Меню

Исполнительные электродвигатели постоянного тока

Исполнительные двигатели и тахогенераторы постоянного тока

Исполнительные двигатели постоянного тока

Исполнительные двигатели постоянного токаИсполнительные двигатели постоянного тока — маломощные машины, используемые в автоматике и телемеханике, в системах автоматического управления, регулирования и- контроля автоматизированных установок, где они преобразуют электрический сигнал измерительного органа — напряжение управления — в угловое перемещение вала для воздействия на управляющий, регулирующий или контролирующий аппарат. В тех случаях, когда поступающий сигнал недостаточен для приведения в действие исполнительного двигателя, применяют магнитный или полупроводниковый усилитель мощности.

Исполнительные двигатели обычно работают в условиях частых пусков, остановок и реверсов. Они отличаются значительным начальным пусковым моментом и быстродействием. Зависимости вращающего момента и скорости якоря от напряжения управления у них в большинстве случаев близки к линейным.

Исполнительные двигатели постоянного токаВ зависимости от системы питания цепей двигателя различают исполнительные двигатели с якорным управлением и с полюсным управлением. При якорном управлении обмоткой управления является обмотка якоря, в связи с чем напряжение управления подводят к ее зажимам, а неизменный ток возбуждения обеспечивает независимый источник электрической энергии постоянного напряжения. В случае полюсного управления обмоткой управления служит обмотка возбуждения главных полюсов и напряжение управления подводят к ее зажимам, а напряжение на зажимах якоря, задаваемое независимым источником электрической энергии постоянного напряжения, сохраняется неизменным .

Обычно используют якорное управление. Изменение полярности напряжения управления вызывает противоположное направление вращения якоря.

Исполнительные двигатели постоянного тока изготовляют номинальной мощности от долей ватта до 600 Вт нормальной и специальной конструкций.

Исполнительные двигатели постоянного токаДвигатели нормальной конструкции аналогичны машинам постоянного тока общего применения, но отличаются от них тем, что станина с главными полюсами так же, как и якорь, собрана из тонких изолированных друг от друга листов электротехнической стали, что способствует улучшению свойств этих машин в переходных режимах. Кроме того, добавочные полюсы в этих машинах отсутствуют, так как реакция якоря невелика и процессы коммутации вполне удовлетворительны. Поскольку скорость якоря небольшая, вентилятор на валу таких двигателей не предусмотрен.

К двигателям специальной конструкции относятся магнитоэлектрические машины с возбуждением основного магнитного поля с помощью постоянных магнитов, а также малоинерционные машины, отличающиеся конструкцией якоря. К последним относятся: двигатели с полым немагнитным якорем — полым тонкостенным цилиндром из пластмассы с запрессованной обмоткой из медного провода с внутренним неподвижным ферромагнитным магнитопроводом, укрепленным на подшипниковом щите, и менее долговечные двигатели с дисковым якорем — тонким немагнитным диском из керамики, текстолита, стекла, а иногда из алюминия с печатной обмоткой, представляющей совокупность радиально расположенных по обе стороны диска проводников из медной фольги, по которой скользят серебряно-графитные щетки. Названные конструкции отличаются малым моментом инерции якоря, что обеспечивает высокое быстродействие исполнительного двигателя.

Исполнительные двигатели постоянного тока

Масса исполнительных двигателей постоянного тока в 2 — 4 раза меньше, чем масса одинаковых по номинальной мощности исполнительных асинхронных двигателей, а к. п. д. их при номинальной мощности 5. 10 Вт составляет около 0,3 и достигает значения 0,65 и несколько выше для двигателей номинальной мощностью 200 — 300 Вт.

Исполнительные двигатели постоянного тока

Тахогенераторы постоянного тока

Тахогенераторы постоянного токаТахогенераторы постоянного тока — машины небольшой мощности, предназначенные для преобразования механической величины в электрический сигнал — выходное напряжение. В частности, их используют для контроля и измерения скорости вала исполнительного устройства, с которым соединен вал тахогенератора, зажимы якоря которого соединены с измерительным прибором. Помимо этого, тахогенераторы применяют в электромеханических счетно-решающих устройствах для выполнения вычислительных операций, а также в устройствах автоматической отработки генерируемых ускоряющих и успокаивающих сигналов.

Тахогенераторы бывают магнитоэлектрические с возбуждением основного магнитного поля с помощью постоянных магнитов и электродинамические с электромагнитным возбуждением, обусловленным М. д. с. обмотки возбуждения, питаемой от независимого источника электрической энергии постоянного напряжения.

Выходное напряжение тахогенератора в режиме холостого хода изменяется линейно в зависимости от скорости якоря, а при нагрузке эта линейность несколько нарушается, причем тем больше, чем меньшим сопротивлением обладает измерительный прибор, присоединенный к зажимам якоря. Все же для каждого тахогенератора существует относительно небольшой диапазон измеряемых скоростей, в пределах которого при определенном достаточно большом сопротивлении измерительного прибора и неизменных условиях цепи возбуждения выходную характеристику можно считать практически линейной.

Схема включения тахогенератора постоянного тока независимого возбуждения

Схема включения тахогенератора постоянного тока независимого возбуждения

Тахогенераторы постоянного токаСущественный недостаток тахогенераторов постоянного тока — пульсация выходного напряжения из-за незначительного периодического изменения магнитного потока вследствие неравномерности воздушного зазора и неравенства проводимостей якоря в различных радиальных направлениях, в том числе обусловленных зубчатой конструкцией его магнитопровода, а также из-за вибрации щеток, неровностей и эллиптичности коллектора и коммутационных процессов — в значительной мере устранен в тахогенераторе с полым якорем, который устроен так же, как и малоинерционный исполнительный двигатель постоянного тока с аналогичным якорем.

Неточность установки щеток по геометрической нейтрали коллектора тахогенсратора приводит к асимметрии выходного напряжения, т. е. к генерированию двух различных напряжений в обмотке якоря при противоположных направлениях его вращения с одинаковой скоростью. При правильном расположении щеток асимметрия напряжений находится в пределах от 0,3 до 1% номинального напряжения тахогенератора.

Источник

Исполнительные двигатели постоянного тока

Исполнительные двигатели постоянного тока, так же как исполнительные асинхронные двигатели (см. § 17.4), применяются в системах автоматики для преобразования электрического сигна­ла в механическое перемещение. Помимо обычных требований, предъявляемых к электродвигателям общего назначения, к испол­нительным двигателям предъявляется ряд специфических требо­ваний, из которых основными являются отсутствие самохода и малоинерционность (см. § 17.4).

Почти все исполнительные двигатели (исключение составля­ют лишь двигатели с постоянными магнитами) имеют две обмот­ки. Одна из них постоянно подключена к сети и называется об­моткой возбуждения, на другую — обмотку управления электрический сигнал подается лишь тогда, когда необходимо вы­звать вращение вала. От напряжения управления зависят частота вращения и вращающий момент исполнительного двигателя, а следовательно, и развиваемая им механическая мощность.

Исполнительные двигатели постоянного тока по конструкции отличаются от двигателей постоянного тока общего назначения только тем, что имеют шихтованные (набранные из листов элек­тротехнической стали) якорь, станину и полюсы, что необходимо для работы исполнительных двигателей в переходных режимах. Магнитная цепь исполнительных двигателей не насыщена, поэто­му реакция якоря (см. § 26.2) практически не влияет на их рабочие характеристики.

В качестве исполнительных двигателей постоянного тока в настоящее время используют чаще всего двигатели с независимым возбуждением, реже — двигатели с постоянными, магнитами. У двигателей с независимым возбуждением в качестве обмотки управления используют либо обмотку якоря — двигатели с якор­ным управлением, либо обмотку полюсов — двигатели с полюс­ным управлением.

У исполнительных двигателей с якорным управлением обмоткой возбуждения является обмотка полю­сов, а обмоткой управления — обмотка якоря (рис. 30.10, а). Об­мотку возбуждения подключают к сети с постоянным напряжени­ем на все время работы автоматического устройства. На обмотку управления подают сигнал (напряжение управления) лишь тогда, когда необходимо вызвать вращение якоря двигателя. От напряжения управления зависят вращающий момент и частота вращения двигателя. При изменении полярности напряжения управления меняется направление вращения якоря двигателя.

У исполнительных двигателей с полюсным управлением обмоткой управления является обмотка полю­сов, а обмоткой возбуждения — обмотка якоря (рис. 30.10, б). Якорь двигателя постоянно подключен к сети с напряжением . Для ограничения тока иногда последовательно с якорем включают добавочное (балластное) сопротивление . На обмотку полюсов напряжение управления , (сигнал) подают лишь тогда, когда необходимо вызвать вращение якоря.

Рис. 30.10. Схема включения исполнительных двигателей постоянного тока

Исполнительные двигатели постоянного тока обычной конст­рукции имеют существенный недостаток — замедленность пере­ходных процессов, т. е. отсутствие малоинерционности. Объясня­ется это в основном двумя причинами: наличием массивного якоря со стальным сердечником, обладающим значительным моментом инерции, и значительной индуктивностью обмотки якоря, уло­женной в пазы сердечника якоря. Последняя причина способству­ет увеличению электромагнитной постоянной времени . Указанные недостатки отсутствуют в двигателях с глад­ким (полым) якорем (рис. 30.11). Станина 1 и полюсы 3 этого двигателя обычные. Возбуждение двигателя осуществляется либо с помощью обмотки возбуждения 2, либо постоянными маг­нитами.

Рис. 30.11. Малоинерционный исполнительный двигатель постоянного тока с полым якорем

Читайте также:  Максимальная нагрузка сети трехфазный ток

Для уменьшения момента инерции якоря его обмотка отделе­на от массивного ферромагнитного сердечника, последний выполнен неподвижным (внутренний статор 5) и расположен на цилинд­рическом выступе подшипникового щита 6.

Обмотка якоря в процессе изготовления укладывается на ци­линдрический каркас, а затем заливается пластмассой. Готовый якорь 4 представляет собой полый стакан, состоящий из провод­ников обмотки, связанных воедино пластмассой. Концы секций обмотки, как и в обычном двигателе, соединяются с пластинами кол­лектора, который является частью дна полого стакана якоря 4. Вра­щающийся узел двигателя с глад­ким якорем состоит из вала, коллек­тора и обмотки якоря, залитой пластмассой.

Момент инерции полого якоря значительно меньше момента инер­ции обычного якоря, что обеспечи­вает хорошее быстродействие дви­гателя. Кроме того, индуктивность обмотки якоря снижается, что также способствует повышению быстродействия двигателя. К тому же снижение индуктивности обмотки улучшает коммутацию двигателя за счет уменьшения реактивной ЭДС (см § 27.4).

Недостаток рассмотренного малоинерционного двигателя с полым якорем — наличие большого немагнитного промежутка между полюсами статора и неподвижным ферромагнитным сердечником — внутренним статором. Этот промежуток складывает­ся из двух воздушных зазоров и толщины стакана якоря (толщины слоя обмотки якоря). Наличие большого немагнитного промежут­ка на пути магнитного потока требует значительного увеличения МДС возбуждения, что приводит, во-первых, к увеличению габа­ритов двигателя из-за увеличения объема обмотки возбуждения, а во-вторых, к росту потерь на нагрев обмотки возбуждения. Однако КПД двигателя с полым якорем вследствие отсутствия потерь в стали сердечника якоря практически находится на том же уровне, что и в обычных двигателях, а в случае применения для возбужде­ния постоянных моментов значительно превосходит КПД последних.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение компенсационной обмотки в ЭМУ?

2. Почему выходная характеристика тахогенератора криволинейна?

3. Будет ли работать БДПТ, если изменить полярность напряжения на его входе (см. рис. 30.6)?

4. Объясните принцип якорного и полюсного способов управления исполни­тельными двигателями?

5. Каковы достоинства и недостатки малоинерционного двигателя постоянного тока?

Заключение

Достижения науки и техники, обусловленные ускорением научно-технического прогресса, способ­ствуют совершенствованию всех отраслей промыш­ленности и транспорта. В первую очередь, это отно­сится к электрическим машинам, составляющим основу электроэнергетики, как в процессе производ­ства электроэнергии, так и в процессе ее потребле­ния.

Совершенствование электрических машин ве­дется по двум направлениям.

Во-первых, совершенствование технологии изготовления электрических машин, с целью увеличе­ния их производства и снижения стоимости.

Во-вторых, применение в электрических маши­нах более качественных магнитных и электроизоля­ционных материалов, с целью повышения технико-экономических показателей электрических машин. И, наконец, в-третьих, создание новых видов элек­трических машин нетрадиционной конструкции, с использованием новейших достижений науки.

Работы последних лет показали, что резервы по усовершенствованию электрических машин тради­ционной конструкции во многом исчерпаны. Поэто­му оказывается целесообразным переход к электри­ческим машинам нового принципа исполнения. В этом смысле особый интерес представляют криоген­ные и магнитогидродинамические электрические машины.

Криогенные электрические машины. В крио­генных электрических машинах обмотки выполняют из сверхпроводников или химически чистых металлов (гиперпроводников). При снижении температуры удельное электрическое сопротивление сверхпро­водников вначале плавно снижается, а затем при температуре критического перехода Θкр = 20 К (ниже -253 °С) резко падает до нуля: ρ* = 0 (ρ = 0), т. е. они переходят в состояние сверхпроводимости (рис. 3.1, кривая 1). У обычных металлов и сплавов нет состояния сверхпроводимости, и при снижении температуры их удельное электрическое сопротив­ление плавно уменьшается, достигая значения

ρ* = 10 -1 при температуре абсолютного нуля (кривая 2).

У химически чистых металлов (ги­перпроводников) также нет состоя­ния сверхпроводимости, но при глу­боком охлаждении их удельное электрическое сопротивление уменьшается до значения, в 5—7 тыс. раз меньшего, чем при комнатной температуре (кривая 3).

Рис.3.1. Зависимость элек­трического сопротивления проводников от температу­ры:

1 — сверхпроводники; 2 -обычные металлы; 3 — хими­чески чистые металлы

Это свойство сверхпроводников и чистых металлов позволяет по прово­дам небольшого сечения пропускать значительные токи, доводя плотность тока до 100 А/мм 2 и более. Электриче­ские потери на нагрев обмоток при этом либо отсутствуют, либо незначи­тельны. Все это дает возможность по­лучать в криогенных машинах силь­ные магнитные поля с магнитной индукцией В = 5 ÷ 10 Тл (в машинах традиционного выполнения В = 0,8 ÷ 1,5 Тл).

Криогенная машина не содержит ферромагнитного сердечни­ка, который, обладая свойством магнитного насыщения, не позво­лил бы получить столь высокие значения магнитной индукции, так как вызвал бы в машине значительные магнитные потери. Сниже­ние потерь (электрических и магнитных) позволяет повысить КПД машин и более эффективно использовать их габариты, создавая машины весьма большой единичной мощности.

Необходимым элементом криогенной машины является криостат, представляющий собой теплоизолированную от внешней среды емкость, заполненную хладагентом (например, жидким ге­лием). Внутри криостата располагают охлаждаемую обмотку или же электрическую машину целиком.

Рассмотрим конструктивную схему криогенного турбогенера­тора со сверхпроводящими обмотками статора 4 и ротора 3 (рис. 3.2). Вся машина помещена в криостат, заполненный жидким ге­лием при температуре 10 К (-263 °С). На валу 2 расположено че­тыре металлических «полюса» 5, на каждом из которых укреплена говитковая полюсная катушка 3 из

Рис. 3.2. Конструктивная схема криогенного турбогенерато­Ра

со сверхпроводящими обмотками на статоре и роторе

сверхпроводника. Статор за­ключен в магнитный экран 7 из сверхпроводящего сплава. По­верхность экрана имеет множество отверстий, через которые внутрь машины проникает жидкий гелий. «Полюсы» ротора 5 и «сердечник» статора б, а также другие элементы конструкции ма­шины не обладают ферромагнитными свойствами, а используются лишь для надежного закрепления обмоток.

Вся машина заключена в металлический кожух 8, образующий стенки криостата. Затем следует толстый слой теплоизоляции 9. Выделяющаяся за счет потерь теплота, а также теплота, прони­кающая в криостат из внешней среды, отбирается жидким гелием. Криогенная машина снабжена рефрижератором 10, подающим в криостат охлажденный гелий взамен испаряющегося. Контактные кольца 11 находятся в холодной зоне, а подшипники 1 и 12 выне­сены за пределы криостата.

Рассмотренная конструкция криогенного генератора обладает существенным недостатком — значительные потери энергии в обмотке статора, вызванные переменным током в обмотке статора и переменным магнитным полем, наведанным этой обмоткой. Эти потери происходят главным образом из-за явления гистерезиса в сверхпроводящей обмотке. Пока еще не найдены эффективные способы ослабления этих потерь, вызывающих интенсивное испа­рение хладагента (жидкого гелия). Поэтому помимо электриче­ских машин с криогированием обеих обмоток создаются и иссле­дуются криогенные машины с криогированием только обмотки возбуждения. Эта обмотка питается постоянным током и защище­на алюминиевым (демпфирующим) экраном от воздействия пере­менного магнитного поля обмотки статора, поэтому в ней не про­исходят явления, вызывающие магнитные потери. Обмотка статора в такой машине имеет обычную конструкцию, т. е. она вынесена за пределы криостата.

Исследования показали, что КПД криогенного синхронного турбогенератора с учетом всех дополнительных расходов энергии на собственные нужды (включая гелиевое охлаждение обмотки возбуждения) на 0,8% выше, чем у обычного синхронного генера­тора с водородным охлаждением мощностью 1200 тыс. кВт. При этом криогенный генератор имеет массу в четыре раза меньше.

В последнее время получены проводниковые материалы, об­ладающие сверхпроводимостью при температуре кипения жидко­го азота (-196 °С) —хладагента более дешевого, чем жидкий ге­лий (температура кипения -268,9 °С). Ведутся работы по созданию проводниковых материалов с еще более высокой температурой сверхпроводимости. Применение этих материалов в криогенном электромашиностроении упростит конструкцию криостатов и снизит стоимость криогенных электрических машин.

Исследования показали, что в ближайшие 10—20 лет криогенное электромашиностроение станет одним из ведущих направлений при создании электрических машин особо большой мощности, выполнение которых по традиционным принципам технически невозможно.

*****многовитковая полюсная катушка 3 из сверхпроводника. Статор заключен в магнитный экран 7 из сверхпроводящего сплава. По­верхность экрана имеет множество отверстий, через которые внутрь машины проникает жидкий гелий. «Полюсы» ротора 5 и «сердечник» статора 6, а также другие элементы конструкции ма­шины не обладают ферромагнитными свойствами, а используются лишь для надежного закрепления обмоток.

Вся машина заключена в металлический кожух 8, образующий стенки криостата. Затем следует толстый слой теплоизоляции 9. Выделяющаяся за счет потерь теплота, а также теплота, прони­кающая в криостат из внешней среды, отбирается жидким гелием. Криогенная машина снабжена рефрижератором 10, подающим в криостат охлажденный гелий взамен испаряющегося. Контактные кольца 11 находятся в холодной зоне, а подшипники 1 и 12 выне­сены за пределы криостата.

Читайте также:  Трансформаторы тока тлк ст руководство по эксплуатации

Рассмотренная конструкция криогенного генератора обладает существенным недостатком — значительные потери энергии в обмотке статора, вызванные переменным током в обмотке статора и переменным магнитным полем, наведенным этой обмоткой. Эти потери происходят главным образом из-за явления гистерезиса в сверхпроводящей обмотке. Пока еще не найдены эффективные способы ослабления этих потерь, вызывающих интенсивное испа­рение хладагента (жидкого гелия). Поэтому помимо электриче­ских машин с криогированием обеих обмоток создаются и иссле­дуются криогенные машины с криогированием только обмотки возбуждения. Эта обмотка питается постоянным током и защище­на алюминиевым (демпфирующим) экраном от воздействия пере­менного магнитного ноля обмотки статора, поэтому в ней не про­исходят явления, вызывающие магнитные потери. Обмотка статора в такой машине имеет обычную конструкцию, т. е. она вынесена за пределы криостата.

Исследования показали, что КПД криогенного синхронного турбогенератора с учетом всех дополнительных расходов энергии на собственные нужды (включая гелиевое охлаждение

обмотки возбуждения) на 0,8% выше, чем у обычного синхронного генера­тора с водородным охлаждением мощностью 1200 тыс. кВт. При этом криогенный генератор имеет массу в четыре раза меньше.

В последнее время получены проводниковые материалы, об­ладающие сверхпроводимостью при температуре кипения жидко­го азота (-196°Г) —хладагента более дешевого, чем жидкий ге­лий (температура кипения -268,9 °С). Ведутся работы по созданию проводниковых материалов с еще более высокой темпе­ратурой сверхпроводимости. Применение этих материалов в крио­генном электромашиностроении упростит конструкцию криостатов и снизит стоимость криогенных электрических машин.

Исследования показали, что в ближайшие 10—20 лет крио­генное электромашиностроение станет одним из ведущих направ­лений при создании электрических машин особо большой мощно­сти, выполнение которых по традиционным принципам техничес­ки невозможно.

Магнитогидродинамические электрические машины. Рас­смотрим принцип действия магнитогидродинамического (МГД) генератора, в котором тепловая энергия преобразуется непосред­ственно в электрическую. Принцип действия основан на том, что при движении рабочего тела, обладающего достаточной электро­проводностью (электролита, жидкого металла, ионизированного газа), поперек силовых линий магнитного поля в этом рабочем те­ле индуцируется ЭДС и возникает ток, который через соответст­вующие электроды отводится во внешнюю электрическую цепь. Для пояснения воспользуемся упрощенной схемой МГД- генератора (рис. 3, а), в котором рабочим телом являются продукты сгорания топлива с присадкой, усиливающей их электропровод­ность. Топливо 1, воздух 2 и присадка 3 подаются н камеру сгора­ния 4. Образующийся при этом ионизированный газ выходит из сопла 5 и проходит через внутреннюю полость электромагнита 6 поперек магнитных силовых линий поля. В соответствии с явлени­ем электромагнитной индукции в ионизированном газе наводится ЭДС, которая снимается двумя электродами 7 и подается во внешнюю цепь к потребителю rн. Ионизированный газ, пройдя через магнитное поле, выходит из генератора. Таким образом, в МГД-генераторе теплота, образуемая при сгорании топлива, непосред­ственно преобразуется в электрическую энергию, а поэтому необ­ходимость в получении механической энергии отпадает (не нужны паровой котел и паровая турбина).

Исследования показали, что МГД-генераторы приобретают существенные преимущества перед тепловыми электростанциями традиционного действия лишь при условиях значительной еди­ничной мощности (более 100 МВт) и изготовлении обмотки элек­тромагнита из сверхпроводника, помещенного в криостат.

МГД-генераторы обратимы и могут работать в двигательном режиме. Обычно МГД-двигатели применяются для перемещения электропроводных жидкостей, их принято называть МГД- насосами. Для пояснения принципа работы МГД — насоса обратимся к рис. 3.3, б. Электропроводная жидкость, проходя через канал 1, попа­дает в пространство между полюсами N и S электромагнита. При этом через жидкость от электрода 2 к электроду 3 проходит элек­трический ток, который взаимодействует с магнитным полем и создает электромагнитные

Рис. 3.3. Принцип действия МГД-генератора (а) и МГД-двигателя (б)

силы, которые и «проталкивают» жид­кость через межполюсное пространство электромагнита.

Подобные МГД-насосы могут применяться для транспорти­ровки различных электропроводных жидкостей. Например, их можно использовать для перемещения расплавленного металла в литейном производстве.

Рассмотренные МГД-машины называют кондукционными, так как их конструкция предусматривает обязательное наличие элек­тродов для съема или подачи электрического тока. Созданы также МГД-машины индукционные (асинхронные), в которых отсутст­вуют электроды, а ЭДС или электромагнитные силы возникают в результате взаимодействия перемещаемой электропроводной жидкости с бегущим магнитным полем [1].

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Исполнительные двигатели постоянного тока

date image2020-05-12
views image182

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Микродвигатели постоянного тока, применяемые в автоматических устройствах для преобразования электрического сигнала в механическое перемещение вала, называются исполнительными двигателями.

В зависимости от конструкции якоря исполнительные двигатели постоянного тока подразделяют на двигатели с якорем обычного типа, полым (печатным) и беспазовым (гладким) якорем.

Двигатели с якорем обычного типа отличаются от машин постоянного тока нормального исполнения шихтованной системой полюсов и ненасыщенной магнитной системой. Первое необходимо, поскольку эти двигатели, в основном, работают в переходных режимах, второе — для уменьшения влияния реакции якоря. Вместо шихтованных полюсов с обмоткой возбуждения в двигателях часто устанавливают постоянные магниты.

Для уменьшения влияния реакции якоря и ЭДС самоиндукции коммутирующей секции и улучшения условий коммутации применяют двигатели с гладким якорем (рис. 10.1). Обмотку 1 такого якоря укладывают на наружной поверхности якоря 2. Ее выполняют в два слоя и заливают эпоксидной смолой с ферромагнитным наполнителем 3.

Микродвигатели этого типа имеют более высокое быстродействие по сравнению с машинами с зубчатым якорем из-за большей индукции в воздушном зазоре(индукция не ограничивается насыщением зубцов) и меньшего момента инерции якоря. Уменьшение момента за счет уменьшенного диаметра (при увеличенной длине). Последнее возможно, поскольку лучшие условия коммутации позволяют значительно увеличить длину и уменьшить диаметр якоря

Значительно снижена инерция в двигателях с полым якорем. Магнитный поток в них создается обмоткой возбуждения (рис. 10.2) или постоянными магнитами, якорь представляет полый стакан 1, расположенный между полюсами 2 с обмоткой возбуждения 3 и неподвижным ферромагнитным сердечником 4, который насаживают на втулку 5 подшипникового щита. Вместо сердечника внутри якоря может быть установлен неподвижный цилиндрический магнит. Обмотку якоря 6 укладывают на цилиндрический каркас и заливают эпоксидным компаундом, концы секций обмотки, как и в обычном двигателе, соединяют с пластинами коллектора 7. Обмотка может быть выполнена и фотохимическим способом (печатная обмотка). Момент инерции полого якоря невелик, благодаря чему существенно повышается быстродействие двигателя. Отсутствие насыщения в зубцах позво-

ляет значительно увеличить индукцию в воздушном зазоре машины, то есть ее магнитный поток и номинальный вращающий момент по сравнению с микродвигателями, имеющими якорь обычного типа, что также способствует повышению быстродействия двигателя.

Поскольку секции обмотки якоря окружены не ферромагнитным материалом, а воздухом, они имеют гораздо меньшую индуктивность, что существенно улучшает условия коммутации двигателя. Щетки в таких микродвигателях работают практически без искрения даже при кратковременных перегрузках, вследствие чего можно применять большие форсировки для ускорения переходных процессов.

Недостатком микродвигателей с полым якорем является необходимость значительного увеличения МДС обмотки возбуждения, так как немагнитный зазор у них гораздо больше, чем в обычных двигателях, что приводит к увеличению потерь в обмотке возбуждения. КПД рассматриваемых двигателе из-за отсутствия потерь мощности в стали имеет такую же величину, как и у микродвигателей с якорем обычной конструкции.

Разновидностью двигателя с полым якорем является двигатель с дисковым якорем, у которого печатная обмотка нанесена на немагнитный диск. Магнитный поток создается постоянными магнитами или электромагнитами, расположенными по одну сторону диска с обеих сторон. В исполнительных двигателях постоянного тока обмотки якоря и главных полюсов питаются от двух независимых источников тока. Одна из них (условно называемая обмоткой возбуждения) подключена постоянно к источнику с неизменным напряжением UB, а на другую (обмотку управления) подается напряжение управления UУ только при необходимости вращения вала двигателя. В зависимости от того, на какую обмотку подается управляющий сигнал, различают два способа управления исполнительными двигателями — якорное (рис. 10.3, а) и полюсное (рис. 10.3, б).

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. При полюсном управлении меньше мощность управления, а при якорном — выходные характеристики параллельны и линейны.

Читайте также:  Микросхемы стабилизаторы с током 2 а

Тахогенераторы

Тахогенераторы относят к информационным машинам, то есть к машинам от которых требуется высокая точность преобразования электрических или механических входных — сигналов управления соответственно в механические или электрические выходные величины, находящиеся в строго постоянной вполне определенной зависимости от входных сигналов. Тахогенераторы преобразуют частоту вращения механизма, с валом которого они соединены, в строго пропорциональное выходное напряжение:

где частота вращения, угол, на который перемещается вал механизма, связанного с тахогенератором.

В системах автоматики тахогенераторы служат:

для измерения частоты вращения (в этом случае выходное напряжение подается на вольтметр, шкала которого отградуирована в об/мин);

для осуществления обратной связи по скорости в следящих системах;

для осуществления электрического дифференцирования

Тахогенераторы постоянного тока по принципу действия и конструктивному оформлению представляют собой машины постоянного тока чаще с возбуждением от постоянных магнитов (рис. 10.4, б), реже с электромагнитным возбуждением (рис. 10.4, а). В них используют якорь обычного типа, полый или дисковый с печатной обмоткой.

Выходное напряжение тахогенератора выражают, как и напряжение обычного генератора постоянного тока, через ЭДС якоря , падение напряжения в обмотке якоря и падение напряжения на щеточном контакте :

Представив в (10.2) ЭДС по (4.5), ток через напряжение и сопротивление нагрузки:

Решив это равенство относительно напряжения , найдем выражение для выходного напряжения:

При выходное напряжение

При постоянном потоке Ф, сопротивлениях якоря и нагрузки

где называют крутизной характеристики генератора.

Крутизна выходной характеристики растет с уменьшением и увеличением и при холостом ходе крутизна характеристики наибольшая (рис. 10.4, в, кривая 1). При уменьшении сопротивления нагрузки крутизна меньше (кривая 2 на рис. 10.4, в). В реальных тахогенераторах сопротивление щеточного контакта не равно нулю и выходная характеристика пересекает ось ординат (при ) не в начале координат, а в точке прямая 3 на рис. 10.4, в.

Зону частот вращения от до , при которых выходное напряжение , называют зоной нечувствительности. Для уменьшения зоны нечувствительности тщательно подбирают щетки медно-графитные или серебряно-графитные, иногда выполняя их с напылением серебра или золота.

Практически выходная характеристика отклоняется от линейного закона в результате размагничивающего действия реакции якоря(кривая 4 на рис. 10.4, в), наличия нелинейного сопротивления в переходном контакте между коллектором и щетками и изменения тока возбуждения из-за увеличения сопротивления обмотки возбуждения при ее нагреве. Для уменьшения погрешности увеличивают сопротивление внешней нагрузки, суживают пределы измерения скорости механизмов, выполняют тахогенераторы с сильно насыщенной магнитной системой. Последнее уменьшает влияние изменения сопротивления обмотки возбуждения при нагреве и размагничивающее действие реакции якоря.

Источник



Исполнительные двигатели и тахогенераторы

Дата публикации: 26 сентября 2014 .
Категория: Статьи.

Общие положения

Исполнительными двигателями называются двигатели, которые применяются в системах автоматического управления и регулирования различных автоматизированных установок и предназначены для преобразования электрического сигнала (напряжения управления), получаемого от какого-либо измерительного органа, в механическое перемещение (вращение) вала с целью воздействия на соответствующий регулирующий или управляющий аппарат. Если напряжение и мощность сигнала малы для управления исполнительным двигателем, то применяются промежуточные усилители мощности (магнитные, электронные, полупроводниковые).

Номинальная мощность исполнительных двигателей обычно составляет от долей ватта до нескольких киловатт. К этим двигателям предъявляются большие требования по точности работы и быстродействию. Обычно требуется, чтобы зависимости момента M и скорости n от напряжения сигнала (управления) Uу были по возможности линейными.

Существует ряд разновидностей исполнительных двигателей постоянного и переменного тока. Ниже кратко рассматриваются исполнительные двигатели постоянного тока.

Исполнительные двигатели нормальной конструкции

По своему устройству они аналогичны нормальным машинам постоянного тока. При якорном управлении ток возбуждения iв = const, а на якорь подается напряжение управления Uу. Характеристики M = f (Uу) и n = f (Uу) при этом получаются практически линейными. При полюсном управлении на якорь подается напряжение Ua = const, а напряжение управления, Uу подается на обмотку возбуждения. При этом требуется меньшая мощность управления, однако характеристика n = f (Uу) не будет линейной. Поэтому чаще применяется якорное управление.

Магнитоэлектрические машины

В связи с разработкой сплавов ални (Al – Ni), алнико (Al – Ni – Co), а также ряда других сплавов, обладающих высокими магнитными свойствами, стало возможным изготовление машин без обмотки возбуждения, с постоянными магнитами на индукторе. В частности, с постоянными магнитами изготовляются исполнительные двигатели с якорным управлением мощностью до 50 – 100 Вт.

С постоянными магнитами можно строить также генераторы и двигатели общего назначения мощностью до 5 – 10 кВт и выше. Такие машины получили широкое распространение.

Исполнительные двигатели с полым немагнитным якорем

Вследствие малой инерции такие двигатели обладают большим быстродействием. Полый якорь в виде стаканчика изготовляется из пластмассы, и на нем размещается и укрепляется якорная обмотка обычного типа, соединенная с коллектором. Внутренний неподвижный ферромагнитный сердечник (статор) при якорном управлении может быть массивным (рисунок 1).

Рисунок 1. Исполнительный двигатель постоянного тока с полым немагнитным якорем
1 – переднй щит; 2 – щеткодержатель; 3 – крышка смотрового люка; 4 – коллектор; 5 – станина; 6 – обмотка возбуждения; 7 – полюс; 8 – полый якорь; 9 – внутренний статор; 10 – задний щит

Из-за наличия большого немагнитного зазора между внешним и внутренним статорами требуется сильная обмотка возбуждения, габариты машины увеличиваются, а коэффициент полезного действия уменьшается. Подобные двигатели выпускаются мощностью до 10 – 15 Вт.

Двигатели с печатной обработкой якоря

Двигатели с печатной обработкой якоря (рисунок 2), также обладают малой инерцией. Якорь этого двигателя имеет вид тонкого диска из немагнитного материала (текстолит, стеклотекстолит и так далее), на обеих сторонах которого расположены медные проводники обмотки якоря. Проводники выполняются путем гальванического травления листов медной фольги, наклеенных на диск якоря, либо гальваническим осаждением или переносом меди. Обмотка, изготовляемая таким способом, получила название печатной. Схема обмотки якоря обычная, двухслойная, причем проводники отдельных слоев расположены на разных сторонах диска и соединяются электрически между собой через отверстия в диске. Серебряно-графитные щетки скользят по неизолированной поверхности элементов обмотки якоря, как по коллектору.

Двигатель постоянного тока с печатной обмоткой якоря

Рисунок 2. Двигатель постоянного тока с печатной обмоткой якоря: а – разрез двигателя; б – обмотка якоря
1 – диск якоря с обмоткой; 2 – вал; 3 – втулка; 4 – щетки и щеткодержатель; 5 – постоянные магниты (полюсы); 6 – полюсные наконечники; 7 и 8 — диски из магнитной стали

Возбуждение осуществляется с помощью постоянных магнитов или обмотки возбуждения. Напряжение таких машин составляет 6 – 50 В. Ввиду хороших условий охлаждения допустимы большие плотности тока в обмотке якоря (до 30 – 40 А/мм² при продолжительном режиме работы). В случае необходимости быстрого торможения после снятия напряжения сигнала диск якоря изготовляется из алюминия.

Тахогенераторы

Тахогенераторы представляют собой маломощные электрические генераторы (обычно до Pн = 10 – 50 Вт), которые служат в системах автоматики для преобразования скорости вращения в электрический сигнал (напряжение Uс). От тахогенераторов требуется линейная зависимость Uс = f (n) с точностью до 0,2 – 0,5 %, а иногда с точностью до 0,01 %. В маломощных тахогенераторах при n = 1000 об/мин напряжение Uс = 3 – 5 В, а в более мощных тахогенераторах обычного применения при такой же скорости вращения Uс = 50 – 100 В.

Большинство тахогенераторов имеет обычную конструкцию машин постоянного тока с независимым возбуждением при iв = const или с постоянными магнитами. При необходимости уменьшения механической инерции и устранения зубцовых пульсаций напряжения применяют конструкцию с полым якорем (смотрите рисунок 1). Разработаны также униполярные тахогенераторы (смотрите рисунок 7, в статье «Специальные типы генераторов и преобразователей постоянного тока») с электромагнитным возбуждением или с постоянными магнитами. При этом отсутствуют коллекторные пульсации напряжения, однако Uс мало.

Исполнительные двигатели и тахогенераторы нормальной конструкции и с постоянными магнитами выпускались в СССР серийно.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Источник