Роторный асинхронный двигатель: Трехфазный асинхронный двигатель

Содержание

принцип работы, устройство и сферы применения асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель (АД) с фазным ротором представляет собой многофункциональную силовую установку, которая поддерживает регулировку с помощью внесения в роторную цепь добавочных сопротивлений. От классических моделей с короткозамкнутым ротором агрегат отличается более высоким пусковым моментом и низким пусковым током. Классификация устройств осуществляется с учетом их свойств и конструкции.

  • Общая информация
  • Технические характеристики
  • Устройство и конструкция
  • Принцип работы
  • Плюсы и минусы
  • Сферы применения

Общая информация

Чтобы понять, как работает асинхронный двигатель с фазным ротором, необходимо внимательно изучить особенности его пуска. При запуске установки ее ротор параллельно переходит из состояния покоя в медленное и равномерное вращение. При этом система уравновешивает момент сил сопротивления посредством собственного вала.

Во время запуска начинается усиленное потребление энергетических ресурсов, что связано с преодолением тормозного момента и компенсацией потерь внутри силовой установки. Нередко параметры начального пускового момента далеки от требуемых, поэтому асинхронный двигатель не способен перейти в режим полноценной работы. В таком случае ускорение приостанавливается, а постоянное воздействие чрезмерного тока приводит к перегреву внутренних узлов установки.

По этой причине частота запусков двигателя ограничивается несколькими включениями. Если агрегат работал от электрической сети с низкой мощностью, тогда подобное явление может снизить общее напряжение и нарушить работу других приборов, присоединенных к этой линии.

Наличие в роторной цепи пусковых резисторов снижает показатели электрического тока, но при этом поднимает начальный пусковой момент, пока он не достигнет пиковой отметки. Запуск силовой установки бывает легким, нормальным или тяжелым.

В зависимости от этого фактора можно определить оптимальные параметры сопротивления резисторов.

После успешного запуска остается поддерживать стабильный вращающий момент на этапе разгона ротора, что сократит продолжительность перехода из спокойного состояния в стадию вращения и снизит вероятность нагрева. Для этого необходимо уменьшить показатели сопротивления резисторов.

Переключение разных резисторов происходит из-за подключения контакторов ускорения в последовательном порядке. Отключать двигатель от электрической сети можно только при накоротко замкнутой роторной цепи. Если это требование проигнорировать, то появится риск существенного перенапряжения в обмоточных фазах статора.

Технические характеристики

Существуют установленные требования, гарантирующие качественную работу асинхронных двигателей с фазным ротором. От них зависят базовые параметры и характеристики системы, включая:

  1. Размеры и мощность установки, соответствующие техническому регламенту.
  2. Защиту от внешних воздействий. Ее степень определяется окружающими условиями, в которых будет расположена машина. Дело в том, что одни установки предназначаются для работы внутри помещения, в то время как другие способны функционировать и на улице. К тому же доступные на рынке агрегаты отличаются климатическими особенностями. Например, существуют двигатели, которые выдерживают экстремальный холод или, наоборот, сильную жару. В зависимости от условий использования они обладают характерным исполнением и защитой.
  3. Степень изоляции. Асинхронные двигатели с фазным ротором должны быть устойчивыми к высоким температурным показателям и возможным нагревам внутренних механизмов. Для предотвращения воспламенений их защищают специальными изоляционными слоями.
  4. Соответствие установленным стандартам и режимам функционирования.
  5. Наличие мощной охладительной системы, которая соответствует рабочему режиму двигателя.
  6. Уровень шума во время запуска на холостом ходу. Он соответствует второму классу или ниже.

Устройство и конструкция

Желая купить асинхронный электродвигатель с фазным ротором, необходимо хорошо разбираться в его устройстве и конструкционных особенностях. В первую очередь нужно знать, что к основным частям установки относятся статор, который является неподвижным, и ротор — вращающийся механизм внутри статора. Между обоими элементами расположен воздушный зазор, а их поверхность покрыта специальной обмоткой.

Обмотка статора подключена к электрической сети с переменным напряжением, которое передается на обмотку ротора. Взаимодействие узлов обусловлено магнитным потоком.

Что касается корпуса статора, то в качестве него используется корпус двигателя, внутри которого расположен запрессованный сердечник. В последнем находятся проводники обмотки, защищенные от замыкания изоляцией. Обмотка сердечника состоит из нескольких секций, заключенных в катушки.

В роторе установлены вал и сердечник из набранных пластин. Последний элемент создается на основе высокотехнологичной стали и обладает симметричными пазами с проводниками. При работе вал ротора передает крутящий момент к приводу установки. В зависимости от типа ротора выделяют две разновидности двигателей:

  1. С короткозамкнутым ротором.
  2. С фазным ротором.

В первом типе роторов присутствуют алюминиевые стержни, которые находятся внутри сердечника и замкнуты на торцах кольцами. Их также называют «беличьим колесом». Обычно пазы установки обрабатываются алюминием, что повышает их прочность.

Фазный ротор асинхронного двигателя существенно отличается от предыдущей разновидности. Число катушек, установленных под конкретным углом, в таких моделях определяется количеством парных полюсов. При этом пары полюсов в роторе такого типа всегда сопоставимы с аналогичными статорными парами.

Принцип работы

Изучив устройство АД с фазным ротором и его запуск, можно приступать к более подробному рассмотрению работы такой установки. Её можно разделить на несколько пунктов:

  1. На статор с тройной обмоткой подается трехфазное напряжение от электрической сети с переменным током.
  2. Затем начинается образование магнитного поля, которое приводит к вращению ротора. По мере ускорения вращательных движений скорость оборотов ротора существенно растет.
  3. По достижении определенных показателей отдельные линии полей обоих узлов пересекаются, что вызывает появление электродвижущей силы. Она воздействует на роторную обмотку, за счет чего в ней формируется электрический ток.
  4. В определенный момент времени между магнитным полем статора и током в роторе начинается взаимодействие, образующее крутящий момент. Именно за счет него и осуществляется работа асинхронного двигателя.

Плюсы и минусы

В последнее время асинхронные агрегаты пользуются большой популярностью. Она связана с массой преимуществ, которыми они обладают. В их числе:

  1. Высокие значения при начальном вращающем моменте.
  2. Способность принимать любые механические перегрузки без существенного изменения КПД или нарушения стабильной работы установки. Даже если в системе возникают разнообразные перегрузки, агрегат продолжает функционировать с заданной скоростью и практически не отклоняется от базового режима.
  3. Сниженный пусковой ток. В отличие от других асинхронных моделей, например, с короткозамкнутым ротором, у этих двигателей сравнительно низкие показатели пускового тока.
  4. Возможность полной автоматизации работы.
  5. Простота конструкции.
  6. Простая схема запуска.
  7. Сравнительно невысокая цена.
  8. Отсутствие необходимости сложного и дорогостоящего обслуживания.

Кроме множества плюсов у двигателей этого типа имеются и недостатки. К ключевым минусам относят довольно крупные габариты, из-за которых монтаж и дальнейшая эксплуатация системы усложняются, а также сниженный КПД по сравнению со многими аналогами.

По последнему показателю устройства с короткозамкнутым ротором более продуктивные.

Сферы применения

В настоящее время многие промышленные двигатели являются асинхронными. Их популярность обусловлена вышеперечисленными плюсами и доступностью. Сферы применения таких агрегатов очень обширные, поэтому их активно используют для работы автоматизированных устройств из телемеханической сферы, бытового и медицинского оборудования и звукозаписывающих установок. Асинхронный двигатель — это полезное изобретение нынешнего времени, которое упрощает жизнь человека и обеспечивает хороший КПД при минимальных затратах электроэнергии.

Чем отличается синхронный двигатель от асинхронного

Для того чтобы заставить электричество совершать полезную работу, электрическую энергию необходимо преобразовать в механическую.

Для этого в промышленных электрических сетях переменного тока применяются электродвигатели двух типов — асинхронные (АД) и синхронные (СД).

Машины обоих типов имеют схожие конструктивные черты:

  • оба типа машин состоят из неподвижного статора и вращающегося ротора;
  • основу статора электродвигателей обоих типов составляет электромагнитная система (стальной сердечник с обмотками), заключённая в корпус из немагнитного материала;
  • обмотки статора, подключенные к промышленной электросети, создают электромагнитное поле с круговым периодическим изменением вектора напряжённости.

Примечание.

Применительно к синхронному статор чаще именуется якорем, а ротор — индуктором. Между этими понятиями существует смысловая разница.

Определения статор и ротор применяются соответственно к неподвижной и подвижной части машины. Наименования якорь и индуктор имеют функциональное значение и применяются к машинам постоянного тока и синхронным.

В ГОСТ 27471-87 якорь определён как часть электродвигателя, в обмотке которой протекает ток нагрузки, а индуктор как ротор или статор синхронной машины с обмоткой возбуждения или постоянным магнитом.

То есть в общем случае, как статор, так и ротор могут быть и якорем и индуктором. Но поскольку исполнение синхронного со статором – индуктором и ротором – якорем можно отнести к исключениям, такие редкие конструкции в описаниях обычно не рассматривают.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОТЛИЧИЯ АСИНХРОННОГО И СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЕЙ

Основные различия заключаются в конструкции роторных обмоток и принципе возникновения вращающего момента.

Асинхронный двигатель.

Роторная обмотка АД может быть замкнутой накоротко («беличья клетка»), либо через подключаемые дополнительные сопротивления, находящиеся вне двигателя.

Первый тип называют «электродвигателем с короткозамкнутым ротором», второй — «с фазным ротором». Дополнительные сопротивления в фазной роторной обмотке служат для облегчения запуска, по завершении которого шунтируются.

Блок сопротивлений соединяется с обмоткой фазного ротора скользящими контактами коллекторного механизма. Асинхронный двигатель с «беличьей клеткой» не имеет коллектора.

При подаче напряжения на обмотку статора, создаётся круговое магнитное поле, вращение которого вызывает появление ЭДС индукции и соответственно, ток в стержнях «беличьей клетки».

По закону Ампера на каждый стержень с током в магнитном поле статора действует сила, направленная перпендикулярно стержню, то есть, по касательной к поверхности ротора, которая и создаёт вращающий момент.

ЭДС индукции и ток в обмотке ротора возникают только при различии частоты, с которой вращается вал двигателя и магнитное поле статора.

Поэтому в асинхронном двигателе частота вращения поля всегда больше частоты вращения вала двигателя. Отсюда и название — асинхронный двигатель.

Синхронный двиратель.

На индукторе синхронного двигателя переменного тока располагается обмотка возбуждения, которая питается от стороннего источника постоянного тока через коллекторный механизм.

Для облегчения запуска электродвигателя на его роторе также располагается короткозамкнутая «беличья клетка», которую называют демпферной обмоткой.

Круговое поле статора вызывает появление силы Ампера, действующей на обмотку возбуждения. Но поскольку ток возбуждения СД не зависит от магнитного поля статора, а создаётся внешним источником, его индуктор раскручивается до частоты вращения поля. Поэтому двигатель называется синхронным.

Пуск производится с помощью демпферной обмотки в асинхронном режиме, обмотка возбуждения при этом отключена. Когда частота вращения достигает асинхронной, подаётся ток возбуждения и частота возрастает до синхронной величины.

РАЗНИЦА В ПРИМЕНЕНИИ

Синхронные двигатели в отличии от асинхронных имеют более сложную конструкцию и высокую цену, но обладают улучшенными эксплуатационными характеристиками:

  • частота вращения более стабильна и не имеет ярко выраженной зависимости от нагрузки на валу и уровня сетевого напряжения;
  • более высокая перегрузочная способность;
  • двигатели с автоматическим регулированием тока возбуждения способны поддерживать оптимальное напряжение в сети.

Асинхронные потребляют наряду с активной большой объём реактивной энергии, которая транспортируется по линиям вместе с активной составляющей, увеличивая потери.

В крупных узлах потребления это приводит к дефициту реактивной мощности и значительной посадке напряжения. В этом случае используют батареи конденсаторов или синхронные компенсаторы, вырабатывающие реактивную мощность.

Применение СД вместо АД решает эту проблему, так как синхронные двигатели могут работать в широком диапазоне значений cos⁡ φ, не только не потребляя реактивную мощность, но и отдавая её в электрическую сеть.

  *  *  *

© 2014-2022 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Разница между линейным асинхронным двигателем и роторным асинхронным двигателем — Новости

Разница между линейным асинхронным двигателем и роторным асинхронным двигателем разница. Просто получите механическое движение по-другому. Но и в электромагнитном исполнении есть большая разница драмы, в основном в следующих трех аспектах:

(1) Трехфазная обмотка статора роторного асинхронного двигателя симметрична. Таким образом, если приложенное трехфазное напряжение симметрично. Трехфазный ток симметричен. Но линейная трехфазная обмотка линейного асинхронного двигателя несимметрична в пространственном положении. Катушка на краю сравнивается с катушкой, расположенной посередине. Значение индуктивности сильно отличается. Другими словами: реактивное сопротивление фаз не равно. Таким образом, даже если трехфазное напряжение симметрично. Ток трехфазной обмотки также несимметричен. Следующие аналогичны »

(2) Комплект роторного асинхронного двигателя, воздушный зазор ротора круглый, без головы и без хвоста, непрерывный. Нет начала и конца. Но линейный асинхронный двигатель между первичным и вторичным воздушным зазором существует между началом и концом. Когда вторичный конец входит или выходит из воздушного зазора. Будет во вторичном проводнике индуцировать дополнительный ток. Это так называемый «маргинальный эффект». Из-за влияния краевого эффекта линейный асинхронный двигатель и вращающийся асинхронный двигатель сильно различаются по рабочим характеристикам. Следующие аналогичны »

(3) Поскольку линейный асинхронный двигатель рано, вторичный в направлении прямой линии, чтобы продолжать определенную длину, а нормальная электромагнитная сила часто неравномерна, поэтому механическая структура общего между первичным и вторичным воздушным зазором выполнена Длиннее. такой. Его коэффициент мощности ниже, чем у роторного асинхронного двигателя.

Линейный асинхронный двигатель делится на плоский односторонний, плоский двухсторонний, цилиндрический, с коротким статором и коротким ротором, мощность может быть однофазной или трехфазной. Для одностороннего линейного асинхронного двигателя, например, он состоит из статора и подвижного тела. Статор также называют первичным, который формируется путем укладки листа электротехнической стали зубчатого колеса, а паз заделывается в паз. Движущееся тело также называют вторичным проводником, обычно изготавливаемым из меди или алюминия. Между статором и движущимся телом имеется определенное расстояние, то есть воздушный зазор. При подключении обмотки к однофазному или трехфазному переменному току плотность магнитного потока B выражается следующим уравнением: B = B0cos (ωt — πx / τ), ω = 2πf, x Расстояние на статоре поверхность, τ полюсное расстояние. Момент представляет собой полуволну плотности магнитного потока, которая равна половине длины цикла, а плотность магнитного потока является функцией расстояния x. Этот вид t и x в зависимости от плотности магнитного потока называется магнитным полем бегущей волны, которое представляет собой вращение двигателя с вращающимся магнитным полем по тому же принципу. Как описано выше, магнитный поток создается в статоре после подачи переменного тока, а вихревой ток индуцируется на металлической пластине подвижного тела по закону Ленца. Пусть наведенное напряжение вихревого тока равно E, индуктивность L и сопротивление R на металлической пластине, вихревой ток на металлической пластине I = E/z, вихревой ток и плотность магнитного потока будут создавать непрерывную тягу F Существует положительная и отрицательная тяга, но тяга намного больше, чем отрицательная тяга, сила, действующая на тело, в основном положительная, что является принципом работы линейного асинхронного двигателя. Устройство привода линейного асинхронного двигателя может использовать инвертор. Выходной частотой инвертора можно управлять под действием управляющего сигнала, который может управляться логикой или замкнутым контуром. Преобразователь частоты выдает другую частоту, и соответственно изменится результирующая тяга. Поскольку частота двух катушек статора различна, возникает синхронное изменение магнитного поля бегущей волны, так что тяга двигателя изменяется от 0 до максимума.

Ротационный индукционный привод для кинестетической и тактильной визуализации

Реферат

Приводы с низкой инерцией и высокой пропускной способностью представляют большой интерес для тактильных устройств, поскольку они улучшают качество передачи силы и прозрачность. В этой статье в качестве доказательства концепции описывается новая конструкция роторных асинхронных двигателей Axial-DSIM (аксиальный двухсторонний асинхронный двигатель). Этот двигатель имеет простую конструктивную конструкцию, состоящую из тонкого и легкого дискообразного подвижного вторичного компонента (ротора), окруженного неподвижными первичными элементами с обеих сторон, которые генерируют вращающееся магнитное поле, индуцирующее силу на диске. Низкая инерция этого двигателя и принцип его действия позволяют передавать крутящий момент с высокой точностью и высокой динамикой. 9

  • Кинестетическое и тактильное устройство -16-CE10-0009).

    Скачать документ конференции в формате PDF

    1 Введение

    В настоящее время область тактильных технологий переживает значительный рост; интерес к тактильным интерфейсам значительно возрос, учитывая их широкий спектр приложений, включая дистанционное управление, реабилитацию, образование, игры, искусство, науку и т. д. Однако механическая структура большинства существующих интерфейсов ограничивает прозрачность и визуализацию тактильных взаимодействий [2]. Тип системы моторного привода в тактильном интерфейсе является преобладающим фактором при его выборе. Например, тактильные устройства, которые могут создавать большие силы, обычно не способны создавать крошечные и точные силы. Привод в этом случае будет относительно большим и массивным; в результате его большая инерция будет маскировать восприятие малых сил. С другой стороны, небольшой двигатель с малой инерцией будет способен создавать слабые и точные усилия, но не большие из-за его малых размеров [5].

    Идеальный тактильный интерфейс должен быть спроектирован таким образом, чтобы охватывать полосу человеческого тактильного восприятия и точно отображать и масштабировать силы без каких-либо структурных искажений. Точность тактильного интерфейса выражается в его прозрачности, которая достигается, когда тактильные сигналы, воспроизводимые устройством, не отвлекаются и не искажаются его механической динамикой [4]. Следовательно, идеальный тактильный интерфейс должен иметь низкую инерцию, малую массу, низкое трение и высокую жесткость конструкции, генерируя силу в широком динамическом диапазоне [8]. Таким образом, большое внимание должно быть уделено дизайну, выбору и поставке/управлению исполнительными механизмами, используемыми при разработке тактильных интерфейсов.

    В этом документе представлен Axial-DSIM (рис. 1), подробно описана его конструкция, некоторые параметры и характеристики, а также его преимущества по сравнению с другими типами вихретоковых приводов, ранее представленными в литературе.

    Axial-DSIM кажется отличным кандидатом, потому что силовая установка (ротор, подвижная часть или вторичная часть) представляет собой просто тонкий лист проводника, который может весить всего несколько граммов и на который действует сила, когда он помещается в движущуюся магнитное поле.

    Рис. 1.

    Осевой двухсторонний асинхронный двигатель. Ось ротора соединена с рукояткой для передачи крутящего момента оператору.

    Полный размер

    2 Вихретоковые тактильные устройства

    Вихретоковые приводы привлекательны для тактильных устройств из-за их низкой инерции. Они использовались при разработке тактильных интерфейсов, но еще не были коммерциализированы. Основная цель разработки этих интерфейсов — уменьшить инерцию и повысить прозрачность [3, 8, 9].] и [10].

    В работах [8, 9] и [3] используются поворотные вихретоковые муфты, в которых двигатель используется для вращения магнитонесущих дисков вокруг неферромагнитного малоинерционного проводника для создания на нем силы; это усложняет управление и увеличивает время отклика, потому что для изменения направления крутящего момента необходимо изменить направление двигателя, вращающего диск с магнитом. А поскольку инерция двигателя и несущего магнит диска высока, изменение направления будет медленнее, что приведет к более медленному времени отклика. Кроме того, когда магниты не вращаются, а ручка двигается, чувствуется вязкость.

    Для обеспечения большей гибкости управления и упрощения механической конструкции мы решили заменить вращающиеся диски, несущие магниты, комплектом из двух электромагнитов, окружающих ротор. Таким образом, вместо фиксированного магнитного поля, которое перемещается механически, мы будем иметь магнитное поле, создаваемое фиксированными электромагнитами, амплитуда и скорость которых определяются амплитудой и частотой питания обмоток, что должно привести к более быстрому времени отклика и меньший крутящий момент из-за более высокой частоты срабатывания.

    3 Человеческое тактильное восприятие и требования к дизайну идеального тактильного интерфейса

    Знания, полученные в области человеческого тактильного восприятия, помогли понять, как разрабатывать и улучшать дизайн тактильных интерфейсов. Тактильное восприятие человека связано с двумя когнитивными чувствами: тактильным чувством и кинестетическим чувством. Оба чувства очень важны для манипулирования и передвижения [1, 4, 12].

    Тактильные интерфейсы делятся на два: кинестетические и тактильные. Кинестетические интерфейсы обеспечивают силовую обратную связь, а тактильные интерфейсы обеспечивают тактильную обратную связь. Оба типа получили развитие в последние годы, но эти два типа обычно рассматриваются отдельно. Это происходит главным образом потому, что кинестетические приводы, которые воспроизводят силовую обратную связь, обычно не способны воспроизводить тактильную информацию через вибрацию в широком диапазоне частот. А вибраторы, которые передают тактильную информацию, естественно, не способны генерировать силовую обратную связь. Соединение двух дисплеев является важной функцией тактильных интерфейсов, особенно если они предназначены для использования в задачах телеуправления. Одновременное получение обоих стимулов обычно достигается путем смешивания обоих типов тактильных интерфейсов [6, 7, 9]. , 11] и [12].

    4 Принцип работы Axial-DSIM

    Когда первичные обмотки двигателей питаются от трехфазного источника питания, движущееся во времени магнитное поле будет течь в воздушном зазоре между двумя первичными обмотками и заставлять вторичную обмотку перемещаться. в том же направлении, что и поле, как показано на рис. 2. Когда движущееся во времени поле проходит через неферромагнитный проводник, в проводнике индуцируется ток, противодействующий изменению поля путем создания другого магнитного поля, противодействующего изменению в исходном магнитном поле, создаваемом первичными элементами. Индуцированный ток и магнитное поле первичных элементов создают силу на проводящей пластине. Это дается законом Лапласа, который гласит, что «проводник, по которому течет ток и помещенный в магнитное поле, подвергается действию силы». Частота трехфазного входного питания определяет скорость магнитного поля, а амплитуда питающего напряжения определяет амплитуду поля. Чтобы изменить направление магнитного поля, то есть направление крутящего момента, необходимо изменить последовательность фаз с ACB на BCA, заменив источник питания фазы A на источник питания фазы B (рис.  2).

    Рис. 2.

    Принцип работы Axial-DSIM.

    Изображение в натуральную величину

    5 Важные параметры и соображения

    Ширина воздушного зазора, т. е. расстояние, разделяющее две стороны первичной обмотки, оказывает значительное влияние на тягу и КПД двигателя. При увеличении длины воздушного зазора КПД и тяга уменьшаются. Таким образом, воздушный зазор должен быть настолько мал, насколько это механически возможно. Чем меньше воздушный зазор, тем лучше производительность и тяга. Вторичная толщина и проводимость также являются важными параметрами, которые следует учитывать. Чем выше электропроводность вторичной обмотки, тем выше создаваемая тяга. Здесь предпочтение было отдано алюминию, потому что он имеет наилучшее соотношение массы и проводимости. Рекомендуется сохранять малую толщину вторичной обмотки с небольшой шириной воздушного зазора. Это дает нам преимущество в минимизации веса и инерции вторичной обмотки. Входная частота также является важным параметром. Частоту необходимо выбирать в соответствии с магнитными характеристиками первичного сердечника двигателя. В Axial-DSIM используется SMC (мягкий магнитный композит) «Somaloy 700HR 5P», который имеет меньшие потери в сердечнике при частоте 60 Гц. Следовательно, для получения максимального крутящего момента входная частота питания должна быть установлена ​​близкой к номинальной частоте первичного сердечника. А чтобы уменьшить крутящий момент за счет изменения частоты, необходимо увеличить частоту питания. На высоких частотах полное сопротивление обмоток возрастает, потери в сердечнике увеличиваются, а глубина проникновения вихревых токов во вторичную обмотку уменьшается, что приводит к снижению крутящего момента.

    6 Конструкция Axial-DSIM

    6.1 Первичные компоненты

    Помимо материала основного сердечника, его геометрия также очень важна. В первоначальном проекте, который предполагалось отправить в производство (рис. 3 (а)), мы хотели, чтобы первичный элемент имел внешний диаметр не более 8 см, чтобы избежать увеличения инерции вторичного компонента за счет увеличения его диаметра, и глубокая прорезь с небольшим отверстием для уменьшения эффекта прорези, но при этом позволяющая размещать катушки с достаточным количеством витков. С материалами SMC можно формировать и изготавливать сложные формы с меньшими затратами, чем традиционные пластины из кремнистой стали. Изготовление пресс-формы является наиболее дорогостоящим этапом производственного процесса. Производство небольшого количества экономически нецелесообразно, поэтому в этом доказательстве концепции мы выбрали в качестве альтернативы использование первичных компонентов, которые уже используются в производстве односторонних осевых бесщеточных двигателей постоянного тока (рис. 3 (б). )). Хотя этот первичный сердечник не идеален для асинхронного двигателя, его можно использовать для демонстрации принципа срабатывания и его преимуществ.

    Рис. 3.

    (а) первоначальная предполагаемая конструкция, (б) конструкция, использованная в экспериментах (в основном используется для односторонних осевых бесщеточных двигателей постоянного тока).

    Изображение полного размера

    Рис. 4.

    Конструкция обмотки Axial-DSIM (трехслойная планарная, двухслойная конструкция обмотки).

    Изображение полного размера

    6.2 Конструкция обмоток

    Существуют в основном два типа конструкции обмоток: однослойные плоские (сосредоточенные) неперекрывающиеся обмотки и перекрывающиеся двухслойные обмотки. В асинхронных двигателях часто используются перекрывающиеся двухслойные обмотки, которые обеспечивают бегущее поле с меньшим содержанием гармоник по сравнению с конструкцией однослойных плоских обмоток. Здесь мы решили объединить их, приняв трехслойную планарную двухслойную конструкцию обмотки (рис. 4). Эта конструкция обмотки не рекомендуется для односторонних конфигураций, поскольку величина магнитного поля, создаваемого фазой, расположенной ближе к воздушному зазору (третьему слою), больше, чем амплитуда поля, создаваемого фазой первого слоя. Однако в двусторонней конфигурации это можно было учесть в конструкции, изменив порядок слоев на второй стороне (рис. \ circ \) сдвинутыми по фазе синусоидами. Три синуса генерировались генератором сигналов и усиливались линейными усилителями мощности. Форма напряжения источника питания сильно влияет на качество передаваемой силы и другие факторы, такие как шум и нагрев. Вторичный диск имеет значительно меньшую вероятность перегрева, когда на три фазы подается чисто синусоидальное напряжение. Поэтому, как и в аудиосистемах HI-FI, мы использовали линейные усилители мощности, питаемые от симметричных линейных блоков питания. Линейные источники питания имеют очень низкий уровень шума и пульсаций и быстро реагируют на изменения напряжения, что приводит к меньшему времени отклика.

    8 Экспериментальные результаты

    Axial-DSIM может управляться приводом с фиксированной частотой/переменным напряжением, приводом с переменной частотой/фиксированным напряжением или приводом с переменной частотой/переменным напряжением. Эта гибкость управления дает нам преимущество, поскольку позволяет нам воздействовать как на частоту, так и на амплитуду для создания интригующих и разнообразных тактильных визуализаций. На рис. 7 показан график крутящего момента и тока по фазам, когда частоты меняются, а напряжение остается постоянным. Следовательно, если должен использоваться привод с фиксированной частотой/переменным напряжением, частота должна быть отрегулирована на номинальную частоту первичного сердечника, которая составляет 75 Гц, как показано на графике на рис. 7. На рис. 8 показано время реакции. двигатель меняет направление крутящего момента. Изменение направления было просто выполнено путем замены источника питания фазы A на источник питания фазы B. Учитывая убедительную динамику Axial-DSIM, мы решили модулировать амплитуду входного источника питания, чтобы добавить вибрации к постоянной силе (рис. 6).

    Рис. 6.

    Форма создания постоянного крутящего момента в зависимости от времени.

    Изображение полного размера

    Рис. 7.

    Измеренные крутящий момент и ток по фазам в зависимости от частоты.

    Изображение полного размера

    Рис. 8.

    Время реакции Axial-DSIM на изменение направления крутящего момента, изменение от 30 Нмм до −30 Нмм заняло около 10 мс.

    Изображение полного размера

    Рис. 9.

    Форма крутящего момента, создаваемого Axial-DSIM при подаче трехфазного амплитудно-модулированного сигнала; здесь добавлена ​​вибрация 10 Гц.

    Изображение полного размера

    На рис. 9 мы можем видеть форму крутящего момента, действующего на ротор, когда на Axial-DSIM подается трехфазное питание с амплитудой 100 Гц, модулированное синусоидальной волной 10 Гц. Диапазон вибрации двигателя довольно велик; вибрации до 1000 Гц могут воспроизводиться и восприниматься. Максимальный крутящий момент, который может быть создан с помощью этой конструкции, составляет около 100 Нмм. Максимальный крутящий момент можно было бы значительно увеличить, если бы первичные сердечники были сконструированы так, как показано на рис. 3 (а).

    9 Заключение

    Разработан и изготовлен прототип тактильного привода Axial-DSIM с малоинерционным ротором. Основной принцип работы двигателя был представлен, чтобы познакомить читателя с физикой его работы. Проведенные эксперименты доказали, что Axial-DSIM действительно интересен для тактильных ощущений благодаря широкому спектру возможностей рендеринга, которые не может обеспечить ни один другой тип привода только одного типа. Время реакции Axial-DSIM на изменение направления тяги, а его способность воспроизводить вибрации в широком диапазоне частот демонстрирует, что мотор идеально подходит как для кинестетического, так и для тактильного восприятия. Простота его конструкции и управления делает его более интересным, чем устройства вихретоковой связи с магнитом. Axial-DSIM не так энергоэффективен, как бесщеточный двигатель постоянного тока, потому что в его роторе отсутствуют постоянные магниты. Однако уникальность Axial-DSIM заключается в его простом листе ротора из неферромагнитного проводника, который обеспечивает низкую инерцию и отсутствие зубцов. Кроме того, Axial-DSIM не требует энкодера для создания крутящего момента.

    Основные цели будущей работы включают в себя дальнейшую оптимизацию двигателя и его конструкции, соединение Axial-DSIM с ведомым микроманипулятором для выполнения микротелеуправляемых задач (особенности двигателя делают его идеальным для использования в приложениях такие как микротелеоперация, где присутствуют высокая динамика и вибрации), и использование двигателя для проведения исследований по восприятию и различению силы и вибрации.

    Каталожные номера

    1. Крейг, Дж. К., Роллман, Г. Б.: Соместезис. Анну. Преподобный Психолог. 50 (1), 305–331 (1999)

      CrossRef

      Google Scholar

    2. Дэниел, Р., МакАри, П.Р.: Основные пределы эффективности телеуправления, отражающего силу. Междунар. Дж. Робот. Рез. 17 (8), 811–830 (1998)

      CrossRef

      Google Scholar

    3. «>

      Ge, X., Peng, S.K., Wang, B., Shapiro, J., Gillespie, B., Salisbury, C.: Малоинерционный двигатель с широкой полосой пропускания для тактильного рендеринга на основе эффектов вихревых токов. В: Симпозиум IEEE Haptics 2012 (HAPTICS), стр. 83–89.. IEEE (2012)

      Google Scholar

    4. Хейворд, В., Эстли, О.Р., Крус-Эрнандес, М., Грант, Д., Роблес-Де-Ла-Торре, Г.: Тактильные интерфейсы и устройства. Sens. Rev. (2004)

      Google Scholar

    5. Хейворд, В., Маклин, К.Э.: Тактильные ощущения своими руками: часть I. Робот IEEE. автомат. Маг. 14 (4), 88–104 (2007). https://doi.org/10.1109/M-RA.2007.907921

      Перекрёстная ссылка

      Google Scholar

    6. Лим, С.К., Ли, Х.К., Парк, Дж.: Роль комбинированной тактильной и кинестетической обратной связи в малоинвазивной хирургии. Междунар. Дж. Мед. Робот. вычисл. Ассистент сург. 11 (3), 360–374 (2015)

      CrossRef

      Google Scholar

    7. Лу, Т., Пакорет, К., Эрибан, Д., Моханд-Усаид, А., Ренье, С., Хейворд, В.: Двухступенчатое тактильное устройство с полосой пропускания в килогерцах позволяет прикоснуться к броуновскому движению. IEEE транс. Тактильные ощущения 10 (3), 382–390 (2016)

      CrossRef

      Google Scholar

    8. Милле Г., Халио С., Ренье С., Хейворд В.: Совершенное тактильное устройство: первый шаг. В: World Haptics 2009 — Третья совместная конференция и симпозиум EuroHaptics по тактильным интерфейсам для виртуальной среды и телеоператорских систем, стр. 273–278. IEEE (2009)

      Google Scholar

    9. Моханд-Усаид, А., Милле, Г., Ренье, С., Халио, С., Хейворд, В. : Прозрачность тактильного интерфейса достигается за счет вязкостной связи. Междунар. Дж. Робот. Рез. 31 (3), 319–329 (2012)

      CrossRef

      Google Scholar

    10. Ортега, А., Вайль-Дюфлос, А., Халийо, С., Ренье, С., Хейворд, В.: Линейные индукционные приводы для тактильного интерфейса: квазиидеальный прозрачный механизм. В: 2017 IEEE World Haptics Conference (WHC), стр. 575–580. IEEE (2017)

      Google Scholar

    11. Усаид А.М., Халио Д.С., Ренье С., Хейворд В.: Стабильная и прозрачная микромасштабная система телеуправления с силовой обратной связью. IEEE/ASME Trans. Мехатрон. 20 (5), 2593–2603 (2015)

      CrossRef

      Google Scholar

    12. Перес Ариса, В.З., Сантис-Чавес, М.: Тактильные интерфейсы: кинестетические и тактильные системы. Revista EIA (26), 13–29 (2016)

      Google Scholar

    Ссылки для скачивания

    Информация об авторе

    Авторы и организации

    1. Университет Сорбонны, CNRS, Институт интеллектуальных систем и робототехники (ISIR), Франция, 75095, Париж0003

      Georges Daher, Stéphane Régnier и Sinan Haliyo

    Авторы

    1. Georges Daher

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в
      PubMed Google Scholar

    2. Stéphane Régnier

      Просмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в
      PubMed Google Scholar

    3. Sinan Haliyo

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в
      PubMed Google Академия

    Авторы переписки

    Переписка с
    Жорж Даэр, Стефан Ренье или Синан Халийо.

    Информация о редакторе

    Редакторы и принадлежность

    1. . Ватерлоо, Онтарио, Канада

      Oliver Schneider

    2. Justus-Liebig-University, Giessen, Germany

      Dr. Knut Drewing

    3. IRISA, Inria Rennes – Bretagne Atlantique, Rennes, France

      Claudio Pacchierotti

    4. Hamburg University of Technology , Гамбург, Германия

      Алиреза Аббасимошаи

    5. Делфтский технологический университет, Делфт, Нидерланды

      Гийс Хюисман

    6. Гамбургский технологический университет, Гамбург, Германия

      Thorsten A. Kern

    Права и разрешения

    Открытый доступ Эта глава лицензируется в соответствии с условиями международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) , который разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате, при условии, что вы укажете автора(ов) оригинала и источник, предоставите ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения .