Двигуни постійного струму

У системах автоматики й телемеханіки, у різних приладах виконавчі двигуни постійного струму (ДПС) знаходять не менш широке застосування, чому виконавчі двигуни змінного струму. До позитивних якостей виконавчих двигунів постійного струму ставляться наступні:

· можливість одержання теоретично будь-яких, як завгодно малих і великих частот обертання;

· можливість плавного, економічного й у широкому діапазоні регулювання частоти обертання;

· стійкість роботи практично при будь-яких частотах обертання;

· лінійність механічних, а в ряді випадків і регулювальних характеристик;

· відсутність самоходу;

· значний пусковий момент;

· порівняно невелика електромеханічна постійна часу;

· малі габаритні розміри й маса (значно менші, ніж у виконавчих двигунів змінного струму).

Основним недоліком найбільше широко розповсюджених колекторних (контактних) виконавчих двигунів постійного струму, що обмежують області їх застосування, є наявність ковзних контактів - колектора й щіток.

Мінливість перехідного опору ковзних контактів приводить до нестабільності характеристик двигуна. Іскріння під щітками приводить до підгоряння контактів колектора й щіток, тобто обумовлює необхідність систематичного догляду за ними й неприпустимість установки двигунів звичайного використання у вибухонебезпечних приміщеннях.

Колекторні виконавчі двигуни мають механічний колектор і щітки. Причому розрізняють двигуни з феромагнітними шихтованими (масовими) якорями, що мають пази (рис.7.6), або із гладкими (безпазові) якорями й малоінерційні двигуни, якорі яких не мають магнітних магнітопроводів.

По способу порушення колекторні виконавчі двигуни постійного струму можуть бути з електромагнітним порушенням (рис.7.6) і порушенням від постійних магнітів.

Рис. 7.6. Виконавчий колекторний ДПС: 1 – передній підшипниковий щит; 2 – щітки; 3 – обмотка полюсу; 4 – корпус; 5 – розріз статору; 6 – задній підшипниковий щит; 7 – вал; 8 – осердя якоря; 9 – полюс; 10 – обмотка якоря; 11 – коллектор; 12 – підшипник.

Рис. 7.7. Схема включення виконавчих ДПС: а – якірне керування; б – полюсне керування.

У двигунів з електромагнітним порушенням у якості обмотки керування використовується або обмотка якоря - двигуни з якірним керуванням (рис.7.7, а), або обмотка полюсів - двигуни з полюсним керуванням (рис.7.7, б). У двигунів, порушуваних постійними магнітами, обмоткою керування є єдина їхня обмотка - обмотка якоря, тому вони завжди працюють при якірному керуванні.

У схемах автоматики широко використовуються також безконтактні двигуни постійного струму, основні характеристики яких аналогічні характеристикам колекторних виконавчих двигунів постійного струму з якірним керуванням.

По конструкції колекторні виконавчі двигуни постійного струму можна розділити на двигуни з якорем звичайного виконання - з напівзакритими пазами на його циліндричній поверхні; двигуни із гладким якорем, у яких обмотка якоря розташована на шихтованому гладкому циліндричному ярмі й укріплена за допомогою епоксидних смол і бандажів; двигуни з малоінерційними якорями (циліндричними й дисковими), у яких під час роботи обертається лише обмотка якоря з колектором, а ярмо якоря залишається нерухливим.

Особливістю виконавчих двигунів постійного струму з мінливим за значенням магнітним потоком порушення (на відміну від звичайних силових двигунів) є те, що вони мають шихтовані (набрані з тонких аркушів електротехнічної сталі) не тільки магнітопровід якоря, але й спинку статора й полюси, що необхідно для зменшення постійної часу при швидкій зміні магнітного потоку, а також втрат у магнітопроводі при роботі двигуна в перехідних режимах, які є звичайними для виконавчих двигунів.

По габаритних розмірах і масі двигуни постійного струму у два-три рази менше асинхронних виконавчих двигунів тієї ж потужності, але в той же час вони більше звичайних силових двигунів постійного струму. Останнє пояснюється тим, що, по-перше, магнітний ланцюг виконавчих двигунів, як правило, менш насичена, що викликане бажанням одержати лінійні характеристики й усунути вплив на них поля реакції якоря, по-друге, меншою щільністю струмів в обмотках, що диктується бажанням зменшити їх перегрів. Останнє дуже важливо, тому що виконавчі двигуни постійного й змінного струмів ніколи не забезпечуються вбудованими вентиляторами, які, по-перше, малоефективні (тому що виконавчі двигуни практично ніколи не працюють при постійних значних частотах обертання, а працюють у режимах пусків, зупинок, реверсів); по-друге, внаслідок значної інерційності вентилятори збільшують постійну часу двигуна, знижуючи його швидкодію.

Малоінерційні двигуни постійного струму

Одним з недоліків контактних виконавчих двигунів постійного струму є те, що вони мають шихтовані з аркушів стали якорі з більшим моментом інерції, що значно знижує їхня швидкодія. Цих недоліків немає в розроблених порівняно недавно, але, що одержали вже досить широке застосування так званих малоінерційних двигунів.

Малоінерційні двигуни залежно від конструкції й технології виготовлення їх якорів можна розділити на дві групи: двигуни із друкованою обмоткою якоря й двигуни з обмоткою якоря, виконаної зі звичайного ізольованого проведення. По своїх пускових і робочих властивостях ці двигуни близькі один одному.

Малоінерційні двигуни із друкованою обмоткою якоря

Двигуни із друкованою обмоткою в цей час випускаються у двох конструктивних варіантах: з дисковими й циліндричними якорями.

Дисковий якір із друкованою обмоткою (рис.7.8) виконується у вигляді тонкого диска з ізоляційного матеріалу (наприклад, склотекстоліту), на обидві сторони якого, звичайно електрохімічним шляхом, наносяться, що з'єднуються між собою частини плоскої (друкованої) обмотки. Провідники секцій (рис.7.8, б) виконуються з мідної фольги, із трьох сторін оточеної повітрям (четвертою стороною фольга прилягає до диска). Усі перші - початкові половини секцій (на малюнку показані товстою лінією) розташовуються на одній стороні диска. Усі другі половини секцій (виконані пунктиром) розташовуються на іншій стороні диска. Кінці напівсекцій, розташованих на різних сторонах диска, з'єднуються між собою за допомогою наявних у ньому отворів. Ізоляцією між окремими провідниками обмотки якоря служить матеріал диска.

Рис. 7.8. Дисковий якір з друкованою обмоткою: а – загальний вид; б – будова секції.

Рис. 7.9. ДПС з дисковим якорем з друкованою обмоткою: 1 – дисковий якір; 2, 8 – кільцеві магнітопроводи; 3 – вал; 4 – втулка; 5 – щітка; 6 – постійний магніт; 7 - полюс.

Дисковий якір обертається між полюсами, що створюють потік, спрямований у повітряному зазорі аксіально (рис.7.9). До друкованої обмотки якоря за допомогою щіток, що сковзають по неізольованих поверхнях провідників секцій якоря, підводить напруга. У результаті взаємодії струму провідників обмотки якоря з магнітним полем полюсів створюється обертаючий момент, так само як і у звичайному двигуні постійного струму.

Недоліком двигунів з дисковими якорями є те, що при збільшенні діаметра диска, викликаного необхідністю збільшення номінальної потужності двигуна, зростає його момент інерції й погіршується надійність роботи внаслідок можливого коливання диска при нагріванні. Зазначеного недоліку позбавлені машини з порожнім циліндричним якорем, що мають друковану обмотку.

Циліндричний якір із друкованою обмоткою (рис.7.10) виготовляється у вигляді порожнього циліндра з ізоляційного матеріалу, на обидві сторони якого (зовнішню й внутрішню) наносяться, що з'єднуються між собою частини друкованої обмотки. Кінці секцій обмотки виводяться до колектора, розташованого на валу двигуна.

Зовнішня нерухлива частина двигуна із циліндричним якорем нічим не відрізняється від нерухливої частини звичайної машини постійного струму. Вона складається зі станини й полюсів, які у виконавчих двигунів завжди виконуються шихтованими. Для зменшення опору на шляху основного магнітного потоку усередині порожнього циліндричного якоря розташовують сердечник внутрішнього статора, який зміцнюється або на циліндричному виступі одного з підшипникових щитів як внутрішній статор асинхронного двигуна з порожнім ротором (рис.17.13), або за допомогою підшипників на валу двигуна (рис.7.10). Позитивними якостями порожнього циліндричного якоря із друкованою обмоткою (у порівнянні з дисковим) є менший момент інерції й більша механічна міцність.

Звичайно двигуни з дисковим якорем розраховують на невеликі потужності - десятки, сотні ватів, двигуни ж із циліндричним якорем - на потужності до 10 кВт.

Рис. 7.10. Циліндричний якір з друкованою обмоткою: 1 – циліндр з ізоляційного матеріалу з друкованою обмоткою; 2 – колектор; 3 – осердя внутрішнього статора; 4 – вал; 5 – вентилятор.

Рис. 7.11. Малоінерційний виконавчий ДПС серії ДПР: 1 – корпус; 2 – полий якір з звичайною обмоткою; 3 – постійний магніт.

Позитивними якостями виконавчих двигунів з дисковим і циліндричним якорями, що мають друковані обмотки, є:

· висока технологічність якоря, що дозволяє до мінімуму скоротити ручна праця;

· малий момент інерції якоря;

· відсутність втрат у сталі двигуна, тому що обертовий якір не має феромагнітних частин;

· гарна безіскрова комутація внаслідок малої самоіндукції й взаємоіндукції секцій, що комутируються, оточених повітрям;

· відсутність сил магнітного притягання, що діють на якір навіть при нерівномірному повітряному зазорі, що розвантажує підшипники й сильно зменшує механічні втрати;

· гарне охолодження провідників обмотки якоря при обертанні, що дозволяє значно підвищити щільність Струму в обмотці якоря;

· високий ККД при порушенні постійними магнітами, що пояснюється відсутністю втрат у сталі й досить незначними механічними втратами (у двигуні практично є лише втрати в обмотці якоря);

· відсутність необхідності в міжвитковій і пазової ізоляції.

До недоліків малоінерційних двигунів із друкованими обмотками ставляться:

· великий немагнітний проміжок на шляху магнітного потоку, що полягає із двох повітряних зазорів і товщини якоря, який не містить феромагнітних матеріалів;

· недостатня міцність конструкції якорів, що приводить до їхнього коливання при більших температурах;

· обмежене через технологічні труднощі число витків обмотки якоря; що змушує завжди застосовувати послідовну (хвильову) обмотку й розраховувати двигуни або на роботу від мереж з невеликою напругою, або на роботу при більших частотах обертання.

Внаслідок великого немагнітного проміжку на шляху потоку малоінерційних двигуни збуджуються постійними магнітами, які можуть розташовуватися як усередині, так і зовні порожнього якоря. Великий немагнітний проміжок у цьому випадку, хоча й веде до необхідності збільшення обсягу магнітів, не приводить до збільшення втрат у двигуні.

Малоінерційні двигуни зі звичайною обмоткою якоря

Ці двигуни відрізняються від малоінерційних двигунів із друкованою обмоткою якоря лише конструкцією обмотки. Вони також випускаються як із циліндричними, так і з дисковими якорями.

Обмотка якорів цих двигунів виконується зі звичайного тонкого проведення з емалевою ізоляцією, який у процесі виготовлення якоря укладається у вигляді секцій на циліндричний або плоский (дисковий) каркас, просочується термоактивним компаундом на основі епоксидною смоли й після формування й полімеризації компаунда перетворюється в монолітний циліндр або диск, що має необхідну міцність. Кінці секцій обмотки якорі виводяться до пластин колектора. На відміну від якорів із друкованими обмотками в цьому випадку число провідників обмотки якорі може бути значно більшим, що дозволяє розраховувати двигуни на більш високі напруги й більш низькі частоти обертання. Збуджуються ці двигуни, як правило, постійними магнітами.

Випускається серія ДПР малоінерційних виконавчих двигунів з порожніми циліндричними якорями, що мають звичайну обмотку (рис. 7.11). У двигунах цієї серії магніт розміщений усередині якоря. Це дозволило значно скоротити потоки розсіювання магніту й краще його використовувати. Корпус двигуна одночасно служить і магнітопроводом. Серія ДПР охоплює діапазон потужностей від 0,12 до 37 Вт. ККД двигунів цієї серії на 15...25 % вище, чим у двигунів серії ДПМ, що мають якір звичайної конструкції. Електромеханічні постійні часу двигунів серії ДПР від 15 до 20 мс, що в 2 - 2, 5 рази менше, чим у двигунів серії ДПМ.

Виконавчі двигуни зі звичайним і гладким безпазовими якорями. Безконтактні двигуни.

Виконавчі двигуни зі звичайним якорем і електромагнітним порушенням

Ці двигуни відрізняються від звичайних силових двигунів постійного струму тим, що мають шихтовані з листової сталі не тільки магнітопроводи якоря, але й магнітопроводи спинки статора й полюси, що забезпечує підвищення швидкодії при перехідних процесах. Вони менш насичені (з метою підвищення лінійності основних характеристик), що приводить до збільшення їх габаритних розмірів у порівнянні із силовими двигунами тих же потужностей, а також мають більше число секцій якоря, а отже, і колекторних пластин, що необхідно для поліпшення комутації особливо при перехідних режимах, у яких постійно працюють виконавчі двигуни. У нашій країні випускається кілька серій виконавчих двигунів постійного струму зі звичайним якорем і електромагнітним порушенням.

Виконавчі двигуни зі звичайним якорем і порушенням від постійних магнітів

Ці двигуни відрізняються від розглянутих двигунів звичайного використання тільки тим, що основний їхній магнітний потік створюється не обмоткою збудження, а постійними магнітами, які розташовуються на статорі й заміняють звичайні полюси з обмоткою збудження.

Переваги двигунів з постійними магнітами в порівнянні із двигунами постійного струму, що мають обмотки збудження, можна сформулювати в такий спосіб:

· відсутність втрат потужності на порушення, що обумовлює більш високий ККД, що досягає навіть у двигунів малих потужностей (у трохи ват) 60...70%;

· відсутність джерела живлення для обмотки збудження;

· практично повна незалежність основного магнітного потоку машини від змін температури й коливань напруги мережі.

Ці переваги двигунів з постійними магнітами сприяють усе більш зростаючому їхньому застосуванню як у системах, що стежать, так і автоматизованих приводах. Останнім часом у техніку набувають широкого застосування не тільки двигуни з постійними магнітами малих потужностей, але й двигуни середніх і більших потужностей.

Відсутність втрат потужності на порушення дозволяє побільшати струм якоря й втрати в його обмотці без збільшення температури нагрівання (а виходить, без збільшення габаритних параметрів якоря), що приводить до збільшення обертаючого моменту (М ≈ Ф·І_я), що розвивається двигуном, а отже потужності, що й віддається їм, P = М·n. Саме тому такі двигуни іноді називають високомоментними.

З метою зменшення іскріння під щітками - одержання задовільної комутації при збільшених струмах якоря, що має місце в перехідних режимах (при пуску, зупинці, реверсі), у яких, як правило, більшу частину часу працюють виконавчі й високомоментні двигуни автоматичних систем, обмотки якорів виконують із більшим числом N_c секцій, а колектори - з більшим числом N_K колекторних пластин (N_c = N_K). Це дозволяє зменшити число витків у кожній із секцій, а отже, і значення ЕРС (е_с) секцій, що комутируються, наводяться в них у процесі комутації (ЭРС обертання e_вр, ЭРС самоіндукції e_l, ЭРС взаємоіндукції е_т і ЭРС трансформації е_тр).

Вартість двигунів з постійними магнітами, незважаючи на гадану їхню простоту, часто не нижче, а навіть вище вартості двигунів з обмоткою збудження. Пояснюється це високою вартістю й дефіцитністю цілого ряду матеріалів, що йдуть на виготовлення постійних магнітів (наприклад, самарію, кобальту), а також труднощами їх механічної обробки, тому тривалий час двигуни з постійними магнітами випускалися на невеликі потужності. Останнім часом одержали широке поширення недорогі феррито-барієві й інші магніти, що володіють високою питомою енергією за рахунок великої коерцитивної сили матеріалів. Це дозволило проектувати й випускати двигуни з постійними магнітами великої номінальної потужності (на десятки кіловатів). Двигуни деяких серій великої потужності мають вбудовані тахогенератори.

На рис.17.12 представлена конструкція мікродвигуна постійного струму з постійним магнітом серії ДПМ, що одержав широке поширення. Його недоліками є нетехнологічність і порівняно дорогою кільцевий постійний магніт.

Рис. 7.12. Конструкція виконавчого двигуна з постійним магнітом: 1 – немагнітна частина корпусу; 2 – постійний магніт; 3 – якір з колектором.

В останні роки була розроблена ціла серія ДП мікродвигунів постійного струму виконання Р09 з дешевими феррито-барієвими постійними магнітами.

Виконавчі двигуни із гладким безпазовим якорем

Виконавчі двигуни постійного струму із гладким безпазовим якорем з'явилися порівняно недавно. Відмінною рисою цих двигунів є те, що обмотка якоря в них розташовується не в пазах (вони відсутні), а зміцнюється безпосередньо на гладкій циліндричній поверхні якоря за допомогою клею-компаунда й бандажів. Таке розташування значне зменшує індуктивність обмотки, що приводить до поліпшення комутації й зменшенню електромеханічної постійної часу, тобто підвищенню швидкодії двигуна. Недоліком двигуна із гладким безпазовим якорем є наявність значного немагнітного проміжку на шляху магнітного потоку полюсів, який тут складається з повітряного зазору й товщини обмотки якоря. Виконавчі двигуни із гладким безпазовим якорем випускаються як з електромагнітним порушенням, так і з постійними магнітами.

Безконтактні виконавчі двигуни

Недоліком усіх розглянутих раніше виконавчих двигунів постійного струму є наявність ковзних контактів - колектора й щіток, які значно знижують надійність роботи й обмежують області їх застосування. З метою усунення цих недоліків останнім часом були розроблені й почали досить широко застосовуватися безконтактні виконавчі (керовані) двигуни постійного струму, що принципово не відрізняються від безконтактних двигунів, розглянутих раніше.

Рис. 7.13. Безконтактний виконавчий двигун серії ДБУ: 1 – корпус; 2 – індуктор – двополюсний постійний магніт; 3 – магнітопровід статора; 4 – вал; 5 – обмотка якоря; 6 – підшипниковий щит; 7 – обмотка давача положення; 8 – контактна плата; 9 – кожух; 10 сигнальний елемент.

Ці двигуни (рис.17.13) не мають колектора й щіток, що забезпечує їх більш надійну роботу в умовах тряски, вібрації температур, що різко змінюються, при високих частотах обертання десятків, що досягають, і сотень тисяч обертів у хвилину, і значно підвищує термін служби.

Дата добавления: 2014-01-07