, ,
НОВЫЙ РЯД моментных двигателей
для экстремальных условий применения
«ЭЛМА-Ко», Санкт Петербург, a. *****@***оrg
Бесконтактные моментные двигатели с постоянными магнитами на роторе широко применяются в бесконтактных моментных приводах малой мощности (до 1 кВт) различных отраслей промышленности и обороны страны [1 – 5]. В режиме вентильного двигателя они обладают линейными механическими и регулировочными характеристиками и высоким быстродействием, присущим коллекторным двигателям постоянного тока, отличаясь от них гораздо большей надежностью и сроком службы, особенно в тяжелых и экстремальных условиях эксплуатации систем авиационной, космической, железнодорожной и морской, техники, объектов оборонного назначения.
Вентильные двигатели малой мощности встраиваемого исполнения для конкретных специальных задач начали проектироваться в 70-х годах во ВНИИЭМ, НИЭМ (г. Миасс), ЦНИИАГ, ЦНИИКП, ЦНИИэлектроприбор и на других предприятиях страны. В это же время на заводе «Машиноаппарат» по заказу ЦНИИАГ (, ) создаются моментные двигатели более широкого применения типа ДМВ. На базе этих машин по заданию ряда предприятий «Ленинец», «Фазотрон», «Геофизика», «Полет» и ЦНИИАГ разрабатывается большая серия пазовых и гладких двигателей ДБМ. Двигатели проектировались под руководством специалистами СКБ завода «Машиноаппарат» , , и др. Параллельно во ВНИИМЭМ шла разработка датчиков положения ротора (редуктосинов) серии ВТ (разработчики , и др.). Первые Госкомиссии по приемке двигателей ДБМ120 - ДБМ185 и датчика ВТ120 прошли в 1984 г., после чего сразу началось их серийное производство. Серия двигателей ДБМ производится до сих пор, пополнившись новыми рядами 2ДБМ и 3ДБМ.
С конца 80-х годов на мировом рынке появились аналогичные бесконтактные моментные двигатели встраиваемого исполнения известных компаний Alxion, Axsys, ETEL, Inland (Kollmorgen), Moog, Parker, Ruchservomotors, Transmotec, и др., которые к настоящему времени по ряду характеристик существенно превосходят двигатели серии ДБМ. Основным энергетическим показателем моментного двигателя является коэффициент статической добротности по моменту (или статическая добротность), выражающий удельный момент, развиваемый двигателем на единицу массы и единицу потребляемой мощности [6, 7]. По этому показателю, как показано в работе [7], моментные двигатели ДБМ уступают аналогичным двигателям диаметром 38 – 254 мм компаний Inland (Kollmorgen), Axsys, Moog, Parker и ETEL в 1,7 – 3 раза. В моментных двигателях нового ряда 3ДБМ, разработанных , коэффициент статической добротности по моменту увеличен в 1,3 – 1, 5 раза отчасти вследствие замены самарий кобальтовых магнитов более мощными магнитами типа «нежебор». Однако все отечественные марки магнитов «нежебор» пока не обеспечивают уровни долговечности, стойкости к спецфакторам и температурной стабильности, необходимые для многих объектов оборонной техники.
По динамическим показателям (постоянным времени) двигатели серии ДБМ имеют по сравнению с зарубежными аналогами соизмеримые, а, в ряде случаев, и меньшие электромагнитные постоянные времени, но существенно большие электромеханические постоянные времени [7]. Это объясняется тем, что двигатели серии ДБМ проектировались, преимущественно, для безредукторных систем, т. е. для так называемого «прямого» привода, где основное значение имеет электромагнитная постоянная времени, поскольку в таких приводах объект управления соединен напрямую с ротором двигателя, многократно увеличивающим его момент инерции. Однако практика показала, что двигатели ДБМ стали применяться большей частью в редукторных или, по крайней мере, «малоредукторных» приводах, например, с одной парой в зубчатой передаче. Здесь уже решающее значение имеет электромеханическая постоянная времени, определяющая время разгона двигателя и объекта управления. В тех же случаях, когда особенно важно малое значение электромагнитной постоянной времени, все равно предпочтительнее использовать моментные двигатели с гладким якорем.
Таким образом, при проектировании нового ряда бесконтактных моментных двигателей ставилась задача повышения их энергетических и динамических показателей за счет увеличения коэффициента статической добротности по моменту и снижения электромеханической постоянной времени при возможном упрощении технологического процесса и снижении себестоимости.
Конструкция, схема и обозначение двигателей ДБМВ
Поставленная при проектировании двигателей ДБМВ задача решалась, в основном, за счет следующих конструктивных мероприятий:
- переходом от распределенной обмотки двигателей ДБМ к сосредоточенной (катушечной или зубцовой) обмотке статора; заменой ротора коллекторного типа с тангенциально намагниченными магнитами двигателей ДБМ на ротор типа «звездочка» с магнитами, намагниченными радиально.
В распределенной обмотке синхронной машины витки каждой фазы располагаются в диаметральной плоскости машины, тогда как в сосредоточенной зубцовой обмотке они наматываются на один или несколько соседних зубцов статора. Тем самым в зубцовой обмотке существенно сокращается объем меди нерабочих лобовых частей. Применение такой обмотки в отечественных бесконтактных моментных двигателях впервые предложено [8]. Применение магнитов в роторе типа «звездочка» позволяет существенно увеличить внутренний диаметр ротора, уменьшить массу магнитов и снизить момент инерции ротора.
Опытные образцы двигателей ДБМВ50 (диаметром 50 мм) и ДБМВ185 (диаметром 185 мм) показаны на рис. 1. В двигателях применены самарий-кобальтовые магниты марки КС25ДЦ-240.
Рис. 1. Двигатели ДБМВ50 (слева) и ДБМВ185 (справа)
Все двигатели трехфазные. Каждая фаза разделена на две секции, что допускает 18 различных рекомендуемых техническими условиями вариантов последовательного, параллельного соединения секций, включения обмотки в звезду, треугольник и т. д. Массогабаритные характеристики всего ряда двигателей приведены в табл. 1.
Условное обозначение двигателя содержит наружный диаметр его статора в мм, номинальный момент в Нм, частоту вращения при холостом ходе (округленно в тысячах мин-1). Например, показанный на рис. 1 двигатель ДБМВ185-16-0,04 имеет наружный диаметр 185 мм, номинальный момент 16 Нм и частоту вращения холостого хода 40 мин-1.
Таблица 1. Конструктивные параметры двигателей
Тип двигателя | Наружный диаметр статора, мм | Внутренний диаметр ротора, мм | Длина статора, мм | Момент инерции ротора, кгм2·10-4 | Масса кг |
ДБМВ50-0,025-2 | 50 | 15 | 20,6 | 0,036 | 0,12 |
ДБМВ50-0,025-3 | 50 | 15 | 20,6 | 0,036 | 0,12 |
ДБМВ50-0,05-6 | 50 | 15 | 20,6 | 0,036 | 0,12 |
ДБМВ70-0,16-1,7 | 70 | 33 | 24 | 0,425 | 0,36 |
ДБМВ70-0,16-3,4 | 70 | 33 | 24 | 0,425 | 0,36 |
ДБМВ100-0,5-0,9 | 100 | 51 | 30 | 1,41 | 0,6 |
ДБМВ100-0,5-1,9 | 100 | 51 | 30 | 1,41 | 0,6 |
ДБМВ120-1-0,26 | 120 | 68 | 42 | 6,32 | 1,3 |
ДБМВ120-1-0,5 | 120 | 68 | 42 | 6,32 | 1,3 |
ДБМВ120-1-1,0 | 120 | 68 | 42 | 6,32 | 1,3 |
ДБМВ150-4-0,36 | 150 | 72 | 40 | 17,1 | 2,2 |
ДБМВ150-4-0,7 | 150 | 72 | 40 | 17,1 | 2,2 |
ДБМВ150-4-1,9 | 150 | 72 | 40 | 17,1 | 2,2 |
ДБМВ185-10-0,2 | 185 | 110 | 39 | 31,6 | 4,5 |
ДБМВ185-10-0,45 | 185 | 110 | 39 | 31,6 | 4,5 |
ДБМВ185-16-0,04 | 185 | 110 | 64 | 84,4 | 5,5 |
ДБМВ185-16-0,06 | 185 | 110 | 64 | 84,4 | 5,5 |
ДБМВ185-10-0,15 | 185 | 110 | 54 | 63,2 | 6 |
ДБМВ185-10-0,3 | 185 | 110 | 54 | 63,2 | 6 |
ДБМВ240-100-0,02 | 240 | 169 | 148 | 665 | 17 |
. Следует отметить, что, как и в двигателях серии ДБМ, номинальный момент, в соответствии с ГОСТ РВ 51816.14-2001, есть значение максимального статического синхронизирующего момента двигателя, при котором проводятся его приемосдаточные испытания. Для двигателей ДБМВ при таком моменте перегрев обмотки статора без какого–либо корпуса относительно температуры окружающей среды не превышает 65 град. Очевидно, что для двигателей встраиваемого исполнении, всегда имеющих дополнительный теплоотвод на корпус объекта управления, номинальный момент, указанный в его обозначении, не может рассматриваться в качестве рекомендуемого рабочего момента в конкретных условиях эксплуатации. Поэтому в отличие от обычных исполнительных электродвигателей выбор моментного двигателя ДБМВ, аналогично двигателю ДБМ, производится по специальной методике, приведенной, например, в [4].
Основные параметры и режимы двигателей ДБМВ
Основные параметры двигателей ДБМВ, гарантированные техническими условиями ЮЛИТ.520022.001 ТУ, в базовом режиме режиме вентильного двигателя при номинальном линейном напряжении с амплитудой 27 В и включении обмотки в звезду при последовательном соединении секций фаз приведены в табл. 2. При этом предполагается, что линейные напряжения, формируемые электронным усилительно-преобразовательным устройством, изменяются по гармоническим законам и сдвинуты на 120 электрических градусов. Коэффициент статической добротности (по моменту) равен [6, 7]:
,
где Мп – пусковой момент, Pп - мощность, потребляемая при пуске, m – масса двигателя.
Таблица 2. Параметры двигателей ДБМВ
Тип двигателя | Сопротивление секции фазы, Ом | Пусковой ток, А | Пусковой момент, Нм | Частота вращения при холостом ходе, мин-1 | Максимальная механическая мощность, Вт | Электромеханическая постоянная времени, мс | Электромагнитная постоянная времени, мс | Коэффициент статической добротности, Нм/(кг√Вт) | Коэффициент момента, Нм/А | Тепловое сопротивление статора, °С/Вт | Число пар полюсов |
ДБМВ50-0,025-2 | 11,30 | 0,60 | 0,05 | 1700 | 2,2 | 9,2 | 0,5 | 0,18 | 0,12 | 11,90 | 8 |
ДБМВ50-0,025-3 | 3,10 | 2,18 | 0,151 | 3400 | 13,4 | 7,2 | 0,5 | 0,18 | 0,07 | 12,30 | 8 |
ДБМВ50-0,05-6 | 0,76 | 8,88 | 0,317 | 6800 | 56,4 | 7,3 | 0,5 | 0,18 | 0,035 | 11,50 | 8 |
ДБМВ70-0,16-1,7 | 1,20 | 5,63 | 0,818 | 1450 | 31,0 | 8,8 | 0,5 | 0,18 | 0,145 | 5,47 | 8 |
ДБМВ70-0,16-3,4 | 0,30 | 22,50 | 1,89 | 2900 | 143,5 | 7,0 | 0,5 | 0,18 | 0,084 | 5,19 | 8 |
ДБМВ100-0,5-0,9 | 0,90 | 7,50 | 2,27 | 850 | 50,5 | 5,4 | 1,6 | 0,18 | 0,30 | 3,78 | 10 |
ДБМВ100-0,5-1,9 | 0,24 | 28,13 | 4,54 | 1700 | 202,0 | 5,2 | 1,6 | 0,18 | 0,16 | 3,69 | 10 |
ДБМВ120-1-0,26 | 2,42 | 2,79 | 2,79 | 245 | 17,9 | 6,5 | 2,0 | 0,18 | 1,00 | 1,66 | 10 |
ДБМВ120-1-0,5 | 0,55 | 12,27 | 6,14 | 490 | 78,8 | 6,0 | 2,0 | 0,18 | 0,50 | 1,61 | 10 |
ДБМВ120-1-1,0 | 0,131 | 51,53 | 12,6 | 990 | 326,5 | 6,0 | 2,0 | 0,18 | 0,24 | 1,60 | 10 |
ДБМВ150-4-0,36 | 0,460 | 14,67 | 11,7 | 340 | 104,1 | 4,1 | 4,0 | 0,23 | 0,80 | 1,28 | 10 |
ДБМВ150-4-0,7 | 0,110 | 61,36 | 24,5 | 680 | 436,1 | 5,0 | 4,0 | 0,23 | 0,40 | 1,27 | 10 |
ДБМВ150-4-1,9 | 0,014 | 482,14 | 66,5 | 1815 | 3159,3 | 4,8 | 4,0 | 0,23 | 0,14 | 2,53 | 10 |
ДБМВ185-10-0,2 | 0,32 | 21,09 | 25,0 | 210 | 137,4 | 2,8 | 6,0 | 0,23 | 1,18 | 1,42 | 16 |
ДБМВ185-10-0,45 | 0,08 | 84,38 | 53,1 | 420 | 583,8 | 2,7 | 6,0 | 0,23 | 0,63 | 1,02 | 16 |
ДБМВ185-16-0,04 | 2,40 | 2,81 | 17,2 | 29,5 | 13,3 | 2,1 | 6,0 | 0,35 | 6,10 | 0,354 | 16 |
ДБМВ185-16-0,06 | 1,10 | 6,14 | 25,2 | 55,5 | 36,6 | 2,0 | 6,0 | 0,35 | 4,10 | 0,349 | 16 |
ДБМВ185-10-0,15 | 0,21 | 32,14 | 53,6 | 150 | 210,4 | 2,0 | 10,0 | 0,35 | 1,67 | 0,629 | 16 |
ДБМВ185-10-0,3 | 0,08 | 84,38 | 106,8 | 305 | 852,6 | 1,3 | 10,0 | 0,35 | 1,26 | 0,511 | 16 |
ДБМВ240-100-0,02 | 0,22 | 30,68 | 219,2 | 22,5 | 129,1 | 1,1 | 10,0 | 0,35 | 7,14 | 0,024 | 28 |
Коэффициент ЭДС двигателя (В·c/рад) численно равен его коэффициенту момента СМ (Н·м/А). Искажение синусоидальности ЭДС не более 3%. Пульсация момента по углу поворота не более 6%, нелинейность зависимости момента от тока не более 7%. Двигатели могут эксплуатироваться по группе 3У ГОСТ РВ 20.39.414.1-97 в температурном диапазоне от – 60 до + 85 град, повышенного уровня влажности, вибраций и ударов, пониженного и повышенного давления, воздействия соляного туман, плесневых грибов, дождя, спецфактора и т. д. со сроком службы 50 тысяч часов в течение 20 лет.
Помимо базового режима, указанного выше, двигатели ДБМВ можно использовать и при любых других схемах соединения, включения секций и фаз обмотки, а также при дискретном управлении (коммутации) с однополярной и разнополярной циклограммой напряжений с моментами нагрузки вплоть до пускового при условии, что конструкция корпуса и способ теплоотвода обеспечивают температуру обмотки статора во всех условиях эксплуатации не выше 150˚С. Двигатели также обеспечивают работу в режимах шагового и синхронного вращения. Во всех случаях допускается кратковременное превышение напряжения питания до значений 60 – 100 В (в зависимости от габарита). Все это обеспечивает эффективное применение двигателей ДБМВ во всех тяжелых и экстремальных условиях эксплуатации.
Опытно-конструкторская работа по двигателям ДБМВ закончена в ноябре 2010 г. Государственной комиссии был предъявлен полный комплект конструкторско-технологической документации на весь ряд двигателей ДБМВ и опытные образцы двигателей габаритов 50 и 185 мм, успешно выдержавшие все испытания, предусмотренные техническими условиями. Двигатели ДБМВ выпускаются с приемкой 5 в OAO «ЛЕПСЕ» (г. Киров).
Сравнительные параметры двигателей ДБМВ
Сравнение параметров двигателей ДБМ и ДБМВ иллюстрируются в табл. 3 на примере двигателя ДБМВ185-16-0,06, опытные образцы которого были предъявлены Государственной комиссии. Параметры этого двигателя взяты из утвержденных технических условий, тогда как для двигателей ДБМ заимствованы с сайта . Двигатели ДБМ и 3ДБМ выбирались по ближайшим значениям частоты вращения при холостом ходе.
Таблица 3. Сравнение параметров двигателей ДБМВ и ДБМ габарита 185 мм.
Параметр | ДБМ185-10-0,04-3 | 3ДБМ185-16-0,09-3 | ДБМВ185-16-0,06 |
Пусковой момент, Нм | 13,0 | 38,0 | 25,2 |
Частота вращения при холостом ходе (средн.), мин -1 | 55,5 | 105 | 55,5 |
Максимальная мощность на валу, Вт | 19 | 104 | 36,6 |
Коэффициент статической добротности, (Н·м)/(кг·√Вт)) | 0,147 | 0,214 | 0,35* |
Электромеханическая постоянная времени, мс | 5,9 | 5,0 | 2,0 |
Электромагнитная постоянная времени, мс | 2,5 | 3,0 | 6,0 |
Число пар полюсов | 8 | 8 | 16 |
Масса двигателя, кг | 9,3 | 9,3 | 5,5 |
Внутренний диаметр ротора, мм | 66 | 66 | 110 |
Материал магнита | Самарий кобальт | Нежебор | Самарий кобальт |
*Примечание: По результатам испытаний Государственной комиссией значение коэффициента 0,41 (Н·м)/(кг·√Вт)).
Данные таблицы показывают, что двигатель ДБМВ имеет по сравнению с двигателем ДБМ коэффициент статической добротности в 2,4 раза выше, а электромеханическую постоянную времени почти в 3 раза меньше при значительно большем внутреннем диаметре ротора. В двигателе 3ДБМ статическая добротность повышена примерно в 1,5 раза, однако, как уже отмечалось, применение таких двигателей не всегда возможно из-за материала магнита. Другими преимуществами двигателей новой серии ДБМВ являются: секционирование фаз трехфазной обмотки, расширение ряда до габарита 240 мм с пусковым моментом выше 200 Нм, более простая технология изготовления и, как следствие, низкая себестоимость.
Сравнительные двигателя ДБМВ185 и близких ему по габариту массе и пусковому моменту встраиваемых двигателей известных иностранных компаний, указаны в табл. 4. Для иностранных компаний данные их сайтов, приведенные в работе [7].
Таблица 4. Сравнение двигателя ДБМВ с иностранными аналогами.
Компания | ЭЛМА-Ко (Россия) | Inland, (США) | Axsys (США) | Moog (США) | Parker (США) | ETEL (Швейца-рия) |
Тип двигателя | ДБМВ 185-10-0,15 | RBE 04512-A | 6000S-440-0.10 | DB9000B-3Y | K254-150-5Y | TMM0175-070-3TAN |
Внешний диаметр, мм | 185 | 180 | 152 | 229 | 254 | 175 |
Внутренний диаметр, мм | 110 | 82.6 | 102 | 92 | 140.5 | 90 |
Масса, кг | 6,0 | 6.80 | 6.69 | 8.5 | 9.1 | 9.4 |
Пусковой момент, Нм | 53,6 | 98.3 | 41.2 | 51.2 | 75.0 | 158 |
Коэффициент статической добротности, Нм/(кг·√Вт) | 0,350 | 0.280 | 0.239 | 0.293 | 0.286 | 0.268 |
Электромеханическая постоянная времени, мс | 2,0 | 1.3 | 2.0 | 1.2 | 2.0 | 0.7 |
Электромагнитная постоянная времени, мс | 10,0 | 6.3 | 1.5 | 2.5 | 12.5 | 7.1 |
Число пар полюсов | 16 | 12 | 16 | 32 | 18 | 22 |
Как следует из этой таблицы, двигатель ДБМВ имеют статическую добротность слегка выше, а электромеханическую постоянную времени – на уровне иностранных аналогов.
Заключение
Трехфазные встраиваемые бесконтактные моментные двигатели серии ДБМВ на напряжение 27 В обладают по сравнению с двигателями широко распространенной серии ДБМ повышенными коэффициентами статической добротности по моменту и меньшими электромеханическими постоянными времени. Это достигнуто переходом от распределенной обмотки статора двигателей ДБМ к сосредоточенной катушечной (зубцовой) обмотке, а также заменой ротора коллекторного типа с тангенциально намагниченными магнитами на ротор типа «звездочка», с магнитами, намагниченными радиально. К другим преимуществам серии ДБМВ относятся: введение дополнительного габарита 240 мм с пусковым моментом более 200 Нм; секционирование фаз, обеспечивающее по желанию потребиразличных схем включения и управления; увеличенный внутренний диаметр ротора до 110 – 169 мм; упрощение технологии и снижение стоимости производства. Основные показатели двигателей серии ДБМ находятся на уровне лучших зарубежных аналогов. Для расширения областей использования моментных двигателей серии ДБМВ целесообразно создание ряда высоковольтных двигателей 2ДБМВ (на 270 – 540 В) и разработка на их основе высококачественных электроприводов с микроконтроллерным управлением. Бесконтактный моментный привод для замкнутых систем автоматического управления / , , и др. // Электротехника, 1986, №2, С.12 – 14. , , Микеров разработки и применения бесконтактного моментного привода. Л.: Знание, 1987. , , Микеров исполнительного электродвигателя для многофункциональных систем автоматического управления. Электротехника, 1988, №8, С.16 – 18. , Микеров и программирование параметров бесконтактного моментного привода. Л.: Знание, 1990. , , Яковлев положения ротора и синхронные тахогенераторы для бесконтактного моментного привода. Электротехника, 1991, №8, С.52 – 55. Демагин машины для непосредственного привода приборных систем. Л.: НПО «Азимут», 1991. , Рубцова моментных двигателей систем автоматического управления по их энергетическим и динамическим показателям // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2010 .№6. С.58-69. Шевченко синхронные машины с дробными q меньше 1 зубцовыми обмотками с возбуждением от постоянных магнитов //Электротехника. 2007. №9. С. 3-9.