Результат интеллектуальной деятельности: Устройство создания нагрузочного момента двигателя постоянного тока

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам определения параметров электрических машин, и может найти применение при создании установок для идентификации параметров, например, моментных двигателей постоянно тока.

Известна установка для исследований режимов работы электродвигателей переменного тока (Полезная модель РФ №133321, опубликовано 10.10.2013,бюл. №28), в которой нагрузочный момент для двигателя переменного тока создается высокомоментным двигателем постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, для этого валы двух двигателей соединены муфтой. Для изменения нагрузки на валу двигателя переменного тока к якорю двигателя постоянного тока подключен электронный блок нагрузки и датчик напряжения.

Недостатком установки является наличие двух двигателей в системе создания момента нагрузки, что не позволяет отдельно испытывать один двигатель.

Известен также учебно-лабораторный стенд для изучения электрических машин и электроприводов (Патент РФ №2473921, опубликовано 27.01.2013, бюл. №3), в котором нагрузочный момент для двигателя переменного тока создается двигателем постоянного тока и наоборот - нагрузочный момент для двигателя постоянного тока создается двигателем переменного тока. При этом выходные валы двигателей соединены между собой через промежуточные мотор-редукторы и муфту.

Однако недостатком стенда является наличие двух двигателей в системе создания момента нагрузки, что не позволяет отдельно испытывать один двигатель.

Известен стенд, принятый за прототип, для изучения средств автоматизации испытаний электрических мотор-редукторов (Патент РФ №2334967, опубликовано 27.09.2008,  бюл. №27). Управляемое тормозное устройство содержит тормозной барабан, с которым жестко связан вал исследуемого двигателя. Тормозной барабан размещен с небольшим зазором между фрикционными неподвижной и подвижной колодками. К неподвижной колодке подвижно, например, с помощью шарнира, крепится котировочный винт, резьба которого находится в зацеплении с резьбой отверстия в одном из плеч П-образной крепежной скобы. Подвижная колодка жестко закреплена на штоке, например, с помощью гайки с шайбой, который проходит через отверстие во втором плече П-образной крепежной скобы. Другой конец штока взаимосвязан с тяговым барабаном посредством гибкой тяги. Тяговый барабан размещен на валу электропривода, закрепленного на втором плече П-образной крепежной скобы, который создает регулируемое усилие путем перемещения подвижной колодки. На штоке между подвижной колодкой и плечом П-образной крепежной скобы находится цилиндрическая пружина, обеспечивающая возврат подвижной колодки в исходное положение. Электропривод тягового барабана подключен к управляющей ЭВМ через интерфейсный блок.

Недостатком данного фрикционного модуля создания момента нагрузки является сложность и громоздкость конструкции в применении для исследования маломощных двигателей постоянного тока.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в упрощении конструкции фрикционного модуля для создания момента нагрузки на валу двигателя.

Технический результат достигается тем, что в устройстве создания нагрузочного момента двигателя постоянного тока, содержащем собственно двигатель, статор которого закреплен в корпусе, а ротор кинематически с помощью дополнительного вала соединен с ротором измерителя частоты вращения, закрепленного также на корпусе, регулируемый источник постоянного напряжения, подключенный на вход ротора двигателя, измерители напряжения и тока двигателя, а также функциональный узел создания нагрузочного регулируемого момента относительно оси вращения в виде фрикционного модуля, новым является то, что фрикционный модуль, с которым жестко связан маятниковый груз, представляет собой струбцину с внутренней цилиндрической поверхностью, охватывающей дополнительный вал, сила сжатия которой регулируется перемещением винта, а фрикционный момент нагрузки, создаваемый при вращении дополнительного вала, определяется по формуле

,

где – масса маятникового груза; – расстояние от центра масс маятникового груза до оси вращения; – угол отклонения маятникового груза от местной вертикали; частота вращения дополнительного вала.

Сущность изобретения поясняется чертежом, приведенным на фиг.1, на которой представлена кинематическая схема устройства.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 – двигатель постоянного тока;

2 – первая соединительная муфта;

3 – вторая соединительная муфта;

4 – измеритель частоты вращения (тахогенератор);

5 – дополнительный фрикционный вал;

6 – фрикционный модуль;

6.1 – винт;

7 – эталонный груз;

8 – стрелка;

9 – шкала;

10 – стойка левая;

11 – стойка правая;

12 – основание (корпус);

13 – штанга;

14 – окно.

Буквенные обозначения:

центр масс эталонного груза;

масса эталонного груза;

ускорение силы тяжести;

расстояние между центром масс эталонного груза и осью вращения;

угол отклонения эталонного груза от местной вертикали;

электромагнитный момент на валу двигателя;

момент нагрузки, создаваемый фрикционным модулем.

Описание устройства.

Исследуемый двигатель постоянного тока 1крепится к левой стойке 10, измеритель частоты вращения 4 крепится к правой стойке 11. Обе стойки выставляются по оси вращения двигателя и крепятся к основанию 12. Для кинематического (жесткого) соединения между собой валов двигателя 1 и измерителя частоты вращения 4 служат первая 2 и вторая 3 соединительные муфты, которые соединяют фрикционный вал 5, соответственно с ротором двигателя и ротором тахогенератора 4. Для создания момента нагрузки на валу двигателя 1и, соответственно, на фрикционном валу служит фрикционный модуль 6, который представляет собой струбцину с внутренней цилиндрической поверхностью, охватывающей фрикционный вал. При этом сила сухого трения, возникающая между струбциной и фрикционным валом, регулируется перемещением винта 6.1. С фрикционным модулем с помощью штанги 13 соединен эталонный груз 7, расстояние между центром масс груза и осью вращения может регулироваться, а сам груз может быть заменяемым. Для измерения угла поворота эталонного груза служит стрелка 8, жестко соединенная с ним, и шкала 9, нанесенная на левой стойке 10. Для перемещения стрелки 8 в левой стойке 10 имеется окно 14.

Работа устройства при испытаниях двигателя.

Устройство предназначено для создания момента нагрузки при вращении двигателя. Но предварительно для максимального момента двигателя, который равен , где коэффициент момента двигателя; максимальный ток ротора (якоря) двигателя, необходимо подобрать маятниковость эталонного груза , которая определяется максимальным размахом шкалы – максимальным измеряемым углом . Для нормальной работы устройства должен быть меньше Желательно, чтобы Таким образом из условия

определяем маятниковость эталонного груза

по которой при заданном значении подбираем массу эталонного груза

Чтобы пользоваться одной шкалой 9 для различных двигателей при заданном , масса груза, выполненного в виде цилиндра, будет варьироваться только за счет его диаметра.

При подаче на ротор двигателя напряжения в обмотках ротора в установившемся режиме будет протекать ток

где коэффициент противоэдс; частота е вращения и активное сопротивление ротора двигателя.

Если струбцина 6 не зажата винтом 6.1, то момент сил сухого трения на фрикционном валу практически равен нулю (эталонный груз 7 не отклоняется от вертикали ), и момент нагрузки будет определяться только моментом трения в опорах и коллекторах двигателя и тахогенератора, что соответствует режиму холостого хода

ток и частота вращения ротора двигателя холостого тока для заданного напряжения .

Если струбцина 6 зажата винтом 6.1 так, что момент сил сухого трения на фрикционном валу больше пускового момента двигателя (эталонный груз 7 отклоняется от вертикали на максимальный угол ), то ротор двигателя вращаться не будет, что соответствует режиму торможения (используется в силовых гиростабилизаторах).

пусковой ток для заданного напряжения .

Если струбцина 6 зажата винтом 6.1 так, что ротор двигателя (и соответственно фрикционного вала) вращаются и эталонный груз отклонен от вертикали на угол , то момент нагрузки на валу будет формироваться моментом сил сухого трения между фрикционным валом 5 и струбциной 6 фрикционного модуля и определяться выражением

, (1)

а данный режим соответствует режиму управления, например, в следящих системах.

При этом параметрами установившегося режима будут следующие

напряжение управления, ток ротора, частота вращения и момент нагрузки.

Данное устройство рационально применять для определения параметров маломощных приборных двигателей постоянного тока корпусных, типа ДПР-32, ДПР-42, ДПР-52 и т.п. и бескорпусных плоских, типа моментных двигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов марки ДМ различных серий, применяемых в качестве безредукторных приводов, например, в качестве стабилизирующих моторов в гиростабилизаторах.

В качестве примера выбора параметров устройства создания нагрузочного момента двигателя постоянного тока рассмотрим выбор параметров для бескорпусного двигателя типа ДМ-20.

Элементарная площадь сцепления струбцины с фрикционным валом

где диаметр фрикционного вала; ширина струбцины; элементарный угол.

Элементарная сила сухого трения сцепления струбцины с фрикционным валом

где коэффициент трения между фрикционным валом и струбциной; давление, создаваемое винтом 6.1.

Элементарный момент силы сухого трения сцепления струбцины с фрикционным валом

Суммарный момент силы сухого трения сцепления струбцины с фрикционным валом

(2)

который и является нагрузочным моментом для двигателя и определяется формулой (1).

Выражение (2) можно использовать для определения параметров фрикционного модуля, если известен максимальный момент нагрузки

. (3)

С другой стороны по максимальному моменту нагрузки и заданному максимальному углу отклонения груза можно определить маятниковость груза

.(4)

Если и , , то

1). В соответствии с (3) максимальное давление, развиваемое винтом 6.1 в струбцине будет равно

.

2). В соответствии с (4) маятниковость будет равна

.

Задавая из конструктивных соображений , по маятниковости определяем массу груза, а с учетом плотности материала и его размеры.

Например, если , то

Размеры груза (материал латунь, )

. Если , ,

где радиус и высота цилиндрического груза.