Устройство создания нагрузочного момента двигателя постоянного тока Российский патент 2023 года по МПК G01L5/24 H02K26/00 G01L25/00 G01R31/34 

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

$${М}_{\text{н}i}=-mgl\sin {\alpha }_i\cdot \text{sign}({\omega }_i)$$ ,

где $$m$$ – масса маятникового груза; $$l$$ – расстояние от центра масс маятникового груза до оси вращения; $${\alpha }_i$$ – угол отклонения маятникового груза от местной вертикали; $${\omega }_i-$$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:

$$С-$$ центр масс эталонного груза;

$$m-$$ масса эталонного груза;

$$g-$$ ускорение силы тяжести;

$$l-$$ расстояние между центром масс эталонного груза и осью вращения;

$${\alpha }_i-$$ угол отклонения эталонного груза от местной вертикали;

$${М}_{\text{Д}i}-$$ электромагнитный момент на валу двигателя;

$${М}_{\text{Н}i}-$$ 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 $$l$$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 $${М}_{\text{Н}i}$$ при вращении двигателя. Но предварительно для максимального момента двигателя, который равен $${М}_{\text{Д}}^{\max }=C_m\cdot I^{\max }$$, где $$C_m-$$ коэффициент момента двигателя; $$I^{\max }-$$ максимальный ток ротора (якоря) двигателя, необходимо подобрать маятниковость эталонного груза $$ml$$, которая определяется максимальным размахом шкалы – максимальным измеряемым углом $${\alpha }^{\max }$$. Для нормальной работы устройства $$\left|{\alpha }^{\max }\right|$$ должен быть меньше $${90}^{\circ }.$$ Желательно, чтобы $$\left|{\alpha }^{\max }\right|\le {60}^{\circ }.$$ Таким образом из условия

$$mgl\sin {\alpha }^{\max }=C_m\cdot I^{\max }$$

определяем маятниковость эталонного груза

(1)

по которой при заданном значении $$l_{\text{З}}$$ подбираем массу эталонного груза

$$m=\frac{C_m\cdot I^{\max }}{g{l}_{\text{З}}\sin {\alpha }^{\max }}.$$

Чтобы пользоваться одной шкалой 9 для различных двигателей при заданном $$l_{\text{З}}$$, масса груза, выполненного в виде цилиндра, будет варьироваться только за счет его диаметра.

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

$$I_i=\frac{U_i-C_e\omega }{R},$$

где $$C_e-$$ коэффициент противоэдс; $$\omega ,R-$$ 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 $$\alpha =0$$), и момент нагрузки будет определяться только моментом трения в опорах и коллекторах двигателя и тахогенератора, что соответствует режиму холостого хода

$$I_i^{xx},{\omega }_i^{xx}-$$ ток и частота вращения ротора двигателя холостого тока для заданного напряжения $$U_i$$.

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 $$\alpha ={\alpha }^{\max }$$), то ротор двигателя вращаться не будет, что соответствует режиму торможения (используется в силовых гиростабилизаторах).

$$I_i^{\text{п}},{\omega }_i^{}=0-$$ пусковой ток для заданного напряжения $$U_i$$.

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

$${М}_{\text{н}i}=-mgl\sin {\alpha }_i\cdot \text{sign}({\omega }_i)$$ , (1)

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

При этом параметрами установившегося режима будут следующие

$$U_i,I_i^{\text{п}},{\omega }_i,{М}_{\text{н}i}-$$ 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

$$dS=Bdx=B\frac{D}{2}d\phi ,$$

где $$D-$$ диаметр фрикционного вала; ширина струбцины; $$d\phi -$$элементарный угол.

Элементарная сила сухого трения сцепления струбцины с фрикционным валом

$$d{F}_{\text{Т}}=fdSp=fB\frac{D}{2}pd\phi ,$$

где $$f-$$ коэффициент трения между фрикционным валом и струбциной; $$p-$$ давление, создаваемое винтом 6.1.

Элементарный момент силы сухого трения сцепления струбцины с фрикционным валом

$$d{M}_{\text{Т}}=d{F}_{\text{Т}}\frac{D}{2}=fB\frac{D^2}{4}pd\phi .$$

Суммарный момент силы сухого трения сцепления струбцины с фрикционным валом

$$M_{\text{Т}}={\displaystyle \underset{0}{\overset{2\pi }{\int }}fB\frac{D^2}{4}pd\phi }=f\pi B\frac{D^2}{2}p,$$ (2)

который и является нагрузочным моментом $$M_{\text{н}}$$ для двигателя и определяется формулой (1).

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

$$f\pi B\frac{D^2}{2}p=M_{\text{н}}^{\max }$$ . (3)

С другой стороны по максимальному моменту нагрузки и заданному максимальному углу $${\alpha }^{\max }$$отклонения груза можно определить маятниковость груза

$$ml=\frac{{М}_{\text{н}}^{\text{max}}}{g\sin {\alpha }^{\max }}$$ .(4)

Если $${\alpha }^{\max }={45}^{\circ }$$ и $${М}_{\text{н}}^{\text{max}}=\mathrm{0,1}\text{Нм}$$, $$f=\mathrm{0,4};D=\mathrm{0,01}\text{м;}B=\mathrm{0,02}\text{м}$$, то

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

$$p=\frac{2M_{\text{н}}^{\max }}{f\pi B{D}^2}=\frac{2\cdot \mathrm{0,1}\text{Нм}}{\text{0}\text{,4}\cdot \text{3}\text{,14}\cdot \text{0}\text{,02м}\cdot \text{0}{\text{,01}}^{\text{2}}{\text{м}}^{\text{2}}}=79617\frac{\text{Н}}{{\text{м}}^{\text{2}}}=796\frac{\text{Г}}{{\text{см}}^{\text{2}}}$$ .

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

$$ml=\frac{{М}_{\text{н}}^{\text{max}}}{g\sin {\alpha }^{\max }}=\frac{\mathrm{0,1}\text{Нм}}{\text{9}\text{,81}\frac{\text{м}}{{\text{с}}^{\text{2}}}\cdot \mathrm{0,707}}=\mathrm{0,01442}\text{кгм}$$ .

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

Например, если $$l=\mathrm{0,08}\text{м}$$, то $$m=\frac{(ml)}{l}=\frac{\mathrm{0,01442}}{\mathrm{0,08}}=\mathrm{0,18}\text{кг}\text{.}$$

Размеры груза (материал латунь, $$\rho =8500\frac{кг}{{м}^3}$$)

$$m=\pi R^{2}h\rho$$ . Если $$R=\mathrm{0,01}м$$, $$h=\frac{m}{\pi R^2\rho }=\frac{\mathrm{0,18}}{\mathrm{3,14}\cdot {\mathrm{0,01}}^2\cdot 8500}=\mathrm{0,067}м$$,

где $$R\text{и}h-$$ радиус и высота цилиндрического груза.

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 постоянного тока. Технический результат заключается в упрощении конструкции фрикционного модуля для создания момента нагрузки на валу двигателя. Устройство создания нагрузочного момента двигателя постоянного тока содержит двигатель 1, статор которого закреплен в корпусе, а ротор кинематически с помощью фрикционного вала 5 соединен с ротором измерителя частоты вращения 4, закрепленного также на корпусе. Также содержит регулируемый источник постоянного напряжения, подключенный на вход ротора двигателя, измерители напряжения и тока двигателя. Для создания нагрузочного регулируемого момента относительно оси вращения применен фрикционный модуль 6, с которым жестко с помощью штанги 13 связан маятниковый груз 7. Фрикционный модуль 6 представляет собой струбцину с внутренней цилиндрической поверхностью, охватывающей фрикционный вал 5. Сила сжатия струбцины регулируется перемещением винта 6.1, а фрикционный момент нагрузки, создаваемый при вращении фрикционного вала 5, определяется по формуле

$${М}_{\text{н}i}=-mgl\sin {\alpha }_i\cdot \text{sign}({\omega }_i)$$ ,

где $$m$$ – масса маятникового груза; $$l$$ – расстояние от центра масс маятникового груза до оси вращения; $${\alpha }_i$$ – угол отклонения маятникового груза от местной вертикали; $${\omega }_i-$$ частота вращения фрикционного вала. 1 ил.

Устройство создания нагрузочного момента двигателя постоянного тока, содержащее собственно двигатель, статор которого закреплен в корпусе, а ротор кинематически с помощью фрикционного 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, отличающееся тем, что фрикционный модуль, с которым жестко связан маятниковый груз, представляет собой струбцину с внутренней цилиндрической поверхностью, охватывающей фрикционный вал, сила сжатия которой регулируется перемещением винта, а фрикционный момент нагрузки, создаваемый при вращении фрикционного вала, определяется по формуле

$${М}_{\text{н}i}=-m_{\text{г}}gl\sin {\alpha }_i\cdot \text{sign}({\omega }_i)$$ ,

где $$m_{\text{г}}$$ – масса маятникового груза; $$l$$ – расстояние от центра масс маятникового груза до оси вращения; $${\alpha }_i$$ – угол отклонения маятникового груза от местной вертикали; $${\omega }_i-$$ частота вращения фрикционного вала.