Содержание к диссертации
Введение
1, Конструкции самотормозящихся линейных электродотателей 18
1.1. Требования, предъявляемые к самотормозящимся линейным электродвигателям и постановка задач исследования 18
1.2. Анализ конструктивных схем самотормозящихся линейных электродвигателей 26
1.3. Конструкция самотормозящегося линейного асинхронного двигателя 62
1.4. Выводы 74
2, Анализ электромагнитных процессов в самотормозящемся линейном асинхронном двигатеяе .77
2.1, Выбор метода расчета СЛАД, Расчетная модель . 78
2.2, Модификация метода аналоговых схем для расчета электромагнитных процессов в СЛАД 87
2.3, Аналоговая цепная схема многослойной системы,,, 96
2.4, Электромагнитные силы 115
2.5, Схема замещения 128
3, Параметры и характеристики самотормозящегося линейного асинхронного двигателя 134
3.1. Ограничение области применения модели СЛАД . 134
3.2, Анализ электромагнитных сил СЛАД 140
3.3, Параметры электрической схемы замещения 166
3.4. Выводы 180
4, Эксперименташьное исследование и вопросы расчета 181
4.1, Описание экспериментального оборудования 181
4.2, Экспериментальное определение силовых характеристик СЛАД 185
4.3, Особенности расчета самотормозящегося линейного асинхронного двигателя 193
4.4, Выводы 208
Заключение 209
Список литературы 212
Приложение I
- Анализ конструктивных схем самотормозящихся линейных электродвигателей
- Модификация метода аналоговых схем для расчета электромагнитных процессов в СЛАД
- Анализ электромагнитных сил СЛАД
- Экспериментальное определение силовых характеристик СЛАД
Введение к работе
Повышение эффективности общественного производства, улучшение качества продукции при соблюдении режима экономии, рост производительности труда при сокращении численности обслужи -веющего персонала - все это неразрывно связано с качественным развитием систем автоматизированного электрического привода. Совершенствование электропривода является одним из необходи -мыХ условий решения поставленных КПСС задач по автоматизации производства, обеспечению широчайшего применения компьютеров и роботов, внедрению гибкой технологии, позволяющей быстро и эффективно перестраивать производство на изготовление новой продукции /B.I/,
Одно из основных научно-поисковых направлений по разра -ботке более совершенных элементов привода - создание новых электрических машин линейного перемещения /В,2/. Актуальность данного направления обусловлена тем, что решение широкого круга задач, стоящих перед электроприводом, "обычными средствами -электроприводами с вращающимися электрическими машинами и необходимыми кинематическими цепями - часто приводит к неоправданно сложным и громоздким конструкциям оборудования и в результате тормозит развитие и совершенствование ответственных технологи -ческих процессов" /В.З/. К числу подобных задач относится осуществление поступательного перемещения рабочего органа привода, где альтернативным средством реализации перемещения служит линейный электродвигатель /В,4/.
Отсутствие преобразователя вида движения позволяет приводу с линейными электродвигателями успешно конкурировать с другими типами приводов в целом ряде областей техники (устройства автоматики, приборостроение, различные технологические установ-
^» \J ^K
ки, робототехника, медтехника и др.) /В.5/,
К настоящему времени имеются глубокие теоретические и практические проработки в области конструирования и исследования процессов в различных типах линейных электродвигателей. В некоторых случаях внимание разработчиков привлекают линейные двигатели постоянного тока или синхронные линейные двигатели (как правило, с преобразователем частоты - зависимым или независимым) /В,4/, Выбор таких двигателей обуславливается необходимостью обеспечения широкого диапазона регулирования, устойчивой работы на низких скоростях и использования существу^ силовых и управляющих устройств привода постоянного тока. И все же преимущественное развитие получили асинхронные линейные двигатели, простота конструкции которых обеспечивает сравнительно меньший вес и стоимость исполнительного элемента, позволяет использовать при изготовлении менее сложную технологию и недифи-цитные материалы.
Большую работу по исследованию и внедрению в народное хозяйство линейных асинхронных двигателей проводят ОКБ Линейных двигателей (Киев), Уральский и Пермский политехнические институты, Московский автодорожный институт. Московский институт инженеров железнодорожного транспорта, ВНИЙПИТранспрогресс, Новосибирский электротехнический институт и ряд других организаций, Простота и надежность асинхронных машин, возможность использования в качестве вторичного элемента электропроводящих конструктивных частей (например, рельсов или труб /В,б,В,7/), исключение контактного токоподвода ко вторичному элементу - все это при отсутствии высоких требований к регулировочным свойствам привода предопределяет целесообразность применения линейных двигателей этого типа. В тех случаях, когда не требуется высокая точность промежуточного позиционирования или поддержания скорости
І «»
(высокоскоростной наземный транспорт, ткацкие станки, внутрицеховой транспорт и транспортеры, крановое оборудование, приводы толкателей, заслонок, дверей и т.д.) линейные асинхронные двигатели получили наибольшее распространение.
Возможность получения достаточно точной повторяемости в приводе с линейным асинхронным двигателем при позиционировании механическим путем (по упорам, с помощью дополнительного электромеханизма и т.д.) открывает перспективу создания транспортных устройств, работающих в условиях гибкого автоматического производства, включающего промышленные работы,
Робототехника - бурно прогрессирующая область технической деятельности - позволяет избавиться от таких недостатков традиционной автоматизации на базе специальных средств, как длительный срок и высокая стоимость освоения новой продукции, ограниченные возможности для автоматизации операций, требующих гибкости в процессе выполнения, быстрое моральное старение /В.8/,
Отчетливой тенденцией последних лет является рост доли электромеханических промышленных роботов (ПРГ/В.8-В,12/, что объясняется известными преимуществами электропривода по сравнению с другими типами приводов /В.13/. Ввиду указанных выше причин для привода звеньев линейного перемещения ПР целесообразно применение линейных электродвигателей. Сокращение кинематической цепи, являющееся следствием применения линейного электродвигателя, позволяет избавиться от ограничений, накладываемых на систему преобразователем вида движения, и неточностей, характерных для последнего, в частности, люфтов. Устранение люфтов в ПР является важной задачей, о чем, например, говорит такой факт, как снабжение электромеханического робота ПР-25 специальной пневмостанцией, одной из функций которой является выбор кинематического зазора в редукторе /В,12/,
mm \J «a
Робототехнологический комплекс (PTK) представляет собой сложную систему, содержащую несколько единиц технологического оборудования, обслуживаемого промышленными роботами, и ряд вспомогательных механизмов, решающих транспортные задачи и задачи диспетчеризации. Причем транспортно-накопительная система является основным звеном, объединяющим технологическое оборудование в единый робототехнологический комплекс или гибкое автоматическое производство (ГАП) /В,8/,
Качество работы РТК в равной степени определяется всеми его составными частями, а сдерживающим фактором внедрения РТК становятся не технологическое оборудование и промышленные роботы, а вспомогательные механизмы /В,14/, к которым предъявляются такие же высокие требования надежности, максимальной производительности, управляемости и простоты конструкции /В,I5/, как и к другим компонентам РТК. В связи с тем, что традиционные средства транспортирования - транспортеры, рельсовые или напольные тележки - имеют ряд недостатков (громоздкость, металле- и энергоемкость , и т.п.) /В,15,В,16/, препятствующих их применению в РТК, задача обеспечения межоперационного перемещения является актуальной как у нас в стране, так и за рубежом /В,17,В.18/, При этом межоперационного перемещения требуют /В.8,В,14,В,19/:
заготовки,
инструмент,
готовая продукция к местам складирования,
промышленный робот между единицами технологического оборудования. Длина технологической линии, определяемая нуждами конкретного производства, может находиться в пределах от единиц до десятков метров.
Примерами механизмов, осуществляющих межоперационные перемещения, могут служить промышленные роботы портального типа
mm jfj ^m
/B.20/, по существу являющиеся конструктивным объединением ро-бота с транспортным устройством.' Большинство из представленных в каталоге /В.20/ портальных роботов имеют электромеханический привод узла перемещения по порталу. Электропривод включает в себя вращающийся двигатель, редуктор и преобразователь вращательного движения в поступательное.
Исключение передаточных звеньев в обеспечении линейного рперемещения исполнительных устройств привода, которое становится возможным с применением линейного двигателя, создает существенные предпосылки для упрощения конструкции, повышения надежности и технологичности изделия. При этом наиболее подходящим силовым элементом линейного электропривода транспортного устройства является линейный асинхронный двигатель /В,21/.
Практической реализацией транспортного устройства РТК на основе линейных асинхронных двигателей, разработанных автором настоящей диссертации /В.22-В,24/, является устройство перемещения РФ-І0ІМ /B.14,B.I9,B.25/ (рис.В.1, рис.В.2), предназначенное для межстаночного транспортирования промышленного робота малой грузоподъемности РФ-204М или поштучной передачи деталей,
Двигатели для устройства перемещения, как и комплекс в целом, изготавливаются и поставляются одним из предприятий Минра-диопрома.
Из-за отсутствия механических узлов, обеспечивающих сцепление первичного элемента со вторичным (как, например, редуктор во вращающемся приводе), а также вследствие того, что нагрузка транспортного устройства носит практически инерционный характер (трение в опорах ничтожно мало), возникает задача фиксации подвижной части двигателя в месте позиционирования. Для этого в различных устройствах применяются специальные обмотки, расположенные на общем пакете с основной, отдельный электромагнит или
фрагмент роботизированного комплекса с устройством перемещения РФ-І0ІШ
I -
направляющая рама,
вторичный элемент двигателя,
3 - индуктор двигателя, 4 - каретка, 5 - манипулятор.
Рис. B.1
рбг=1 —г-
1,2 - вторичный элемент и индуктор двигателя для перемещения манипулятора, 3 - вторичные элемент двигателя для поштучной передачи деталей.
Рис. В.2
электромагнит в сочетании с механической защелкой /В.2б-В,29/ и т.д.
Повышение безопасности и надежности функционирования робототехнологических комплексов невозможно без обеспечения быстрого останова и фиксации механизмов во время возникновения аварийных ситуаций: при внезапном отключении питающего напряжения, срабатывании блокировок защиты и т.д. В приводах с линейными электродвигателями, ввиду ограниченности хода и особенно в механизмах с малой силой трения, проблема аварийного останова стоит более остро /В,30/, чем во вращающихся электродвигателях /В,31/. Например, перемещающийся с закрепленной на нем деталью или манипулятором линейный электродвигатель обладает значительной кинетической энергией, которая при столкновении двигателя с упором переходит полностью в энергию удара. Для предотвращения механических повреждений вследствие этого удара необходимо усиливать крепление манипулятора или детали к двигателю, усиливать конструкции двигателя и робота. %сто технологические условия и конструкция робота ограничивают максимальное ускорение транспортного устройства, а также некоторых координат ПР, В таких системах удар вообще не допустим.
Следовательно, тормозные устройства являются необходимым компонентом некоторых приводов с линейными двигателями. Более того, структура исполнительных приводов роботов любого типа независимо от вида исполнительного двигателя должна содержать самотормозящийся механический или электромеханический элемент /В.32/. Этому принципу соответствуют, например, промышленный робот ПР-25, все координаты которого снабжены встроенными электромагнитными тормозами /В.12/, а также промышленный робот, выполненный на основе линейных двигателей, описанных в /В,33/ и разработанных при участии автора диссертационной работы. В от-
- ІЗ -
личие от ПР-25, в последнем применен тормоз с пневмоэлектричес-ким приводом. При помощи этого тормоза происходит как фиксация подвижного элемента в точке позиционирования, так и аварийное торможение.
Наличие специальных тормозных устройств в линейных электроприводах, являясь необходимым, приводит, однако, к увеличению массы и уменьшению КПД установки в целом, из-за чего возрастают эксплуатационные расходы и стоимость изготовления приводов. От этих недостатков свободны самотормозящиеся линейные электродвигатели (СЛЭД), являющиеся проявлением прогрессивной тенденции к интеграции электродвигателя с рабочим органом /В.З/,
Из научно-технической литературы, касающейся самотормозящихся линейных электродвигателей, известны лишь ряд конструктивных проработок на уровне авторских свидетельств и патентов, а также одна статья /В,34/, не дающая достаточно полного представления о возможностях СЛЭД. В то же время необходимость реализации приводов с такими двигателями не вызывает сомнений.
Таким образом, возникает задача разработки самотормозящегося линейного электродвигателя, который позволил бы как осуществлять транспортное перемещение с последующей фиксацией в требуемой точке, так и останов в аварийных ситуациях при исчезновении питания,
Настоящая работа посвящена разработке и исследованию самотормозящегося линейного асинхронного двигателя, предназначенного для привода элементов вспомогательного оборудования робототехнологических комплексов, в частности, транспортных устройств. Более конкретно целью работы является разработка конструкции самотормозящегося линейного асинхронного двигателя для вспомогательного оборудования робототехнологических комплексов, определение аналитических выражений, необходимых для расчета пара-
метров и характеристик двигателя, а также выработка рекомендаций к проектированию.
Автором выносятся на защиту:
конструкция самотормозящегося линейного асинхронного двигателя и обоснование его преимуществ в сравнении с существующими устройствами;
расчётная электромагнитная модель самотормозящегося линейного асинхронного двигателя, учитывающая его основные конструктивные и эксплуатационные особенности, в частности, наличие дополнительного зазора между зубцами и ярмом первичного элемента и работу при низких скоростях;
модификация метода аналоговых схем для расчёта модели самотормозящегося линейного асинхронного двигателя, устраняющая ограничения, связанные с выбором системы координат и родом тока;
способ определения параметров Т-образной схемы замещения самотормозящегося линейного асинхронного двигателя, основанный на использовании модифицированных аналоговых схем.
Научная новизна работы заключается в следующем;
предложена модификация метода аналоговых схем, не имеющая ограничений по роду тока и составлена аналоговая цепная схема индукционной машины, позволяющая непосредственно определить удельные электромагнитные силы;
предложен способ определения пределов применимости линейной модели индукционной машины через параметры её модифицированной аналоговой схемы;
исследованы электромагнитные силы самотормозящихся линейных асинхронных двигателей в широком диапазоне изменения электромагнитных и геометрических параметров,
Практическая ценность работы определяется следующими результатами:
на основе систематизации и анализа конструктивных схем самотормозящихся линейных электродвигателей предложен ряд новых конструкций, некоторые из которых защищены авторскими свидетельствами;
даны рекомендации по расширению области применения самотормозящихся линейных асинхронных двигателей, реализованные в одной из защищенных авторским свидетельством конструкций;
разработаны основы методики электромагнитного расчёта и предложены рекомендации к проектированию самотормозящегося линейного асинхронного двигателя.
Результаты работы реализованы:
в совместных разработках кафедры общей электротехники НЭТЙ и ОКБ "Старт" по созданию электроприводов вспомогательного оборудования робототехнологических комплексов;
в разработанном Алтайским НИИ технологии машиностроения промышленном роботе, где для привода двух горизонтальных координат применены линейные асинхронные двигатели,
Результаты работы докладывались и обсуждались:
- на семинаре "Промышленные роботы и их применение" (Ленин-
град. 1976);
на межотраслевой конференции "Автоматизированный электропривод переменного тока" (Челябинск, 1979);
на Всесоюзном симпозиуме по автоматизированному линейному и магнитогидродинамическому электроприводу (Таллин, I98I);
на Краевой научно-технической конференции "Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов электропотребления" (Красноярск, 1982);
на областном семинаре "Промышленные роботы и их применение" (Пенза, 1982);
на Всесоюзной конференции "Робототехника и автоматизация
производственных процессов" (Барнаул, 1983);
- на научных семинарах Новосибирского электротехнического
института,
Кроме того, разработанные автором линейные асинхронные двигатели экспонировались на выставках:
"Вузы РСФСР - развитию Сибири" (Новосибирск, 1982)*^;
"Ученые Минвуза РСФСР - народному хозяйству" (Москва, 1982);
"Автоматизация-83" (Москва, ЮВЗ)***\
По результатам выполненных исследований опубликовано 14 научных работ, из них 3 статьи, I информационный листок, 4 авторских свидетельства, 6 публикаций в виде тезисов докладов.
Основная часть работы состоит из четырех разделов.
ПЕРВЫЙ раздел диссертационной работы посвящен выработке и анализу требований, предъявляемых к самотормозящемуся линейному электродвигателю, являющемуся силовым элементом вспомогательного оборудования робототехнологических комплексов. Систематизированы и критически проанализированы с точки зрения удовлетворения предъявляемым требованиям известные конструктивные схемы самотормозящихся линейных электродвигателей, намечены пути дальнейших конструктивных разработок таких машин. Предложена и описана новая конструкция самотормозящегося линейного асинхронного двигателя, показаны её преимущества перед другими.
Во ВТОРОМ разделе разработаны основные положения теории самотормозящегося линейного асинхронного двигателя. Предложен модифицированный метод аналоговых схем, свободный от некоторых ог-
Двигатель отмечен дипломом,
^Экспонировался в составе РТК. Краткая информация об этом экспонате помещена в /В,35/,
раничений, присущих существующему методу аналоговых схем. Построены каскадные аналоговая и электрическая схемы замещения, позволяющие определить силы и параметры самотормозящегося линейного асинхронного двигателя.
ТРЕТИЙ раздел посвящен исследованиям электромагнитных сил в двух конструктивных схемах самотормозящихся линейных асинхронных двигателей на основе их аналоговых схем. Предложен способ определения пределов применимости линейной модели (неучета насыщения стали) индукционной машины с помощью параметров ее модифицированной аналоговой схемы. Определены параметры классической Т-образной схемы замещения самотормозящегося линейного асинхронного двигателя, служащие для последующей оценки величин пускового тока и пути останова самотормозящегося линейного асинхронного двигателя.
В ЧЕТВЕРТОМ разделе приводятся результаты экспериментальных исследований, производится оценка адекватности модели, даются рекомендации к проектированию самотормозящегося линейного асинхронного двигателя.
В ПРИЛОЖЕНИИ приведены графики к исследованию электромагнитных сил, программы расчета на ЦВМ, материалы по анализу характерных режимов работы двигателя, представлены формулы для определения линейной токовой нагрузки вторичного элемента, изложены основы методики расчета и помещены документы, подтверждающие практическое использование результатов диссертационной работы.
_ 18 -
Анализ конструктивных схем самотормозящихся линейных электродвигателей
Число публикаций, касающихся самотормозящихся линейных электродвигателей, сравнительно невелико - всего выявлено около двадцати авторских свидетельств, патентов и одна статья. Поэтому использование информационного подхода, основанного на применении количественного метода прогнозирования /I.I2/, в данном случае затруднён. Однако, качественные признаки, содержащиеся в известных источниках, отражают большинство основных идей, позволяющих реализовать самые различные двигатели,
Приведенный ниже анализ конструктивных схем охватывает как известные, так и гипотетические конструкции, прогнозировать появление которых помогают составленные в процессе анализа классификации. Опираясь на оценку конструкций двигателей с точки зрения удовлетворения требованиям, предъявляемым к СЛЭД в РТК, производится выбор схемы, наиболее полно отвечающий этим требованиям.
Анализ конструктивных схем производится в два этапа. Первый этап - это выявление принципов создания растормаживающего усилия в СЛЭД. Некоторые принципы иллюстрируются характерными известными или предполагаемыми конструкциями, которым присущи общие признаки машин данной группы. Задачей первого этапа анализа является определение наилучшего принципа растормаживания. Второй этап - анализ способов реализации выбранного принципа растормаживания, оценка влияния конструктивных признаков групп СЛЭД на их функциональные возможности. В результате второго этапа определяется совокупность конструктивных признаков СЛЭД, в наибольшей мере отвечающих предъявляемым требованиям, и обосновывается базовая конструктивная схема самотормозящегося линейного электро двигателя, принятая к дальнейшей проработке и исследованию.
В этом параграфе применяется терминология, наиболее часто встречающаяся в патентной литературе по линейным электродвигателям. В частности, две основные функциональные части СЛЭД называются индуктором и якорем. Этим подчеркивается то обстоятельство, что самотормозящийся линейный электродвигатель может быть выполнен любого типа: асинхронным, синхронным, постоянного тока и т.д. Под индуктором асинхронного линейного электродвигателя понимается первичный элемент, а под якорем - вторичный элемент (в виде реактивной шины или развернутой беличьей клетки. Фазный и пр.),
На рис.1.1 приведены принципиально возможные источники растормаживающего усилия в СЛЭД, от которых во многом зависят как конструктивное исполнение двигателя, так и максимально достижимая величина тормозного усилия и ход исполнительного органа. Такими источниками могут быть либо магнитный поток двигателя (основной или рассеяния), либо механическая реакция индуктора или якоря, равная по величине тангенциальной электромагнитной силе двигателя.
Прототипом СЛЭД, использующего для растормаживания и удержания механическую реакцию подвижного и неподвижного элементов двигателя, может служить устройство, описанное в /I.ІЗ/ и изображенное на рис.1.2, Индуктор I, смонтированный на основании 2 посредством подпружиненного механизма нулевой установки 3, снабжен фиксирующим элементом с выступом 4, находящимся в углублении У-образного плеча двуплечевого рычага 5. На втором плече рычага имеется вилка, взаимодействующая с выступом 6 подпружиненного штока 7, входящего в отверстие в вторичного элемента (якоря) 9. Шток может быть снабжен тормозной колодкой. Электромагнитная система устройства, в частности, рабочий воздушный зазора в про цессе включения не изменяется. Специального исполнения индуктора или якоря не требуется. В связи с этим энергетические показатели устройства не отличаются от характеристик обычных линейных электродвигателей. Однако, такое устройство является работоспособным только при подвижном вторичном элементе. Но даже в этом случае оно обладает существенными недостатками: 1) при установившейся величине скорости и малой противодействующей силе имеет место подтормаживание вторичного элемента, что увеличивает его износ, а также колодки или штока;2) при необходимости торможения электрическим способом в момент переключения с двигательного режима на тормозной, сила реакции, действующая на индуктор, изменяет направление на противоположное, и индуктор переходит через нулевое положение, В момент, когда индуктор находится в нулевом положении, происходит кратковременное соприкосновение штока или тормозной колодки, закрепленной на штоке, с вторичным элементом, что также приводитк дополнительному износу трущихся элементов, снижению точности позиционирования.
Указанные недостатки устройства аналогичны недостаткам вращающихся самотормозящихся электродвигателей с поворотным статором. Первое из них отмечено в Д.Ю/.
В транспортном устройстве с величиной хода в несколько метров подвижной частью двигателя является индуктор. Тогда3) необходимое для растормаживания устройства начальное смещение индуктора ограничивает минимально возможную величину рабочего перемещения подвижной части двигателя;4) из-за инерционности индуктора получение сколько-нибудь существенной тормозной силы или Фиксации двигателя невозможно, так как вследствие динамических усилий, возникающих при торможении или фиксации, индуктор будет отклоняться от нулевого положе ния, что равносильно растормаживанию двигателя или его расфикса-ции. При этом возможны механические колебания индуктора вблизи нулевого положения, а значит и колебания тормозной силы.
Отмеченные недостатки конструктивного решения СЛЭД на базе /I.ІЗ/ дают основания утверждать, что самотормозящийся линейный электродвигатель, использующий для растормаживания механическую реакцию своих подвижной и неподвижной частей, не пригоден в качестве силового элемента транспортного устройства робототехнологического комплекса.
Составляющими магнитного потока рассеяния, которые могут быть использованы для растормаживания и удержания, являются:1) магнитный поток рассеяния, замыкающийся по пути основного потока,2) магнитный поток, исходящий с торцов индуктора,3) магнитный поток лобовых частей индуктора,4) магнитный поток лобовых частей (короткозамыкающего кольца) якоря. Первый из названных потоков рассеяния используется в двигателе, запатентованном еще в 1934 г. /I.I4/ и предназначенном для привода раздвижных дверей (рис.1.3), В этом двигателе часть потока, исходящего с активной поверхности индуктора, сцеплена с якорем и используется для создания полезного усилия, а другая часть потока - для растормаживания тормоза, являющегося дополнительным магнитопроводом и выполненного в виде бруска. Очевидно, конструктивное решение, представленное в /I.I4/, не является единственным для подобных двигателей. Однако, для всех двигателей, использующих для растормаживания магнитный поток рассеяния, замыкающийся по пути основного потока, характерны увеличенный расход активных материалов и низкие энергетические показатели. Эти факторы приводят к нецелесообразности применения таких дви
Модификация метода аналоговых схем для расчета электромагнитных процессов в СЛАД
Обстоятельством, ограничивающим область применения метода аналоговых схем, является то, что в существующем виде он применим только для анализа машин переменного тока /2,42/, В качестве входных и выходных величин в аналоговых схемах приняты тангенциальные составляющие напряженностей электрического и магнитного полей /2,13, 2,14, 2,25, 2,27/, При формальной подстановке в соответствующие выражения /2.13, 2,14, 2,27/ нулевой частоты, что соответствует постоянному току в обмотке, такая аналоговая модель теряет смысл, т,к, из схемы выпадает (она становится всюду равной нулю) одна из характеризующих величин - напряженность электрического поля» Это следует уже из уравнения Максвелла
В то же время рабочий цикл самотормозящегося линейного асинхронного двигателя состоит из нескольких режимов, в числе которых может иметь место режим динамического торможения, при котором обмотки индуктора СЛАД запитываются постоянным током. Значит возможность работы двигателя при постоянных возбуждающих токах должна быть учтена в расчетной методике. Последнее, очевидно, относится не только к СЛАД, Режиму динамического торможения придается серьезное значение во многих устройствах с линейными двигателями /2.8, 2,43/,
В связи с этим, для описания электромагнитного поля в активном объеме машины, где возбуждение осуществляется постоянным током или постоянными магнитами, и синтеза аналоговой схемы машины приходится выбирать такую систему координат, в которой активный слой является движущимся /2.36, 2,44/, Тогда напряженности электрического поля приписывается значение
что соответствует напряженности движения или генераторной напряженности. Но и здесь, очевидно, решение возможно только при скорости, отличной от нуля, а вычисление потерь в движущихся слоях модели и сил, действующих на них, требует дополнительного обоснования, т.к. в выражение вектора Пойнтинга, являющегося для этого основой, должна входить напряженность электрического поля в неподвижной системе координат /1.37, 2,13/, то есть,связанной с активным слоем. Последнее объясняется неинвариантностью напряженности электрического поля по отношению к различным системам отсчета /I.4I/, Кроме того, в /2.45/ отмечается, что обычное выражение вектора Пойнтинга в случае стационарных полей может вообще привести к парадоксам.
Указанное ограничение метода аналоговых схем может быть устранено описанием электромагнитного поля в активном объеме машины, где в качестве базовых величин приняты нормальная сос-тавляющая индукции и тангенциальная составляющая напряженности магнитного поля /2,42/, что будет показано на примере произвольной области электрической машины, расчетная модель которой заимствована из /2,12/ и изображена на рис.2,3, Кроме допущений, принятых в 2.1, предполагается, что пространственные периоды по продольной координате внешнего магнитного поля и стороннего тока в слое (что в последнем соответствует двойному полюсному делению) одинаковы /2.10, 2,46/.
Расчетная модель, представленная на рис.2.3, является наиболее общим случаем, из которого, придавая конкретные значения электромагнитным характеристикам среды, распределению и роду тока, а также скорости, можно получить модель любой зоны машины.Для любой точки области, изображенной на рис.2.3, находящейся во внешнем магнитном поле и движущейся в положительном направлении оси X , В частном случае возбуждения постоянным током принимается и) = 0.
Подставляя (2.6), (2,10)-и (2,11) в (2,7), а также принимая во внимание (2,12), после некоторых преобразований получим уравнение для комплексной амплитуды векторного магнитного потенциала внутри слоя, в котором она является функцией только одной координаты У :где /Усе и JUy - абсолютные эквивалентные магнитные проницаемости среды по направлению соответствующих координатных осей, Из двух значений В , определяемых уравнением (2.13), выбрано такое, у которого Re Д @ Величины входящие в (2,15), определяются электромагнитными параметрами сред, полюсным делением, но первая из них обусловлена синхронной
Представление добротности слоя в виде суммы трансформаторной и движения позволит в последующем при анализе режима динамического торможения отказаться от общепринятого приема /2.48, 2,49/ введения эквивалентного переменного тока. Решение уравнения (2.13) имеет видкомплексных амплитуд компонент поля внутри слоя
Постоянные Qi и Qz целесообразно выразить через величины, стоящие в левых частях уравнений (2.20) - нормальную составляю щую индукции и тангенциальную составляющую напряженности магнитного поля на одной из границ слоя, например, на нижней границе (входной), где принято у = 0:
В (2,21) индекс I означает принадлежность величины соответствующей характеристики поля к нижней границе слоя, индекс 2 в (2,22) будет означать принадлежность к второй границе слоя (выходной) при у = п , для которой уравнения (2,21), являющиеся теперь уравнениями передачи между выходными Вуг и Нхг и входными Вщ HXJ величинами в исследуемой зоне, примут вид:
Уравнения (2,22) по форме соответствуют уравнениям активного автономного четырехполюсника в /\ - параметрах /2.50/, в котором в качестве входных и выходных величин выступают комплексные амплитуды нормальной составляющей индукции и тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля на соответствующих границах. При отсутствии сторонних токов в слое уравнения (2,22) становятся уравнениями пассивного четырехполюсника.
Примечательно, что круговая частота и) в этих уравнениях входит только в коэффициент распространения через трансформаторную добротность тр (см. (2.15) и (2,16)), в связи с чем вид уравнений (2,22) сохраняется и при постоянном по величине токе, когда в (2,16) достаточно положить Ld = О, То же справедливо и при отсутствии перемещения слоя во внешнем магнитном поле ( V = 0 в (2.17) ), И при неподвижном слое рис,2,3, находящемся во внешнем магнитном поле постоянных токов, уравнения (2,22) остаются в силе. В последнем случае коэффициент распространения принимает простой вид
Анализ электромагнитных сил СЛАД
Формулы, полученные во втором разделе, позволяют вычислить и проанализировать различные параметры и характеристики самотормозящегося линейного асинхронного двигателя. Важнейшими характеристиками СЛАД являются тангенциальная и нормальная электромагнитные силы. Первая характеризует работоспособность двигателя как силового элемента электропривода механизма, предназначенного для эксплуатации в заданных условиях (масса перемещаемого объекта, путь и время перемещения, сила сопротивления). Вторая характеризует способность СЛАД создавать тормозное усилие Анализ электромагнитных сил позволит дать рекомендациик выбору главных размеров двигателя(полюсного деления, величивоздушных зазоров, толщины вторичного элемента), материала вто рижого элемент а т акже к выбору приводного органа тормознойсистемы.
Основными Факторами, определяющими соответствующие электромагнитные силы, являются: орган, на который действует сила, величины воздушных зазоров и полюсного деления, толщина и электрическая проводимость вторичного элемента, скорость перемещения. Влияние других факторов, таких, например, как тип обмотки, форма и глубина паза, число полюсов, магнитная проницаемость зубцов по сравнению с вышеперечисленными незначительно и может быть учтено в поверочном расчете.
Характер влияния основных факторов на электромагнитные силы может быть выявлен на примере простой модели СЛАД (рис.
Относительная удельная тангенциальная сила при допущениигде максимальная (критическая) сила пусковая сила с ростом величины полюсного деления уменьшается, Причем пусковая сила по (3.20) тем больше, чем больше частота сети и электропроводность вторичного элемента. Сила (3.21) имеет обратную зависимость от этих факторов.
В последних двух выражениях подразумевается независимость эквивалентной электрической проводимости области от величины полюсного деления.Исследуя (3.19) на экстремум по полюсному делению, получим, Выражения (3.22) и (3.23) свидетельствуют о том, что и величина максимальной пусковой силы и величина полюсного деления, при которой эта сила имеет место, уменьшается с ростом частоты питающего напряжения и проводимости вторичного элемента.Утверждение (3.24) иллюстрируется графиками (рис.3.2), построенными по выражению Формула (3,28) отличается от (3,17) знаком, что указывает на противоположную направленность тангенциальных сил, действующих на индуктор, в двигательном режиме и режиме динамического торможения.
Критическая скорость уменьшается с ростом полюсного деления индуктора и проводимости вторичного элемента.
С учетом (3,29) добротность движения можно представить в виде и переписать (3,27) в форме (3,16), что по существу совпадает с ней;х) Аналогично может быть выражена и трансформаторная добротность:т.е. характер зависимости нормальной силы от величины полюсного деления аналогичен характеру зависимости тангенциальной силы, Отличия состоят в том, что при слабой реакции вторичного элемента сила не зависит от его электропроводности и частоты сети (см. (3..36)), а при сильной - обратна их квадратам (см. (3,37)),Величина полюсного деления в (3.36) и (3,37) входит также в квадрате,
Наибольшее значение нормальной силы (3,35) в режиме короткого замыканияимеет место при полюсном деленииВеличина этого полюсного деления в 1,32 раза меньше величины (3.22), обеспечивающей максимум пусковой тангенциальной силы, а $Г = . (3,40)
Наибольшее значение нормальной силы (3.38) уменьшается с увеличением частоты, электропроводности и толщины вторичного элемента. Причем эта зависимость от указанных факторов более резкая, чем тангенциальной силы (3,23).Соотношение наибольших значений нормальной и тангенциальной сил в режиме короткого замыкания
Экспериментальное определение силовых характеристик СЛАД
Результаты экспериментов представлены в безразмерном виде как зависимости относительных сил от соответствующих параметров. Относительная сила определяется как отношение удельной электромагнитной силы (тангенциальной или нормальной), развиваемой магнитной системойгде 5 - площадь активной поверхности,F - электромагнитная сила, к базовому значению давления, в качестве которого, как и в 3.2, принято произведение магнитной постоянной на квадрат амплитуды линейной плотности тока:
Подстановка в (4,2) выражения для площади активной поверхностиИ в (4,3) выражения для амплитуды линейной плотности тока (2,71) вместо (4,1) позволяет записатьгде I - измеренный фазный ток (действующий), - измеренная сила. При измерении амплитуды переменного фазного тока 1 или величины постоянного тока в обмотке коэффициент 0,25 в правой части (4,5) следует заменить на 0,5.
Формулу (4,5) можно представить в виде, удобном для пересчета сил двигателей как.с барабанной обмоткой, так и с кольцевой:
Таким образом, относительные удельные силы выражаются через известные обмоточные данные машины, размеры индуктора и измеренные ток и силу.
Подставляя числовые значения известных величин в (4.5) или (4.6) для первой и второй магнитных систем, получими для третьей магнитной системы Код 1 В (4.8) обмоточный коэффициент в зависимости от числа пазов на полюс и Фазу принимает значения: Ко5 2) = 0,953. Расчетные и экспериментальные данные для трех магнитных систем приведены на рис.4.5-4.9. Расчет сил первой и второй магнитных систем произведен по аналоговой схеме, изображенной на рис,2.II, а третьей - по схеме рис,3,13,б,
Зависимость тангенциальное силы от частоты можно рассматривать как механическую характеристику в относительных величинах в двигательном режиме /4.1/ и в режиме стационарного динамического торможения /4,2/, Не трудно показать, что это относится и к нормальной силе. Поэтому на рис.4,7, кроме шкалы частоты, нанесены также шкалы эквивалентных скоростей в двух режимах и скольжения.
На рис.4,10 представлены экспериментальные и рассчитанные по схеме замещения рис,2.14 зависимости тока и сил в абсолютных величинах от напряжения для магнитной системы, изображенной на рис.4,3, подтверждающие справедливость допущения о линейности расчетной модели СЛАД,
В испытанных магнитных системах число пар полюсов не превышало шести, В связи с этим, учитывая дополнительную погрешность, которая вносится главным образом неучетом краевого эффекта, схождение расчетных данных с экспериментальными следует.признать удовлетворительным. Наилучшее совпадение наблюдается при питании всех индукторов постоянным током и при 2р 6 третьего индуктора на переменном токе, что объясняется незначительным проявлением концевого эффекта при этих условиях. Оценка расчетной модели, произведенная по результатам этих опытов с помощью критерия Фишера при 5 -ном уровне значимости /4,3/, свидетельствует об адекватности модели (табл.4.I и приложение 4),
Результаты измерений остановочного пути СЛАД, изображенного на рис.1.17, приведены на рис.П.3.2,
Расчет СЛАД для привода транспортного устройства РТК имеет ряд особенностей. Эти особенности обусловлены тем, что транспортное устройство РТК может быть причислено к промышленным роботам типа "из точки в точку" /4.4/, когда необходимо обеспечить только требуемые быстродействие и точность позиционирования, а траектория движения и диаграмма скорости не имеют значения. Поэтому для проектирования двигателя задаются чаще всего масса перемещаемого объекта, величина хода и время перемещения Л.43, 4,5/ или, вместо времени, средняя скорость на длине перемещения /4,6/, Такие величины, как масса подвижной части двигателя и сила сопротивления, определяются в процессе проектирования двигателя и вместе с заданными величинами служат базой для определения требуемой тяговой (тангенциальной) электромагнитной силы двигателя,
Известно, что наиболее близкой к оптимальной и в то же время простой по реализации является линейная диаграмма скорости с постоянным ускорением на участках разгона и электрического торможения /4,7/. При этом тяговая сила двигателя определяется по формуле /1.2/ масса, ix - время перемещения на длину хода, Fc - сила сопротивления. Сила сопротивления в рассматриваемых устройствах не превы шает I,..2 Н и пренебрежимо мала по сравнению с другими составляющими (4,9). Поэтому, не внося существенной погрешности, тяговую силу двигателя можно определить как У ерг /4 r&Vcp W - средняя скорость перемещения,
Опыт изготовления ряда плоских низкоскоростных линейных асинхронных двигателей свидетельствует о том, что перемещаемая масса двигателя (индуктор, корпус и другие конструктивные элементы), предназначенного для работы в продолжительном режиме, находится в пределах где р - тяговая сила, д - ускорение свободного падения, В случае использования при позиционировании "дотягивания" на ползучей скорости тяговая сила для обеспечения требуемого быстродействия по сравнению с (4,10) и (4.II) должна возрасти до величины- 195 где L„ , п » Vn - соответственно время, длина и скорость перемещения на участке ползучей скорости, которые считаются известными и предварительно могут быть заданы /4,8/,В дальнейшем эти величины уточняются по механической характеристике двигателя на ползучей скорости.
При проектировании линейного асинхронного двигателя приходится сталкиваться с довольно узкой номенклатурой материалов для вторичного элемента. Как правило, это медь или алюминиевый сплав двух-трех типоразмеров, В этом случае единственным параметром двигателя, за счет которого может быть увеличена тяговая сила, является полюсное деление. Величина полюсного деления должна выбираться по условию (3,24) или ориентировочно может быть принята по графикам, помещенным в 3.2 и приложении I, для тангенциальной силы при зазорах, соответствующих рабочему состоянию двигателя.
Применительно к двигателю с реактивной шиной условие (3.24) запишется в виде где эквивалентная электропроводность вторичного элемента включает в себя несколько неопределенных величин. Эквивалентным дополнительным воздушным зазором в силу его ма лости по сравнению с рабочим немагнитным зазором № + о) К$ ), можно пренебречь. Как правило, из конструктивных и технологических соображений (вид направляющей рамы, способ закрепления вторичного элемента, ориентировочная длина индуктора и т.д.) заранее известна величина рабочего воздушного зазора. Предварительно
