Исполнительные механизмы автоматических систем

2.3 Конструкции электрических исполнительных механизмов

Исполнительные двигатели постоянного тока.

В качестве исполнительных микродвигателей постоянного тока используют коллекторные микродвигатели независимо электромагнитного возбуждения и с возбуждением от постоянных магнитов, а также бесконтактные с транзисторными коммутаторами.

Исполнительные микродвигатели с барабанным якорем не имеют принципиальных конструктивных отличий от классической машины постоянного тока. Микродвигатели с полым немагнитными дисковым якорями и бесконтактные выпускаются промышленностью, как правило, с возбуждением от постоянных магнитов.

Двигатели с полым немагнитным якорем.

Рисунок 2.2 - Исполнительный двигатель постоянного тока с полым немагнитным якорем.

На рисунке 2.2 изображен микродвигатель постоянного тока с полым немагнитным якорем. Особенностью конструкции является то, что для уменьшения момента инерции якорь 2 выполняют в виде полого пластмассового цилиндра, в который запрессована обмотка из медного провода или на поверхности которого нанесена печатня обмотка. Полый якорь вращается в воздушном зазоре между внешним и внутренним статорами. Внутренний статор 3 представляет собой цилиндрический постоянный магнит с радиальной намагниченностью, создающей поток возбуждения. Внешний статор 1, выполненный из магнитомягкого материала, является магнитопроводом. Напряжение на якорь подается через щетки 5 и коллектор 4. Внешний и внутренний статоры жестко закреплены в корпусе 6. Якорь и коллектор насажены на вал 9, который вращается в подшипниках 8, закрепленных в подшипниковых щитах 7. Момент инерции якоря такого двигателя значительно меньше момента инерции якоря барабанного типа.

Двигатели постоянного тока с дисковым якорем.

Двигатели постоянного тока с дисковым якорем (рисунок 2.3) выполняют не с цилиндрическим воздушным зазором, а с плоским.

Рисунок 2.3 - Двигатель постоянного тока с полым немагнитным якорем

Возбуждение двигателя обеспечивается постоянными магнитами 1 с полюсными наконечниками 4 из магнитомягкой стали, имеющими форму кольцевых сегментов. Магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами, проходит аксиально через два воздушных зазора, немагнитный дисковый якорь 5 с печатной обмоткой и замыкается по кольцам 2, 3 из магнитомягкой стали, которые служат ярмом. Роль коллектора могут играть неизолированные участки проводников, находящиеся на поверхности диска, по которым скользят щетки 6. Якорь (рисунок 2.4) представляет собой тонкий немагнитный диск без пазов (из керамики, текстолита, алюминия) с печатной обмоткой. Проводники 2 печатной обмотки располагаются радиально по обеим сторонам диска и соединяют через сквозные отверстия 3 в диске. Такое соединение выполняют автоматически одновременно с фотохимическим нанесением обмотки. При прохождении тока по обмотке якоря на валу двигателя создается вращающий момент, направленный в плоскости диска якоря. Момент инерции дискового якоря значительно меньше, чем у барабанного, что является одним из основных преимуществ рассматриваемых двигателей.

Кроме малоинерционных двигателей с полым и дисковым якорями имеют еще ряд преимуществ перед двигателями, имеющими барабанные якори.

Так как в якоре отсутствуют ферромагнитные участки и поток якоря в основном замыкается по воздуху, влияние реакции якоря незначительно. Собственная индуктивность обмотки якоря мала, и все переходные электрические процессы в якорной цепи протекают быстро, улучшая условия коммутации. В магнитопроводе двигателей практически отсутствуют потери мощности на гистерезис и вихревые токи.

Якорь двигателя не имеет зубцов, что способствует равномерному распределению индукции в зазоре и значительному уменьшению шума. В двигателе отсутствуют реактивные моменты связанные с пульсацией магнитного потока в воздушном зазоре, что обеспечивает снижение напряжения трогания.

Вследствие отсутствия радиальных сил притяжения якоря к статору, уменьшения массы якоря и соответственно момента трения в подшипниках уменьшаются механические потери двигателя и напряжения трогания.

При изготовлении таких двигателей с печатной обмоткой якоря проводники печатной обмотки находятся в значительно лучших условиях охлаждения, чем проводники, уложенные в пазы барабанного якоря; это позволяет повысить плотность тока в проводниках обмотки якоря до 30-40 А/ммІ и, как следствие, уменьшить габариты и массу двигателя.

Рисунок 2.4 - Дисковый якорь

Изготовление печатной обмотки якоря возможно при высокой степени механизации.

Увеличение допустимой плотности тока в проводниках обмотки якоря приводит к росту электрических потерь в якоре, так как сечение проводников уменьшается, а следовательно, увеличивается сопротивление обмотки якоря. Однако у микродвигателей с полым немагнитным и дисковым якорями к. п. д., масса и габаритные размеры примерно одинаковы, а иногда и лучше, чем у двигателя с барабанным якорем, так как увеличение электрических потерь в якоре перекрывается уменьшением механических потерь в магнитопроводе.

В малоинерционных микродвигателях немагнитный зазор, состоящий из двух магнитных зазоров и немагнитного слоя якоря, больше чем у микродвигателей с барабанным якорем. Это приводит к необходимости применения для постоянных магнитов магнитотвердых материалов с большими максимальной удельной магнитной энергией и коэрцитивной силой и соответственно более дорогих.

Двигатели с дисковым якорем менее долговечны, что обуславливается главным образом быстрым износом меди печатных проводников в месте установки щеток.

Двигатели с полым немагнитным и дисковым якорями менее надежны при высоких температурах, вибрациях и ударах, так как вероятность деформации у таких якорей в данных условиях больше, чем у барабанных.

Бесконтактные (бесколлекторные) двигатели постоянного тока

В последнее время в ряде областей техники нашли применение бесконтактные (вентильные) двигатели постоянного тока.

Характерными особенностями бесконтактных микродвигателей постоянного тока являются:

наличие силовой обмотки якоря, расположенной на статоре и состоящей из нескольких катушек, сдвинутых относительно друг друга в пространстве (одна катушка соответствует обмотке фазы синхронной машины); ротор выполняют в виде постоянного магнита;

наличие бесконтактных датчиков положения оси магнитного потока ротора по отношению к осям силовой обмотки статора (трансформаторных, индукционных, фотоэлектрических и т.д.), которые определяют момент коммутации тока в этих катушках;

наличие бесконтактного, чаще всего транзисторного, коммутатора, осуществляющего коммутацию катушек силовой обмотки статора по сигналам датчиков положения.

Датчик положения ротора содержит чувствительные и сигнальные элементы.

Чувствительные элементы устанавливают в корпусе машины, а сигнальные - на валу.

Полупроводниковый коммутатор находится обычно вне корпуса машины и соединен с якорной обмоткой и датчиком кабелем.

Эти три фактора позволяют при устранении скользящего контакта коллектор - щетки сохранить основную особенность машины постоянного тока по сравнению с машинной переменного тока: частота переключения катушек обмотки якоря определяется угловой скоростью ротора, т.е. регулируется самой машиной. Благодаря этому бесконтактный двигатель постоянного тока в основном сохраняет характеристики коллекторного двигателя с независимым возбуждением.

Бесконтактный двигатель постоянного тока состоит из статора 1, который имеет двухкатушечную обмотку 2, а ротор 3 с одной парой полюсов выполнен из постоянного магнита (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Беконтактный микродвигатель

При подаче постоянного напряжения на зажимы обмотки статора по ней проходит ток, который при взаимодействии с магнитным потоком ротора создает вращающий момент. Роль датчика положения ротора, т.е. оси магнитного потока, относительно катушек обмотки статора. Выполняют два трансформаторных датчика, вал ротора. Диск имеет вырез вдоль окружности на дуге 180є. Выходные обмотки датчиков соединены по дифференциальной схеме, датчик вырабатывает сигнал при перекрытии двух из трех стержней трансформатора, т.е. при расположении датчика напротив выреза диска.

Бесконтактный двигатель постоянного тока по принципу действия аналогичен коллекторной машине постоянного тока. Но роль щеточно-коллекторной аппаратуры выполняют коммутатор и датчик положения ротора, обеспечивающие бесконтактное переключение секций якорной обмотки в зависимости от относительного положения якоря и индуктора. Отсутствие контактной пары повышает надежность и срок службы двигателя, устраняет радиопомехи и т.д. Однако наличие громоздкого полупроводникового коммутатора, сложность конструкции, высокая стоимость двигателя позволяют в настоящее время рекомендовать применение бесконтактных двигателей постоянного тока лишь для устройств, работающих в различных неблагоприятных условиях (вакуум, колебания температур, взрывоопасные среды и т.п.). В дальнейшем с уменьшением стоимости габаритов полупроводниковых приборов область применения бесконтактных двигателей постоянного тока будет несомненно расширяться.

Коллекторные двигатели.

Универсальными коллекторными двигателями называют двигатели, которые могут работать как от сети постоянного тока. Так и от однофазной сети переменного тока. Всю магнитную систему (статор и ротор) выполняют шихтованной, а обмотку возбуждения - секционированной. Шихтованная конструкция статора и ротора обусловлена тем, что при работе на переменном токе их пронизывают переменные магнитные потоки, вызывая значительные потери мощности. Секционирование обмотки возбуждения вызвано необходимостью изменения числа витков обмотки возбуждения с целью сближения рабочих характеристик при работе двигателя от осей постоянного и переменного тока.

Универсальный коллекторный двигатель может быть выполнен как с последовательным, так и с параллельным и независимым возбуждением (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 - Схема коллекторного двигателя

Универсальные коллекторные двигатели широко распространены благодаря тому, что:

работают от источников как постоянного так и переменного тока;

при работе от любого от источников позволяют просто, плавно и широко регулировать угловую скорость ротора изменением проводимого к двигателю напряжения и шунтированием якоря или обмотки возбуждения активным сопротивлением;

позволяют получать на промышленной частоте весьма высокую угловую скорость ротора, недостижимую при применении синхронных и асинхронных двигателей промышленной частоты без повышающего редуктора.

Синхронные электродвигатели.

Вращающий момент, развиваемый синхронным электродвигателем, определяется упругой силой взаимодействия вращающего магнитного поля статора и потоком ротора, вращающимся синхронно с полем статора и отстающим от него на угол, зависящий от момента нагрузки.

Практически возможным способом изменения скорости вращения синхронного электродвигателя является изменение частоты питающего тока. Синхронный электродвигатель является экономичным и надежным электродвигателем, его экономичность обуславливается тем, что он не является потребителем активной мощности и имеет высокий к. п. д. Его эксплуатационная надежность обусловлена увеличенным воздушным зазором по сравнению с асинхронным электродвигателем и линейной зависимостью от напряжения момента, развиваемого синхронным электродвигателем по сравнению с квадратичной зависимостью у асинхронного. Наиболее экономичным являются синхронные электродвигатели большой мощности.

Синхронные электродвигатели применяются для привода механизмов, где не требуется регулирование скорости - насосов, вентиляторов, нагнетателей, компрессоров, преобразовательных агрегатов и др.

Редукторные двигатели (субсинхронные).

В синхронных редукторных двигателях осуществляется электромагнитное редуцирование угловой скорости ротора по отношению к угловой скорости первой гармоники поля статора.

Особенность конструкции и принцип действия синхронных редукторных двигателей изображены на рисунке 2.7

Рисунок 2.7 - Схема синхронного редукторного двигателя

Статор и ротор набирают из листов электротехнической стали. Статор выполнен в виде кольца и имеет зубцы и пазы на внутренней поверхности. Ротор выполнен в виде диска и имеет зубцы и пазы на внешней поверхности. Число зубцов статора и ротора различны. Причем число зубцов ротора больше, чем число зубцов статора. На статоре уложена обмотка, предназначенная для питания от трехфазной или однофазной сети и создающая магнитное поле.

Двигатели с катящимся ротором.

В синхронных двигателях с катящимся ротором редуцирование угловой скорости ротора по отношению к угловой скорости магнитного поля объясняется тем, что ротор расположен эксцентрично в расточке статора и имеет возможность катиться вдоль окружности статора. Основной электромагнитны вращающий момент создается за счет сил одностороннего магнитного притяжения ротора к статору несимметричным вращающимся магнитным полем.

Конструкция реальных двигателей с катящимся ротором определяется методом получения несимметричного вращающегося поя, устройством поверхностей обкатывания и механизма передачи несоосного вращения ротора. Конструктивная схема двигателя с катящимся ротором изображена на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Схема двигателя с катящимся ротором

В корпусе 1 закреплены сердечник статора 2, постоянные магниты 4 и направляющие статора 9. Статор не отличается по конструкции от статора классической асинхронной машины, и его двухполюсные обмотки 3 предназначены для создания симметрично вращающегося потока. Постоянные магниты имеют радиальную намагниченность и создают униполярный поток подмагничивания. Направляющие статора имеют гладкую или зубчатую поверхности. Ротор двигателя монтируют на полой втулке 7, которая одновременно служит магнитопроводом для потока подмагничивания. Основной сердечник 5 ротора собирают из листовой электротехнической стали; он не имеет обмоток. Кольцевые сердечники 6, набранные из листовой электротехнической стали, уменьшают магнитное сопротивление на пути потока подмагничивания. Катки 8 ротора имеют гладкую или зубчатую поверхности. Их наружный диаметр несколько больше диаметра ротора, что предохраняет поверхности ротора и статора от непосредственного соприкосновения и износа. Внутри полой втулки размещают кинематический механизм передачи несоосного вращения ротора.

Недостатками конструкции двигателей с катящимся ротором в том, что механизм передачи вращения довольно сложный, это связано со специфическим несоосным вращением ротора. Центробежные силы, возникающие за счет вращения центра ротора относительно центра статора, вызывают вибрации, шумы, неравномерность мгновенной угловой скорости ротора.

Волновые двигатели.

Синхронные волновые двигатели представляют собой конструктивное объединение электрической машины и волновой зубчатой передачи. Особенность конструкции таких двигателей заключается в том, что они имеют гибкий, деформирующийся в радиальном направлении ротор, непосредственно на поверхности которого крепится гибкий зубчатый венец волновой передачи.

Электромашинная часть волнового двигателя создает вращающий момент и является электромагнитным генератором механических волн деформации для волновой передачи.

Конструкция и принцип действия синхронного волнового двигателя изображен на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 - Схема синхронного волнового реактивного двигателя с радиально-осевым замыканием магнитного потока

В корпусе 1 укреплены П-образные ферромагнитные сердечники 2 статора. На сердечниках расположены сосредоточенные катушки 3, образующие двух - или трехфазную обмотку переменного тока, предназначенную для создания в воздушном зазоре вращающегося магнитного поля. Жесткий зубчатый венец 8 волновой передачи закреплен на внутренней поверхности статора. Ротор 4 представляет собой гибкий тонкостенный стакан, выполненный из металла или пластмассы и укрепленный на выходном валу 9. На внешней поверхности ротора крепится гибкий зубчатый венец 7 волновой передачи. Внутренний магнитопровод состоит из отдельных ферромагнитных секторов 5, которые могут перемещаться в радиальном направлении и деформировать ротор. К внутренней поверхности ротора они прижимаются центрирующими эластичными кольцами 6.

Низкая угловая скорость, большой вращающий момент и высокие динамические показатели волновых двигателей и двигателей с катящимся ротором способствуют их применению для привода различных точных механизмов (нониусы копировальных станков, часовые устройства и др.), а также в электромеханических манипуляторах систем дистанционного управления (вакуумные, радиационные установки и др.).

Синхронные шаговые двигатели.

Шаговыми двигателями называют электромеханические устройства, преобразующие электрические сигналы в дискретные угловые перемещения вала.

В качестве шаговых используют двигатели, имеющие не более двух устойчивых угловых положений ротора в пределах оборота.

Шаговые двигатели можно подразделить на три основные конструктивные группы:

Двигатели с постоянными магнитами (активного типа).

Статор двигателей активного типа имеет явно выраженные полюсы, на которых располагают обмотки управления. Число пар полюсов каждой из обмоток управления равно числу пар полюсов ротора.

Наибольшее распространение получили шаговые двигатели активного типа с ротором в виде "звездочки" постоянных магнитов литой или составной конструкции.

Реактивные и индуктивные.

В конструкции реактивных и индуктивных шаговых двигателей с целью уменьшения шага используют принцип электромагнитного редуцирования скорости.

В реактивных двигателях статор и ротор набирают из листовой электротехнической стали.

Принцип действия всех типов шаговых двигателей состоит в следующем. С помощью электронного коммутатора вырабатываются импульсы напряжения, которые подаются на обмотки управления, расположенные на статоре шагового двигателя. В зависимости от последовательности возбуждения обмотку управления происходит то или иное дискретное изменение магнитного поля в рабочем зазоре машины. При угловом перемещении оси магнитного поля обмоток управления шагового двигателя его ротор дискретно поворачивается вслед за магнитным полем. Закон поворота ротора определятся последовательностью, скважностью и частотой управляющих импульсов, а также типом и конструктивными параметрами шагового двигателя.

Это можно пояснить на примере простейшего m-фазного двигателя с массивным (невозбужденным) двухполюсным ротором (рисунок 2.10), управляемого однополярными импульсами.

Рисунок 2.10 - К принципу действия шагового двигателя с пассивным ротором

При однополярном питании обмоток напряжение изменяется от нуля до + U. Если импульс подана фазу 1, то ось ротора займет положение, совпадающее с осью этой фазы (рисунок 2.10, а). При снятии напряжения с фазы 1 и одновременной подачей импульса на фазу 2 ротор повернется (сделает шаг) на угол иш = 2р/m и займет положение совпадающее с осью фазы 2, и т.д. Таким образом, если питать однополярными импульсами отдельно каждую обмотку m-фазного шагового двигателя с пассивным ротором, то двигатель будет иметь m устойчивых состояний.

Если фазы шагового двигателя питать группами, содержащими четное количество фаз, то ротор будет занимать положения, совпадающие с линиями, проходящими между осями средних фаз группы. Например, при одновременной подаче импульсов на фазы 1, 2 ротор займет положение, соответствующее рис.9, б. При снятии напряжения с фазы 1 и одновременной подаче импульса на фазу 3 ротор сделает шаг иш = 2р/m и т.д. Количество устойчивых положений ротора при таком способе управления также равно m.

Оба рассмотренных способа управления называются симметричными, так как поочередно включается одинаковое количество фаз.

При несимметричном управлении, т.е. при поочередном включении неравных по количеству групп фаз, число устойчивых состояний равно 2m. Действительно, если коммутатор подает импульсы на фазы по закону 1; 1-2; 2; 2-3; 3; …, то сначала ротор займет положение рисунок 2.10, а, затем сделает шаг иш = р/m и займет положение рисунок 2.10, б и т.д.

При активном (возбужденном) роторе шагового двигателя используется и двухполярная коммутация, когда на фазу может быть подано напряжение +U или -U.

В таблице 3 приведены основные технические данные шаговых двигателей.

Таблица 3 - Шаговые двигатели

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6