Моментные двигатели: история создания

Моментные двигатели - это обычные электрические двигатели с двумя основными особенностями: низкая рабочая скорость и бескорпусное исполнение, т. е. отсутствие корпуса, вала и подшипников.

При этом предполагается, что моментный двигатель встраивается в какой-либо управляемый объект или машину без всякой механической передачи, например, редуктора (безредукторный привод). Это устраняет зазоры, упругости, кинематические ошибки и другие механические проблемы, уменьшающие точность управляемого привода и его полосу пропускания.

Первые применения

Впервые моментный двигатель был применен в 1842 г. шотландским предпринимателем Робертом Дэвидсоном в четырехколесной повозке для железнодорожной линии Эдинбург – Глазго. В этой повозке колеса сидели на деревянных валах двигателей, имеющих три продольные железные полосы, которые поочередно притягивались электромагнитами статора, переключаемыми механическими коммутируемыми на валах двигателями. Подобные электродвигатели называются теперь индукторными. Повозка весом 5 тонн развивала скорость до 4 миль/час, и журналисты обратили внимание на то, что впервые вращение колеса было получено непосредственно, т. е. напрямую, от электродвигателя. Отсюда и пошел современный термин «прямой привод» (Direct Drive), хотя в отечественной литературе применялся и термин «безредукторный привод».

Другой широко известный пример прямого привода – электрический молот знаменитого французского электротехника Марселя Депре, созданный в 1882 г. Он представлял собой линейный электромагнит с сердечником (молотом) массой 23 кг и обмоткой, секции которой переключались ручным коммутатором. При токе 43 А молот ударял по наковальне с силой 70 кг. Это положило начало линейным двигателям.

В 30-40-х годах XX века появился безредукторный дугостаторный асинхронный привод, применяемый до сих пор в мощном электроприводе металлургической, цементной и других отраслях промышленности.

Однако все это были отдельные уникальные конструкции, тогда как в подавляющем большинстве случаев применялись редукторные приводы на базе быстроходных (1000 – 10 000 об/мин) электродвигателей постоянного и переменного тока.

Серийное производство

В 1948 г. американская компания Inland Motors начала серийное производство встраиваемых коллекторных электродвигателей серии Т. Этот двигатель имеет три отдельные части: статор с постоянными магнитами, пазовый ротор с обмоткой и щеточно-коллекторный узел. В настоящее время эта компания, ставшая частью Kollmorgen Corp., предлагает десятки типономиналов таких двигателей диаметром от 22 до 240 мм с длительным моментом 0,01 – 38 Нм и пиковым до 200 Нм.

Аналогичные двигатели стали выпускаться компаниями Clifton, Kearfott, Sierracin Magnedine и др. В СССР также были разработаны подобные двигатели для гироскопии, управления антенн и оптических приборов. Однако крупносерийное производство коллекторных моментных двигателей не было налажено, как в силу технологических сложностей, так и из-за целого ряда присущих им недостатков: низкой надежности и малого срока службы, взрыво- и пожароопасности, наличия электромагнитных помех, загрязнения окружающей среды, низкой механической стойкости и т. д.

Опыт СССР и России

Поэтому предприятия как в СССР, так и за рубежом сосредоточили усилия на бесконтактных вентильных электродвигателях встраиваемого исполнения на базе синхронных машин с постоянными магнитами на роторе. Этому способствовало также появление мощных редкоземельных магнитов. Подобные двигатели для конкретных специальных задач начали проектироваться в 1970-х годах во ВНИИЭМ, НИЭМ (г. Миасс), ЦНИИАГ, ЦНИИКП, ЦНИИэлектроприбор и на других предприятиях страны. В это же время на московском заводе «Машиноаппарат» по заказу ЦНИИАГ (В. Н. Бродовский, Ц. Л. Садовская) создаются моментные двигатели более широкого применения типа ДМВ. На базе этих машин по заданию ряда предприятий («Ленинец», «Фазотрон», «Геофизика», «Полет» и ЦНИИАГ) разрабатывается большая серия пазовых и гладких двигателей ДБМ с самарий-кобальтовыми магнитами диаметром 40 – 185 мм с моментами 0,01 – 16 НМ. Двигатели проектировались под руководством главного конструктора М. М. Минкина специалистами СКБ завода «Машиноаппарат» Ю. М. Беленьким, В. Н. Матвеевой и др.

Параллельно в ленинградском ВНИИМЭМ шла разработка датчиков положения ротора (редуктосинов) серии ВТ (разработчики Л. М. Епифанова, В. Н. Куликов и др.). Первые Госкомиссии по приемке двигателей ДБМ120 - ДБМ185 и датчика ВТ120 прошли в 1984 г., после чего сразу началось их серийное производство на заводе «Заря» в Ленинграде. Двигатели ДБМ производятся в ОАО «Машиноаппарат» до сих пор, пополнившись новыми рядами 2ДБМ и 3ДБМ. В двигателях ряда 3ДБМ самарий-кобальтовые магниты заменены более мощными магнитами типа «нежебор». Однако все отечественные марки магнитов «нежебор» пока не обеспечивают уровни долговечности, стойкости к спецфакторам и температурной стабильности, необходимые для объектов оборонной техники.

В 2010 г. петербургская компания ЗАО «ЭЛМА-Ко» под руководством главного конструктора Л. М. Епифановой закончила разработку нового ряда моментных двигателей с улучшенными характеристиками ДБМВ с самарий-кобальтовыми магнитами, включающего 20 типономиналов диаметром от 50 до 240 мм с моментами 0,025 – 100 Нм. По сравнению с двигателями серии ДБМ эти двигатели обладают повышенным коэффициентом статической добротности по моменту и меньшей электромеханической постоянной времени. Это достигнуто переходом от распределенной обмотки статора двигателей ДБМ к сосредоточенной катушечной (зубцовой) обмотке, а также заменой ротора коллекторного типа с тангенциально намагниченными магнитами на ротор типа «звездочка», с магнитами, намагниченными радиально. Двигатели ДБМВ с приемкой 5 производятся в настоящее время заводом «ЛЕПСЕ» (г. Киров).

А. Г. Микеров, профессор, д.т.н.