Обратимость электрических машин углового движения

Неоспоримым достоинством электрических машин, позволяющим повысить энергетическую эффективность мехатронной системы в целом, является их обратимость. Под обратимостью понимается возможность работы любой электрической машины как в двигательном режиме, так и в режиме генератора. В двигательном режиме электрическая машина потребляет электроэнергию из сети и преобразует ее в механическую, а в генераторном режиме наоборот – подводимую к валу двигателя механическую энергию преобразует в электрическую и отдает ее в питающую сеть.

Так, в качестве примера, рассмотрим движение транспортного средства, имеющего электрический привод на участке в гору и с горы (рис. 1.18). При подъеме необходимо затратить энергию для преодоления сил трения качения между его колесами и поверхностью дороги, а также изменение потенциальной энергии, вызванной подъемом массы на высоту

. (1.45)

При спуске произойдет обратное изменение величины потенциальной энергии и выражение (1.45) примет вид

. (1.46)

В результате величина энергии, затраченной транспортным средством после преодоления горы, составит

. (1.47)

Избыток энергии при спуске может быть преобразован механическими тормозами в тепло, и тогда величина затраченной электроэнергии с учетом к.п.д. η транспортного средства как мехатронной системы составит

(1.48)

или, при преобразовании избытка энергии обратно в электрическую и возвращении ее в сеть, а также с учетом, что

(1.49)

составит

. (1.50)

В выражении (1.49): – масса транспортного средства; – ускорение свободного падения; – высота горы.

Рис. 1.18. К пояснению принципа повышения энергетической эффективности транспортной мехатронной системы при возможности работы исполнительного электродвигателя в генераторном режиме

При каких же условиях электрическая машина перейдет из двигательного режима работы в генераторный? Ответ следует из анализа механических характеристик электрических машин, приведенных ранее на рис. 1.10, 1.15 и 1.17.

Механическая энергия на валу двигателя, определяемая как

, (1.51)

может изменить свое направление при изменении знака момента или скорости, что происходит, например, при пересечении механической характеристики любого двигателя через ось абсцисс (см. рис. 1.19). Справа от этой оси машина работает как двигатель, слева – как генератор. Та же ситуация имеет место при пересечении механической характеристики оси ординат. Электрическая машина меняет направление вращения при неизменном направлении момента и переходит из двигательного режима (выше оси ординат) в генераторный (ниже оси ординат). Следовательно, в первом и третьем квадранте механических характеристик электрическая машина работает как двигатель, а во втором и четвертом – как генератор.

При подъеме транспортного средства исполнительный электродвигатель, работая на выделенной механической характеристике, развивает момент и вращается со скоростью (рабочая точка А). Пройдя вершину горы, под действием силы тяжести, транспортное средство начнет разгоняться. Рабочая точка при этом переместится по действующей механической характеристике из точки А в точку В. При этом момент на валу двигателя изменит свое направление, а сам электродвигатель перейдет из двигательного режима работы в генераторный.

Следует отметить, что для того чтобы передать электроэнер­гию от двигателя в сеть необходимо также обеспечить соответст­вующий режим работы силового преобразователя мехатронной сис­темы (см. рис. В.3).

 

Линейный электродвигатель

Линейный двигатель реализует поступательное движение независимого звена – ротора. Передача энергии осуществляется между статором и этим независимым звеном посредством электромагнитного поля через воздушный зазор. Понимание принципа работы линейного двигателя может быть пояснено следующим условным преобразованием конструкции двигателя углового вращения (см. рис. 1.20). В результате продольного разреза статора и ротора (рис. 1.20, б) и их развертки в прямую линию (рис. 1.20, в) угловое движение преобразуется в линейное движение уже “независимого” ротора, т.е. становится поступательным. Можно также осуществить и обратную свертку двигателя (рис. 1.20, г) только уже относительно его поперечной оси, что приведет к появлению линейного двигателя другого типа. Таким образом, любой линейный двигатель состоит из двух основных элементов – неподвижного электромагнитного статора и независимого подвижного ротора.

Для увеличения мощности на один рабочий орган может устанавливаться несколько линейных двигателей.

Основными достоинствами систем с линейными двигателями являются:

- максимально высокие показатели точности (до 0,01 мкм) и повторяемости;

- способность создавать большие подающие усилия (до 50 кН) и, как следствие этого, возможность развивать значительные ускорения (до 20·g), в том числе и под нагрузкой;

- компактность, легкость и надежность конструкции исполнительного привода в целом (отсутствуют преобразователи движения и прочие механические элементы);

- низкие уровни шума и вибрации;

- удобство монтажа и простота в обслуживании.

Для управления линейными двигателями используют преобразователи частоты.