Закрытые распределительные устройства – Что такое Закрытые распределительные устройства? – Техническая Библиотека Neftegaz.RU

В задачу расчета входит нахождение таких конструктивных размеров и параметров обмотки ЭМ, которые соответствовали бы заданным условиям работы устройства. Обычно в число исходных данных входят: противодействующая (механическая) характеристика, полученная расчетным или экспериментальным путем; напряжение и ток входного сигнала, подаваемого на обмотку; режим работы; временные параметры; габаритные размеры; вес; стоимость. Кроме того, необходимо учитывать основные условия эксплуатации: температуру окружающей среды, .влажность, запыленность, наличие вибраций.

В результате расчета необходимо выбрать тип ЭМ (см. рис.2), материал для магнитной цепи, определить геометрические размеры магнитопровода, катушки и ее электрические параметры. Создаваемая конструкция должна отвечать критерию оптимальности, или экономичности, т.е. обладать минимальными размерами, весом и стоимостью.

Расчет ЭМ включает в себя следующие этапы.

1. Выбор типа электромагнита и кинематической схемы соединения его с исполнительным механизмом. Форма магнитной цепи определяется назначением ЭМ в технологической цепи производства. Например, для больших усилий и больших ходов якоря рекомендуется использовать прямоходовые ЭМ (см. рис.2, е), которые имеют минимальные размеры, вес и стоимость. При очень малом ходе якоря применяют клапанные электромагниты с цилиндрическим магнитопроводом (см. рис.2, г).

Для каждой формы ЭМ имеются определенные соотношения между значениями электромагнитного усилия и ходом якоря, при которых вес сконструированного электромагнита получается минимальным. Для удобства выбора оптимальной формы ЭМ вводится понятие конструктивного показателя (КП), представляющего собой следующее отношение:

где Fэ min — электромагнитное усилие, которое должен развивать электромагнит при максимальном рабочем воздушном зазоре δ_в, когда δ_в = δ_н .

Выбор КП определяется на основании следующих рассуждений: длина сердечника растет пропорционально увеличению магнитодвижущей силы, создаваемой обмоткой, а МДС, в свою очередь, определяется максимальным рабочим воздушным зазором 5В; поперечное сечение сердечника определяется требуемым начальным электромагнитным усилием. Действительно, как было показано выше, электромагнитное усилие пропорционально сечению сердечника, т.е. квадрату его поперечного линейного размера. Поэтому поперечный размер сердечника пропорционален корню квадратному из тягового усилия.

На основании расчета были получены данные для выбора оптимальной формы ЭМ. Так, для прямоходового ЭМ без неподвижного сердечника (см. рис.2, е) значение конструктивного показателя составляет 400 Н^½ /м; для клапанного ЭМ с цилиндрическим магнитопроводом (см. рис.2, г) конструктивный показатель равен 2900 Н^½ /м. В маломощных ЭМ практическое значение имеет не вес, а чувствительность, поэтому эти ЭМ выполняются клапанного типа (см. рис.2, а…г). Конструктивный показатель для них равен 800…8000 Н^½ /м.

2. Предварительный расчет электромагнита проводят обычно в два этапа. Сначала выполняют ориентировочный расчет для определения в первом приближении основных размеров и параметров ЭМ. При таком расчете потери намагничивающей силы и утечки магнитного потока учитывают приближенно. Затем проводят точный расчет электромагнита, при этом найденные в предварительном расчете размеры магнитопровода позволяют с достаточной точностью учесть насыщение магнитопровода, потери магнитодвижущей силы и утечку магнитного потока. После проведения окончательного расчета проверяют рациональность принятой формы и найденных размеров ЭМ.

Порядок предварительного расчета применительно к прямоходовому ЭМ с неподвижным сердечником и клапанному ЭМ сводится к следующему:

выбирают значение магнитной индукции в рабочем зазоре при начальном его значении В_δн. Следует иметь в виду, что с ростом индукции уменьшаются размеры магнитопровода, но одновременно уменьшается и чувствительность ЭМ, так как возрастают потери магнитодвижущей силы и утечка магнитного потока. Учитывая наличие потоков рассеяния, магнитную индукцию В_δн выбирают в пределах 0,06…1 Тл в зависимости от формы магнитопровода и условий работы ЭМ. Выбор В_δн определяется соотношением между заданным значением электромагнитного усилия Рэ при отпу­щенном якоре и ходом 8; причем с увеличением Рэ необходимо выбирать большие значения В_δн. Опытные и расчетные данные оптимальных значений В_δн удобно выражать в функции конструктивного показателя КП. На рис.3 приведены зависимости величины ВКн и отношения длины обмотки l_об к ее ширине h_об от отношения для некоторых типов ЭМ постоянного тока. Эти зависимости построены исходя из наиболее экономичного использования активных материалов (сталь, медь);

определяют сечение участков магнитопровода. Например, для клапанного ЭМ или прямоходового с плоским якорем сечение рабочего зазора можно найти, воспользовавшись формулой

Причем требуемое значение электромагнитного усилия Рэ min принимают на 15…25 % больше заданного противодействующего усилия при δ = δ_н . Для электромагнитов, не имеющих полюсного наконечника, найденное сечение рабочего зазора S_δ соответствует сечению сердечника. При наличии полюсного наконечника, например в клапанных ЭМ (см. рис.2, а, в), найденное сечение равно сечению полюсного наконечника.

Рис.3. Электрические зависимости для выбора оптимальных параметров магнитной цепи (кривые В_δн — возрастающие, кривые l_об / h_об — убывающие, сплошные линии — масштаб I,

пунктирные линии — масштаб II):

1 — клапанный электромагнит; 2 — прямоходовой электромагнит с плоским якорем; 3 — прямоходовой электромагнит с якорем, имеющим конический конец с углом при вершине 45°; 4 — прямоходовый электромагнит с якорем, имеющим конический конец с углом при вершине 60°

3. Определение длины l_об и толщины h_об обмотки. Предварительно задаются отношением длины обмотки к ее толщине, т.е. l_об / h_об. При изменении этого отношения получается разный расход меди и стали — активных материалов электромагнита. Так, с увеличением отношения l_об / h_об уменьшается расход меди (так как уменьшается объем меди, поверхность охлаждения катушки увеличивается), а расход стали растет (так как увеличивается длина магнитопровода). На практике установлено, что при относительно небольшом ходе якоря и малом значении усилия отношение l_об / h_об следует выбирать большим, чем при увеличении усилия и уменьшении хода якоря.

Таким образом, с помощью отношения l_об / h_об также можно определить значения конструктивного показателя (см. рис.3). Рекомендуется для клапанных ЭМ брать отношение l_об / h_об = 1… 8, а для прямоходовых — в пределах 5… 8.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа в любое мгновение переходного процесса при включении ЭМ выполняется следующее соотношение

где U — напряжение, подаваемое на зажимы обмотки (катушки) с числом витков w и активным сопротивлением R.

Умножив обе. части этой формулы на Idt, получим уравнение энергетического баланса

U Idt = I² Rdt wIdФ,

где Uldt — электрическая энергия, поступившая в обмотку за время dt; I² Rdt — тепловые потери в активном сопротивлении; wIdФ — энергия, затраченная на создание магнитного поля ЭМ и механическую работу движения якоря.

После интегрирования приходим к выражению

где t, Ф — текущие координаты.

Известно, что ток в обмотке ЭМ, включенной на постоянное напряжение, нарастает по экспоненциальному закону. В некоторый момент времени он достигает значения тока трогания, которому соответствует точка 7 на рис.4. В это мгновение якорь приходит в движение, в процессе которого рабочий зазор уменьшается, индуктивность обмотки растет и ток в ней падает до тех пор, пока якорь не притянется к сердечнику, чему соответствует точка 3. Во время движения якоря связь между Ф и wI определяется кривой 1—2—3. По окончании движения якоря ток опять начинает возрастать, достигая установившегося значения в точке 4.

Рис.4. Магнитные потоки в электромагните

Если якорь при срабатывании ЭМ находится в начальном положении и рабочий зазор 5 максимален (δ = δ_н), то характеристика намагничивания при δ = δ_н = const имеет вид кривой 0 — 7 — 5 (см. кривую δ_н на рис.4), а в конечном положении якоря, когда он полностью притянут и δ = δ_к = const — вид кривой 0 — 1’— 3 — 4 (см. кривую δ_к на рис.4). Значит, динамическая характеристика намагничивания Ф(wI) при срабатывании ЭМ состоит из участка 0 — 7 кривой δ_н, переходной кривой 1 — 2 — 3 во время движения якоря (δ = var) и участка 3 — 4 кривой δ_к.

Энергия W₁₂₃₄, представленная в последней формуле вторым членом ее правой части и равная энергии, поступившей из сети, в течение нарастания МДС от 0 до wI_у при срабатывании ЭМ за вычетом тепловых потерь, пропорциональна площади, ограниченной кривой 0 — 1 — 2—3— 4— Фу — 0.

Тяговой (или электромеханической) характеристикой ЭМ на­зывают зависимость (2Т (8) — тягового усилия от длины воздушного зазора при известном характере изменений тока обмотки и противодействующих усилий во время срабатывания.

Допустим, при подаче на обмотку напряжения трогания U_тр движение якоря ЭМ начинается по достижении током значения I_у и в процессе изменения длины зазора от начальной δ_н до конечной δ_к этот ток остается неизмененным. Для ЭМ последовательного включения это условие естественное. В ЭМ параллельного включения ток в обмотке неизменный, если в любое мгновение срабатывания тяговое и противодействующее усилия равны друг другу, т. е. якорь перемещается бесконечно медленно, и, следовательно, инерция подвижных частей не проявляется. Поэтому снятая при таких условиях тяговая характеристика является статической. Другими словами, статическая тяговая характеристика — это зависимость электромагнитного усилия, действующего на неподвижный якорь, от его положения, исчисляемого значением рабочего зазора, при неизменной МДС.

Под механической, или противодействующей, характеристикой ЭМ понимают зависимость Q_мех (δ) — результирующей силы сопротивления движению якоря, приложенной к нему и приведенной к рабочему зазору 5, от длины последнего (или момента сопротивления от угла поворота якоря).

Множество различных механических характеристик объясняется многообразием конструктивного исполнения и параметров механических элементов ЭМ,

Построение механических характеристик ЭМ и согласование их с тяговыми характеристиками производятся так же, как для реле.

Динамика электромагнита

Под инерционностью ЭМ понимают запаздывание перемещения якоря по сравнению с изменениями входного напряжения. Она определяется отставанием изменения тока в обмотке от изменения приложенного к ней напряжения и механической инерцией якоря и связанных с ним подвижных частей.

Динамические свойства ЭМ как элемента дискретного действия характеризуются двумя временными параметрами: временем срабатывания t_сраб., и временем отпускания t_отп.

Время от подачи входного напряжения на зажимы обмотки ЭМ до полного притяжения якоря (δ = δ_к) называют временем срабатывания t_отп., а время от снятия входного напряжения до возвращения якоря в начальное положение (δ = δ_н) — временем отпускания t_отп..

Если ввести обозначения t_тр и t’_тр для времени трогания соответственно при срабатывании (время от подачи входного напряжения U до начала движения, трогания якоря) и отпускании (от снятия U до начала движения якоря), можно записать:

где t_дв, t’_дв — время движения якоря соответственно от δ_н до δ_к , и наоборот.

Значения t_сраб и t_отп обычно равны 0,05…0,15 с для ЭМ нормального быстродействия.

Увеличить или уменьшить t_сраб и t_отп можно конструктивными и схемными способами. Конструктивные способы увеличения и уменьшения быстродействия ЭМ заключаются в следующем.

Снижение t_сраб и t_отп достигается:

уменьшением вихревых токов в магнитопроводе и хода якоря, равного δ_н – δ_к; выбором достаточно большого коэффициента запаса при срабатывании

(чем больше тем надежнее удерживается якорь в притянутом положении);

оптимизацией размеров обмотки и другими методами.

Рис.5. Схемы изменения времени срабатывания и отпускания электромагнитов:

а…е — увеличение t_сраб; ж…и — уменьшение t_сраб; к…н — увеличение t_отп

Увеличение t_сраб и t_отп осуществляется с помощью электромагнитных, механических, пневматических и гидравлических демпферов, присоединяемых к якорю.

Электромагнитные демпферы выполняют в виде конструктивных элементов, изготовленных из электропроводящего материала и помещенных в магнитное поле (например, в счетчике электроэнергии в поле постоянного магнита вращающийся алюминиевый диск). Если требуется получить t_сраб и t_отп порядка одной или нескольких секунд, то прибегают к экранированию: на сердечнике размещают медную втулку, охватывающую все его сечение; возникающий при движении якоря ток экрана замедляет нарастание и спадание потока в магнитопроводе.

На рис.5 показаны некоторые схемные способы изменения t_сраб и t_отп. Приведенные схемы обеспечивают стабильное снижение t_сраб нормальных по быстродействию ЭМ до нескольких миллисекунд или увеличение их t_отп до нескольких секунд.

Тяговая характеристика. Якорь ЭМ притягивается к сердечнику при подаче в обмотку как постоянного, так и переменного тока. Считая поток в магнитопроводе синусоидальным, что справедливо при синусоидальном напряжении на зажимах обмотки с пренебрежимо малым активным сопротивлением, по формуле Максвелла найдем выражение для тягового усилия:

где Ф_δ — магнитный поток в воздушном зазоре;

S — поперечное сечение воздушного зазора;

ω — круговая частота питающего тока;

Q_Tmax – амплитуда тягового усилия, неизменного по знаку и пульсирующего с удвоенной частотой (рис.6).

Притяжение якоря определяется средним значением тягового усилия Q_Tmed, т.е. его постоянной составляющей (см. рис.6, а). Пульсирующее тяговое усилие можно представить в виде двух составляющих следующим образом:

где — постоянная составляющая, т.е. среднее значение тягового усилия;

— переменная составляющая.

Из сравнения Q_Tmed и Q_T следует, что при Ф_mах = Ф_δ постоянная составляющая тягового усилия ЭМ переменного тока в два раза меньше тягового.усилия ЭМ постоянного тока. Значит в общем случае ЭМ постоянного тока при прочих равных условиях развивает большую силу притяжения, чем ЭМ переменного тока.

Если при постоянном (установившемся) напряжении

то при переменном напряжении, так как от δ зависит индуктивность L,

где F— тяговое усилие;

w — число витков в обмотке;

U— напряжение питания магнита;

z — полное сопротивление обмотки;

R — активное сопротивление обмотки;

δ — воздушный зазор.

Разной зависимостью от δ объясняется различие статических тяговых характеристик ЭМ постоянного и переменного токов, показанных на рис. 7, б. Если тяговая характеристика 1 электромагнита постоянного тока круто поднимается с уменьшением 5, то тяговая характеристика 2 электромагнита, работающего на пе­ременном токе, более пологая из-за роста индуктивности обмот­ки. Если R = 0, то согласно второму закону Кирхгофа приложен­ное к обмотке напряжение уравновешивается только ЭДС само­индукции (е), т.е.

U = U_max sinωt = — е = wdФ/dt.

Рис.7. Магнитный поток и тяговые усилия ЭМ (о), тяговые характеристики ЭМ постоянного (кривая 7) и переменного (кривые 2, 3) токов (б) и схема экрана для устранений вибраций якоря (в)

При Umax = const и, следовательно, Ф_mах = const и Ф_mах ≠ f(t) тяговая характеристика ЭМ имеет вид горизонтальной прямой 3. Таким образом, форма тяговой характеристики ЭМ переменного тока зависит от соотношения активного R и индуктивного X_L сопротивлений цепи его обмотки.

Способы устранения вибрации якоря. Как видно из рис.7, а, в некоторые моменты времени тяговое усилие Q_T– обращается в нуль. При наличии противодействующей силы Q_мex, изменяющейся в соответствии с механической характеристикой ЭМ и стремящейся оторвать якорь от сердечника, это может привести к вибрации якоря: когда Q_мех > Q_T якорь отходит от сердечника, а при Q_T > Q_мех снова притягивается. Если f = 50 Гц, то якорь совершает 100 колебаний в секунду, что приводит к повышенному механическому износу и возникновению шума.

Эффективными средствами снижения вибрации якоря являются уменьшение пульсации тягового усилия с помощью магнитных экранов (короткозамкнутых витков), охватывающих часть сечения сердечника, и использование многофазных ЭМ.

На рис.7, в приведена конструкция части магнитопровода ЭМ с экраном и показаны направления магнитных потоков при убывании основного потока Ф. Тогда в соответствии с принципом Ленца поток Фк, создаваемый током, наведенным в экране (Э) правым потоком Фпр, будет направлен согласно с правым потоком Фпр, т.е. Ф₂ = Фпр Фк и Ф₁ = Флев – Фк, где Ф₁ Ф₂ — суммарные потоки в воздушных зазорах.

Для того чтобы исключить вибрацию якоря, можно также использовать двух- или трехфазный электромагнит с токами в катушках, сдвинутыми по фазе.

Если с якорем сочленены инерционные механизмы, то он утяжеляется, что предотвращает вибрацию с частотой 2ω. Однако чувствительность ЭМ при этом снижается.

Общие сведения

В системах автоматики и телемеханики, в различных приборах исполнительные двигатели постоянного тока находят не менее широкое применение, чем исполнительные двигатели переменного тока.

К положительным качествам исполнительных двигателей постоянного тока относятся следующие:

возможность получения теоретически любых, сколь угодно малых и больших частот вращения;

возможность простого, плавного, экономичного и в широком диапазоне регулирования частоты вращения;

устойчивость работы практически при любых частотах вращения;

линейность механических, а в ряде случаев и регулировочных характеристик;

отсутствие самохода;

значительный пусковой момент;

сравнительно небольшая электромеханическая постоянная времени;

малые габаритные размеры и масса (значительно меньшие, чем у исполнительных двигателей переменного тока).

Основным недостатком наиболее широко распространенных коллекторных (контактных) исполнительных двигателей постоянного тока, ограничивающим области их применения, является наличие скользящих контактов — коллектора и щеток.

Непостоянство переходного сопротивления скользящих контактов приводит к нестабильности характеристик двигателя. Искрение под щетками приводит к подгоранию контактов коллектора и щеток, т. е. обусловливает необходимость систематического ухода за ними и недопустимость установки двигателей обычного использования во взрывоопасных помещениях. Коллектор и щетки являются источниками радиопомех, для подавления которых требуются специальные фильтры.

Коллекторные исполнительные двигатели имеют механический коллектор и щетки. Причем различают двигатели с ферромагнитными шихтованными (массовыми) якорями, имеющими пазы (рис. 17.1), или с гладкими (беспазовыми) якорями и малоинерционные двигатели, якоря которых не имеют магнитных магнитопроводов.

По способу возбуждения коллекторные исполнительные двигатели постоянного тока могут быть с электромагнитным возбуждением (см. рис.13) и возбуждением от постоянных магнитов.

Рис.13. Исполнительный коллекторный двигатель постоянного тока:

1 — передний подшипниковый щит; 2 — щетки; 3 — обмотка полюса; 4 — корпус; 5 — статор в разрезе;

6 — задний подшипниковый щит; 7 — вал; 8 — сердечник якоря; 9 — полюс; 10 — обмотка якоря;

11 — коллектор; 12 — шариковый подшипник

У двигателей с электромагнитным возбуждением в качестве обмотки управления используется либо обмотка якоря — двигатели с якорным управлением (рис.14, а), либо обмотка полюсов — двигатели с полюсным управлением (рис.14, б). У двигателей, возбуждаемых постоянными магнитами, обмоткой управления является единственная их обмотка — обмотка якоря, поэтому они всегда работают при якорном управлении.

В схемах автоматики широко используются также бесконтактные двигатели постоянного тока, основные характеристики которых аналогичны характеристикам коллекторных исполнительных двигателей постоянного тока с якорным управлением.

Рис.14. Схемы включения исполнительных двигателей постоянного тока:

а — якорное управление; б — полюсное управление

По конструкции коллекторные исполнительные двигатели постоянного тока можно разделить на двигатели с якорем обычного исполнения — с полузакрытыми пазами на его цилиндрической поверхности; двигатели с гладким якорем, у которых обмотка якоря расположена на шихтованном гладком цилиндрическом ярме и укреплена с помощью эпоксидных смол и бандажей; двигатели с малоинерционными якорями (цилиндрическими и дисковыми), у которых во время работы вращается лишь обмотка якоря с коллектором, а ярмо якоря остается неподвижным.

Особенностью исполнительных двигателей постоянного тока с изменяющимся по значению магнитным потоком возбуждения (в отличие от обычных силовых двигателей) является то, что они имеют шихтованные (набранные из тонких листов электротехнической стали) не только магнитопровод якоря, но и спинку статора и полюсы, что необходимо для уменьшения постоянной времени при быстром изменении магнитного потока, а также потерь в магнитопроводе при работе двигателя в переходных режимах, которые являются обычными для исполнительных двигателей.

По габаритным размерам и массе двигатели постоянного тока в два-три раза меньше асинхронных исполнительных двигателей той же мощности, но в то же время они больше обычных силовых двигателей постоянного тока. Последнее объясняется тем, что, во-первых, магнитная цепь исполнительных двигателей, как правило, менее насыщена, что вызвано желанием получить линейные характеристики и устранить влияние на них поля реакции якоря, во-вторых, меньшими плотностями токов в обмотках, что диктуется желанием уменьшить их перегрев. Последнее очень важно, так как исполнительные двигатели постоянного и переменного токов никогда не снабжаются встроенными вентиляторами, которые, во-первых, малоэффективны (так как исполнительные двигатели практически никогда не работают при постоянных значительных частотах вращения, а работают в режимах пусков, остановок, реверсов); во-вторых, вследствие значительной инерционности вентиляторы увеличивают постоянную времени двигателя, снижая его быстродействие.

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

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

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

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.

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Основные типы двигателей

Асинхронные микродвигатели

Самыми распространенными силовыми микродвигателями автоматики в настоящее время являются асинхронные двигатели. По своему устройству это двигатели с короткозамкнутым ротором, который чаще всего имеет обмотку, изготовленную в виде беличьей клетки. Реже ротор изготовляется массивным и полым из чугуна или стали, что делается либо для получения мягких механических характеристик, либо ради достижения особой механической прочности ротора, необходимой при высоких частотах вращения, либо с целью уменьшения акустического шума при работе двигателя. Асинхронные двигатели с фазовым ротором не выпускаются.

Классификация силовых асинхронных микродвигателей пред­ставлена на рис.21.

В качестве силовых двигателей в схемах автоматики очень часто применяются трехфазные и однофазные асинхронные микродвигатели широкого применения, рассчитанные на работу от сети с частотой 50 Гц.

Так как механическая мощность асинхронного двигателя практически (при прочих равных условиях) прямо пропорциональна частоте питающего напряжения (Р ~ Мn ~ Мn_с ~ M60 f/p ~ f), а габаритные размеры определяются значением вращающего момента М, то в схемах автоматики очень часто применяют асинхронные двигатели, рассчитанные на работу от напряжений повышенной частоты f.

Рис.21. Классификация силовых асинхронных микродвигателей

Применение асинхронных двигателей повышенной частоты в целом ряде случаев диктуется не только стремлением уменьшить габариты машины, но и рядом других соображений: необходимостью иметь более высокие угловые скорости вращения, работой автоматических систем от сетей повышенной частоты и др.

В ряде схем автоматики возникает обратная задача — необходимость получения малых частот вращения n. У асинхронных и синхронных двигателей переменного тока средних и больших мощностей этого можно легко достичь за счет увеличения числа пар полюсов р, так от этого зависит как синхронная частота вращения n_с:

n_с = 60f/p.

Для двигателей малых мощности и габаритных размеров этот способ практически неприемлем, особенно если они рассчитаны на работу от сетей повышенной частоты. При малых габаритах увеличение числа пар полюсов р, а следовательно, и числа пазов двигателя весьма затруднительно, а иногда и невозможно.

С целью получения низких частот вращения приходится применять специальные тихоходные двигатели либо с электромагнитной редукцией частоты вращения, либо с катящимся или волновым роторами.

В большинстве схем автоматики силовые двигатели питаются не от трехфазных, а однофазных сетей переменного тока. Именно поэтому в качестве силовых в основном используются однофазные двигатели. Трехфазные двигатели в схемах автоматики используются значительно реже.

Однофазные асинхронные двигатели по своему устройству в подавляющем большинстве случаев являются двухфазными. Они, как правило, имеют на статоре две обмотки, сдвинутые в пространстве на 90°. Одна обмотка называется рабочей, или главной. Она подключается непосредственно к однофазной сети. Другая обмотка называется пусковой, или вспомогательной. Она подключается к однофазной сети через фазосдвигающий элемент либо только на время пуска, либо постоянно. В некоторых двигателях вспомогательная обмотка вообще не подключается к сети, а ЭДС в ней наводится потоком главной обмотки.

В зависимости от типа фазосдвигающего элемента, а также от способа использования вспомогательной (пусковой) обмотки силовые однофазные асинхронные (и синхронные) микродвигатели можно разделить на пять групп: с пусковым сопротивлением; пусковым конденсатором; пусковым и рабочим конденсатором; рабочим конденсатором; экранированными полюсами.

Кроме однофазных микродвигателей в системах автоматики в качестве силовых используются также универсальные асинхронные микродвигатели, которые, являясь по своему назначению трехфазными, при изменении схемы соединения обмоток — фаз и включении фазосдвигающих элементов могут работать и от однофазных сетей переменного тока.

Синхронные микродвигатели

Основной особенностью синхронных микродвигателей, определяющей области их применения, является постоянство частоты вращения при неизменной частоте питающей сети. Частота вращения ротора двигателя в синхронном режиме (при Мсопр < Мтях) не зависит от колебаний напряжения питания и момента сопротивления. Она равна частоте вращения магнитного поля, т.е. синхронной частоте вращения:

n_с = 60f/p.

В настоящее время в схемах автоматики синхронные микродвигатели применяются очень широко. По конструктивному исполнению они весьма разнообразны, особенно однофазные микродвигатели малых мощностей (от долей ватт до нескольких ватт).

Двигатели с номинальной мощностью от десятков до сотен ватт имеют обычное классическое исполнение. Они состоят из неподвижной части — статора, в пазах которого размещается трехфазная или двухфазная обмотка переменного тока, и вращающейся части — ротора, который у большинства двигателей имеет явно выраженные полюсы.

В зависимости от конструкции ротора различают синхронные микродвигатели с электромагнитным возбуждением, постоянными магнитами, реактивные и гистерезисные. На рис.22 представлены основные конструктивные схемы синхронных микродвигателей.

Кроме двигателей обычного исполнения в схемах автоматики иногда встречаются обращенные синхронные микродвигатели, обмотка переменного тока которых размещается в пазах ротора.

Микродвигатели с электромагнитным возбуждением (с обмоткой возбуждения постоянного тока на полюсах) вследствие сложности их конструкций и пуска, а также необходимости наличия источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения в схемах автоматики применяются очень редко.

Синхронные микродвигатели выпускаются как на промышленную частоту 50 Гц, так и на повышенные частоты 400, 500, 1000 Гц. Кроме обычных двигателей в схемах автоматики широко применяются тихоходные двигатели с электромагнитной редукцией частоты вращения, работающие на зубцовых гармониках поля, и двигатели с катающимся или волновым роторами. Иногда для получения низких частот вращения используются обычные двигатели со встроенными редукторами.

Выпускаются несколько серий синхронных микродвигателей, которые широко применяются в приборах звуко- и видеозаписи, кино- и фотоаппаратуре, системах связи, всевозможных лентопротяжных устройствах и т. п.

Рис.22. Конструктивные схемы синхронных микродвигателей:

а — с электромагнитным возбуждением (2р = 2); б— с постоянными магнитами (2р = 2);

в — реактивный (2р = 4); г — гистерезисный

К синхронным микродвигателям предъявляются как общие для всех электрических машин требования — высокие энергетические показатели (n и cosφ), малые габариты, масса и т.п., так и специфические для синхронных двигателей требования, которые зависят от схемы, в которой применяется двигатель. В одних схемах от двигателя требуется постоянство средней частоты вращения, в других — постоянство мгновенной частоты вращения в пределах одного оборота ротора и т. п.

Кроме синхронных микродвигателей непрерывного вращения нашли применение импульсные шаговые двигатели.

В схемах автоматики применяется большое количество различных типов синхронных микродвигателей с постоянными магнитами, отличающихся друг от друга по способу запуска, конструктивному исполнению, способу питания и т.п. Все синхронные двигатели с постоянными магнитами, если их классифицировать по одному из основных показателей — способу запуска, можно разделить на три группы:

самозапускающиеся микродвигатели;

двигатели с асинхронным пуском;

двигатели с гистерезисным пуском.

Самозапускающиеся синхронные микродвигатели с постоянными магнитами находят в настоящее время очень широкое применение в схемах автоматики. Они используются для привода часовых механизмов, механизмов реле, всевозможного рода программных устройств и т.п. Номинальные мощности таких двигателей обычно не превышают долей ватта. Они имеют большое число полюсов и небольшие синхронные частоты вращения (обычно n_с = 60f/p ≤ 375 об/мин).

Двигатели часто рассчитываются на работу от однофазных сетей переменного тока. Их магнитное поле либо пульсирующее, либо резко выраженное эллиптическое (у двигателей с расщепленными экранированными полюсами). Пуск этих двигателей часто осуществляется в течение полупериода изменения тока за счет всегда существующего в синхронных двигателях пульсирующего момента. Самозапускающиеся двигатели рассчитываются либо на малоинерционную нагрузку, либо за счет специального устройства, развязывающего ротор и вал на время пуска, пускаются вхолостую, а затем нагружаются. Для обеспечения пуска таких двигателей широко используют различные устройства с пружинами, храповиками и иными приспособлениями, обеспечивающими вращение ротора в заданном направлении и блокирующими обратный ход.

Самозапускающиеся синхронные микродвигатели с постоянными магнитами обычно выпускаются плоскими, т. е. имеют относительно большой диаметр и малую длину. Их обмотка возбуждения имеет вид кольца, а магнитная цепь статора, изготовленная зачастую из одного листа стали, имеет клювообразные полюсы, расщепленные у двигателей с экранированными полюсами. КПД таких двигателей невелик — 3… 5 %. На рис.29 представле­на схематично конструкция одного из таких микродвигателей.

Основной массовой серией однофазных самозапускающихся синхронных двигателей с постоянными магнитами, выпускаемых в РБ, длительное время являлась серия ДСМ. Двигатели этой серии (рис.30) рассчитаны на работу от сети с f = 50 Гц напряжением 200, 127, 36, 24, 12 В. Они выпускались как без редуктора, так и с различными понижающими механическими редукторами. Частота вращения выходного вала такого двигателя — 375 об/мин; частота вращения выходного редуктора — 60; 2; 0,2; 1/300 об/мин. Эти двигатели выпускались с правым и левым вращением вала. Мощность, потребляемая ими от сетей, не превосходила 4 Вт. Двигатели серии ДСМ выпускались в больших количествах и в настоящее время еще работают во всевозможных устройствах. Но с началом выпуска и расширением производства новых серий двигателей с лучшими показателями — ДСО, ДСОР, ДСК, ДСКР — выпуск двигателей серии ДСМ сокращается.

Рис.29. Конструктивная схема самозапускающегося однофазного синхронного микродвигателя с постоянными магнитами:

а — общий вид; б — развертка статора; 1 — передняя часть магнитопровода статора; 2 — ротор; 3 — задняя часть магнитопровода статора; 4 — обмотка тороидальная

Рис.30. Самозапускающийся синхронный двигатель серии ДСМ:

1,2 — передняя и задняя части магнитопровода статора; 3 — обмотка возбуждения; 4 — клювообразные полюса; 5 — ротор; 6 — муфта с пружиной, обеспечивающая одностороннее вращение ротора;

7 — редуктор; 8 — выходной вал

Тихоходные однофазные микродвигатели типов ДСО (двигатели синхронные однофазные) — это многополюсный двигатель, рассчитанный для работы от однофазных сетей переменного тока с частотой 50 или 60 Гц, с надежными однонаправленными пуском и вращением, предназначенный для работы в различных промыш­ленных и бытовых приборах.

Конструкция двигателя типа ДСО-32 (рис.31) весьма проста и технологична. Статор состоит из намотанной в виде кольца катушки 7, залитой и соответствующим образом отформованной литьевой пластмассой. Отформованная катушка 7 является основой двигателя. Справа и слева к катушке прилегают магнитопроводы 4, имеющие по восемь клювообразных полюсов 6 определенной длины, направленных аксиально и полученных путем неполной выштамповки и отгибки пластин 10 правого и левого магнитопроводов. При этом полюсы одного магнитопровода располагаются между полюсами другого магнитопровода. Магнитопроводы одновременно служат подшипниковыми щитами. В их центральных отверстиях располагаются подшипники скольжения 2, изготовленные путем заливки из литьевого сополимера. Медные пластины 3 особой конфигурации, прилегающие изнутри к правому и левому магнитопроводам (по две штуки к каждому), экранируют определенную часть полюсов статора, выполняя роль короткозамкнутых витков, что обеспечивает при питании катушки статора переменным током через зажимы 9 создание вращающегося в пространстве магнитного поля (не кругового, а эллиптического).

Рис.31. Однофазный многополюсный двигатель типа ДСО-32 с экранированными полюсами:

1 — вал; 2 — подшипники скольжения; 3 — медная пластина; 4 — магнитопро-воды; 5 — шпильки;

6 — полюс; 7 — катушка; 8 — постоянный магнит; 9 — зажимы; 10 — пластины

Магнитный поток, созданный обмоткой статора, замыкаясь вокруг нее, проходит по левому магнитопроводу, его клювооб-разным полюсам, цилиндрическому магниту 8 ротора, клювооб-разным полюсам правого магнитопровода, правому магнитопроводу и замыкается на внешнем магнитопроводе, соприкасающемся с левым и правым магнитопроводами.

Цилиндрический ротор двигателя состоит из кольцевого феррито-бариевого магнита 8 марки М1БИ, спрессованного литьевым сополимером на стальном валу 1. Цилиндрический магнит ротора имеет 16 полюсов, полученных путем радиального намагничивания.

Двигатель имеет закрытое исполнение с одним выходным концом вала. Подшипниковые щиты, которыми являются торцевые магнитопроводы, и внешний магаитопровод закрепляются на основной части двигателя — катушке, залитой пластмассой, с помощью цилиндрических пластмассовых выступов (шпилек) 5, концы которых после сборки двигателя оплавляются. Конструкция двигателя весьма технологична, что очень важно при массовом производстве.

Двигатели ДСО-32 выпускаются на номинальные напряжения 12, 24, 40, ПО (127), 220 В. Для работы при напряжениях свыше 220 В рекомендуется включать последовательно с двигателем гасящие напряжение элементы (резисторы или конденсаторы). Режим работы двигателей серии ДСО продолжительный или повторно-кратковременный с частыми пусками, когда продолжительность включения составляет до 60 % от общего времени работы, а час­тота включения — до 3600 включений в час. Направления вращения — левое или правое в зависимости от исполнения. Двигатели ДСО-32 выпускаются и для работы от сети с частотой 60 Гц. В этом случае они имеют маркировку ДСО-32-0,08-0,450.

Маркировка ДСО-32Р означает, что к двигателю типа ДСО-32 присоединен понижающий механический редуктор, имеющий определенное передаточное число.

Конденсаторные тихоходные двигатели типов ДСК и ДСКР разработаны взамен устаревших двигателей типов ДСД, ДСДР. Рассмотрим устройство и принцип работы базового конденсаторного двигателя ДСК-32-0,25-0,375, схема которого приведена на рис.32. Цифры в маркировке двигателя означают:

32 — наружный диаметр, мм;

0,25 — пусковой и номинальный моменты, Н-см;

0,375 — частота вращения, тыс. об/мин.

Статор имеет два одинаковых модуля I и II, представляющих собой две независимые одинаковые по конструкции фазные системы, каждая из которых состоит из внешнего 6 и внутреннего 9 одинаковых по конструкции штампованных магнитопроводов, имеющих чашеобразную форму, и сосредоточенной обмотки, выполненной в виде кольцевой каркасной катушки 8, размещенной между внешним и внутренним магнитопроводами. Кольцевой каркас катушки выполнен из литьевого сополимера типа дифлон. Внешние 6 и внутренние 9 магнитопроводы каждого модуля выполнены штамповкой из стали марки П-ВГ-08КП. Магнитопровод изолирован от катушки изоляцией 7. Аксиальному перемещению ротора препятствует пружина 3.

Рис.32. Конденсаторный мно­гополюсный двигатель ДСК-32-0,25-0,375:

1 — вал; 2 — подшипник скольжения; 3 — пружина; 4 — постоянный магнит; 5— щиты подшипниковые; 6— магаитопровод внешний; 7 — изоляция; 8 — катушки; 9 — магнипроводы внутренние; 10— полюсы;

11 — опрессовка полиамидная

Полюсная система внешних и внутренних магнитопроводов статора состоит из 16 клювообразных полюсов 10 чередующейся полярности, равномерно расположенных по окружности. Формирование полюсов 10 обеспечивается путем просечек при штамповке листовой заготовки и последующей отгибки полюсов под углом 90° к торцевым частям внешних и внутренних магнитопроводов.

Передний и задний подшипниковые щиты 5 двигателя имеют форму дисков с отверстиями в центральной части, в которых из литьевого сополимера типа СФД или полиамида формируются подшипники скольжения 2. Подшипниковые щиты и внешние магнитопроводы механически скрепляются между собой точечной сваркой. Также точечной сваркой скрепляются между собой внутренние магнитопроводы модулей, предварительно сдвинутые между собой на 90° (электрических).

Ротор двигателя состоит из кольцевого ферритобариевого постоянного магнита 4 марки ФБИ-la, который спрессован полиамидом 11 на валу 1. Магнит 4 ротора намагничен в радиальном направлении и имеет 16 неявновыраженных полюсов чередующейся полярности.

Частота вращения ротора базового двигателя 375 или 450 об/мин при частотах питающего напряжения соответственно 50 или 60 Гц. Базовый электродвигатель имеет различные исполнения на напряжения 12, 24, НО, 127, 220 В, которые отличаются друг от друга лишь числом витков обмотки статора.

Наряду с возможностью работы от двухфазной симметричной сети (со сдвигом напряжений фаз во времени на четверть периода — 90°) базовый двигатель ДСК-32-0,25-0,375 предназначен для работы от однофазной сети с постоянно включенным последовательно с одной из его фаз (обмоток) конденсатором. При этом для номинальных напряжений сети 12, 24 и 40 В используется схема с параллельным включением обмоток, а для напряжений 110 В и выше — с последовательным. Реверс двигателя достигается посредством переключения конденсатора из цепи одной обмотки в цепь другой.

На базе двигателя ДСК-32-0,25-0,375 разработана серия однофазных реверсивных конденсаторных тихоходных синхронных двигателей с механическими редукторами типа ДСКР-32, которые работоспособны в условиях воздействия вибрационных и ударных нагрузок. Серии двигателей ДСК-32 и ДСКР-32 имеют 180 исполнений, в том числе различные климатические.

Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском отличаются от других типов синхронных двигателей с постоянными магнитами наличием на роторе короткозамкнутой обмотки типа беличьей клетки, предназначенной, во-первых, для пуска двигателя, во-вторых, для стабилизации его частоты вращения — демпфирования качаний ротора при резких изменениях нагрузки.

Рис.33. Синхронный двигатель с радиальным расположением постоянного магнита и пусковой короткозамкнутой обмотки:

1 — статор; 2 — шихтованная часть ротора с короткозамкнутой обмоткой; 3 —постоянный магнит

В последнее время наибольшее распространение получили синхронные двигатели двух конструктивных исполнений: с радиальным (рис. 18.13, 18.14) и аксиальным расположениями постоянного магнита и пусковой короткозамкнутой обмотки.

Статоры двигателей обоих конструктивных исполнений ничем не отличаются от статоров обычных синхронных и асинхронных машин. В пазах шихтованных статоров располагаются трехфазные или двухфазные обмотки переменного тока. Роторы двигателей сочетают в себе элементы синхронного двигателя — постоянные магниты и асинхронного двигателя — короткозамкнутую обмотку, выполненную в виде беличьей клетки, располагающуюся в пазах.

Рис.34. Различные конструкции роторов синхронных микродвигателей с радиальным расположением постоянных магнитов и пусковой короткозамкнутой обмотки

Двигатели с радиальным расположением постоянного магнита и пусковой обмотки имеют кольцевой пакет стали ротора, напрессованый на постоянный магнит-звездочку, в пазах которого располагается короткозамкнутая обмотка. В стали магнитопровода ротора имеются междуполюсные прорези, размеры которых выбираются из условия хорошего асинхронного пуска и оптимального использования энергии постоянного магнита в синхронном режиме, т. е. из условия уменьшения потока рассеяния магнита. Пакет стали ротора с короткозамкнутой обмоткой предохраняет магнит от размагничивания в режиме пуска (короткого замыкания).

С целью предохранения магнита от размагничивания, а также увеличения асинхронного момента, необходимого для пуска, междуполюсную прорезь желательно выбирать минимально возможной. Исследования показывают, что оптимальный размер прорези увеличивается с увеличением мощности двигателя. Иногда с целью улучшения пусковых свойств двигателя и увеличения механической прочности его ротора между полюсными наконечниками оставляют небольшие перемычки — мостики насыщения (см. рис.34).

Синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском в ряде случаев имеют существенные преимущества по сравнению с синхронными реактивными и гистерезисными двигателями:

более высокие энергетические показатели — КПД и cosφ (рис.35);

большую удельную мощность P_s — мощность на единицу массы (особенно при мощностях в десятки и сотни ватт и большом числе пар полюсов);

повышенную перегрузочную способность, стабильность частоты вращения;

хорошую синфазность вращения, что часто требуется в групповых приводах.

В некоторых системах автоматики применяются синхронные микродвигатели с постоянными магнитами и гистерезисным пуском.

Рис.35. Рабочие характеристики синхронного двигателя с постоянны­ми магнитами (Р_s — мощность на валу двигателя)

В настоящее время в схемах автоматики получили весьма широкое распространение синхронные гистерезисные микродвигатели. Статор обычного гистерезисного двигателя ничем не отличается от статоров синхронных и асинхронных машин. Пакет статора набирается из изолированных листов электротехнической стали. В полузакрытых (с неширокой прорезью) пазах располагается обычная трехфазная или двухфазная (в конденсаторных двигателях) обмотка, которая при подключении к сети переменного тока создает вращающееся магнитное поле. Ротор большинства гистерезисных двигателей представляет собой сплошной или шихтованный полый цилиндр из магнитотвердого материала, имеющего широкую петлю гистерезиса (обладающего большой остаточной намагниченностью), и располагается на магнитной или немагнитной втулке. Магнитные схемы гистерезисных двигателей с различными роторами представлены на рис.38.

Принцип действия гистерезисного двигателя рассмотрим на примере двигателя со сплошным массивным ротором (рис.39). Вращающий момент такого двигателя можно представить как сумму двух моментов: основного гистерезисного Мг, обусловленного наличием большой остаточной намагниченности, и момента от вихревых токов М_в:

М= М_г М_в.

Рис.38. Магнитные схемы гистерезисных двигателей с различными роторами:

а — с ротором из магнитотвердого материала; б — с составным ротором с ферромагнитной втулкой; в — с составным ротором с немагнитной втулкой; г — двигателя с ферромагнитной втулкой; 1 — ротор; 2 — статор; 3 — магнитотвердый материал; 4 — втулка; 5 — запорное кольцо

Момент от вихревых токов возникает в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля двигателя с вихревыми токами ротора. По своей природе это асинхронный момент. Он равен нулю при синхронизме и вследствие большого активного сопротивления массивного ротора максимален при пуске

(n = 0). Если бы двигатель обладал только моментом от вихревых токов, то его механическая характеристика не отличалась бы ничем от механической характеристики обычного асинхронного двигателя с повышенным активным сопротивлением ротора, имеющего s_к > 1.

Рис.39. Принцип действия гистерезисного двигателя:

а — схема сил при невращающемся магнитном поле; б — схема сил при вращающемся магнитном поле

Возникновение гистерезисного момента объясняется наличием у материала ротора широкой петли гистерезиса. При асинхронной скорости вращения ротор, находясь в магнитном поле, все время перемагничивается. При этом ось поля ротора, изготовленного из магнитотвердого материала, при наличии момента сопротивления на валу отстает от оси вращающегося магнитного поля на некоторый угол 9. В результате взаимодействия поля ротора с опережающим его вращающимся магнитным полем статора возникает вращающий гистерезисный момент М_г.

Если ротор гистерезисного двигателя поместить в магнитное поле, то он намагнитится, его области спонтанной намагниченности — элементарные магнитики будут ориентированы по силовым линиям магнитного поля. На рис.39 схематично показаны два элементарных магнитика. В результате взаимодействия внешнего поля, которое для наглядности представлено в виде двух полюсов магнита, с элементарными магнитиками ротора возникнут силы F = F_n, которые в положении ротора, соответствующем, показанному на рис.38, а, будут направлены радиально. Момент, действующий на ротор в этом случае, будет равен нулю.

Если полюсы магнита, а следовательно, внешнее магнитное поле вращать относительно ротора, то элементарные магнитики будут поворачиваться вслед за полем полюсов, однако вследствие молекулярного трения, которое у магнитотвердых материалов весьма значительно, они будут отставать от поля полюсов на некоторый угол 6. Силы взаимодействия F между элементарными магнитиками и полем полюсов магнита в этом случае (см.39, б) кроме радиальных составляющих F_n будут иметь еще тангенциальные составляющие F_t которые и создадут вращающий гистерезисный момент.

Рис.40. Механические характеристики гистерезисного двигателя

На рис.40 представлены механические характеристики гистерезисного двигателя — зависимости гистерезисного момента M_г, момента от вихревых токов М_в и суммарного момента М= М_г М_в от частоты вращения n при круговом поле, синусоидально распределенном в пространстве. У гистерезисных двигателей с шихтованным ротором вихревые токи практически отсутствуют, поэтому М_в = 0 и механическая характеристика М = Mг = f(n) имеет вид прямой линии.

Роторы гистерезисных двигателей по конструктивному исполнению можно разделить на три группы.

1. Роторы (сплошные или шихтованные), целиком изготовленные из магнитотвердого материала (см. рис.38, а).

2. Сборные роторы, состоящие из полого цилиндра (сплошного или шихтованного), изготовленного из магнитотвердого материала и ферромагнитной втулки (см. рис.38, б). Такие роторы обычно применяются в случае, если магнитотвердый материал имеет малую магнитную проницаемость μ (сравнительно небольшую индукцию насыщения В_m при большой коэрцитивной силе Н_с).

3. Сборные роторы, состоящие из активной части — полого (сплошного или шихтованного) цилиндра из магнитотвердого материала — и немагнитной (μ = 1) втулки из алюминия или пластмассы (см. рис.38, в). Такие роторы применяются в том случае, когда магнитотвердый материал имеет сравнительно большую магнитную проницаемость μ (большую В_m при сравнительно небольшой Н_с).

Наибольшее распространение в настоящее время получили роторы второй и третьей групп. В некоторых двигателях активная часть ротора изготовляется не из листов, а из проволоки, полос или пресс-порошка.

Положительные качества синхронных гистерезисных двигателей следующие:

большие пусковой момент и момент входа в синхронизм;

независимость момента входа в синхронизм от момента инерции;

плавность входа в синхронизм — отсутствие рывка;

незначительное изменение тока — на 20…30 % от пуска (n = 0) до холостого хода (n = n_с) и на 1… 3 % от холостого хода до номинальной нагрузки;

сравнительно высокий КПД, достигающий в некоторых двигателях 60 %;

малое время разгона;

большая механическая прочность и симметрия ротора, что позволяет создавать высокоскоростные двигатели, в том числе гидродвигатели;

способность одного и того же ротора работать в магнитных полях различной полюсности — полисинхронизм ротора, позволяющий создавать многоскоростные синхронные двигатели, хотя и неравноценные по качеству на различных скоростях из-за различного намагничивания активного материала ротора;

высокая температурная стабильность пусковых и рабочих характеристик, обусловленная тем, что изменение температуры влияет лишь на значение активного сопротивления обмотки статора;

высокая надежность, малый уровень шума и сравнительно небольшие габариты и масса.

Недостатки синхронных гистерезисных двигателей, ограничивающие области их применения, сводятся к следующим:

низкий коэффициент мощности (cosφ), не превосходящий 0,3…0,45;

малая стабильность мгновенной скорости вращения — качание ротора при резко изменяющихся нагрузках;

большой технологический разброс характеристик двигателя, объясняющийся тем, что даже незначительные отклонения от установленного режима термической обработки ведут к значительным изменениям свойств магнитотвердых материалов;

высокая стоимость магнитотвердых материалов и сложность их механической обработки.

Применяемые в настоящее время шаговые двигатели в большинстве являются многофазными и многополюсными синхронными электрическими машинами. В отличие от обычных синхронных двигателей роторы шаговых двигателей не имеют пусковой короткозамкнутой обмотки, что объясняется частотным (а не асинхронным) их пуском. Роторы двигателей могут быть возбужденными (активными) и невозбужденными (пассивными).

На рис. 19.2 изображены схемы работы m-фазного шагового двигателя. Для упрощения анализа физических процессов рассмотрим работу этого двигателя с простейшим невозбужденным ротором, имеющим два полюса.

Питание обмоток статора может быть либо однополярным, либо двухполярным. При однополярном питании напряжение изменяется от нуля до U; при двухполярном — от U до -U.

Современные электронные коммутаторы могут обеспечивать питание обмоток статора либо порознь, либо группами в различных сочетаниях. Каждому состоянию — такту коммутации, число которых зависит от способов включения обмоток, соответствует вполне определенные величина и направление вектора F результирующей МДС двигателя, а следовательно, и вполне определенное положение ротора в пространстве. Так, если обмотки двигателя питать поочередно (1, 2, 3, …, m) однополярными импульсами, то ротор двигателя будет иметь m устойчивых положений, которые совпадают с осями обмоток (см. рис.42, а). На практике с целью увеличения результирующей МДС статора, а следовательно, и магнитного потока, а также синхронизирующего момента обычно одновременно питают две, три и большее число обмоток. При этом ротор двигателя при холостом ходе занимает положения, в которых его ось совпадает с результирующим вектором МДС.

Рис.42. Схемы работы m -фазного шагового двигателя:

а — поочередное питание однополярными импульсами; б — питание четного числа обмоток; в — питание нечетного числа обмоток

В том случае, когда питается четное число обмоток, положения результатирующего вектора МДС и ненагруженного ротора совпадают с линией, проходящей между двумя средними обмотками (см. рис.42, б). В том случае, когда питается нечетное число обмоток, устойчивые положения ротора совпадают с осью средней обмотки (см. рис.42, в). Таким образом, в обоих случаях (при четном и нечетном числе питаемых обмоток) ротор двигателя будет иметь т устойчивых положений. Однако соседние положения в этих случаях будут смещены на угол 2π/(2m) = π /m.

Если поочередно включать то четное, то нечетное число обмоток (например, 1 — 2, 1—2—3, 2 — 3,

2 — 3 — 4 и т.д.), то число устойчивых положений ротора п увеличится вдвое: n = 2m.

На практике управление двигателя, при котором обмотки включаются поочередно равными группами по две, три и т.д., называют симметричным. Поочередное включение неравных групп обмоток называют несимметричным управлением.

Кроме однополярного и двухполярного, симметричного и несимметричного способов управления шаговыми двигателями различают еще потенциальный и импульсный способы управления.

При потенциальном управлении напряжения на обмотках изменяются только в момент поступления управляющего сигнала — команды. При отсутствии последующего сигнала управления одна обмотка или группа обмоток, возбужденные предшествующим сигналом, остаются под напряжением и ротор занимает вполне определенное фиксированное положение.

При импульсном управлении любая обмотка (или группа обмоток), возбужденная сигналом — импульсом управления, по истечении некоторого времени, определяемого длительностью импульса, автоматически обесточивается. Фиксация положения ротора в период паузы между импульсами обеспечивается либо внутренним реактивным моментом (при наличии активного ротора), либо специальными магнитными, электромагнитными или механичес­кими фиксирующими устройствами.

Рис.43. Схема обмоток (а) и порядок коммутации (б) шагового двигателя типа ШД-2-1

На рис.43 показан принцип работы двухфазного шагового двигателя типа ШД-2-1. Обмотки этого двигателя имеют выводы средних точек, что приводит к их расщеплению на две полуфазы и превращает двигатель из двухфазного в четырехфазный. В отличие от двигателей с обычной двухфазной обмоткой, управление которыми должно осуществляться разнополярными импульсами, управление рассматриваемого двигателя осуществляется однополярными импульсами, что значительно упрощает коммутатор.

Шаговые реактивные двигатели, так же как и индукторные, имеют невозбужденный (пассивный) ротор (рис.47, а). Конструктивно они весьма схожи с индукторными двигателями, имеющими электромагнитное возбуждение, однако они не имеют обмоток возбуждения и постоянной составляющей магнитного потока в воздушном зазоре. По своим энергетическим показателям и величине синхронизирующего момента они уступают индукторным двигателям аналогичной конструкции. Одним из недостатков реактивных шаговых двигателей является отсутствие внутренней магнитной фиксации ротора при обесточенных обмотках статора.

Однофазные шаговые двигатели наряду с многофазными находят довольно широкое применение в приборах автоматики и вычислительной техники. Обычно они применяются там, где не требуется больших синхронизирующих моментов и высоких скоростей. Они просты по устройству и управлению, не требуют сложных коммутаторов и чаще всего имеют одно направление вращения (не имеют реверса). Главная трудность при создании однофазных двигателей состоит в получении пускового момента однонаправленного действия.

Рис.47. Схемы шаговых реактивных двигателей:

а — четырехфазного; б — однофазного двухполюсного; 1 — обмотки управления; 2 — ротор;

3 — постоянные магниты

На рис.47, б схематично представлен простейший однофаз­ный шаговый двигатель, пусковой момент однонаправленного действия у которого создается с помощью клювообразных несимметричных полюсов. В обесточенном состоянии обмоток управления 1 ротор 2 удерживается постоянными магнитами 3 во вполне определенном положении. При подаче импульса управления ротор поворачивается в направлении, показанном стрелкой. При повороте ротора на 90° напряжение с обмоток управления снимается и ротор, продолжая вращаться под действием сил инерции, приходит в положение, соосное с полюсами постоянных магнитов.

Кроме рассмотренных конструкций в последнее время появился ряд новых шаговых двигателей: шаговые двигатели с катящимися и волновыми роторами, шаговые двигатели с печатными обмотками и др.

Моментные двигатели

В моментных двигателях ротор, развивая необходимый момент, поворачивается лишь на весьма малые углы, составляющие долю его оборота. Таким образом, двигатель работает практически с неподвижным ротором или, как говорят, в режиме короткого замыкания.

В качестве моментных могут быть использованы двигатели различного типа как постоянного, так и переменного токов. Например, у двигателя постоянного тока независимого возбуждения момент короткого замыкания пропорционален приложенному напряжению. У асинхронного двигателя (трехфазного или двухфазного) момент определяется квадратом напряжения в цепи статора, причем в двухфазном двигателе достаточно регулировать ток в одной обмотке (обмотке управления) и изменять момент за счет внесения асимметрии.

Рис.48. Схема моментного двигателя с двумя обмотками (1, 2)

Наиболее рациональным является двухфазный синхронный двигатель с возбуждением от постоянного магнита и питанием обмотки статора постоянным током (рис.48), в котором изменяя соотношение токов от I₁ = max, I₂ = 0 до I₁ = 0, I₂ = max, можно обеспечить поворот ротора в пределах 90°. При I₁ = max положение ротора будет совпадать с осью обмотки 1, при I₂ = max — с осью обмотки 2.

Системы с моментными двигателями отличаются повышенным быстродействием. Поскольку двигатель не вращается, то его меха­ническая инерция не влияет на динамику системы, а переходные процессы определяются в основном электромагнитной инерцией обмоток. Так как электромагнитная постоянная двигателя обычно существенно меньше электромеханической, то переходные процессы в них завершаются быстрее, чем при отработке перемещений.

В приводах подачи прецизионных шлифовальных станков, приборов точной механики и оптики часто требуется отработка перемещений, составляющих несколько микрометров, а иногда и десятые доли микрометра. При использовании для этой цели шаговых двигателей как обладающих малым угловым шагом все же необходима механическая передача с большим передаточным отношением, которой свойственны существенные погрешности. Так как в перечисленных установках очень высоки точностные требования, то применение шаговых двигателей практически исключается. Частичным решением задачи может быть использование шаговых двигателей с электрическим дроблением шага, когда посредством специальной электронной схемы при подаче очередного импульса обеспечивается перемещение не на полный шаг, а только на его часть. По сути дела в этом случае от дискретного управления переходят к непрерывному. Однако и здесь не обой­тись без механической передачи.

В связи с этим для микроперемещений необходимы двигатели, выполненные на иной физической основе. Принципиально возможно построение двигателей на основе теплового расширения тела, электромагнитного взаимодействия, магнитострикций, обратного пьезоэффекта.

Двигатели для микроперемещений, построенные на тепловом расширении тела, не используются из-за большой инерционности и отрицательного влияния температурных полей на окружающие приборы и узлы.

Двигатели, выполненные как втяжные или поворотные электромагнитные устройства, иногда находят применение, однако очень трудно в них обеспечить тяговое усилие, слабо зависящее от перемещения. Кроме того, такой двигатель весьма инерционен из-за большой индуктивности тяговой катушки. Полоса пропускания управляющего сигнала в нем составляет 10…20 Гц. Положительное качество двигателя — обеспечение достаточно больших перемещений, определяемых ходом электромагнита (ход может составлять несколько миллиметров). В большинстве случаев в прецизионных установках наряду с микроперемещениями необходимы и относительно большие котировочные подачи.

Более широко применяют магнитострикционные двигатели, в которых используется свойство стержня из ферромагнитного материала изменять длину под воздействием магнитного поля. Максимальное относительное изменение продольных размеров стержней из таких материалов, как никель, железоникелевые, железохромникелевые и железокобальтовые сплавы, сплавы типа инвар и другие, может составлять (20…50)·10^-6. Следовательно, при длине 100 мм свободный конец стержня может перемещаться на 2… 5 мкм. Пороговая чувствительность составляет 0,05… 0,10 мкм. Недостаток магнитострикционного двигателя, так же как и электромагнитного, — инерционность, обусловленная процессами, происходящими в намагничивающей катушке. Однако индуктивность ее несколько меньше, так как зазора в магнитной цепи мо­жет не быть. Все же полоса пропускания и в этом случае не превы­шает 30 Гц. На точность работы двигателя существенно влияют внешнее тепловое поле и нагрев стержня. Следует иметь в виду, что намагничивающая катушка двигателя сама создает ощутимое тепловое поле, так как ее размеры и потребление энергии достаточно велики.

Наиболее предпочтителен пьезоэлектрический двигатель, выполняемый обычно как столбик из пьезокерамических шайб, склеенных между собой. Исходным материалом для пьезокерамики служат оксиды металлов (титанат бария, цирконат-титанат свинца и др.). Когда к торцевым поверхностям шайб приложено напряжение, то в зависимости от ориентации электрического поля столбик сжимается или удлиняется. В некоторых пределах зависимость удлинения от напряженности электрического поля носит линейный характер. Максимальное относительное удлинение может составлять (5…7)·10^–4. Следовательно, пьезостолбик длиной 50 мм может обеспечить перемещение до 25 мкм, т. е. примерно на порядок больше, чем в магнитострикционных двигателях. Напряжение, подаваемое на шайбу, достаточно велико — до 300 В. Потребление энергии незначительно.

Существенное достоинство пьезоэлектрического двигателя — быстродействие. Полоса пропускания достигает 1000 Гц. К недостаткам как магнитострикционного, так и пьезоэлектрического двигателей относится наличие петли гистерезиса в характеристиках. Ширина петли может достигать 20…30 % максимального перемещения. В пьезоэлектрических двигателях влияние гистерезиса можно несколько ослабить предварительным сжатием столбика шайб.

Усилия, которые могут создавать магнитострикционный и пьезоэлектрический двигатели, естественно, зависят от размеров стержня и шайб и в реальных двигателях составляют несколько сотен ньютонов.

Часто максимальные перемещения, которые могут обеспечить магнитострикционный и пьезоэлектрический двигатели, недостаточны. Тогда приходится прибегать к шаговым двигателям, построенным на тех же принципах. Работу шагового пьезоэлектрического двигателя поясняет рис.49.

Рис.49. Схема шагового пьезоэлектрического двигателя:

1,3 — зажимные устройства; 2 — шайба пьезоэлектрическая

Двигатель состоит из столбика пьезоэлектрических шайб 2 и двух зажимных устройств 1 и 3 на его концах. При нормальной работе в непрерывном режиме зажимное устройство 3 зафиксировано, а устройство 1 свободно. В зависимости от напряжения, поданного на шайбы, осуществляются микроперемещения конца А. При использовании возможного ресурса перемещений и соответственно при достижении напряжением предельного значениям зажим 1 фиксирует конец А, напряжение с шайб снимается, а зажим 3 освобождает конец В. При этом столбик шайб сжимается до исходной длины (конец В подтягивается). После этого зажим 3 вновь фиксируется, а зажим 1 отпускает конец А; далее вновь подается напряжение на шайбы и двигатель начинает работать, перемещая конец А, соответственно управляя объектом, механически связанным с двигателем. Если одного шага перемещения оказывается недостаточно, то цикл повторяется. Зажимными устройствами управляют с помощью специального коммутатора. Для того чтобы зафиксировать конец столбика шайб, можно установить механические устройства (например, цанговые зажимы) с управлением от магнитов или тех же пьезокерамических элементов — шайб.

Шаговый магнитострикционный двигатель работает по тому же принципу.

В системах гидроавтоматики для создания давления и расхода рабочей жидкости для гидроприводов, а также для преобразования напора рабочей жидкости в механическую энергию применяются поршневые роторные насосы и двигатели с аксиальным распо­ложением цилиндров. Роторные насосы и двигатели являются механизмами обратимого действия, т. е. насос может работать как двигатель, если к нему подводить рабочую жидкость под давлением, а с вала снимать полезную мощность.

Требование уменьшения массы и объема агрегатов гидросистемы обусловило применение высоких давлений и больших скоростей вращения насосов гидросистемы. Насосы создают давление рабочей жидкости 20…30 МПа при скорости вращения ротора до 5000 об/мин, обеспечивая скорость подачи жидкости от 4 до 90 л/мин. Кроме обеспечения необходимого давления и расхода (подачи) при минимальных массе и объеме насосы должны обеспечить на выходе минимальную пульсацию давления и расхода, чтобы не вызвать вибрационные напряжения в трубопроводах и агрегатах, а также надежно работать в широком диапазоне температур от -65 до 180 ºС.

Для обеспечения бескавитационной работы насосов давление жидкости на входе должно быть не менее 0,2 МПа. Обычно давление на входе обеспечивается за счет поддавливания, в результате которого в гидробаке поддерживается давление в диапазоне 0,3… 0,5 МПа.

Поршневые (плунжерные) насосы с аксиальным расположением цилиндров могут быть разделены на две основные группы:

поршневые насосы с наклонной (качающейся) шайбой, ось цилиндрового блока которых совпадает с осью входного вала, а ход поршня зависит от угла наклона опорной шайбы относительно входного вала;

поршневые насосы с наклонным цилиндровым блоком, ось входного вала которых совпадает с осью опорной шайбы, а ход поршня зависит от угла наклона цилиндрового блока относительно оси входного вала.

В обеих группах цилиндры блока вращаются относительно корпуса насоса, что позволяет просто осуществить торцевое распределение жидкости при входе ее в цилиндр и выталкивании жидкости из цилиндра поршнями. Число цилиндров в цилиндровом блоке колеблется от 7 от 9. Цилиндровый блок открытой стороной цилиндров скользит по неподвижному торцевому распределительному диску, на поверхности которого имеются два серповидных окна для входа и выхода жидкости. Серповидные окна расположены так, что распределительные перемычки между ними соответствуют крайним (мертвым) положениям поршней в цилиндрах. Ширина перемычки несколько больше диаметра отверстия в цилиндре. Схемы, поясняющие работу аксильно-поршневого насоса, показаны на рис.50.

Подача насоса регулируется изменением угла наклона оси шайбы относительно цилиндрового блока. Угол наклона регулируется поворотом шайбы относительно цилиндрового блока либо, наоборот, наклоном цилиндрового блока относительно неподвижной опорной шайбы и изменяется от 5 до 20°.

Поршневые насосы — качающие устройства объемного типа. Их теоретическая подача (рабочий объем) за один оборот равна объему, описываемому поршнями:

где d — диаметр цилиндра; h — ход поршня; z — число поршней в цилиндровом блоке.

Теоретический объемный расход

Q = gn,

где n — частота вращения ротора насоса.

Рис.50. Схемы аксиальных насосов:

а — с изменением угла наклона шайбы; б — с изменением положения цилиндрового блока;

1 — неподвижный упорно-распределительный диск; 2 — канавка дренажа; 3 — цилиндровый блок;

4 — поршень; 5 — опорная шайба; 6 — ведущий диск; 7 — поршневой шатун; 8 — окно;

9 — распределительные перемычки для смягчения нарастания давления; 10 — канавка

На рис.51 показан принцип работы аксиального насоса с автоматическим регулированием подачи за счет изменения угла наклона шайбы. Чувствительным элементом здесь служит мембрана 4, действующая при повышении давления выше заданного значения на клапан 5, управляющий давлением в правой полости силового цилиндра, поршень которого изменяет угол наклона опорной шайбы 3. При открытии клапана 5 давление в правой полости силового цилиндра 1, питающейся из полости нагнетания насоса через дроссельное отверстие 2 в поршне, снижается и поршень перемещается под действием давления в левой полости вправо, при этом подача насоса уменьшается. При закрытии клапана 5 давления в правой и левой полостях силового цилиндра 1 выравниваются и его поршень, перемещаясь влево под действием пружины и давления жидкости на неуравновешенную площадь поршня силового цилиндра 1, поворачивает опорную шайбу 3 в положение с максимальным углом наклона, а следовательно, устанавливает насос на максимальную подачу.

Рис.51. Схема аксиального насоса с автоматическим регулированием подачи изменением наклона шайбы:

1 — силовой цилиндр; 2 — дроссельное отверстие; 3 — опорная шайба; 4 —мембрана; 5 — клапан

Силовые цилиндры

Силовой цилиндр является двигателем, преобразующим энергию жидкости или газа в механическую энергию перемещения поршня. Поршень в силовом цилиндре совершает возвратно-поступательное движение.

По конструкции силовые цилиндры можно объединить в следующие группы.

Силовой цилиндр с односторонним выходом штока поршня (рис.52, а). Движущее усилие на поршневом штоке при движении на выпуск штока

P = pf,

где р — рабочее давление (перепад давлений р₁ и р₂ в полостях цилиндра, разделенного поршнем, р = р₁ – p₂) f — рабочая площадь (площадь живого сечения) поршня

где D — диаметр поршня; d — диаметр штока.

Если давление р₂ на сливе значительно ниже давления p_l нагнетания и им можно пренебречь, то

где р_н — давление нагнетания, р_н = р₁.

Движущее усилие на поршневом штоке при движении на уборку штока

Если давлением слива (в этом случае р₁) можно пренебречь, то

Силовой цилиндр с двусторонним выходом штоков поршня (рис.52, б). Движущее усилие такого цилиндра

Усилие на штоках поршней при прямом и обратном ходе зависит только от перепада давлений на поршне.

Силовой цилиндр одностороннего действия с одинаковым давлением в полостях цилиндра (рис.52, в). Движущее усилие на поршневом штоке такого цилиндра при прямом ходе

Рис.52. Схемы силовых цилиндров:

а — с односторонним выходом штока поршня; б — с двусторонним выходом штоков поршня;

в — одностороннего действия; г — дифференциальный

Возвратное движение поршня в данном случае осуществляется за счет пружины.

Дифференциальный силовой цилиндр (рис.52, г). При одинаковом давлении в обоих полостях цилиндра р₁= р₂ = p. Тогда

Для того чтобы Р_{выпуска} = Р_уборки, реобходимо выполнение следующего равенства:

откуда . При этом:

максимальные усилия на выпуск и на уборку равны;

при одинаковом давлении в полостях цилиндра поршень занимает любое промежуточное положение;

рабочая площадь цилиндра .

На практике из-за механических потерь усилие на штоке поршня Р_эф меньше величины Р, рассчитанной по формуле Р = pf:

где — механический КПД силового цилиндра, = 0,99… 0,85 (среднее значение = 0,95).

Скорость перемещения поршня гидравлического цилиндра зависит от расхода жидкости и площади живого сечения:

где Q — расход жидкости, поступающей в рабочий цилиндр; η_об — объемный КПД силового цилиндра, учитывающий перетечку жидкости (при уплотнении металлическими кольцами η_об = 0,98); f — площадь живого сечения поршня.

Выход штока гидравлического цилиндра практически не зависит от нагрузки на штоке. Шток выходит плавно без толчков по мере расхода поступающей в цилиндр жидкости. Скорость выхода штока можно регулировать постановкой жиклера на входе в рабочую полость цилиндра.

Условия работы пневматического цилиндра совершенно иные вследствие двух факторов: сжимаемости газа и различного усилия трения в уплотнении поршня (коэффициент трения покоя больше коэффициента трения движения). В пневматическом цилиндре шток выходит резко или с толчками даже при медленном нарастании давления в цилиндре.