9.3. Волновые микродвигатели

Синхронные волновые микродвигатели представляют собой конструктивное объединение электрической машины и волновой зубча­той передачи. Особенность конструкции таких двигателей заключает­ся в том, что они имеют гибкий, деформирующийся в радиальном направлении ротор, непосредственно на поверхность которого кре­пится гибкий зубчатый венец волновой передачи.

Электромашинная часть волнового двигателя создает вращающий момент и является электромагнитным генератором механических волн деформации для волновой передачи.

Конструкцию и принцип действия синхронного волнового дви­гателя рассмотрим на примере машины реактивного типа.

На рис. 9.8 изображена схема конструкции синхронного волно­вого реактивного двигателя с радиально-осевым замыканием магнит­ного потока. В корпусе 1 укреплены П-образные ферромагнитные сердечники 2 статора. На сердечниках расположены сосредоточенные катушки 3, образующие двух– или трехфазную обмотку переменного тока, предназначенную для создания в воздушном зазоре вращающегося магнитного поля. Жесткий зубчатый венец 8 волновой передачи закреплен на внутренней поверхности статора. Ротор 4 представляет собой гибкий тонкостенный стакан, выполненный из металла или пласт­массы и укрепленный на выходном валу 9. На внешней поверхности ротора крепится гибкий зубчатый венец 7 волновой передачи. Внут­ренний магнитопровод состоит из отдельных ферромагнитных секто­ров 5, которые могут перемещаться в радиальном направлении и дефор мировать ротор. К внутренней поверхности ротора они прижимают­ся центрирующими эластичными кольцами 6.

Рис. 9.8. Схема конструкции синхронного волнового микродвига­теля

реактивного типа с радиально-осевым замыканием магнитно­го потока

При подаче переменного напряжения на обмотки статора в воздушном зазоре создается вращающееся с угловой частотой магнитное поле Ф_С. Первая гармоника индукции этого поля при числе пар полюсов обмотки р = 1 изображена на рис. 9.9, а. В поле на секторы внутреннего магнитопровода действуют силы электромагнитного притяжения к статору. Эпюра сил электромагнитного притяжения f_эм также изображена на рис. 9.9, а.

а б в

Рис. 9.9. Распределение индукции и сил притяжения вдоль окружности

ротора волнового двигателя

Секторы смещаются в радиальном направлении, деформируя ротор и находящийся на нем гибкий венец волновой пере­дачи (рис. 9.10). Зубцы гибкого венца входят в зацепление с зуб­цами жесткого венца, расположенного на статоре. Число волн v механической деформации ротора в двигателях реактивного типа равно числу полюсов (v = 2p).

Волны механической деформации ротора вращаются синхронно с полем со скоростью , и гибкий венец катится по поверхности жесткого. В волновой передаче происходит редуцирование частоты вращения, и гибкий венец вместе с ротором мед­ленно вращается относительно своей оси в сторону, противоположную полю, с постоянной частотой

,

где – коэффициент редукции волновой передачи;

Z_Ж и Z_Г – число зубцов соответственно жесткого и гибкого венцов, причем Z_Ж > Z_Г.

Рис. 9.10. Деформация ротора волнового двигателя

При деформации ротора в двигателе возникает неравенство воз­душных зазоров по продольной d и поперечной q осям, а значит, и неравенство магнитных и индуктивных сопротивлений по этим осям. Как известно, при этих условиях в машине создается реактивный вращающий момент. Без учета активного сопротивления обмотки статора уравнение реактивного момента

,

где – угол между осью пространственной волны напряжения статора и поперечной осью q деформированного ротора.

Величина угла , как у всех синхронных машин, зависит от момента сопротивления.

Максимальное значение реактивного момента пропорционально разности индуктивных сопротивлений Х_d и Х_q. В волновом двигателе эта разность зависит от степени дефор­мации ротора:

,

где а – максимальное значение радиальной деформации;

δ – средний воздушный зазор.

В волновой передаче происходит редуцирование (повышение) момента на валу двигателя:

,

где – КПД волновой передачи и подшипников.

Волновой микродвигатель индукторного типа можно выполнить по той же конструктивной схеме, что и реактивный (см. рис. 9.8), разместив на сердечниках 2 дополнительные обмотки постоянного тока, которые будут создавать униполярный поток подмагничивания. Волновые двига­тели индукторного типа за счет взаимодействия вращающегося поля и поля подмагничивания развивают больший, чем реактивные, момент. Кроме того, они имеют лучшие энергетические показатели. У них, в отличие от реак­тивных, число волн деформации равно числу пар полюсов (v = p). Это наглядно подтверждают графики индукции и сил при­тяжения на рис. 9.9, б, в. По­этому, чтобы сохранить динамическую уравновешенность рото­ра, необходимо выполнять вол­новые двигатели индукторного типа с числом пар полюсов р > 2.

На рис. 9.11 показана схема конструкции синхронного вол­нового реактивного микродвига­теля с радиальным замыканием магнитного потока. Статор имеет классическую для машин пере­менного тока конструкцию: шихтованный цилиндрический сердечник 1 с многофазной обмоткой 2, создающей вращающееся магнитное поле Ф_с. Жесткий зубчатый венец 3 укреплен на поверхности статора. Гибкий зубчатый венец 4 находится на поверхности гибкого деформирующегося ротора 5. Внутренний магнитопровод 6 представляет собой упругое гибкое кольцо, навитое из ленты пермаллоя. Он служит для замыкания магнитного потока вдоль окружности ротора и деформации ротора под действием сил притяжения к статору.

Рис. 9.11. Схема конструкции синхронного волнового микродвигателя

реактивного типа с радиальным замыканием магнитного потока

Волновые двигатели имеют хорошие динамические характеристики. Время пуска микродвигателей с номинальной частотой питания f = 50 Гц достигает 3-4 мс. Ротор имеет довольно малый момент инерции, вращается с низкой скоростью и быстродействие двигателя зависит в основном не от кинетической энергии вращения ротора, а от величины кинетической энергии перемещающихся в радиальном на­правлении масс деформирующегося ротора. Это значит, что время пуска определяется практически временем деформации ротора до зацеп­ления венцов волновой передачи. При отключении напряжения питания волна деформации исчезает очень быстро, и ротор останав­ливается практически без выбега. В волновых двигателях при числе волн деформаций v > 2 вращающиеся массы динамически уравнове­шены, что обеспечивает более низкий уровень вибрации, чем у двига­телей с катящимся ротором. Недостатком волновых микродвигателей является сложность конструкции и технологии изготовления, связанная в основном с тре­бованием обеспечения необходимой эластичности ротора. Энергетические и весовые показатели волновых двигателей невысоки, осо­бенно у двигателей реактивного типа, вследствие больших немагнит­ных зазоров на пути магнитного потока и особенностей конструкции внешнего и внутреннего магнитопроводов.

Существенное преимущество всех рассмотренных микродвигате­лей заключается в отсутствии быстровращающихся частей и подшип­ников, что значительно повышает их надежность. Например, гарантируемый срок службы синхронных редукторных микродвигателей (серия ДСР) в три-четыре раза больше, чем у синхронных микродвигателей с механическими редукторами, обеспечивающих одинаковую скорость вращения выходного вала (серия ДСД).

КПД и вес на единицу развиваемой мощности у рассмотренных микродвигателей сильно зависят от реализуемого коэффициента редуцирования скорости. Чем больше коэффициент редуцирования, тем хуже эти показатели. Например, у серии синхронных микродвигателей с катящимся ротором при одних габаритах и частоте f = 50 Гц (частота вращения поля 3000 об/мин) с изменением номинальной частоты вращения ро­тора от 2 до 200 об/мин мощность меняется примерно от 0,4 до 22 Вт, а КПД от 0,7 до 36%. Синхронные редукторные микродвигатели индукторного типа мощностью порядка 1 Вт при частоте f = 50 Гц и коэффициенте редукции 10-30 имеют КПД 5-8%.

Коэффициент мощности у индукторных микродвигателей достигает 0,7-0,85, а при конденсаторной схеме включения 0,95.

Низкая частота вращения, большой вращающий момент и вы­сокие динамические показатели волновых микродвигателей и микродвигателей с катящимся ротором способствуют их применению для привода различных точных механизмов (нониусы копировальных станков, часовые устройства и т. д.), а также в электромеханических манипуляторах систем дистанционного управления (вакуумные, радиационные установки и т. п.).