Из истории создания прямого электропривода с моментными двигателями

Александр Микеров,
д. т. н., проф. каф.
систем автоматического управления
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Сравнительно новый термин «прямой электропривод» означает такой привод, в котором ротор электродвигателя встроен прямо (непосредственно) во вращающуюся часть объекта управления. Этот подход позволяет устранить такую сложную, дорогостоящую и шумную часть обычного электропривода, как механический редуктор — с его кинематической ошибкой, люфтом и упругими деформациями, существенно сокращающими срок службы, а также понижающими надежность и точность систем управления. Подобные приводы появились еще в середине XIX в., были усовершенствованы после Второй мировой войны и в настоящее время широко применяются в роботах, станках, прецизионных системах наведения и автоматического управления [1, 2, 3, 4].

В показанных на рис. 1 в качестве примера приводах поворотного стола (1) на подшипниках (2) традиционный электропривод (а) содержит электродвигатель (3), поворачивающий стол через механический редуктор (4) и выходную зубчатую пару (5). Положение стола определяется датчиком угла (6), а электродвигатель — в случае если он бесколлекторный — снабжен датчиком положения ротора (7) [5, 6]. В прямом приводе (называемом раньше безредукторным) (б) со встроенным двигателем (3) доста­точно всего одного датчика угла (6), служащего также и датчиком положения ротора в бесколлекторном электродвигателе.

Рис. 1. Приводы:
а) редукторный;
б) прямой

Первый прямой электропривод был создан шотландским предпринимателем Робертом Дэвидсоном (Robert Davidson) (рис. 2). После окончания школы он успешно занимался производством дрожжей и парфюмерии [7], а свободное время посвящал увлечению электричеством и в 1837 г. изобрел первый индукторный электродвигатель, работавший по принципу притяжения мягкого железа к электромагниту [7].

Рис. 2. Роберт Дэвидсон (1804–1894)

Четыре подобных электродвигателя суммарной мощностью 1 л. с. были установлены в 1842 г. прямо на валах повозки весом 5 т, развивавшей скорость до 4 миль/ч на железнодорожной линии Эдинбург — Глазго (рис. 3). При этом каждый индукторный двигатель содержал деревянный вал (1) с полосами из мягкого железа (2) на осях колес, катящихся по рельсам, и два электромагнита статора (3), подключавшихся поочередно к гальваническим батареям (4) механическим коммутатором (датчиком положения ротора) (5).

Рис. 3. Повозка Дэвидсона

В дальнейшем для электротяги на железной дороге, внедрявшейся с конца XIX в., стали применять преимущественно коллекторные двигатели постоянного тока, в том числе и с прямым приводом: один из его примеров показан на рис. 4, где отмечены статор (1) двигателя с обмоткой (2), ротор (3) и щеточно-коллекторный узел (4) [8].

Рис. 4. Железнодорожный прямой привод (Германия)

В целом любой электродвигатель постоянного или переменного тока может быть сконструирован так, чтобы его номинальные момент и скорость соответствовали требуемым параметрам объекта управления. Такой двигатель обычно называется моментным. Однако, к сожалению, важнейшие показатели (момент, мощность, КПД и др.) всех известных науке электродвигателей оптимальны для скорости 1–10 тыс. об/мин, снижение которой сопровождается резким повышением массы двигателя. Например, для двигателей постоянного тока большой мощности (составляющей тысячи кВт) снижение номинальной скорости 1000 об/мин в 30 раз повышает массу в 7 раз [9]. Для двигателей малой мощности (в единицах Вт) отмечается аналогичный пропорциональный рост массы по мере снижения номинальной скорости. Таким образом, наличие редуктора в обычном электроприводе вполне оправданно.

Исходя из этого, для реализации прямого привода пришлось прежде всего решить проблему снижения массо­габаритных характеристик двигателя, что было достигнуто двумя путями — применением сверхмощных постоянных магнитов и конструированием многополюсных машин [4, 9].

Рассмотрим для примера простейший бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, показанный на рис. 5, включающий ротор (Р) с постоянным магнитом и двухфазную обмотку якоря на статоре (С) в виде двух взаимно перпендикулярных витков (или катушек, называемых также фазами), подключаемых через электронный коммутатор (ЭК) (с питающим напряжением u_CC), и управляемый датчиком положения ротора (ДПР) [6].

Рис. 5. Бесколлекторный электродвигатель

Вращающийся момент такого двигателя определяется известным законом Ампера M = k Ф_s Ф_r sinq, где k — конструктивный параметр, а q — магнитный угол между потоком статора Ф_s, направленным вдоль оси витка, и потоком ротора Ф_r, действующим вдоль оси магнита [6]. В данном случае запитан вертикальный виток, т. е. q = 90 ° и вращающий момент максимален.

Первый способ повышения момента такого двигателя — применение более мощных постоянных магнитов — был реализован в конце XX в. в ходе так называемой магнитной революции. На рис. 6 (Е — магнитная энергия, кДж/м³) [4] видно, что, начав с простейших кобальтовых магнитов Co и самых распространенных в 1950-х гг. магнитов AlNiCo, всего за 30 лет магнитная энергия для редко­земельных магнитов SmCo₅ и NdFeB возросла почти вчетверо.

Рис. 6. Магнитная революция

В многополюсном двигателе на роторе устанавливается не один, а несколько постоянных магнитов (иногда до 100), полюса которых чередуются, например для четырех полюсной машины по схеме N-S-N-S [5, 9]. При одной и той же линейной скорости на поверхности ротора его угловая скорость снижается соответственно числу пар полюсов, т. е. машина становится тихоходной. Спроектированные таким образом моментные электродвигатели, развивающие момент до десятков тысяч Нм, отличаются от обычных плоской (блинообразной) и бескорпусной конструкцией с диаметром до 1 м и отверстием в центре (современные двигатели такого типа будут показаны ниже) [5].

Чтобы достичь высокой точности и плавности работы такого привода (для чего, собственно, они и создаются), эти двигатели должны обладать еще и минимальными пульсациями момента по углу поворота — в долях процента. Если взять простейший бесколлекторный двигатель, приведенный на рис. 5, то при поочередной коммутации витков пульсация его момента M по углу поворота ротора j будет достигать 21%, как показано на рис. 7 [4]. Причина такого непостоянства вращающего момента заключается в том, что по мере непрерывного поворота ротора и его магнитного потока F_r изменяется его магнитный угол q относительно магнитного потока статора F_s, который перемещается только шагами — переключением датчика положения ротора ДПР (рис. 5). Это и приводит к пульсации момента, согласно представленному выше закону Ампера.

Рис. 7. Пульсация момента бесколлекторного двигателя

Непрерывное равномерное вращение вектора магнитного потока статора F_s, при котором q = const, достигается при реализации концепции вращающегося магнитного поля, предложенной знаменитым итальянским профессором физики Галилео Феррарисом (Galileo Ferraris) в 1888 г. (рис. 8) [10]. Он прожил короткую жизнь, но стал для европейцев отцом трехфазного тока. Феррарис родился на севере Италии и после окончания Туринского университета стал профессором Политехнического архивного музея (Museo Archivio Politecnico), где изучал трансформаторы, многофазные цепи, линии передачи переменного тока, а также оптические приборы.

Рис. 8. Галилео Феррарис (1847–1897)

Согласно этой концепции равномерно вращающееся поле статора в двухфазной электрической машине, которое можно изобразить в виде вектора магнитного потока статора Ф_s (рис. 5), возможно лишь при питании фаз двумя гармоническими напряжениями, сдвинутыми на 90°, для формирования которых потребуются, например, аналоговый синусно-косинусный датчик положения ротора и линейный усилитель взамен электронного коммутатора.

Достаточно очевидно, что вращающееся магнитное поле обеспечивается и в трехфазной электрической машине при сдвиге фазных напряжений на 120°. Применительно к бесколлекторному двигателю такое решение было впервые предложено видным советским ученым профессором Давидом Вениаминовичем Свечарником в авторском свидетельстве об изобретении от 1944 г., опубликованном из соображений секретности лишь в 1965 г. [11]. Биографические данные о Свечарнике весьма скудны [12]. Известно, что он родился в Бессарабии в 1910 или 1912 г., умер ориентировочно после 1998 г., учился в Одесском политехническом институте, затем работал в знаменитом Всесоюзном электротехническом институте и НИИ «Теплоприбор», был заведующим кафедрой Московского института железнодорожного транспорта и автором 150 изобретений, в том числе бесконтактного сельсина и различных видов электродвигателей.

В бесколлекторном двигателе Свечарника 1944 г. был применен единственный известный тогда аналоговый датчик — сельсин — для дистанционной передачи угла поворота, запатентованный фирмой Siemens в 1896 г. и использованный для механизации шлюзов при строительстве Панамского канала, а также для орудийной наводки во время Второй мировой войны [4, 13]. Для такой передачи необходимы два сельсина — датчик (СД) и приемник (СП) (рис. 9). У сельсинов предусмотрены однофазная обмотка статора (во внешнем кольце), подключенная к питающей сети переменного тока, и трехфазные обмотки ротора (во внутреннем кольце), соединенные между собой. Благодаря этому ротор приемника СП поворачивается вслед за ротором датчика СД, что позволяет передавать угловое положение вала датчика на значительное расстояние.

Рис. 9. Сельсинная передача

В изобретении Свечарника, показанном на рис. 10, использован синхронный двигатель СД с трехфазной обмоткой якоря ОЯ на статоре и обмоткой возбуждения ОВ на роторе, запитанной постоянным током и действующей аналогично постоянному магниту. На валу двигателя СД установлен датчик положения ротора ДПР в виде сельсина, обмотка ротора ОР которого запитана переменным током, а фазы обмотки статора ОС подключены к соответствующим фазам двигателя СД через трехканальный усилительный фазочувствительный выпрямитель УВ, формирующий систему трехфазных напряжений, сдвинутых на 120° и обеспечивающих создание вращающегося магнитного поля [11].

Рис. 10. Электродвигатель Свечарника

Бесколлекторные двигатели, построенные по схеме Свечарника c гармоническими фазными напряжениями, стали называться — в отличие от бесколлекторных двигателей постоянного тока — вентильными [4, 14]. Они обеспечивают создание равномерного кругового вращающегося поля двигателя и постоянного вращающегося момента с минимальными пульсациями. Сегодня в вентильных двигателях в качестве ДПР используются абсолютные кодовые датчики (энкодеры) и электронные преобразователи, формирующие вращающееся магнитное поле любой формы [5].

Серийное производство моментных двигателей для прямого привода было начато в 1948 г. американской компанией Inland Motors (теперь это отделение Kollmorgen Corp.) [2, 4]. Эти двигатели были коллекторными и содержали три узла — статор (1) с постоянными магнитами, ротор (2) и щеточно-коллекторный узел (3) (рис. 11).

Аналогичные двигатели выпускались компаниями Clifton, Kearfott, Sierracin Magnedine и др. Однако из-за известных недостатков коллекторных машин, таких как низкая надежность и малый срок службы, взрыво- и пожароопасность, электромагнитные помехи, загрязнение окружающей среды, низкая механическая стойкость и т. д., к 1980-м гг. большинство моментных двигателей стали бесколлекторными с постоянными магнитами на роторе.

В СССР московским заводом «Машиноаппарат» был также разработан ряд моментных двигателей серии ДБМ диаметром до 185 мм, серийное производство которых началось в 1984 г. [2, 3, 4]. Прежде всего их стали применять в бесконтактном моментном приводе бортовой аппаратуры, например ленинградского НПО «Ленинец», показанном на заставке к статье и рис. 12, со статором (1) и ротором (2) двигателя ДБМ, датчиком положения ротора (3) типа редуктосин и транзисторным преобразователем (4).

Рис. 12. Элементы бесконтактного моментного привода

Таким образом, продолжая свою экспансию, электроника успешно теснит важнейший узел механики — редуктор электропривода.

• Прямой привод впервые появился в 1842 г. — в виде индукторного моментного электродвигателя для железной дороги, построенного Дэвидсоном.
• После Второй мировой войны стали применяться коллекторные моментные двигатели постоянного тока, которые постепенно заменялись бесколлекторными с синхронными машинами на постоянных магнитах.
• Высокая точность и плавность прямого привода были достигнуты благодаря концепции вращающегося магнитного поля, предложенной Феррарисом в 1888 г. и реализованной Свечарником в вентильном двигателе в 1944 г.