26.09.2005, ближайший аналог], имеющий корпус с несколькими закрепленными на корпусе электродвигателями, на выходных валах которых установлены зубчатые шестерни, взаимодействующие с зубчатым колесом первой ступени зубчатого редуктора, на ступице которого установлено зубчатое колесо второй ступени зубчатого редуктора, которое взаимодействует с зубчатыми шестернями, закрепленными на входных валах с эксцентриками, размещенными внутри колеса эксцентриково-циклоидального волнового редуктора [патент 8117945, фиг.1с]
Недостаток данного МЭМП - в его сложности, значительных габаритах и невысокой надежности двухступенчатого зубчатого редуктора.
Известны устройство и система многодвигательного следящего безредукторного электропривода [заявка US №2014/0097859 от 12.12.2013], включающая: множество электродвигателей, каждый с датчиком углового положения вала и определителем скорости его вращения; устройства торможения на каждом из валов; множество блоков управления электродвигателями, каждый из которых обеспечивает подачу электрического тока каждому электродвигателю; микропроцессорные средства управления, образующие главный блок (контроллер), соединенный с множеством блоков управления электродвигателями и с датчиками положения валов электродвигателей, выдающий команды блокам управления электродвигателями в соответствии с заданными параметрами и положением валов.
В описании данного изобретения отсутствуют данные о режимах работы множества электродвигателей на общий вал.
Анализ технического уровня МЭМП показал, что в конструкции передаточного механизма "выходные валы следящих электроприводов - главный вал", в котором осуществляется суммирование моментов от электроприводов и приложение суммарного момента главного вала к приводимому объекту, невозможен режим свободного вращения главного вала с приводимым объектом без введения в конструкцию электроприводов дополнительных устройств - управляемых муфт или муфт свободного хода, отсоединяющих при необходимости валы электроприводов от главного вала, или муфты, отсоединяющей приводимый объект от главного вала, что приводит к снижению функциональных возможностей и увеличению габаритных размеров МЭМП.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, - уменьшение габаритов, повышение функциональных возможностей, надежности и КПД МЭМП.
Техническая задача решена в конструкции МЭМП, включающего:
- корпус, несколько закрепленных на корпусе следящих электроприводов, каждый из которых имеет выходной вал;
- размещенную в корпусе зубчатую эксцентриково-циклоидальную передачу с внутренним зацеплением, имеющую взаимодействующее с цилиндрическими эксцентриками цилиндрическое зубчатое колесо, зубья которого образованы внутренней циклоидальной поверхностью, и вал с цилиндрическим эксцентриком, приводимый во вращение следящими электроприводами;
- установленный в корпусе в подшипниках главный вал, соединенный с приводимым объектом и цилиндрическим зубчатым колесом;
- датчик углового положения главного вала;
- блоки управления следящими электроприводами, каждый из которых соединен интерфейсной шиной с датчиком углового положения вала каждого электродвигателя;
- главный блок управления многодвигательным электромеханическим приводом, соединенный интерфейсной шиной с блоками управления следящими электроприводами и с датчиком углового положения главного вала,
при этом
- выходной вал каждого следящего электропривода является эксцентриковым с одним, имеющим линию симметрии, цилиндрическим эксцентриком и установленным на нем подшипником качения, взаимодействующим с зубьями, образованными внутренней циклоидальной поверхностью цилиндрического зубчатого колеса, при этом оси выходных валов размещены на окружности, радиус которой определяется по зависимости:
e
где R - радиус окружности, на которой размещены оси валов следящих электроприводов, описанной относительно оси главного выходного вала;
max
R - радиус описанной относительно оси главного вала окружности, на которой расположены впадины зубчатого венца колеса внутренней эксцентриково-циклоидальной передачи;
е
- эксцентриситет цилиндрического эксцентрика;
п
r - внешний радиус подшипника качения, установленного на цилиндрическом эксцентрике;
- количество зубьев, образованных циклоидальной поверхностью зубчатого колеса, равно или более семи;
- количество следящих электроприводов не менее трех.
Для уменьшения габаритов и повышения надежности и КПД МЭМП каждый электродвигатель следящего электропривода является бесколлекторным, постоянного тока, с возбуждением от постоянных магнитов.
Технический эффект, - уменьшение габаритов, повышение функциональных возможностей, надежности и КПД МЭМП, - достигается за счет следующей совокупности признаков:
- выходной вал каждого следящего электропривода является эксцентриковым с одним, имеющим линию симметрии, цилиндрическим эксцентриком и установленным на нем подшипником качения, взаимодействующим с зубьями, образованными внутренней циклоидальной поверхностью цилиндрического зубчатого колеса, при этом оси выходных валов размещены на окружности, радиус которой определяется по зависимости:
- количество зубьев, образованных циклоидальной поверхностью зубчатого колеса, равно или более семи;
- количество следящих электроприводов не менее трех.
Данные совокупности отличительных признаков, характерные для МЭМП, не обнаружены при проведении патентно-информационных исследований, что свидетельствует о соответствии полезной модели критерию «новизна».
На фиг.1 показан пример конструкции МЭМП с внутренним эксцентриково-циклоидальным зацеплением.
На фиг.2 - сечение А-А на фиг.1 при установленных на корпусе трех следящих электроприводах и при рабочем положении эксцентриков.
На фиг.3 - сечение А-А на фиг.1 при установленных на корпусе трех следящих электроприводах и при цилиндрических эксцентриках, выведенных из зацепления с зубчатым колесом.
На фиг.4 - блок-схема МЭМП с системой управления.
Много двигательный электромеханический привод (фиг.1-4) имеет:
- корпус 1, несколько закрепленных на корпусе 1 не менее трех следящих электроприводов 2, электродвигатели 3 которых имеют отбалансированные выходные валы 4 с цилиндрическими эксцентриками 5, каждый из которых имеет линию симметрии 5а (фиг.2), проходящую через центр цилиндрического эксцентрика 5 и центр вращения выходного вала 4; на каждом из них установлен подшипник качения 6; для уменьшения габаритов, повышения надежности и КПД следящих электроприводов 2 электродвигатели 3 являются бесколлекторными, постоянного тока, с возбуждением от постоянных магнитов;
- размещенную в корпусе 1 зубчатую эксцентриково-циклоидальную передачу 7, имеющую взаимодействующее с подшипниками качения 6 цилиндрических эксцентриков 5 цилиндрическое зубчатое колесо 8, зубья 9 которого образованы внутренней циклоидальной поверхностью 10 (фиг.2);
- установленный в корпусе 1 (фиг.1) в подшипниках главный вал 11, соединенный с приводимым объектом 12 и приводимый во вращательное движение следящими электроприводами 2 через выходные валы 4, подшипники качения 6 цилиндрических эксцентриков 5 и зубчатое колесо 8 внутренней эксцентриково-циклоидальной передачи 7;
- следящие электроприводы 2, размещенные на корпусе 1 так, что оси 13 выходных валов 4 размещены на окружности 14 (фиг.2), радиус которой определяется по зависимости:
e
где R - радиус окружности 14, описанной относительно оси 15 (фиг.1) главного вала 11, на которой размещены оси 13 валов 4 следящих электроприводов 2;
max
R - радиус окружности 16, описанной относительно оси 15 главного вала 11, на которой расположены впадины колеса 8 внутреннего эксцентриково-циклоидального зацепления 17 (фиг.1, 2);
е
- эксцентриситет цилиндрического эксцентрика 5;
п
r - внешний радиус подшипника качения 6, установленного на цилиндрическом эксцентрике 5;
- зубчатое колесо 8 должно иметь количество зубьев, образованных внутренней циклоидальной поверхностью 10, равное семи или превышающее семь.
Так как цилиндрический эксцентрик 5 в эксцентриково-циклоидальной передаче 7 выполняет функцию однозубой шестерни, передаточное отношение эксцентриково-циклоидальной передачи равно числу зубьев 9 зубчатого колеса 8.
Число размещаемых на корпусе 1 электродвигателей 3 определяется по формуле:
эп
где D - максимальный диаметр следящего электропривода 2, зависящий от числа зубьев 9 зубчатого колеса 8, и при числе зубьев менее семи возникают трудности с размещением следящих электроприводов 2.
Так как предложенный МЭМП является безмуфтовым, а функцию муфты выполняют выводимые из зацепления с зубчатым колесом 8 цилиндрические эксцентрики 5, то система управления МЭМП (фиг.9) должна включать: датчик 18 углового положения главного вала 11; блоки 19 управления следящими электроприводами 2, каждый из которых соединен с датчиком 20 углового положения выходного вала 4; главный блок 21 управления многодвигательным электромеханическим приводом, соединенный интерфейсной шиной 22 с блоками управления 19 следящими электроприводами 2 и с датчиком 18 углового положения главного вала 11.
Для обеспечения равномерности вращения зубчатого колеса 8 с главным валом 11 и уравновешивания сил, действующих на главный вал 11 от эксцентриков 5 при увеличении количества следящих электроприводов 2 предпочтительно принимать их количество кратным трем, соблюдая последовательный ряд количества электроприводов 3, 6, 9 и т.д.
Преимущества МЭМП связаны с отсутствием в электроприводах обгонных или управляемых муфт, уменьшением габаритов электропривода за счет повышенной частоты вращения валов электродвигателей и резервированием следящих электроприводов.
МЭМП работает в следующих режимах.
1. Работа МЭМП при вводе в состояние зацепления цилиндрических эксцентриков 5 с зубчатым колесом 8 осуществляется подачей сигнала от главного блока управления 21 на определение углового положения выходных валов 4 по сигналам, поступающим от датчиков 20, с последующим формированием и подачей от блоков управления 19 управляющих сигналов для установки каждого из выходных валов 4 поворотом в заданное взаимное угловое положение линий 5а симметрии цилиндрических эксцентриков 5 до состояния их зацепления с зубчатым колесом 8.
2. Работа МЭМП в состоянии зацепления цилиндрических эксцентриков 5 с зубчатым колесом 8 включает следующие этапы:
- разгон и торможение всех следящих электроприводов 2 путем регулирования частоты вращения валов электродвигателей 3 по сигналам, поступающим от датчиков 20 при поддержании заданного взаимного углового положения линий 5 а симметрии цилиндрических эксцентриков 5 в соответствии с алгоритмом, заложенным в программе главного блока управления 21;
- продолжение, возобновление или изменение направления вращения зубчатого колеса 8 с приводимым объектом 12 после установки всех выходных валов 4 поворотом в заданное взаимное угловое положение линий 5а симметрии цилиндрических эксцентриков 5, по сигналам, поступающим от главного блока управления 21 в соответствии с алгоритмом, заложенным в его программу и преобразуемым в блоках управления 19;
- остановку всех следящих электроприводов 2 при заданном взаимном угловом положении линий 5а симметрии цилиндрических эксцентриков 5 в состоянии их зацепления с зубчатым колесом 8, после торможения электродвигателями 3 по сигналу от главного блока управления 21 в соответствии с программой управления, задаваемой алгоритмом, заложенным в программе главного блока управления 21;
3. Работа МЭМП при выводе эксцентриков 5 из зацепления с зубчатым колесом 8 осуществляется подачей сигнала от главного блока управления 21 на определение углового положения выходных валов 4 по сигналам, поступающим от датчиков 20, с последующим формированием и подачей от блоков управления 19 управляющих сигналов для вывода каждого из выходных валов 4 поворотом до момента занятия центрами всех цилиндрических эксцентриков 5 положения на радиальных линиях, соединяющих ось зубчатого колеса 8 с центром вращения каждого выходного вала 4 следящих электроприводов 2 и остановку всех следящих электроприводов 2 по сигналу от главного блока управления 21 в соответствии с программой управления, задаваемой алгоритмом, заложенным в программе главного блока управления 21.
4. Работа МЭМП в состоянии цилиндрических эксцентриков 5, выведенных из зацепления с зубчатым колесом 8, осуществляется после остановки всех следящих электроприводов 2 при вращении зубчатого колеса 8 с главным валом 11 и приводимым объектом 12 по инерции. Вращение главного вала 11 с приводимым объектом 12 по инерции позволяет в необходимых режимах работы использовать кинетическую энергию вращательного движения зубчатого колеса 8 с главным валом 11 и приводимым объектом 12 и повысить КПД МЭМП.
Приведенные режимы работы, связанные с управляемым вводом цилиндрических эксцентриков 5 в зацепление с зубьями колеса 8 и управляемым выводом их из зацепления, позволяют исключить из конструкции следящего электропривода 2 управляемые муфты, а также уменьшить габариты, повысить надежность и КПД МЭМП.