Недостатки механических систем с редуктором

Сочетание электродвигателя с редуктором обычно называется исполнительным механизмом.

В электрических исполнительных механизмах для трубопроводной арматуры используются редукторы различных типов: червячные, цилиндрические, планетарные, волновые. Наиболее широко применяется червячный редуктор. Это обусловлено наличием у него такого полезного свойства, как способность к самоторможению.

Однако редуктор не только придает исполнительному механизму положительные качества, но и существенного снижает его КПД, увеличивает общий момент инерции, вносит люфты и упругие соединения. Главное же - он увеличивает габариты и массу.

В некоторых случаях его масса может достигать 80 % от общей массы механизма[7]. В качестве примера можно привести соотношение массы электродвигателя и редуктора в популярных электроприводах типа МЭО (см. Таблицу 1 [3]).

Таблица 1.

Наличие люфтов вызывает ударное приложения момента к механизму, что существенно снижает его срок службы. Для предотвращения ударов в механической части примененяют специальные устройств люфтовыбирания. Однако это не улучшает жесткости механической части, так как организация распора в зубцовом зацеплении за счет пружин или электродвигателей, работающих на общую ось, ухудшает эквивалентную жесткость передачи. Приходится увеличивать массу и габаритные размеры установки, вводить дополнительные корректирующие устройства. Это, в свою очередь, требует установки дополнительных датчиков или реализации наблюдающих устройств. Система становится чувствительной к изменению параметров, требуется дополнительная мощность ЭП для эффективной работы цепей коррекции, приходится переходить к системам с адаптацией и т.д. В результате прецизионный ЭП становится сложным, существенно затрудняются его анализ и синтез, возрастает вероятность ошибок при проектировании[1].

В связи с этим разработчики электроприводов всегда стремились исключить редуктор из состава электропривода или хотя бы уменьшить число ступеней редукции. До недавнего времени сделать это было весьма непросто.

Понижение номинальной скорости вращения ротора электродвигателя достигалось при существенном ухудшении массогабаритных показателей и увеличении стоимости. Например, двигатель для привода рольганга мощностью 1 кВт с номинальной скоростью вращения 200 об/мин всего в 2,6 раза легче двигателя общепромышленной серии мощностью 160 кВт с номинальной скоростью вращения 3 000 об/мин при соответствующей стоимости.

Это обусловлено тем, что пониженная скорость вращения двигателя достигалась за счет увеличения числа пар полюсов статора, что автоматически влекло за собой рост массы активных материалов и габаритов двигателя.

Попытки применения в безредукторном электроприводе специальных машин (например, двигателей с катящимся ротором или машин двойного движения) только усложняли конструкцию, но не способствовали уменьшению габаритов и стоимости электропривода в целом. Вследствие этого электрические машины специальных исполнений использовались в безредукторных электроприводах ограниченно, - когда чисто конструктивные соображения превалировали над экономическими.

Регулируемые электроприводы как постоянного, так и переменного тока также применялись достаточно ограничено, - в случае если требования технологического процесса не оставляли проектировщикам выбора.

Однако в последние два десятилетия ситуация существенно изменилась. Прежде всего, появились достаточно тихоходные и высокомоментные электродвигатели, а также малогабаритные электронные преобразователи электрической энергии приемлемой стоимости. Речь идет о переключаемых реактивных двигателях, синхронных двигателях с возбуждением от постоянных магнитов и статических преобразователях частоты на базе IGBT-транзисторов [7].

Таким образом, можно сказать прямой ЭП имеет существенные преимущества перед ЭП с кинематическими преобразователями.

Наиболее важное - создание усилия без потери скорости или точности, так как оно передается электромагнитной индукцией быстрее и точнее, чем посредством трения, используемого в кинематическом преобразователе.

Другие преимущества - отсутствие дополнительных нелинейностей и упругостей, ухудшающих качество воспроизведения движения и полосу пропускания ЭП, а также увеличение срока службы вследствие отсутствия износа силовых механических компонентов.