Характеристики линейного асинхронного двигателя

Линейные электродвигатели. Основные разновидности и их применение

Назначение и типы линейных электродвигателей

Ротационные электродвигатели обычно предназначены для реализации вращательного движения рабочего механизма. Иногда эти двигатели осуществляют поступательные или возвратно-поступательные движения. Достигается это при помощи кинематических передач усложняющих конструкцию и снижающих коэффициент полезного действия привода. Применение линейных электродвигателей позволяет устранить эти недостатки.

В ротационных электродвигателях индуктор представляет собой цилиндр, внутри которого вращается ротор. В плоских линейных электродвигателях индуктор развернут на плоскости. Индуктор цилиндрического линейного электродвигателя — цилиндр, внутри которого линейно перемещаются вторичные элементы.

Основные типы линейных электродвигателей: линейные асинхронные электродвигатели, линейные синхронные электродвигатели, линейные электродвигатели постоянного тока, линейные шаговые электродвигатели. Наибольшее применение получили линейные асинхронные электродвигатели. Первичная обмотка асинхронного линейного электродвигателя возбуждает бегущее электромагнитное поле. В результате взаимодействия первичного поля и индуктируемых токов во вторичном элементе возникает тяговое усилие. Вторичный элемент прямолинейно перемещается. В линейных асинхронных электродвигателях имеют место ухудшающие характеристики краевые эффекты. Разомкнутость магнитной цепи в продольном направлении вызывает продольный краевой эффект. Увеличение числа полюсов индуктора снижает продольный краевой эффект. Наличие на краях вторичного элемента продольных составляющих токов, не создающих полезное тяговое усилие — поперечный краевой эффект. Увеличение ширины вторичного элемента снижает влияние поперечного краевого эффекта. Итак, принцип действия как ротационных, так и линейных электродвигателей имеет одну и ту же физическую природу.

Применение линейных электродвигателей

Линейные электродвигатели применяются там, где они упрощают конструкцию, повышают производительность машин и оборудования, или в тех случаях, когда использование ротационных электродвигателей по их характеристикам невозможно. Применение линейных электродвигателей наиболее перспективно в промышленном и пассажирском транспорте. В конвейерных поездах индукторы электропривода расположены вдоль рельсового пути, вторичный элемент электродвигателя находится на подвижном составе. Такие поезда удобны при транспортировке угля, руды и строительных материалов. На примере системы городского эстакадного пассажирского транспорта показан другой вариант исполнения линейного электродвигателя, где вторичный элемент установлен вдоль пути в виде токопроводящей вертикальной полосы. А индукторы установлены в движущемся вагоне. Линейные асинхронные электродвигатели широко применяются в приводах различных исполнительных механизмов и устройств. В приводах разъединителей тяговых подстанций цилиндрический линей электродвигатель существенно упрощает конструкцию, повышает быстродействие и эксплуатационную надежность оборудования.

В ряде случаев, вторичным элементом двигателя может быть и деталь рабочего механизма. Привод поворотного стола манипулятора осуществлен на базе плоских линейных электродвигателей, что обеспечивает высокую точность углового позиционирования стола и существенно упрощает механическую часть устройства. В отдельных случаях, линейные асинхронные электродвигатели могут эффективно выполнять сразу несколько целевых функций. Литейная карусельная машина. Ее привод реализован на линейных электродвигателях плоского исполнения. Он может перемещать и при технологической необходимости подогревать из ложницы. Коэффициент полезного действия таких приводов значительно выше, чем КПД приводов с одной целевой функцией.

Принцип работы линейного асинхронного электродвигателя может быть использован при создании других электромагнитных устройств, например в сепараторах цветных металлов. Линейные электродвигатели успешно применяются в различных системах внутрицехового транспорта. Основными преимуществами линейных электродвигателей являются возможность получения непосредственного прямолинейного движения, больших скоростей и ускорений, простота конструкции, бесшумность и надежность работы. Развитие микропроцессорной техники и разработка новых средств управления позволяют постоянно расширять области эффективного применения линейных электродвигателей.

Линейные двигатели нового поколения

Приводы подач всех современных металлообрабатывающих станков с ЧПУ, в том числе и электроэрозионных (ЭЭ) строятся по традиционной схеме. Так, в одном из типажей ЭЭ станков перемещения рабочего органа РО (каретки подач) осуществляется от двигателя постоянного тока через ременную передачу на ходовой винт. Через шариковую гайку (она скреплена с РО пружинами механизма защиты от соударений) вращение винта трансформируется в продольное перемещение РО.

Ременный привод станков

Более надежные и современные приводы выполнены без ременной передачи. В этих приводах высокомоментный двигатель переменного тока непосредственно соединен с ходовым винтом.

Непосредственный привод

Недостатки указанных видов приводов достаточно известны и очевидны:

  • большое количество промежуточных элементов от источника энергии до РО;
  • громадная инерционность этих элементов, особенно в крупногабаритных станках;
  • наличие зазоров в передающих устройствах;
  • >трение во множестве сопрягаемых деталей (резко изменяющееся при переходе системы из состояния покоя в состояние движения);
  • температурные и упругие деформации практически всех передающих звеньев;
  • износ сопрягаемых элементов в процессе эксплуатации и потеря исходной точности;
  • погрешности в шаге ходового винта и накопленная погрешность по длине.

Поскольку эти недостатки определяют основные качественные характеристики приводов (точность и равномерность хода РО, величину мертвого хода при реверсе, допустимые ускорения и скорости РО), конструкторская мысль станкостроителей давно пытается как-то уменьшить их влияние на работу приводов и оборудования в целом. Например, в соединении ходового винта с гайкой для уменьшения трения уже давно используют дорогое и сложное шариковинтовое соединение; для ликвидации зазоров в соединение винта с гайкой вводятся специальные устройства натяга соединения; ходовые винты особо точных станков изготавливают по классу эталонных; погрешности шага винтов пытаются скомпенсировать системами компенсаторов; в борьбе с температурными деформациями создаются изощрённые системы охлаждения и т.д. Проблемы, проблемы, проблемы. И уже давно ясно, что проблемы приводов с ходовыми винтами не решить никогда из-за их физико-технической сущности и построенного типа, как такового.

Архаичность рассмотренных приводов давно очевидна и передовая конструкторская мысль уже много лет работала над задачей кардинальной замены типовых приводов в металлообрабатывающем оборудовании на какие-то другие, более совершенные. Как говорят, гениальное — просто. И таким гениальным решением было использовать в качестве приводов подач станков линейные двигатели.

Электромагнитная система

Принцип линейного двигателя (ЛД) не нов и, в общем, известен даже школьнику, поскольку прототипом ЛД является простейшая электромагнитная система. Такая система состоит из металлического сердечника-магнита и статорной обмотки. При подаче тока определенной полярности в обмотку сердечник сместится в ту или иную сторону, причем практически мгновенно. Изменение полярности сигнала на обмотку приведет к обратному ходу сердечника. Как видим, от источника энергии к РО нет никаких промежуточных элементов, передача энергии осуществляется через воздушный зазор, ничего не надо вращать, сразу возможно осуществление главной задачи — продольного движения РО. Гениальность решения, естественно, сразу была оценена по достоинству. На рассмотренном принципе уже десятилетия работают все элементы электроавтоматики, системы электротормозов, системы защиты, специальное оборудование ударного типа и т.д. Громадный опыт использования электромагнитных систем четко выявил их потрясающие достоинства: удивительная простота конструкции и применения, почти мгновенная остановка, мгновенный реверс, сверх быстрота срабатывания, большие усилия, простота настройки. Но не было только одного — возможности регулировать скорость РО в электромагнитной системе и обеспечивать тем самым регулируемое поступательное движение РО (сердечника). А без этой возможности применить электромагнитный привод (несмотря на его гениальность), как движитель в оборудовании, было невозможно.

Линейный электродвигатель

Потребовались многие годы работы ученых и конструкторов в разных странах, прежде чем был достигнут успех. Особенно интенсивно велись работы в Японии, где электромагнитный привод (уже как линейный привод) был впервые успешно использован как движитель для сверхскоростных поездов. Там же были попытки создания линейных приводов для металлообрабатывающих станков, но они имели существенные недостатки: создавали сильные магнитные поля, грелись, а главное не обеспечивали равномерности в движении РО. Лишь на пороге нового тысячелетия начался серийный выпуск станков (пока в основном электроискровых (электроэрозионных)) с принципиально новыми линейными двигателями, в которых решены все проблемы по обеспечению равномерным движением РО станков со сверхвысокой точностью, с большим диапазоном регулирования скорости, с громадными ускорениями, мгновенным реверсом, с простотой обслуживания и наладки и др.

В принципе, конструкция ЛД изменилась не сильно. Собственно двигатель состоит всего из 2 (!) элементов: электромагнитного статора и плоского ротора, между которыми лишь воздушный зазор. Третий обязательный элемент – оптическая или другая измерительная линейка с высокой дискретностью (0,1 мкм). Без нее система управления станка не может определить текущие координаты. И статор, и ротор выполнены в виде плоских, легко снимаемых блоков: статор крепится к станине или колонне станка, ротор — к рабочему органу (РО). Ротор элементарно прост: он состоит из ряда прямоугольных сильных (редкоземельных) постоянных магнитов. Закреплены магниты на тонкой плите из специальной высокопрочной керамики, коэффициент температурного расширения которой в два раза меньше чем у гранита. Использование керамики совместно с эффективной системой охлаждения решило многие проблемы линейных приводов, связанные с температурными факторами, с наличием сильных магнитных полей, с жесткостью конструкции и т.п.

Читать еще:  Toyota vitz обороты двигателя

Точная и равномерная подача РО во всем диапазоне скоростей и нагрузок обеспечивается двумя техническими решениями:

  • крепление постоянных магнитов под определенным фиксированным углом, который был открыт в ходе длительных экспериментов;
  • реализация высокоэффективной 6-ти фазной импульсной системы управления (система SMC).

Компания «СОДИК» организовала на своих заводах серийный выпуск широкой гаммы ЛД с характеристиками: с ходом подач от 100 до 2220 мм, с максимальной скоростью перемещения РО до 180 м/мин с ускорениями до 20G (. ) при точности исполнения заданных перемещений (в нормальном режиме работ) равной 0,0001мм (0,1 мкм). Нагрев этих ЛД при работе не превышает + 2° С от температуры помещения. Обеспечивается практически мгновенная остановка РО, реверс, моментальная реакция привода на команды системы ЧПУ и т.д. На один и тот же рабочий орган монтируется (например, для увеличения мощности) несколько линейных двигателей. Так, в частности, устроен привод оси Z всех ЭЭ прошивочных станков «СОДИК».

Как указывалось, и статор, и ротор ЛД предельно просты. Статор исполнен в виде прямоугольного блока и крепится несколькими болтами к несущей конструкции станка. В приводе оси Z — два статора. Они размещены по обе стороны вертикального ползуна. К каждому статору крепятся два патрубка системы охлаждения статора и кабели подвода энергии и управления. Пластина ротора жестко крепится болтами к подвижной каретке (РО ). Так как в приводе оси Z два ЛД, то на каретке крепятся, соответственно, два ротора , каждый напротив своего статора. Система специальных направляющих и пневмопротивовес обеспечивают исключительную легкость хода каретки, практически без усилий. Приводы по осям X, Y прошивочных станков и в приводах X, Y, U, V проволочно-вырезных станков проще — в них всего по одному ЛД.

Особенно следует отметить простоту обслуживания ЛД, простоту периодической чистки (при необходимости), профилактики и ремонта. Так, чтобы заменить ротор ЛД, достаточно открутить несколько болтов, крепящих ротор к РО. Для замены статора помимо болтов нужно лишь снять две трубки системы охлаждения статора и отсоединить кабель. Сравните эти действия, например, с комплексом работ по снятию шаровой гайки или замене подшипника ходового винта.

Эффективность применения новых приводов сразу же нашло убедительное подтверждение. Новая серия ЭЭ станков с ЛД имеет резко повышенные технико-технологические и эксплуатационные характеристики по сравнению с аналогичными станками, имеющими традиционные приводы. Так, производительность ЭЭ прошивных станков с ЛД выше, чем у станков с обычными приводами как минимум в 2 раза, а ЭЭ проволочно-вырезных – на 50%. Повысилась точность станков, расширились диапазоны параметров обрабатываемых деталей и т.д. Для объяснения этого необходимо рассматривать определенные тонкости ЭЭ технологий и работы ЭЭ оборудования, а это уже тема другая.

Нижеследующая таблица позволяет зрительно сопоставить рассматриваемые привода.

Назад

Сравнение традиционных и линейных приводов станков
Факторы, характеристики Традиционные приводы с ШВП Линейные приводы
Промежуточные элементы передачи к РО Ротор, вал, шкив, ремень, шкив, винт, шарики, гайка НЕТ
Передача энергии на РО От статора электродвигателя на ротор, через вал ротора на шкив, на ходовой винт, на шарики гайки, на гайку и на РО НЕТ
Потери на трение Подшипники ротора, ременная передача, подшипники ходового винта, шарики, плоскости профиля канавки гайки НЕТ
Элементы с упругими деформациями Вал ротора, ремень шкива, вал винта, плоскости профиля канавки винта, шарики, плоскости профиля канавки гайки НЕТ
Элементы с температурными деформациями в приводе Ротор двигателя, вал ротора, подшипники ротора, шкив, ремень, шкив, подшипники винта, винт, шарики, гайка НЕТ
Изнашиваемые элементы привода Подшипники ротора электродвигателя, шкив, ремень, шкив, подшипники винта, ходовой винт, шарики, гайка НЕТ
Обязательные зоны для смазки Подшипники ротора, подшипники винта, зона ШВП НЕТ
Элементы, создающие инерционные нагрузки при ускорениях и реверсе Вращающийся ротор, вал ротора, внутренние кольца подшипников вала ротора, шкивы, ремень, подшипники винта, винт, гайка и шарики в поступательном движении Плоский ротор привода в поступательном движении
Основные зоны загрязнения (уровень сложности очистки) Подшипники вала ротора двигателя (сложно), подшипники ходового винта (сложно), ШВП-гайка (очень сложно) Зазор между статором и плоским ротора (просто)

Вперед

Автор статьи — к.т.н. Серебреницкий П.П., БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова

Подписка

Подпишись на наши новости

Получайте первыми актуальную информацию ООО «Электропривод»

Линейный двигатель

Лине́йный дви́гатель — электродвигатель, у которого один из элементов магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую магнитное поле, а другой взаимодействует с ним и выполнен в виде направляющей, обеспечивающей линейное перемещение подвижной части двигателя. Сейчас разработано множество разновидностей (типов) линейных электродвигателей, например:

  • линейные асинхронные электродвигатели (ЛАД),
  • линейные синхронные электродвигатели,
  • линейные электромагнитные двигатели,
  • линейные магнитоэлектрические двигатели,
  • линейные магнитострикционные двигатели,
  • линейные пьезоэлектрические (электрострикционные) двигатели и др.

Многие типы линейных двигателей, такие как асинхронные, синхронные или постоянного тока, повторяют по принципу своего действия соответствующие двигатели вращательного движения, в то время как другие типы линейных двигателей (магнитострикционные, пьезоэлектрические и др.) не имеют практического исполнения как двигатели вращательного движения. Неподвижную часть линейного электродвигателя, получающую электроэнергию из сети, называют статором, или первичным элементом, а часть двигателя, получающую энергию от статора, называют вторичным элементом или якорем (название «ротор» к деталям линейного двигателя не применяется, так как слово «ротор» буквально означает «вращающийся», а в линейном двигателе вращения нет).

Наибольшее распространение в транспорте и для больших линейных перемещений получили асинхронные и синхронные линейные двигатели, но применяются также линейные двигатели постоянного тока и линейные электромагнитные двигатели. Последние чаще всего используются для получения небольших перемещений рабочих органов и обеспечения при этом высокой точности и значительных тяговых усилий.

Содержание

  • 1 Асинхронный линейный двигатель
  • 2 Синхронный линейный двигатель
  • 3 Применение линейных двигателей
  • 4 Линейные двигатели высокого и низкого ускорения
  • 5 Источники
  • 6 Ссылки

Асинхронный линейный двигатель [ править | править код ]

Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если мысленно разрезать статор и ротор с обмотками обычного асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и развернуть в плоскость. Образовавшаяся плоская конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя. Если теперь обмотки статора такого двигателя подключить к сети трёхфазного переменного тока, то образуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью V, пропорциональной частоте питающего напряжения f и длине полюсного деления t: V = 2пf . Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведёт к появлению силы, действующей, по правилу Ленца, в направлении перемещения магнитного поля. Ротор — в дальнейшем будем называть его уже вторичным элементом — под действием этой силы начнёт двигаться. Как и в обычном асинхронном двигателе, перемещение элемента происходит с некоторым скольжением относительно поля S = (V — v)/V, где v — скорость движения элемента. Номинальное скольжение линейного двигателя равно 2-6%. [1] Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Одно из достоинств линейного асинхронного двигателя заключается в том, что в качестве вторичного элемента может использоваться обычный металлический лист. Вторичный элемент при этом может располагаться также между двумя статорами, или между статором и ферромагнитным сердечником. Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, причём использование немагнитного вторичного элемента предполагает применение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через ферромагнитные элементы. Принцип действия линейных двигателей со вторичным элементом в виде полосы повторяет работу обычного асинхронного двигателя с массивным ферромагнитным или полым немагнитным ротором. Обмотки статора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются обычно к сети трёхфазного переменного тока. Линейные двигатели очень часто работают в так называемом обращённом режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое применение на электрическом транспорте. Например, статор неподвижно закреплён под полом вагона, а вторичный элемент представляет собой металлическую полосу между рельс, а иногда вторичным элементом служат сами рельсы. Одной из разновидностей линейных асинхронных двигателей являются трубчатый (коаксиальный) двигатель. Статор такого двигателя имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки (обмотки статора) и металлические шайбы, являющиеся частью магнитопровода. Катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала. При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуцирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создаёт на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закреплённом статоре) движение вторичного элемента в этом направлении. Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным направлением магнитного потока во вторичном элементе в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление.

Синхронный линейный двигатель [ править | править код ]

Основной областью применения синхронных двигателей, где их преимущества проявляются особенно сильно, является высокоскоростной электрический транспорт. Дело в том, что по условиям нормальной эксплуатации такого транспорта необходимо иметь сравнительно большой воздушный зазор между подвижной частью и вторичным элементом. Асинхронный линейный двигатель имеет при этом очень низкий коэффициент мощности (cosφ), и его применение оказывается экономически невыгодным. Синхронный линейный двигатель, напротив, допускает наличие относительно большого воздушного зазора между статором и вторичным элементом и работает при этом с cosφ, близким к единице, и высоким КПД, достигающим 96%. Применение синхронных линейных двигателей в высокоскоростном транспорте сочетается, как правило, с магнитной подвеской вагонов и применением сверхпроводящих магнитов и обмоток возбуждения, что позволяет повысить комфортабельность движения и экономические показатели работы подвижного состава.

Применение линейных двигателей [ править | править код ]

  • Широкое применение линейные двигатели нашли в электрическом транспорте, чему способствовал целый ряд преимуществ этих двигателей: прямолинейность движения вторичного элемента (или статора), что естественно сочетается с характером движения различных транспортных средств, простота конструкции, отсутствие трущихся частей (энергия магнитного поля непосредственно преобразуется в механическую), что позволяет добиться высокой надёжности и КПД. Ещё одно преимущество связано с независимостью силы тяги от силы сцепления колёс с рельсовым путём, что недостижимо для обычных систем электрической тяги. При использовании линейных двигателей исключается буксование колёс электрического транспорта (именно этой причиной был обусловлен выбор линейного двигателя для ММТС), а ускорения и скорости движения средств транспорта могут быть сколь угодно высокими и ограничиваться только комфортабельностью движения, допустимой скоростью качения колёс по рельсовому пути и дороге, и динамической устойчивостью ходовой части транспорта и пути.
  • Линейные асинхронные двигатели применяются для привода механизмов транспортировки грузов различных изделий. Такой конвейер имеет металлическую ленту, которая проходит внутри статоров линейного двигателя, являясь вторичным элементом. Применение линейного двигателя в этом случае позволяет снизить предварительное натяжение ленты и устранить её проскальзывание, повысить скорость и надёжность работы конвейера.
  • Линейный двигатель может применяться для машин ударного действия, например сваезабивных молотов, применяемых при дорожных работах и строительстве. Статор линейного двигателя располагается на стреле молота и может перемещаться по направляющим стрелы в вертикальном направлении с помощью лебёдки. Ударная часть молота является одновременно вторичным элементом двигателя. Для подъёма ударной части молота двигатель включается таким образом, чтобы бегущее поле было направлено вверх. При подходе ударной части к крайнему верхнему положению двигатель отключается и ударная часть опускается вниз на сваю под действием силы тяжести. В некоторых случаях двигатель не отключается, а реверсируется, что позволяет увеличить энергию удара. По мере заглубления сваи статор двигателя перемещается вниз с помощью лебёдки. Электрический молот прост в изготовлении, не требует повышенной точности изготовления деталей, нечувствителен к изменению температуры и может вступать в работу практически мгновенно.
  • Линейный двигатель показал высокие характеристики и на металлорежущем оборудовании. Так на шлифовальных станках 3В130Ф4 установлен именно линейный двигатель для изменения положения бабки шлифовальной. На электроэрозионных станках и станках лазерной резки, так же устанавливают линейные двигатели
  • Станки для набор электрических схем также требуют решений на линейных двигателях.
  • Разновидностью линейного двигателя можно считать магнитогидродинамический насос. Такие насосы применяются для перекачки электропроводящих жидкостей и в том числе жидких металлов, и широко применяются в металлургии для транспортировки, дозировки и перемешивания жидкого металла, а также на атомных электростанциях для перекачки жидкометаллического теплоносителя. Магнитогидродинамические насосы могут быть постоянного или переменного тока. Для насоса постоянного тока первичным элементом — статором двигателя постоянного тока — является С-образный электромагнит. В воздушный зазор электромагнита помещается трубопровод с жидким металлом. С помощью электродов, приваренных к стенкам трубопровода, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего источника. Часто обмотка возбуждения включается последовательно в цепь электродов. При возбуждении электромагнита на металл в зоне прохождения постоянного тока начинает действовать электромагнитная сила аналогично тому, как она действовала на проводник с током, помещённым в магнитное поле. Под действием этой силы металл начнёт перемещаться по трубопроводу. Преимуществами МГД-насосов являются отсутствие движущихся механических частей и возможность герметизации канала транспортировки металла. [2]
  • Вертикальные линейные двигатели используются для лифтов в высотных зданиях, что позволяет обойтись без затраты энергии на подъём троса кабины лифта.

Линейные двигатели высокого и низкого ускорения [ править | править код ]

Все линейные двигатели можно разделить на две категории:

  • двигатели низкого ускорения
  • двигатели высокого ускорения

Двигатели низкого ускорения используются в общественном транспорте (маглев, монорельс, метрополитен) как тяговые, а также в станках (лазерных, водорезных, сверлильно-фрезерных) и другом технологическом оборудовании в промышленности. Двигатели высокого ускорения весьма небольшие по длине, и обычно применяются, чтобы разогнать объект до высокой скорости, а затем выпустить его (см. пушка Гаусса). Они часто используются для исследований гиперскоростных столкновений, а также, гипотетически, могут использоваться в специальных устройствах, таких, как оружие или пусковые установки космических кораблей.

Линейные двигатели широко используются также в приводах подачи металлорежущих станков и в робототехнике. Для повышения точности позиционирования часто используются линейные датчики положения.

Научная электронная библиотека

Шигин А. О., Гилев А. В., Шигина А. А.,

3.4. Экспериментальные исследования характеристик линейного асинхронного двигателя, применительно к режимам работы механизма подачи вращательно-подающего органа бурового станка

Для исследования адаптивного механизма подачи рабочего органа бурового станка на основе линейного асинхронного двигателя для привода подачи рабочего органа бурового станка, разработан экспериментальный лабораторный образец электромагнитного механизма подачи бурового станка. Схема экспериментальной установки с трехфазным асинхронным линейным двигателем представлена на рис. 3.22.

Стенд состоит из стальной рамы 1 с роликовыми опорами 2, в которых подвижно закреплен массивный ротор 3 в виде стальной магнитной трубы. Статор 4 в виде цилиндрических обмоток расположен вокруг массивного ротора 3 с возможностью продольного перемещения последнего внутри статора. Катушки статора могут подключаться попеременно, как показано на рисунке по одной или несколько, на каждую фазу. Таким образом, стенд позволяет проанализировать режимы работы двигателя. Для этого он оснащен динамометром для измерения усилия подачи, а также приборами для измерения тока и напряжения в определенных фазах. Двигатель стенда не имеет магнитопровода для получения характеристик, зависящих от минимального числа факторов. Двигатель подключается к сети переменного трехфазного напряжения 380 В.

Данный привод является линейной электрической машиной и имеет в своей основе статорную обмотку, подключаемую к сети трехфазного переменного тока, напряжением 380 В. В качестве ротора используются стандартные трубы бурового става, состоящие из стали, обладающей ферромагнитными свойствами.

Рис. 3.22. Схема экспериментальной установки с трехфазным асинхронным линейным двигателем

Конструкция линейного трехфазного асинхронного двигателя (рис. 3.22 и 3.23) является простой и технологичной. Его изготовление возможно как в условиях отдельного предприятия по изготовлению электрических двигателей, так и в условиях специально оборудованного цеха. Для производственной базы необходимы станки для токарных работ, станки для намотки проволоки обмоток, печь для сушки и обжига обмоток и других элементов. Двигатель может также состоять из нескольких секций, в каждую из которых уложено по одной обмотке. В этом случае перегоревшая обмотка может быть извлечена из обоймы и заменена достаточно быстро.

Рис. 3.23. Общий вид экспериментальной установки с трехфазным асинхронным линейным двигателем

В результате лабораторных исследований были получены механические характеристики линейной асинхронной машины с массивным ротором (рис. 3.24)

Рис. 3.24. Механическая характеристика линейного трехфазного асинхронного двигателя с массивным ротором, при смешанном подключении
секций двигателя (Характеристика 1 получена при напряжении сети 380 В; характеристика 2 получена при напряжении сети 190 В)

Показанные на рис. 3.24 механические характеристики получены с использованием одной установки при подключении на разное напряжение сети. Таким образом, характеристику 1 имеет линейный двигатель с мощность 28 кВт, а характеристику 2 – двигатель с мощностью 13 кВт. В результате начальных испытаний выяснено, что для получения усилия подачи 200 и 300 кН в номинальном режиме двигатель с массивным ротором должен будет иметь ориентировочную мощность 50 и 75 кВт соответственно. При этом совершенствование конструкции ротора и применение регулирования частоты напряжения и скорости подачи позволит существенно снизить потребляемую мощность привода.

В результате проведенных испытаний выяснено, что при потребляемой мощности 6,35 кВт и нулевой скорости двигатель без ферромагнитного магнитопровода развивал усилие с учетом погрешности приборов 80–90 Н. Без нагрузки двигатель развивал линейную скорость 0,31 м/с. Наличие ферромагнитного магнитопровода, с учетом его магнитного насыщения, увеличивает эффективность электрического двигателя в несколько десятков раз.

Механическая характеристика асинхронного двигателя вращательного действия представлена на рис. 3.25.

Рис. 3.25. Механическая характеристика асинхронного двигателя вращательного действия

Асинхронная машина линейного действия имеет схожий вид механической характеристики. Отличие заключается в наличии краевых эффектов. Однако при условии применения в качестве массивного ротора трубы достаточно большой длины влияние краевого эффекта оказывает меньшее значение [57]. Активное r2 и индуктивное Xσ2 сопротивления массивного ротора ввиду сильно выраженного поверхностного эффекта значительно зависят от скольжения. Так, в случае f1 = 50 Гц при пуске (S = 1) эквивалентная глубина проникновения токов в роторе составляет только 3 мм, при S = 0,02 – около 20 мм, при S = 0,001 – около 100 мм [58]. Поэтому при пуске сопротивление r2 весьма велико и Xσ2 мало, а с уменьшением скольжения сопротивление r2 уменьшается, а Xσ2 – увеличивается.

В результате сильного проявления поверхностного эффекта пусковой момент двигателя с массивным ротором достаточно велик
Mп /Mн = 1,5–2 (рис. 3.26).

Однако двигатели малой мощности с массивными роторами при f1 = 50 Гц имеют низкие КПД и коэффициент мощности. Но с увеличением мощности растет также и КПД.

Массивный ротор имеет большое преимущество в прочности. В связи с этим асинхронные двигатели с массивным ротором вполне могут применяться в качестве привода подачи рабочего органа бурового станка.

Поскольку двигатель в лабораторном стенде не имеет ферромагнитного магнитопровода, необходимо рассчитать номинальное подающее усилие в случае наличия магнитопровода, изготовленного из электротехнической стали. А затем найти мощность двигателя, способного создавать подающее усилие до 200 или 300 кН в зависимости от модели бурового станка. Для этого необходимо рассчитать магнитное сопротивление цепи в случае с магнитопроводом и без него.

Рис. 3.26. Механическая характеристика асинхронного двигателя с массивным ротором

Схема магнитной цепи одной обмотки статора линейного асинхронного двигателя с массивным ротором без магнитопровода показана на разрезе тороидальной обмотки (рис. 3.27).

Рис. 3.27. Схема магнитной цепи одной обмотки статора линейного асинхронного двигателя с массивным ротором без магнитопровода:
1 – обмотка статора; 2 – массивный ротор в виде стальной трубы l1, l2, l3, l4 – участки магнитной цепи

Схема магнитной цепи обмотки статора с магнитопроводом показана на рис. 3.28.

Рис. 3.28. Схема магнитной цепи одной обмотки статора линейного асинхронного двигателя с массивным ротором с магнитопроводом.
Здесь 1 – обмотка статора; 2 – массивный ротор в виде стальной трубы l1m, l2m, l3m, l4m, l5m, l6m – участки магнитной цепи с магнитопроводом

Магнитное сопротивление участка цепи определяется из следующего выражения [22, 23]

Гн–1,

где Rm – магнитное сопротивление участка цепи, Гн–1; l – длина участка магнитной цепи, м; μ0 – магнитная постоянная, Гн/м; μr – магнитная проницаемость вещества участка магнитной цепи; S – площадь поперечного сечения участка магнитной цепи, м2.

Магнитное сопротивление цепи без магнитопровода определяется следующим образом

Длины участков магнитной цепи без магнитопровода (рис. 3.27): l1 = 0,02 м; l2 = 0,06 м; l3 = 0,02 м; l4 = 0,06 м. Магнитная проницаемость вещества участков магнитной цепи [57] μr1 = 1 (воздух); μr2 = 1 (воздух); μr3 = 1 (воздух); μr4 = 3500 (среднеуглеродистая сталь 45). Площади поперечного сечения участков магнитной цепи принимаем равными S. μ0 = 1,257∙10–6 Гн/м.

Магнитное сопротивление цепи с магнитопроводом из электротехнической стали определяется следующим образом

Длины участков магнитной цепи с магнитопроводом (рис. 3.28): l1m = 0,0005 м; l2m = 0,0195 м; l3m = 0,06 м; l4m = 0,0195 м; l5m = 0,0005 м; l6m = 0,06 м. Магнитная проницаемость вещества участков магнитной цепи [20] μr1m = 1 (воздух); μr2m = 7500 (электротехническая сталь); μr3m = 7500 (электротехническая сталь); μr4m = 7500 (электротехническая сталь); μr5m = 1 (воздух); μr6m = 3500 (среднеуглеродистая сталь 45). Площади поперечного сечения участков магнитной цепи принимаем равными S. μ0 = 1,257∙10–6 Гн/м.

Ориентировочное усилие, развиваемое двигателем, обмотки которого имеют магнитопровод, можно найти из соотношения:

При условии, что воздушный зазор 0,5 мм, при аналогичных размерах магнитопровода получим:

Таким образом, трехфазный асинхронный двигатель с массивным ротором, имеющий аналогичные размеры, оснащенный магнитопроводом будет развивать усилие в пределах 7766–8736,5 Н. Среднее значение усилия P1 = 8251 Н при потребляемой мощности 6,35 кВт.

Для получения усилия подачи 200 кН данный привод при минимальной рабочей скорости 15,5 см/с будет иметь ориентировочную мощность с учетом магнитных и электрических потерь 154 кВт. Однако скорость бурения в несколько раз меньше. При увеличении числа пар полюсов рабочая скорость кратно уменьшается, а мощность, необходимая для создания нужного усилия подачи кратно уменьшается.

Потребляемая мощность также может быть уменьшена:

1. Увеличением площади поперечного сечения и магнитной проницаемости магнитопровода.

2. Уменьшением магнитного сопротивления в воздушном зазоре.

3. Нанесением металлического слоя с высокой электрической проводимостью на поверхность массивного ротора.

4. Созданием пазов в теле массивного ротора.

В результате проведенных экспериментальных исследований разработан электромагнитный адаптивный механизм подачи рабочего органа бурового станка. Расчетно-экспериментальным путем были получены механические характеристики электромагнитных механизмов подачи для разных величин максимального усилия подачи различных скоростей бурения (рис. 3.29).

Рис. 3.29. Механические характеристики электромагнитных механизмов подачи с максимальным усилием подачи 200, 250, 300, 350, 400 кН
и различными скоростями бурения

Данные характеристики получены для линейных электродвигателей специальной конструкции, работающих от источника электроэнергии напряжением 660 В с коэффициентом запаса мощности 2,0, что позволяет без перегрева выдерживать колебания тока в обмотке статора. Кроме того, данные колебания тока сигнализируют без значительной задержки об изменениях физико-механических характеристик горной породы. Эти сигналы могут использоваться для определения количественных показателей, соответствующих определенным корректировкам усилия подачи, частоты вращения и производительности компрессора. Корректировки режимных параметров необходимы для поддержания производительности и прогнозируемого ресурса бурового инструмента в заданных пределах.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector