§ 6.3. Двигатели с катящимся ротором

Принципиальной особенностью двигателей с катящимся ротором (ДКР), отличающей их от других машин, является эксцентричное расположение ротора в расточке статора. Вращающий момент здесь создается за счет сил одностороннего магнитного притяжения.

Принцип действия ДКР рассмотрим с помощью рис. 6.7, на котором изображен статор с эксцентрично расположенным ротором. Допустим, что обмотка статора создает несимметричное магнитное поле, максимум которого в данный момент приходится на т.А. Несимметричное поле создает силу одностороннего магнитного притяжения, под действием которой ротор будет соприкасаться со статором в той же т. А (рис.6.7,а). По мере вращения магнитного поля сила одностороннего притяжения перемещается по расточке статора с синхронной скоростью. В любой момент времени ее можно разложить на составляющие F_x и F_y (рис. 6.7,б). Видно, что F_Х, притягивая ротор к статору, заставляет его катиться по внутреннему диаметру последнего с синхронной скоростью. Ротор же медленно поворачивается вокруг собственного центра, причем в противоположном направлении. (На рис. 6.7. поле статора повернулось на 45^о против часовой стрелки, а точка р, принадлежащая телу ротора, повернулась по часовой стрелке на угол j_P, который заметно меньше 45^о). Это вращение и является выходным.

Рис. 6.7. К вопросу о принципе действия ДКР

В конечном итоге при повороте поля статора на один оборот (j_C = 2p) ротор повернется на угол, равный разности длин окружностей статора и ротора, деленной на радиус ротора R_Р:

Переходя к частоте вращения и учитывая, что w₁ = 2p, получим

(6.14)

Так как в ДКР (R_С - R_Р)/R_Р << 1, то w₂ существенно меньше w₁, т.е. коэффициент редукции здесь весьма значительный:

(6.15)

В ДКР различают два момента: электромагнитный момент М_ЭМ, вызывающий вращение центра ротора вокруг центра статора со скоростью n₁

(6.16)

и момент М₂, приложенный к ротору и вызывающий медленное вращение ротора вокруг собственного центра со скоростью n₂.

(6.17)

где: F_Т – сила, возникающая в точке касания ротора о статор, равная по значению F_X и противоположно ей направленная.

Выражение М_ЭМ зависит от типа двигателя, электромагнитных нагрузок и способа питания. Для большинства из них

(6.18)

где: М_max - максимальное значение вращающего момента, зависящее от значений магнитного потока статора и эксцентриситета; g - угол между вектором НС статора и продольной осью ротора, под которой понимают линию, проходящую через центр ротора и точку касания ротора и статора.

Двигатели с катящимся ротором могут работать в синхронном и асинхронном режимах. Определяется это соотношением силы трения F_Т в точке касания и составляющей F_X. Если F_Т > F_X, проскальзывание невозможно и ДКР работает в синхронном режиме. В противном случае ротор вращается с проскальзыванием и машина переходит в асинхронный режим.

Несимметричное вращающееся магнитное полет может быть получено различными способами, например, наложением униполярного поля, созданного тороидальной обмоткой постоянного тока, на двухполюсное симметричное вращающееся поле обмотки переменного тока (рис. 6.8,а), или наложением вращающегося двухполюсного поля на вращающееся же четырехполюсное поле (рис. 6.8,б). Этот способ основан на том, что сила одностороннего магнитного притяжения пропорциональна квадрату нормальной составляющей индукции: f ~ B²_n. В ряде современных ДКР несимметричное поле создают с помощью специальных схем обмоток и электронных схем питания их.

Рис. 6.8. Способы получения несимметричного магнитного поля

В настоящее время существует большое количество исполнений ДКР, весьма разнообразных по роду тока, по характеру изменения скорости, по форме обкатываемых поверхностей, по назначению и т.д. На рис. 6.9 показана конструктивная схема ДКР с униполярным возбуждением. Тот факт, что в этом двигателе не ротор катится по статору, а каток ротора катится по катку статора, не меняет сути дела, а лишь повышает надежность машины, поскольку катки можно сделать из износостойкой стали.

На рис. 6.9 обозначено: 1 – корпус; 2 – стальной каток статора; 3 – ферромагнитное кольцо; 4 – тороидальная катушка, питаемая постоянным током и создающая униполярное магнитное поле; 5 – статор с обмоткой, создающей вращающееся магнитное поле; 6 – стальной каток ротора; 7 – магнитопровод, необходимый для замыкания униполярного потока; 8 – сердечник ротора без обмотки.

Достоинства двигателей с катящимся ротором

1)возможность получения очень малых скоростей (коэффициент редукции достигает 1500);

2)хорошее быстродействие (время разгона не превышает 0,01 с);

3)большие пусковые моменты;

4)небольшая кратность пускового тока [(2-3)I_ном];

5)отсутствие подшипников, что обеспечивает работу машины практически без смазки.

Недостатки двигателей с катящимся ротором

1)сложность конструкции звена, обеспечивающего передачу несоосного вращения на вал машины. Требуются механизмы типа кардана, альстома, сешерона;

2)вибрации и шум, обусловленные действием центробежных и аксиальных сил, вызванных несоосным вращением больших масс;

3)неизбежный технологический разброс размеров обкатываемых поверхностей, а следовательно, и разброс выходных скоростей вращения ДКР;

4)сравнительно небольшой срок службы вследствие износа поверхностей катков.

§ 6.4. Двигатели с волновым ротором

Волновые двигатели (ВД) представляют собой конструктивное объединение электрической машины и волновой передачи. Особенностью таких двигателей является гибкий, деформирующийся в радиальном направлении ротор. Одна из возможных конструкций ВД приведена на рис. 6.10.

Здесь обозначено: 1 - корпус; 2 – статор с обмоткой, создающей вращающееся магнитное поле; 3 - жесткий зубчатый венец статора; 4-гибкий зубчатый венец ротора; 5 - ротор, выполненный в виде тонкостенного стакана; 6 - эластичный магнитопровод ротора.

При отсутствии питания ротор имеет правильную цилиндрическую форму. Его зубчатый венец не сцепляется с венцом статора.

При подаче питания на обмотки статора возникает вращающееся магнитное поле, в котором на магнитопровод ротора действуют силы магнитного притяжения

(6.20)

Ротор деформируется, и его зубчатый венец входит в зацепление с венцом статора. Количество точек зацепления равно количеству полюсовмашины (рис. 6.11).

Точки зацепления бегут синхронной скоростью, и гибкий венец катится по поверхности жесткого. При этом он вместе с ротором медленно поворачивается в сторону противоположную вращению поля. Скорость ротора равна

(6.21)

где z_г, z_ж – число зубцов гибкого и жесткого венцов.

Достоинства волновых двигателей похожи на достоинства двигателей с катящимся ротором: 1) большие вращающие моменты при относительно малой массе; 2) высокие значения момента самоторможения и практически отсутствие выбега; 3) способность к частым пускам и реверсам.

Недостатком ВД следует считать сложность конструкции и технологии изготовления эластичного ротора.

Далее...