![](/user_photo/_userpic.png)
3178
.pdf![](/html/65386/27/html_zDHn7zVEfi.k03f/htmlconvd-m8kmUQ1x1.jpg)
А. М. Литвиненко
ОРБИТАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Учебное пособие
Воронеж 2001
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Воронежский государственный технический университет
А.М. Литвиненко
ОРБИТАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Учебное пособие
Воронеж 2001
![](/html/65386/27/html_zDHn7zVEfi.k03f/htmlconvd-m8kmUQ3x1.jpg)
УДК 658.52.011.56.012.3.05
Литвиненко А. М. Орбитальные электромеханические системы: Учеб. по-
собие / А. М. Литвиненко: Изд-во ВГТУ, 2001, 93 с.
В учебном пособии рассмотрены особенности орбитальных систем и раз-
новидности орбитальных приводов, а также выбор оптимальных роторов орби-
тальных электромеханических систем.
Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 210100 «Управление и информатика в ТС» и 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».
Учебное пособие подготовлено на магнитном носителе в текстовом ре-
дакторе MS WORD 97 и содержится в файле ―Orbit.rar‖
Табл. 1. Илл. 50. Библиография: 23 назв.
Научный редактор: д-р техн. наук В.Л.Бурковский
Рецензенты:
НИИ Механотроника-Альфа (ген. Директор к.т.н. Э.Г.Кузнецов)
д-р техн. наук Ю. С. Сербулов
Издается по разрешению редакционно-издательского совета Воронежско-
го государственного технического университета
Литвиненко А. М., 2001
Оформление. Издательство Воронежского государственного технического университета, 2001
ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы. Одной из тенденций развития современной
электромеханики является повышенный интерес к многоэлементным, много-
функциональным электромеханическим системам, переход от однокоорди-
натного к многокоординатному электроприводу. Преимуществом многодви-
гательного привода является увеличение числа валопроводов, что уменьшает момент и нагрузки в передачах, облегчается задача унификации, уменьшает-
ся суммарный момент инерции. Многокоординатный электропривод позво-
ляет эффективно решать многие технологические задачи. Основные особен-
ности многодвигательных электромеханических систем приведены в работах М.Г. Чиликина, В.И. Ключева, А.С. Сандлера.
Интересным направлением развития электромеханических систем яв-
ляются машины с "внутренними" дополнительными координатами, напри-
мер, машины двойного движения, которые позволяют преодолеть фундамен-
тальный недостаток любого низкоскоростного безредукторного электропри-
вода - малую эффективность взаимодействия контуров тока и потока при невысокой скорости изменения токосцепления. При этом делались много-
численные попытки электрофицировать механизмы типа винт-гайка или червяк-червячное колесо, а также синтезировать даже машины тройного движения, когда используются все три пространственные координаты для перемещения ротора и статора относительно внешнего магнитопровода. По-
добные системы используются также в качестве преобразователей движе-
ния, большое число их конструктивных разновидностей описано в работах Д.В. Свечарника.
Некоторое распространение получили так называемые многороторные машины. Следует заметить, что существуют две существенно различных раз-
новидности многороторных машин. Первая, наиболее распространенная разновидность - это машины с концентрическим расположением роторов.
Наиболее широко известная конструктивная схема обычно применяется при
4
использовании асинхронного двигателя в качестве исполнительного. При этом один ротор является рабочим, а второй вращает вентилятор, который обдувает рабочий ротор и статор, способствует улучшению теплоотдачи особенно в пусковых режимах, когда частота вращения недостаточна для удовлетворения работы вентилятора, если бы он был укреплен на валу ос-
новного ротора. Обычно с вентилятором соединен внутренний ротор с об-
моткой типа "беличья клетка" . Интенсивное охлаждение позволяет повы-
сить мощность двигателя, улучшить его быстродействие. Такие исполни-
тельные двигатели для систем автоматики описаны в работах Е.М. Лопухина,
Ю.С. Чечета.
Вторая разновидность многороторных машин - это машины с орби-
тальным расположением роторов. Базой одной из реализации данного на-
правления являются многороторные электромеханические системы, имею-
щие общую(внешнюю) магнитную систему (ВМС). Изучение таких уст-
ройств до последнего времени практически не велось, поскольку оставалась неизвестной область их широкого практического использования и вообще технико-экономическая целесообразность.
Тем не менее известны, в основном на уровне изобретений, некоторые разработки в данном направлении. Это касается, в первую очередь, привода разного рода многовальных механизмов в текстильном и трикотажном про-
изводствах, привода шпинделя хлопкоуборочной машины и привода часо-
вых механизмов. Из общетехнических же устройств можно выделить лишь асинхронный двигатель по а.с. СССР N 40447 /С.П. Розанов, опубл. 31.12.1934 г. заявлен 30.11.33 г., заявка N 138320, ротор двигателя выполнен в виде ряда прижимаемых пружинами к поверхности расточки статора роли-
ков из магнитного материала, установленных своими валами в подшипниках торцевых дисков, сидящих на рабочем валу двигателя. А также планетарное устройство по а.с. НРБ N18557 / JI.Г. Попенков, Б. А. Йонычев и И.Н. Ва-
сильев, опубл. 25.02.75, заявлено 16.03.72, заявка N 19995, где описывается
5
неподвижный индуктор с расположенными около него (внутри или сна-
ружи) цилиндрическими телами - сателлитами, закрепленными на водиле.
Общей оценкой подобных устройств, приводимой в технической литературе,
является их низкий коэффициент мощности и использования веса из-за нали-
чия увеличенных воздушных зазоров в магнитной цепи. Это и предопредели-
ло практическое нераспространение данных электромеханических систем.
Рассматривая многороторные орбитальные машины, невозможно не упомянуть двигатели с катящимся ротором и гибким ротором. Развитию тео-
рии и внедрения в производство двигателей с гибким ротором (волновых) во многом способствовали работы А.И. Москвитина, А.И. Бертинова, В.П. На-
ния, С.Н. Алексеева-Мохова и В.В. Варлея. Практически если для любой многороторной машины рассмотреть случай использования только одного ротора с фрикционной передачей и с увеличенным диаметром этого ротора,
при которой воздействуют силы одностороннего магнитного притяжения, то в результате такого преобразования получим двигатель с катящимся рото-
ром. Положительные качества таких двигателей – увеличенная редукция, хо-
рошее быстродействие, малое время торможения, небольшая кратность пускового тока, отсутствие высокоскоростных подшипников обусловили их определенное распространение в тихоходном электроприводе, причем в торцевом варианте, а также с корпусными поверхностями качения. Однако,
такие их недостатки, как сложность конструкции, вызванная наличием кине-
матического звена между ротором и выходным валом, вибрации, шумы, не-
стабильная работа в условиях ударов и тряски, сравнительно небольшой срок службы из-за износа поверхностей катков, препятствуют их широкому рас-
пространению.
В работах И.П. Копылова при рассмотрении электромеханических преобразователей с различными модификациями роторов, рассмотрены электромеханические системы с несколькими роторами в расточке статора.
Указывается, что при математическом описании таких систем следует учи- 6
тывать совместное влияние роторов друг на друга и связь с полем статора.
Также отмечается, что практические применения многороторных элект-
ромеханических преобразователей пока неизвестны, но их возможности следует изучать.
Таким образом, основная проблема, связанная с многороторными ма-
шинами, состоит в том, что возможная значительная экономия матери-
альных ресурсов, связанная с широким использованием апробированных уз-
лов (статоров, роторов) серийных машин, не может быть реализована из-
за отсутствия общей конкуренции применения многороторных орбитальных электромеханических систем, их областей широкого внедрения и четко очер-
ченных технико-экономических преимуществ.
Между тем, бурное развитие промышленной робототехники, совер-
шенствование исполнительных двигателей, сделало возможным и целесооб-
разным расширение применения орбитальных электромеханических систем – многороторных электромеханических преобразователей с ВМС. Особенно эффективно их использование в промышленных роботах, работающих в цилиндрической системе координат, а также в двухскоростном электропри-
воде. И в первом и во втором случае достигается улучшение массо-
габаритных показателей, уменьшение момента инерции подвижной части манипулятора промышленного робота (ПР), увеличение грузоподъемности и быстродействия, повышение производительности.
При этом простая перекомпоновка штатного электропривода в орби-
тальный может привести и к неоднозначным последствиям, проявляющимся,
например, в эффекте "переноса массы" с движущегося основания на непод-
вижное, что несмотря на улучшение динамических характеристик, приводит к увеличению общей массы.
Чтобы максимально уменьшить подобные негативные последствия, а
также максимально учесть особенности многорежимного функционирова-
ния роторов, особенности их теплофизического состояния в кольцевом кана-
7
ле ВМС, необходимо тщательно проанализировать основные физические процессы в данных системах для того, чтобы синтезировать основные зави-
симости и отношения для последующего оптимального проектирования.
Следует отметить также, что возможное многорежимное функциони-
рование роторов, например, в двухскоростном приводе, а именно, с собс-
твенным вращением роторов (пониженная скорость) и с вращением "состав-
ного" ротора (повышенная скорость), предложено автором и не исследо-
валось до настоящего времени.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка кон-
цепций орбитальных электромеханических систем и электроприводов на их основе с разработкой теории и с последующим выходом на инженерные ме-
тоды расчета.
В рамках данной цели можно указать следующие конкретные задачи исследования:
1. Изучить особенности орбитальных систем с учетом увеличения чис-
ла регулируемых координат и независимых параметров, обратив особое внимание на характер изменения линейной нагрузки и индукции в зазоре для различных исполнений роторов и ВМС.
2.Дать рекомендации по применению конкретных конструктивных схем при использовании имеющихся манипуляторов и роторов, а также для многоскоростного привода и привода орбитальных роторных вентиляторов.
3.Разработать основные положения учета специфики магнитных це-
пей.
4. Проанализировать основные механические режимы работы орби-
тальных систем.
5. Оценить основные теплофизические соотношения и разработать на их основе основные положения теплового и вентиляционного расчетов с учетом двойного / собственного и орбитального / движения роторов, а также возможности интенсификации теплообмена.
8
6. Привести основные технико-экономические сравнения показателей приводов на основе двигателей обычного исполнения с одной стороны, и ор-
битальных электромеханических систем с другой. 7. Обобщить полученные результаты.
1. ОРБИТАЛЬНЫЙ ПРИВОД РОБОТОВ Совершенствование электрических приводов промышленных робо-
тов (ПР) неразрывно связано с улучшением их массо-габаритных показате-
лей. Это подразумевает, с одной стороны, уменьшение собственно массы и объема электропривода, что приводит к возможности увеличения массы пе-
реносимого груза, быстродействия, производительности роботов и техноло-
гических комплексов на их основе, а с другой стороны - увеличения удельных массо-габаритных показателей усилия, момента, мощности и т.п.
на единицу массы или объема. От этих показателей, а точнее от их уве-
личения, зависит уменьшение наибольшей (первой) постоянной времени следящей позиционной системы привода робота. Уменьшение постоянной времени повышает сопрягающую частоту и следовательно, частоту среза.
Это увеличивает при правильном выборе корректирующих устройств запас устойчивости, а также добротность следящей системы - основную динами-
ческую характеристику привода.
Кроме того, уменьшение постоянной времени приводит к увеличению ускорения, а, следовательно, и приемистости по скорости - основной момент
- энергической характеристики привода. Это является следствием уменьше-
ния движущихся масс, и, следовательно, механической инерционности сис-
темы "двигатель - объект управления". В частности, при вращательном дви-
жении, уменьшается момент инерции. При этом также увеличивается произ-
водительность робототехнических комплексов.
9
Существует несколько путей решения данной проблемы.
1. Применение в роботостроении более качественных материалов,
обеспечивающих функционирование привода при меньших массе или объе-
ме.
Примером может служить применение самарий-кобальтовых постоян-
ных магнитов в двигателях постоянного тока. Эти магниты обладают увели-
ченной магнитной энергией. Однако этот путь приводит к существенному
увеличению первоначальной стоимости привода.
2. Увеличение интенсивности энергетических процессов в приводе,
в частности, повышение плотности тока. Однозначно повышается и тепло-
вые нагрузки, что ведет к необходимости установки систем охлаждения,
температурного контроля и регулирования. При этом увеличиваются экс-
плуатационные расходы, связанные с повышенным износом и старением,
уменьшается срок службы привода.
3. Существует также третий путь улучшения массо-габаритных пока-
зателей. Он связан с тщательным весовым анализом, нахождением совер-
шенных конструктивных решений, обеспечивающих заданные требования.
Одним из способов его реализации является применение внешних, не свя-
занных конструктивно с подвижными частями робота магнитных систем. В
зазоре магнитных систем размещаются при позиционировании активные элементы привода. Таким образом, элемент с наибольшей массой - магнит-
ная система - не входит в состав подвижной части привода, а располагается отдельно. Это существенно уменьшает массу и габариты привода. При этом уменьшается и стоимость за счет того, что источники поля магнитных систем могут выполняться не из редкоземельных металлов, а в виде обычных элек-
тромагнитов.
Естественно, при таком исполнении привода, к робото-техническому комплексу предъявляется ряд специфических требований:
Во-первых, ограничивается число точек позиционирования. На рабо-
10