Современный автоматизированный электропривод представляет собой сложную электромеханическую систему, содержащую различные по своей природе и назначению элементы: электрические машины, преобразователи электрической энергии, усилители, коммутационные аппараты и различные механические устройства.
Основным элементом электропривода является электрический двигатель, поэтому основные его свойства — надежность и срок службы, энергетические показатели, удобство управления, быстродействие и т. д. — во многом характеризуют электропривод в целом.
В настоящем разделе рассмотрены некоторые специальные двигатели, используемые в промышленности, транспорте и сельском хозяйстве. Применение таких двигателей позволяет создавать совершенные системы электропривода, наиболее полно удовлетворяющие условиям работы производственных механизмов, обеспечивающие интенсивное и качественное выполнение технологических операций и, как следствие этого, повышение производительности труда и качества выпускаемой продукции.
Развитие и совершенствование электрических двигателей идут по нескольким взаимосвязанным направлениям.
Одно из них состоит в разработке и применении новых, более качественных материалов, используемых при изготовлении двигателей. Новые виды изоляции обмоток двигателей позволяют повысить его рабочую температуру до 160°С и выше, что улучшает использование двигателя. Применение сплавов с улучшенными магнитными свойствами снижает расход металла и тем самым массу и габариты двигателя. Использование новых материалов, в частности пластмасс, повышает надежность и срок службы некоторых вспомогательных узлов и деталей двигателя.
Другое направление развития двигателей связано с совершенствованием конструкции и узлов известных «традиционных» видов электродвигателей, широко выпускаемых нашей электропромышленностью. Это связано с развитием научных методов расчета и конструирования двигателя в целом и отдельных его узлов па базе применения новых материалов и прогрессивной технологии.
И, наконец, относительно новое направление связано с созданием и выпуском электродвигателей, конструкция которых отличается от традиционной. Такие двигатели приобретают определенные специфические свойства и характеристики, делающие их применение особенно эффективным для механизмов и устройств, где такие свойства приводных двигателей весьма желательны. Иными словами, такие двигатели — условно назовем их специальными — наилучшим образом способны обеспечить специфические режимы работы этих механизмов и устройств, а конкретнее, специфическое движение их рабочих органов.
Какие же характерные виды движения рабочих органов, требующих применения специальных типов двигателей, могут иметь место на практике?
Очень часто от рабочих органов механизмов и устройств требуются быстрое изменение величины и направления скорости их движения или их быстрый разгон и останов. К таким механизмам и устройствам относятся металлорежущие станки копировальные и с программным управлением, различные системы автоматического регулирования, прокатные станы и т. д. Для обеспечения такого движения двигатель должен иметь минимально возможную механическую и электромагнитную инерцию и развивать значительный вращающий момент. Результатом разработок двигателей, отличающихся такими свойствами, стало появление двигателей с малоинерционными роторами (полыми цилиндрическими или дисковыми), с гладким якорем и с удлиненным ротором малого диаметра.
Повсеместным в практике электропривода является переход на использование в первую очередь бесконтактных элементов и устройств. Эта тенденция характерна и для развития электрических машин и выразилась, в частности, в появлении так называемых бесконтактных двигателей постоянного тока.
В некоторых механических устройствах, например механизмах подач металлорежущих станков, лентопротяжных механизмах киносъемочной и звуковой аппаратуры, нажимных устройствах валков прокатных станов и некоторых других, их рабочие органы при выполнении технологических операций должны совершать дискретные, шаговые перемещения. В принципе такое движение можно получить с помощью обычных двигателей и специальных схем управления ими, однако целесообразнее использовать так называемые шаговые электродвигатели, которые по принципу действия более просто и с лучшими показателями обеспечат такое движение.
В подавляющем большинстве систем электрического привода для согласования движения двигателя и производственного механизма применяются различные механические устройства (редукторы). Обычно они используются для снижения (редуцирования) частоты вращения вала двигателя, а в некоторых случаях и для преобразования вращательного движения двигателя в поступательное движение рабочего органа производственного механизма.
Очевидно, что весьма перспективным является создание такого двигателя, который имел бы небольшую собственную частоту вращения и мог бы непосредственно (без механической передачи) сочленяться с производственным механизмом. Результатом разработок в этом направлении явилось создание тихоходных редукторных двигателей, двигателей с катящимся ротором и волновых двигателей. Эти двигатели обеспечивают низкую частоту вращения выходного вала электропривода без применения редуктора или с использованием только небольших легких редукторов.
Для производственных механизмов с поступательным движением рабочего органа разработаны так называемые линейные электродвигатели с прямолинейным движением ротора, применение которых оказывается наиболее эффективным и перспективным в подъемно-транспортных механизмах и машинах.
Для повышения производительности многих механизмов важно обеспечить быстрое их торможение (останов) после завершения ими определенных технологических операций.
В электроприводе рабочих машин помимо описанных выше двигателей специального назначения находят применение и некоторые другие виды. Рассмотрим коротко их основные свойства и характеристики.
Высокомоментные двигатели постоянного тока способны развивать на валу значительные моменты как при вращении якоря, так и при его неподвижном состоянии, причем момент при неподвижном якоре может даже превышать момент при вращении двигателя. Тем самым использование таких двигателей позволяет зачастую исключить механическую передачу от двигателя к исполнительному органу и обеспечить регулирование скорости его движения в самых широких пределах. Кроме того, высокомоментные двигатели допускают значительную (до 10 крат) кратковременную перегрузку по моменту, что позволяет обеспечить высокое быстродействие исполнительного органа рабочей машины. Обычно возбуждение высокомоментных двигателей осуществляется от высокоэнергетических постоянных магнитов, а их охлаждение бывает естественным или независимым. В основном двигатели этого типа предназначены для привода металлорежущих станков, в том числе с числовым программным управлением. Отечественная электротехническая промышленность выпускает высокомоментные двигатели серии ПВ с вращающими моментами от 7 до 175 Н-м.
Гистерезисный двигатель является синхронным двигателем, ротор которого представляет собой массивный цилиндр без обмотки, выполненный из магнитотвердого материала. Вращающий момент такого двигателя складывается из двух составляющих — момента, создаваемого взаимодействием вращающегося магнитного поля двигателя с вихревыми токами ротора, и момента, создаваемого за счет явления гистерезиса при перемагничивании материала ротора (гистерезисный момент).
Достоинствами гистерезисного двигателя является простота конструкции, надежность в работе, отсутствие приспособлений для пуска. Двигатели этого типа выпускаются на мощности до 200 Вт и имеют довольно высокий КПД-—до 80%. Они применяются в приводах приборного типа, радиолах, электропроигрывателях, гироскопических устройствах. В последнем случае, когда требуются высокие (до 30 000 об/мин) частоты вращения, гистерезисные двигатели обычно выполняются по обращенной конструкции, при которой ротор охватывает неподвижный статор.
Однокоординатный линейный шаговый двигатель обычно имеет цилиндрический якорь и индуктор и по виду основных деталей мало отличается от вращающихся шаговых двигателей (ШД) индукторного типа. Двигатели этого типа серии ДШЛ имеют единичный шаг 1,25-10-3 м, частоту приемистости до 350 Гц и обеспечивают максимальное усилие до 300 Н при ходе до 40- 10-3 м.
Подобные двигатели предназначены для привода насосов, вытеснителей, дозаторов поступательного действия и особенно выгодны в устройствах, где требуется гибкое регулирование хода и скорости перемещения поршня. Дополнительное преимущество они приобретают в устройствах, где перемещение рабочего органа происходит в необычных условиях (жидкая среда, газ под высоким или низким давлением, агрессивная среда и др.) и где выгодно двигатель помещать непосредственно в эти условия, избегая необходимости герметизировать место установки привода.
На базе цилиндрических Линейных ШД созданы двухкоординатные линейно-поворотные двигатели, суммирующие на общем валу два независимых движения — поворотное и поступательное. Линейно-поворотное ШД типа ДШЛ-8 и ДШЛ-9 обеспечивают шаг поворота в 1 град и шаг поступательного перемещения от 0,011 до 1,25- 10-3 м, перемещения до 50- 10-3 м, моменты до 0,16 Н-м и усилия до 36 Н. Двигатели такого рода предназначены для манипуляторов и роботов, привода инструмента в станках, например в станках для автоматической притирки клапанов автомобильных двигателей.
Наиболее распространенными многокоординатными ШД являются двухкоординатные ШД, осуществляющие перемещения в плоскости по координатам X и У, а также сочетания этих ШД с ранее описанными линейно-поворотными двигателями (Z, ф-ШД). Характеристики одного из таких четырехкоординатных следующие: ход по координатам X и У —0,6 м, Z — 0,015 м; шаг соответственно 10 и 5 мкм, максимальное усилие до 80 Н. Двигатели такого рода, отличаясь высокой точностью и скоростью позиционирования, используются в приводах манипуляторов и в автоматических системах технологических линий. Многокоординатные опоры их выполняются, как правило, аэростатическими.
В стадии разработки находятся сферические ШД, обеспечивающие движение исполнительного органа в сферической системе координат.
Новые возможности в области электропривода малой мощности открываются с появлением так называемых пьезоэлектрических двигателей, в которых преобразование электрической энергии в механическую осуществляется за счет пьезоэлектрического или пьезо- магнитного эффекта, наблюдаемого в сегнетоэлекгрических или ферромагнитных материалах. Достоинства таких двигателей заключаются в отсутствии обмоток и простоте технологии изготовления, высоком КПД, широком диапазоне регулирования скорости и момента. В настоящее время планируется серийный выпуск пьезопривода для электропроигрывающего устройства и ведущего узла видеомагнитофона.
