Стартовая >> Оборудование >> Эл. машины >> Волновые электродвигатели

Волновые электродвигатели

В электроприводах общепромышленного и специального назначения для снижения частоты вращения привода нашли применение волновые передачи (волновые редукторы), обладающие рядом ценных свойств. Основное из них заключается в обеспечении значительного передаточного отношения (до 100 на одну ступень) при относительно малых собственных массе и габаритах. Волновые передачи к тому же отличаются высокой кинематической точностью отработки перемещений, надежностью и долговечностью в работе. Волновой двигатель сочетает в себе специфические свойства волновой передачи и электрической машины, что достигнуто их конструктивным объединением.
Электропривод с волновыми механическими передачами строится по обычной схеме: двигатель — волновая передача. Основным достоинством волнового двигателя является низкая частота вращения его выходного вала при значительном вращающем моменте, что позволяет непосредственно соединять его с производственным механизмом. Масса и габариты привода при этом оказываются меньше, чем у привода той же мощности, выполненного по обычной схеме двигатель — редуктор. Двигатель обладает и хорошим быстродействием. Время его пуска при питании от сети 50 Гц составляет сотые доли секунды, а при отключении напряжения ротор двигателя останавливается примерно за то же время практически без выбега. Двигатель имеет также низкий уровень вибраций, чем выгодно отличается от рассмотренных выше двигателей с катящимся ротором.
Рассмотрим принцип действия волнового двигателя, обратившись для этого к рис. 1. Главная особенность конструкции двигателя состоит в наличии гибкого цилиндрического ротора 1, который может деформироваться в радиальном направлении. На внешней поверхности ротора крепится гибкий зубчатый венец 2. На статоре двигателя 3, который по своей конструкции принципиально не отличается от статоров обычных двигателей переменного тока, крепится жесткий зубчатый венец 4. Гибкий венец ротора и жесткий венец статора образуют обычную волновую передачу.
Принцип действия волнового двигателя
Рис. 1. Принцип действия волнового двигателя. а — схема конструкции; б — распределение индукции и силы магнитного притяжения вдоль окружности статора; е —схема двигателя при работе.
Подключим обмотки статора двигателя к сети переменного тока. Тогда в зазоре между статором и ротором появится, как обычно, вращающееся магнитное поле. Предположим, что это магнитное поле имеет два полюса (число пар полюсов обмотки статора р = 1) и магнитная индукция поля В2 в зазоре двигателя распределяется по синусоидальному закону, показанному сплошной линией на рис. 1,6. Тогда на ферромагнитный ротор, как это мы уже установили, рассматривая двигатель с катящимся ротором, будет действовать сила магнитного притяжения FK-a, ось которой совпадает с положением максимума магнитной индукции. Значение этой силы пропорционально квадрату магнитной индукции, и график ее изобразится пунктирной кривой на рис. 1,6. В результате действия этой силы ротор деформируется (рис. 1,в) и его зубчатый венец входит в зацепление с зубчатым венцом статора в двух диаметрально противоположных точках окружности статора (в отличие от двигателя с катящимся ротором, где точка касания статора и ротора была одна). При вращении поля статора синхронно вращается и волна деформации ротора, в результате чего зубчатый ненец ротора обкатывает зубчатый ненец статора.
Реактивный волновой двигатель
Рис. 2. Реактивный волновой двигатель с радиально-осевым магнитным штоком.
Обычно ненцы статора и ротора делают с различным числом зубцов Zc и Zp, поэтому при обкатывании ротор совершает еще и медленное вращение вокруг своей оси, которое аналогично медленному вращению ротора двигателя с катящимся ротором. Это вращение ротора вокруг своей оси и является главным выходным движением волнового двигателя, и частота пр определяется по формуле

(1)
Снижая разниму между количеством зубцов статорного и роторного венцов, получают весьма низкие частоты вращения выходного вала волнового двигателя.
По своим характеристикам рассмотренный волновой двигатель является синхронным реактивным двигателем. Действительно, ось деформации гибкого ротора вращается синхронно с осью магнитного поля и частота вращения вала двигателя постоянна и находится в фиксированном соотношении (1) с частотой вращения поля статора. Деформированный ротор при этом, как нетрудно заметить, занимает положение, при котором магнитное сопротивление магнитному потоку минимально. Поэтому при появлении рассогласования (несовпадении) оси поля статора и оси деформации ротора, которое наступает, например, при нагружении двигателя внешним моментом сопротивления, ротор двигателя начинает развивать синхронизирующий момент, как у обычного синхронного реактивного двигателя. Этот момент уравновешивает приложенный внешний момент нагрузки, и двигатель продолжает вращаться со скоростью пр при наличии некоторого пространственного углового сдвига между осями ротора и поля статора.
Волновые двигатели могут быть также и индукторными, повторяя обычные синхронные индукторные двигатели.
Заметим, что магнитное поле двигателя выполняет по существу роль электромагнитного генератора механических волн деформации, необходимого для работы обычной волновой передачи, причем в реактивном двигателе число волн деформации равно числу полюсов магнитного поля.
Рассмотрим некоторые практические конструкции волновых двигателей.
На рис. 2 показана упрощенная схема конструкции волнового двигателя реактивного типа с радиально-осевым замыканием магнитного потока.
Ротор 1 двигателя представляет собой гибкий тонкостенный металлический или пластмассовый стакан, укрепленный на валу 2 двигателя. На внешней поверхности ротора находится гибкий венец 3 волновой передачи. Вдоль внутренней поверхности ротора располагаются подвижные относительно друг друга ферромагнитные секторы 4, которые под действием силы магнитного притяжения могут перемещаться в радиальном направлении и деформировать гибкий ротор. К ротору они прижимаются центрирующими эластичными кольцами 5.
Магнитная система статора двигателя образована П-образными ферромагнитными сердечниками 6, на которых располагаются двух- или трехфазные обмотки переменного тока 7, создающие вращающееся магнитное поле. На статоре крепится неподвижный венец 8 волновой передачи.
Статор и ротор располагаются в корпусе 9 двигателя.
При подаче напряжения переменного тока на обмотки 7 двигателя сила магнитного притяжения действует на ферромагнитные секторы 4\ последние, притягиваясь к статору, деформируют ротор, который и приобретает форму, показанную на рис. 1 ,в.
На рис. 3 показана еще одна конструктивная схема волнового двигателя с радиальным замыканием магнитного потока.
Статор двигателя, размещенный в корпусе 1, имеет обычную для двигателей переменного тока конструкцию. Сердечник 2 статора набран из листов электротехнической стали, и в его пазы уложена двух- или трехфазная обмотка переменного тока 3, создающая вращающееся магнитное поле. На статоре крепится жесткий зубчатый венец 4 волновой передачи.
Гибкий ротор 5 имеет обычную для волнового двигателя конструкцию, и на его поверхности закреплен гибкий венец 6 волновой передачи.
Внутри ротора располагается упругое ферромагнитное кольцо 7, которое деформирует ротор под действием сил магнитного притяжения и одновременно является магнитопроводом. Кольцо 7 навивается из ленты ферромагнитного материала, например пермаллоя. Рассмотренная конструкция соответствует реактивному волновому двигателю.
По конструктивным схемам, приведенным на рис. 2 и 3, может быть выполнен и индукторный волновой двигатель, который имеет лучшие энергетические показатели работы и развивает больший момент, чем реактивный волновой двигатель. Для индукторного двигателя характерно наличие на сердечнике статора помимо обмотки переменного тока еще и обмотки постоянного тока, с помощью которой в двигателях создается неизменный по направлению магнитный поток. Суммируясь, магнитные потоки обмоток переменного тока с индукцией Вс и обмотки постоянного тока с индукцией В„ образуют результирующее магнитное поле с индукцией Въ, распределение которой вдоль воздушного зазора для числа пар полюсов р= 1 показано сплошной линией на рис. 4,а и для р—2 на рис. 4,6. На этих же рисунках пунктиром показан график силы магнитного притяжения FM.u. Из рис. 4 видно, что в отличие от реактивного волнового двигателя ротор индукторного двигателя имеет число волн деформации, равное числу пар полюсов р. Необходимо при этом отметить, что промежуточная волна силы магнитного притяжения недостаточна по амплитуде для осуществления зацепления.
Волновой двигатель с радиальным магнитным потоком
Рис. 3. Волновой двигатель с радиальным магнитным потоком.
Для получения симметричной деформации ротора стремятся иметь p> 2 (рис. 4,6), что снижает уровень вибрации волнового двигателя.
Отметим в заключение, что широкое применение волновых двигателей ограничивается сложностью конструкции и технологии изготовления эластичного ротора. Нецелесообразным пока из-за сравнительно невысоких
Распределение индукции и силы магнитного притяжения индукторного волнового двигателя
Рис. 4. Распределение индукции и силы магнитного притяжения индукторного волнового двигателя. а — при р— 1; б—при р= 2.
энергетических показателей является выпуск волновых двигателей на средние и большие мощности.

 
« Возникающие в электрических машинах шумы   Восстановление изношенных поверхностей »
электрические сети