Исполнительные двигатели с обычным и гладким беспазовым якорями. Бесконтактные двигатели

Исполнительные двигатели с обычным якорем и электромагнитным возбуждением. Эти двигатели отличаются от обычных силовых двигателей постоянного тока тем, что имеют шихтованные из листовой стали не только магнитопроводы якоря, но и магнитопроводы спинки статора и полюсы, что обеспечивает повышение быстродействия при переходных процессах. Они менее насыщены (с целью повышения линейности основных характеристик), что приводит к увеличению их габаритных размеров по сравнению с силовыми двигателями тех же мощностей, а также имеют большее число секций якоря, а следовательно, и коллекторных пластин, что необходимо для улучшения коммутации особенно при переходных режимах, в которых постоянно работают исполнительные двигатели. В нашей стране выпускается несколько серий исполнительных двигателей постоянного тока с обычным якорем и электромагнитным возбуждением. Это двигатели серий СЛ (см. рис.13), МИ, ПБС и др. Многие двигатели средней и большой мощностей выпускаются со встроенными тахогенераторами (МИ, ПБС).

Исполнительные двигатели с обычным якорем и возбуждением от постоянных магнитов. Эти двигатели отличаются от рассмотренных двигателей обычного использования только тем, что основной их магнитный поток создается не обмоткой возбуждения, а постоянными магнитами, которые располагаются на статоре и заменяют обычные полюсы с обмоткой возбуждения.

Преимущества двигателей с постоянными магнитами по сравнению с двигателями постоянного тока, имеющими обмотки возбуждения, можно сформулировать следующим образом:

отсутствие потерь мощности на возбуждение, что обусловливает более высокий КПД, достигающий даже у двигателей малых мощностей (в несколько ватт) 60...70%;

отсутствие источника питания для обмотки возбуждения;

практически полная независимость основного магнитного потока машины от изменений температуры и колебаний напряжения сети.

Эти преимущества двигателей с постоянными магнитами способствуют все более возрастающему их применению как в следящих системах, так и автоматизированных приводах. В последнее время в технике получают широкое применение не только двигатели с постоянными магнитами малых мощностей, но и двигатели средних и больших мощностей.

Отсутствие потерь мощности на возбуждение позволяет увеличить ток якоря и потери в его обмотке без увеличения температуры нагрева (а значит, без увеличения габаритных параметров якоря), что приводит к увеличению вращающего момента (М ≈ ФIя), развиваемого двигателем, а следовательно, и отдаваемой им мощности Р = Мn. Именно поэтому такие двигатели иногда называют высокомоментными.

С целью уменьшения искрения под щетками — получения удовлетворительной коммутации при увеличенных токах якоря, что имеет место в переходных режимах (при пуске, остановке, реверсе), в которых, как правило, большую часть времени работают исполнительные и высокомоментные двигатели автоматических систем, обмотки якорей выполняют с большим числом Nc секций, а коллекторы — с большим числом Nк коллекторных пластин (Nc = Nк). Это позволяет уменьшить число витков в каждой из секций, а следовательно, и значения ЭДС (е_к) коммутируемых секций, наводимых в них в процессе коммутации (ЭДС вращения е_вр, ЭДС самоиндукции e_L, ЭДС взаимоиндукции е_m и ЭДС трансформации е_тр).

Стоимость двигателей с постоянными магнитами, несмотря на кажущуюся их простоту, часто не ниже, а даже выше стоимости двигателей с обмоткой возбуждения. Объясняется это высокой стоимостью и дефицитностью целого ряда материалов, идущих на изготовление постоянных магнитов (например, самария, кобальта), а также трудностью их механической обработки, поэтому длительное время двигатели с постоянными магнитами выпускались на небольшие мощности. В последнее время получили широкое распространение недорогие ферритобариевые и другие магниты, обладающие высокой удельной энергией за счет большой коэрцитивной силы материалов. Это позволило проектировать и выпускать двигатели с постоянными магнитами большой номинальной мощности (на десятки киловатт). Двигатели некоторых серий большой мощности имеют встроенные тахогенераторы.

Рис.15. Конструкция исполнительного двигателя с постоянным магнитом:

1 — концевые части из цинкового сплава; 2 — постоянный магнит; 3 — якорь с коллектором

На рис.15 представлена конструкция микродвигателя постоянного тока с постоянным магнитом серии ДПМ, получившего широкое распространение. Его недостатками являются нетехнологичность и сравнительно дорогой кольцевой постоянный магнит из сплава типа ЮНДК.

В последние годы была разработана целая серия ДП микродвигателей постоянного тока исполнения Р09 с дешевыми феррито-бариевыми постоянными магнитами. По своим характеристикам такие двигатели весьма близки к двигателям серии ДПМ.

Исполнительные двигатели с гладким беспазовым якорем Исполнительные двигатели постоянного тока с гладким беспазовым якорем появились сравнительно недавно. Отличительной особенностью этих двигателей является то, что обмотка якоря у них располагается не в пазах (они отсутствуют), а укрепляется непосредственно на гладкой цилиндрической поверхности якоря с помощью клея-компаунда и бандажей. Такое расположение значительно уменьшает индуктивность обмотки, что приводит к улучшению коммутации и уменьшению электромеханической постоянной времени, т.е. повышению быстродействия двигателя. Недостатком двигателя с гладким беспазовым якорем является наличие значительного немагнитного промежутка на пути магнитного потока полюсов, который здесь складывается из воздушного зазора и толщины обмотки якоря. Исполнительные двигатели с гладким беспазовым якорем выпускаются как с электромагнитным возбуждением, так и с постоянными магнитами.

Бесконтактные исполнительные двигатели. Недостатком всех рассмотренных ранее исполнительных двигателей постоянного тока является наличие скользящих контактов — коллектора и щеток, которые значительно снижают надежность работы и ограничивают области их применения. С целью устранения этих недостатков в последнее время были разработаны и начали довольно широко применяться бесконтактные исполнительные (управляемые) двигатели постоянного тока, принципиально не отличающиеся от бесконтактных двигателей, рассмотренных ранее.

Рис.16. Бесконтактный исполнительный двигатель типа ДБУ:

1 — корпус; 2 — индуктор — двухполюсный постоянный магнит; 3 -~ магнитопровод статора; 4 — вал;

5 — обмотка якоря; 6 — подшипниковый шит; 7 — обмотка датчика положения; 8— контактная плата;

9— кожух; 10— сигнальный элемент (постоянный магнит)

Эти двигатели (рис.16) не имеют коллектора и щеток, что обеспечивает их более надежную работу в условиях тряски, вибрации, резко изменяющихся температур, при высоких частотах вращения, достигающих десятков и сотен тысяч оборотов в минуту, и значительно повышает срок службы.

Малоинерционные двигатели постоянного тока. Одним из недостатков контактных исполнительных двигателей постоянного тока является то, что они имеют шихтованные из листов стали якоря с большим моментом инерции, что значительно снижает их быстродействие. Этих недостатков нет у разработанных сравнительно недавно, но получивших уже достаточно широкое применение так называемых малоинерционных двигателей.

Малоинерционные двигатели в зависимости от конструкции и технологии изготовления их якорей можно разделить на две группы: двигатели с печатной обмоткой якоря и двигатели с обмоткой якоря, выполненной из обычного изолированного провода. По своим пусковым и рабочим свойствам эти двигатели близки друг другу.

Малоинерционные двигатели с печатной обмоткой якоря. Двигатели с печатной обмоткой в настоящее время выпускаются в двух конструктивных вариантах: с дисковыми и цилиндрическими якорями.

Дисковый якорь с печатной обмоткой (рис.17) выполняется в виде тонкого диска из изоляционного материала (например, стеклотекстолита), на обе стороны которого, обычно электрохимическим путем, наносятся соединяющиеся между собой части плоской (печатной) обмотки. Проводники секций (см. рис.17, б) выполняются из медной фольги, с трех сторон окруженной воздухом (четвертой стороной фольга прилегает к диску). Все первые — начальные половины секций (на рисунке показаны толстой линией) распола­гаются на одной стороне диска. Все вторые половины секций (выполнены пунктиром) располагаются на другой стороне диска. Концы полусекций, расположенных на разных сторонах диска, соединяются между собой с помощью имеющихся в нем отверстий. Изоляцией между отдельными проводниками обмотки якоря служит материал диска.

Рис. 17. Дисковый якорь с печатной обмоткой:

а — общий вид; б — устройство секций

Рис.18. Двигатель постоянного тока с дисковым якорем с печатной обмоткой:

1 — дисковый якорь; 2, 8 — кольцевые магнитопроводы (ярма); 3 — вал; 4 —втулка; 5 — щетка;

6 — постоянный магнит; 7 — полюсный наконечник

Дисковый якорь вращается между полюсами, создающими поток, направленный в воздушном зазоре аксиально (рис.18). К печатной обмотке якоря посредством щеток, скользящих по неизлированным поверхностям проводников секций якоря, подводится напряжение. В результате взаимодействия тока проводников обмотки якоря с магнитным полем полюсов создается вращающий момент, так же как и в обычном двигателе постоянного тока.

Недостатком двигателей с дисковыми якорями является то, что при увеличении диаметра диска, вызванного необходимостью увеличения номинальной мощности двигателя, возрастает его момент инерции и ухудшается надежность работы вследствие возможного колебания диска при нагреве. Указанного недостатка лишены машины с полым цилиндрическим якорем, имеющим печатную обмотку.

Цилиндрический якорь с печатной обмоткой (рис.19) изготовляется в виде полого цилиндра из изоляционного материала, на обе стороны которого (наружную и внутреннюю) наносятся соединяющиеся между собой части печатной обмотки. Концы секций обмотки выводятся к коллектору, расположенному на валу двигателя.

Наружная неподвижная часть двигателя с цилиндрическим якорем ничем не отличается от неподвижной части обычной машины постоянного тока. Она состоит из станины и полюсов, которые у исполнительных двигателей всегда выполняются шихтованными. Для уменьшения сопротивления на пути основного магнитного потока внутри полого цилиндрического якоря располагают сердечник внутреннего статора, который укрепляется либо на цилиндрическом выступе одного из подшипниковых щитов как внутренний статор асинхронного двигателя с полым ротором (см. рис.16), либо с помощью подшипников на валу двигателя (см. рис.19). Положительными качествами полого цилиндрического якоря с печатной обмоткой (по сравнению с дисковым) являются меньший момент инерции и большая механическая прочность.

Рис.19. Цилиндрический якорь с печатной обмоткой в сборе:

1 — цилиндр из изоляционного материала с печатной обмоткой; 2 -~ коллектор;3— сердечник внутреннего статора; 4— вал; 5— вентилятор

Обычно двигатели с дисковым якорем рассчитывают на небольшие мощности — десятки, сотни ватт, двигатели же с цилиндрическим якорем — на мощности до 10 кВт.

Положительными качествами исполнительных двигателей с дисковым и цилиндрическим якорями, имеющими печатные обмотки, являются:

высокая технологичность якоря, позволяющая до минимума сократить ручной труд;

малый момент инерции якоря;

отсутствие потерь в стали двигателя, так как вращающийся якорь не имеет ферромагнитных частей;

хорошая безискровая коммутация вследствие малой самоиндукции и взаимоиндукции коммутируемых секций, окруженных воздухом;

отсутствие сил магнитного притяжения, действующих на якорь даже при неравномерном воздушном зазоре, что разгружает подшипники и сильно уменьшает механические потери;

хорошее охлаждение проводников обмотки якоря при вращении, что позволяет значительно повысить плотность тока в обмотке якоря;

высокий КПД при возбуждении постоянными магнитами, что объясняется отсутствием потерь в стали и весьма незначительными механическими потерями (в двигателе практически имеются лишь потери в обмотке якоря);

отсутствие необходимости в межвитковой и пазовой изоляции.

К недостаткам малоинерционных двигателей с печатными обмотками относятся:

большой немагнитный промежуток на пути магнитного потока, состоящий из двух воздушных зазоров и толщины якоря, который не содержит ферромагнитных материалов;

недостаточная прочность конструкции якорей, что приводит к их колебанию при больших температурах;

ограниченное из-за технологических трудностей число витков обмотки якоря; что вынуждает всегда применять последовательную (волновую) обмотку и рассчитывать двигатели либо на работу от сетей с небольшим напряжением, либо на работу при больших частотах вращения.

Вследствие большого немагнитного промежутка на пути потока малоинерционные двигатели, как правило, возбуждаются постоянными магнитами, которые могут располагаться как внутри, так и снаружи полого якоря. Большой немагнитный промежуток в этом случае, хотя и ведет к необходимости увеличения объема магнитов, не приводит к увеличению потерь в двигателе.

Малоинерционные двигатели с обычной обмоткой якоря. Эти двигатели отличаются от малоинерционных двигателей с печатной обмоткой якоря лишь конструкцией обмотки. Они также выпускаются как с цилиндрическими, так и с дисковыми якорями.

Обмотка якорей этих двигателей выполняется из обычного тонкого провода с эмалевой изоляцией, который в процессе изготовления якоря укладывается в виде секций на цилиндрический или плоский (дисковый) каркас, пропитывается термоактивным компаундом на основе эпоксидной смолы и после формовки и полимеризации компаунда превращается в монолитный цилиндр или диск, имеющий необходимую прочность. Концы секций обмотки якоря выводятся к пластинам коллектора. В отличие от якорей с печатными обмотками в этом случае число проводников обмотки якоря может быть значительно большим, что позволяет рассчитывать двигатели на более высокие напряжения и более низкие частоты вращения. Возбуждаются эти двигатели,.как правило, постоянными магнитами.

Выпускается серия ДПР малоинерционных исполнительных двигателей с полыми цилиндрическими якорями, имеющими обычную обмотку (рис.20). В двигателях этой серии магнит размещен внутри якоря. Это позволило значительно сократить потоки рассеяния магнита и лучше его использовать. Корпус двигателя одновременно служит и магнитопроводом. Серия ДПР охватывает диапазон мощностей от 0,12 до 37 Вт. КПД двигателей этой серии на 15... 25 % выше, чем у двигателей серии ДПМ, имеющих якорь обычной конструкции. Электромеханические постоянные времени двигателей серии ДПР от 15 до 20 мс, что в 2 — 2,5 раза меньше, чем у двигателей серии ДПМ.

Рис.20. Малоинерционный исполнительный двигатель постоянного тока серии ДПР:

1 — корпус (станина); 2 — полый якорь с обычной обмоткой; 3 — постоянный магнит

Дата добавления: 2014-01-04