Классификация бесконтактных электрических машин и их физическая структура, страница 14

Основные расчетные соотношения и характеристики муфт сколь­жения. Теория электромагнитных муфт скольжения наиболее пол­но развита в трудах Т. А. Щетинина.

50 МПа удается получить Япр»50 кВ/мм. Однако и в этом случае потери на трение уменьшают КПД генератора до 60% и ниже, что недопустимо.

Наибольшие перспективы имеют, по-видимому, емкостные ге­нераторы с вакуумной изоляцией. Глубина вакуума должна быть такой, чтобы длина свободного пробега молекул остаточного газа заметно превышала характерный размер зазора между статорны-ми и роторными пластинами. Обычно хорошие изоляционные ка­чества при зазорах миллиметрового диапазона обеспечиваются уже при давлениях 10~3 мм рт. ст. и ниже. Допустимые напряженности при этом достигают 30... 40 кВ/мм. Важно отметить, что в вакууме пробивная напряженность Е„р зависит от зазора б примерно как ^пр^б"0'5, поэтому желательно иметь предельно малые зазоры между вращающимися и неподвижными пластинами. Эта законо­мерность хорошо согласуется с необходимостью обеспечивать ма­лые зазоры между пластинами для увеличения их емкости.

Реализация емкостных генераторов как со сжатыми газами, так и с вакуумом в нормальных условиях требует герметизации их рабочего объема, что приводит к существенному усложнению кон­струкции и снижению надежности генераторов.

Особые перспективы перед емкостными генераторами открыва­ются при их использовании в космических энергоустановках, где имеется естественный глубокий вакуум. Подобные емкостные ге­нераторы могут оказаться эффективным источником высокого на­пряжения (10...100 кВ) для питания ионных электрореактивных двигателей, космических технологических устройств и т. п. Пробле­мы, связанные с использованием высокооборотных подшипников, работающих в вакууме при повышенных температурах, могут ре­шаться путем применения сухой пленочной смазки или использова­нием газовых опор. По предварительным оценкам представляется возможным создать емкостные генераторы для работы в естествен­ном вакууме с удельной массой /п*ж0,5...1 кг/кВт и КПД т)« «95 ...98% при мощностях 10... 100 кВт и выходных напряжениях 10...100 кВ.

§ 9.5. Бесконтактные электрические машины с упругим креплением подвижного элемента

Один из наиболее уязвимых элементов электродвигателя любо­го типа—подшипниковый узел, обладающий повышенной интен­сивностью отказов и ограничивающий использование двигателя по допустимым пределам изменения температуры, давления, химиче­ского состава окружающей среды и т. п.

'   Для некоторых применений (например, в инструментальной тех­нике, медицинской и технологической аппаратуре, робототехнике, моментокомпенсирующих и шаговых механизмах и т. п.) могут ока­заться перспективными электродвигатели с упругим креплением

подвижного элемента, не имеющие подшипников. Такие двига­тели менее чувствительны к условиям окружающей среды, поэтому обладают в ряде случаев более широкими функциональными воз­можностями по сравнению с двигателями обычного исполнения.

Бесподшипниковые двигатели способны создавать вращатель­ное и возвратно-поступательное движение, обеспечивать непосред­ственное перемещение нагрузочного элемента по сложным траек­ториям без применения специальных кинематических звеньев. На их основе могут реализовываться тахометрические устройства и бесподшипниковые насосы. Двигатели отличаются высокой прие­мистостью и быстродействием, хорошо приспособлены для работы в шаговом режиме благодаря малой инерции невращающегося под­вижного элемента, позволяют устранить акустические шумы, соз­даваемые подшипниками.'

Недостатки двигателей с упругим креплением подвижного эле­мента связаны главным образом с пониженными энергетическими показателями из-за малых скоростей перемещения активных участ­ков подвижного элемента и с недостаточной степенью разрабо­танности в настоящее время опор для подвижного элемента. /

Основная идея бесподшипникового двигателя с упругим креп­лением подвижного элемента (условно именуемого ротором) со­стоит в том, что ротор фиксируется с помощью упругой опоры так, что под действием электромагнитных сил он может совершать циклические перемещения, передаваемые нагрузке в виде враща­тельного момента, знакопеременной линейной силы или силы, дей­ствующей вдоль более сложной заданной траектории. Заметим, что подобные устройства по характеру движения подвижного эле­мента имеют многочисленные естественные аналоги в природе, от­личающиеся высокой эффективностью работы. Ясно, например, что человеческая рука создает самые разнообразные формы движе­ния, в том числе вращательного, не вращаясь вокруг собственной оси; аналогично движутся крылья птиц и т. п.

Замена подшипникового узла опорой, испытывающей сложную периодическую деформацию, связана с решением специфических конструкторско-технологических задач, направленных на обеспече­ние приемлемых надежности и ресурса опор. Такие задачи состав­ляют предмет самостоятельного исследования. Однако, исходя из общеинженерных представлений, можно считать их принципиально разрешимыми, поскольку в технике существует большое число уст­ройств с периодической деформацией витых и плоских пружин, сильфонов, мембран, эластичных амортизаторов и уплотнений, ана­логичных обсуждаемым далее типам упругих опор.

Принцип работы. Рассмотрим вначале двигатели с коническим (вращательно-колебательным) перемещением вала, пригодные для использования в перемешивающих устройствах, медицинской аппа­ратуре, робототехнике и т. п. Одна из возможных конструкций дви­гателя показана на рис. 9.15. Ротор двигателя выполнен в виде