Арменский Е. В.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МИКРОМАШИНЫ
*** 1975 ***
|
ФPAГMEHT УЧЕБНИКА (...) Электрические микродвигатели, применяемые в схемах автоматики, телемеханики, вычислительной техники и др., имеют номинальную механическую мощность от сотых долей ватта примерно до 750 Вт.
По конструкции и принципу действия их подразделяют на коллекторные, асинхронные и синхронные. Коллекторные микродвигатели бывают: а) постоянного тока; б) переменного тока; в) универсальные, способные работать как от сети постоянного, так и переменного тока. По конструкции якоря коллекторные микродвигатели постоянного тока делятся на три типа: с барабанным, якорем, с полым немагнитным якорем и с дисковым якорем. Наряду с микродвигателями со скользящим контактом коллектор — щетки распространены и бесконтактные микродвигатели постоянного тока. Асинхронные микродвигатели в системах автоматического регулирования применяют трех конструктивных вариантов: с короткозамкнутым ротором типа «беличьей клетки», с полым немагнитным ротором, с полым магнитным ротором. Синхронные микродвигатели используют в тех случаях, когда требуется строгое постоянство скорости вращения. Из них наиболее распространены в системах автоматики реактивные, гистерезисные, с активным ротором. Значительная часть электрических микродвигателей, используемых в автоматических системах и прйборах, играет роль исполнительных силовых элементов. Исполнительными называют электрические двигатели, преобразующие подводимый к ним электрический сигнал (напряжение управления) в угловую скорость вращения (или перемещение) вала. Эти двигатели предназначены для различных функциональных преобразований. В зависимости от устройства они могут работать либо в режиме непрерывного вращения, либо в шаговом режиме. В качестве исполнительных используют двигатели постоянного тока независцмого возбуждения, двухфазные асинхронные, совмещенные асинхронные двигатели-усилители и синхронные шаговые. Основные требования, предъявляемые к исполнительным двигателям: 1) статическая устойчивость и линейность механических характеристик во всем рабочем диапазоне скоростей; 2) линейная зависимость скорости вращения ротора от электрического сигнала управления и широкий диапазон регулирования скорости; 3) отсутствие самохода (явление самохода состоит в том, что двигатель продолжает развивать вращающий момент и его ротор продолжает вращаться -при снятом сигнале управления); 4) высокое быстродействие; 5) малая мощность управления при значительной механической мощности на валу, т. е. высокий коэффициент усиления по мощности (требование вызвано ограниченной мощностью источников сигнала управления, в основном электронных). Вспомогательными называют электрические двигатели, выполняющие вспомогательные функции в автоматических системах и приборах (привод во вращение отдельных узлов, механизмов й т. д.). В качестве вспомогательных используют двигатели постоянного тока, универсальные коллектбрные, однофазные и трехфазные асинхронные, сйнхронные двигатели непрерывного вращения. Требования, предъявляемые к микродвигателям в -зависимости от области применения, приведены в § В.2. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МИКРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ В качестве исполнительных микродвигателей постоянного тока используют, как уже отмечалось, микродвигатели со скользящим контактом коллектор — щетки и бесконтактные с транзисторными коммутаторами. ‘ Исполнительные микродвигатели с барабанным якорем не имеют принципиальных конструктивных отличий от классической машины постоянного тока (их Конструкция в настоящей книге отдельно не рассматривается). Микродвигатели с полым немагнитным и дисковым якорями (малоинерционные) На рис. 2.1, а изображен микродвигатель постоянного тока элект-ромагнитного возбуждения с полым немагнитным якорем. Особенностью конструкции- является то, что для уменьшения момента инерции якорь- разделен на две части: обмотку с коллектором и сердечник. Кроме малоинерционности, двигатели с полым и дисковым якорями по сравнению с двигателями, у которых барабанные якори, имеют еще ряд преимуществ. 1. 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. В якоре практически отсутствуют потери мощности на гистерезис и вихревые токи. 2. Якорь двигателя не имеет зубцов, что способствует равномерному распределению индукции в зазоре, уничтожению пульсацион-ных потерь и значительному уменьшению шума. 3. Вследствие уменьшения веса якоря и отсутствия радиальных сил притяжения якоря к статору снижается момент трения в подшипниках и соответственно механические потери двигателя и напряжение трогания. При выполнении 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 Амм2) и, как следствие, уменьшить габариты и вес двигателя. Изготовление печатной обмотки якоря возможно при высокой степени механизации. Однако увеличение плотности тока в проводниках обмотки якоря может отрицательно сказаться на энергетической характеристике двигателя — к. п. д. Это объясняется увеличением электрических потерь в якоре, так как благодаря повышению допустимой плотности тока сечение проводников уменьшается, и следовательно, увеличивается сопротивление обмотки якоря. Практически, у микродвигателей магнитоэлектрического возбуждения с полым немагнитным и дисковым якорями к. п. д., весовые и габаритные показатели примерно одинаковы, а иногда и лучше, чем у двигателей с барабанным якорем, так как увеличение электрических потерь в якоре перекрывается уменьшением механических потерь и потерь в магните-проводе. При электромагнитном возбуждении двигателей с полым и дисковым якорями возрастают потери в цепи возбуждения. Последнее вызвано увеличением немагнитного зазора машины, состоящего из двух воздушных зазоров и немагнитной прослойки корпуса якоря, и, как следствие, увеличением м. д. с. возбуждения, необходимой для создания магнитного потока. Двигатели с дисковым якорем менее долговечны, что обусловливается главным образом быстрым износом меди печатных проводников Й месте установки щеток. Двигатели с полым немагнитным и дисковым якорями менее надежны при высоких температурах, вибрации и ударах, так как вероятность деформации у таких якорей в данных условиях больше, чем у барабанных. Микродвигатели с катящимся ротором имеют хорошие динамические характеристики: при частоте =50 Гц время пуска составляет порядка 0,01 с, реверса — (0,015=0,025) с, так как электромеханическая постоянная времени двигателя, пропорциональная моменту инерции вращающихся частей и их скорости, весьма мала. Объясняется это тем, что ротор вращается относительно своего центра с очень малой скоростью со.2. Центр ротора вращается вокруг центра статора с большой скоростью ссц, но при малом эксцентриситете радиус вращения и соответственно момент инерции незначительный. При остановке двигателя выключением переменного напряжения статора происходит самоторможение ротора за счет большой силы притяжения к статору, создаваемой полем подмагничивания в точке соприкосновения. Наряду с преимуществами следует отметить некоторые недостатки микродвигателей с катящимся ротором. Конструкция двигателя вообще и механизма передачи вращения в частности довольно сложная, что связано со специфическим несоосным вращением ротора. Центробежные силы, возникающие за счет вращения центра ротора относительно центра статора, вызывают вибрации, шумы и неравномерность мгновенной скорости вращения ротора. Волновые микродвигатели Синхронные волновые микродвигатели 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 поверхность которого крепится гибкий зубчатый венец волновой передачи. Электромашинная часть волнового двигателя создает вращающий момент и является электромагнитным генератором механических волн деформации для волновой передачи. Конструкцию и принцип действия синхронного волнового двигателя рассмотрим на примере машины реактивного типа [25]. На рис. 2.69 изображена схема конструкции 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. Волновой микродвигатель индукторного типа можно выполнить по той же конструктивной схеме, что и реактивный (рис. 2.69), разместив на сердечниках 2 дополнительные обмотки постоянного тока, которые будут создавать униполярный поток подмагничивания. Волновые двигатели индукторного типа развивают больший, чем реактивные, момент за счет взаимодействия вращающегося поля и поля подмагничивания, имеют лучшие энергетические показатели. У них, в отличие от реактивных, число волн деформации равно числу пар полюсов (v=p). Это наглядно подтверждают графики индукции и сил притяжения на рис. 2.70, б, в. Поэтому, чтобы сохранить динамическую уравновешенность ротора, необходимо выполнять волновые двигатели индукторного типа с 2. На рис. 2.72 показана схема конструкции синхронного волнового реактивного микродвигателя с радиальным замыканием магнитного потока. Статор имеет классическую для машин переменного тока конструкцию: шихтованный цилиндрический сердечник 1 с многофазной обмоткой 2, создающей вращающееся магнитное поле Фс. Жесткий зубчатый венец 3 укреплен на поверхности статора. Гибкий зубчатый венец 4 находится на поверхности гибкого деформирующегося ротора 5. Внутренний магнитопровод 6 представляет собой упругое гибкое кольцо, навитое из ленты пермаллоя. Он служит для замыкания магнитного потока вдоль окружности ротора и деформации ротора под действием сил притяжения к статору. Волновые двигатели имеют хорошие динамические характеристики. Время пуска микродвигателей с номинальной частотой =50 Гц достигает 3-^4 мс. Ротор имеет довольно малый момент инерции, вращается с низкой скоростью и быстродействие двигателя зависит в основном не от кинетической энергии вращения ротора, а от величины кинетической энергии перемещающихся в радиальном направлении масс деформирующегося ротора. Это значит, что время пуска определяется практически временем деформации ротора до зацепления венцов волновой передачи. При отключении напряжения питания волна деформацйи исчезает так же быстро и ротор останавливается практически без выбега. В волновых двигателях при числе волн деформаций п>2 вращающиеся массы динамически уравновешены, что обеспечивает более низкий уровень вибрации, чем у двигателей с катящимся ротором. Рис. 2.72. Схема конструкции синхронного волнового микродвигателя реактивного типа с радиальным замыканием магнитного потока Недостатком волновых микродвигателей является сложность конструкции и технологии изготовления, связанная в основном с требованием обеспечения необходимой эластичности ротора. Энергетические и весовые показатели волновых двигателей невысоки, особенно у двигателей реактивного типа, вследствие больших немагнитных зазоров на пути магнитного потока и особенностей конструкции внешнего и внутреннего магнитопроводов. Существенное преимущество всех рассмотренных микродвигателей заключается в отсутствии быстровращающихся частей и подшипников, что значительно повышает их надежность. Например, гарантируемый срок службы синхронных редукторных микродвигателей (серия ДСР) в три-четыре раза больше, чем у синхронных микродвигателей с механическими редукторами, обеспечивающих одинаковую скорость вращения выходного вала (серия ДСД). К. п. д. и вес на единицу развиваемой мощности у рассмотренных микродвигателей сильно зависят от реализуемого коэффициента редуцирования скорости: чем больше коэффициент редуцирования, тем хуже эти показатели. Например, у серии синхронных микродвигателей с катящимся ротором при одних габаритах и частоте =50 Гц (скорость поля 3000 обмин) с изменением номинальной скорости ротора от 2 до 200 обмин мощность меняется примерно от 0,4 до 22 Вт. а к. п. д. от 0,7 до 36%. Синхронные редукторные микродвигатели индукторного типа мощностью порядка 1 Вт при частоте =50 Гц и коэффициенте редукции 10--30 имеют к. п. д. 5 8%. Коэффициент мощности cos Низкая скорость вращения, большой вращающий момент и высокие динамические показатели волновых микродвигателей и микродвигателей с катящимся ротором способствуют их применению для привода различных точных механизмов (нониусы копировальных станков, часовые устройства и т. д.), а также в электромеханических манипуляторах систем дистанционного управления (вакуумные, радиационные установки и т. п.). |
