Специальные машины постоянного тока

10. Специальные  машины постоянного тока

(Тема 50)

Во многих случаях к машинам постоянного тока предъявляются такие требования, которым машины нормальной конструкции, рассмотренные выше, не удовлетворяют. Это привело к созданию специальных типов машин постоянного тока. В данной главе рассмотрены лишь некоторые из них.

10.1. Исполнительные двигатели постоянного тока

Микродвигатели постоянного тока, применяемые в автоматических устройствах для преобразования электрического сигнала в механическое перемещение вала, называются исполнительными двигателями.

В зависимости от конструкции якоря исполнительные двигатели постоянного тока подразделяют на двигатели с якорем обычного типа, полым (печатным) и беспазовым (гладким) якорем.

  Двигатели с якорем обычного типа отличаются от машин постоянного тока нормального исполнения шихтованной системой полюсов и ненасыщенной магнитной системой. Первое необходимо, поскольку эти двигатели, в основном, работают в переходных режимах, второе - для уменьшения влияния реакции якоря. Вместо шихтованных полюсов с обмоткой возбуждения в двигателях часто устанавливают постоянные магниты.

Для уменьшения влияния реакции якоря и ЭДС самоиндукции коммутирующей секции и улучшения условий коммутации применяют двигатели с гладким якорем (рис. 10.1). Обмотку 1 такого якоря укладывают на наружной поверхности якоря 2. Ее выполняют в два слоя и заливают эпоксидной смолой с ферромагнитным наполнителем 3.

Микродвигатели этого типа имеют более высокое быстродействие по сравнению с машинами с зубчатым якорем из-за большей индукции в воздушном зазоре(индукция не ограничивается насыщением зубцов) и меньшего момента инерции якоря. Уменьшение момента за счет уменьшенного диаметра (при увеличенной длине). Последнее возможно, поскольку лучшие условия коммутации позволяют значительно увеличить длину и уменьшить диаметр якоря

Рекомендуемые материалы

Значительно снижена инерция в двигателях с полым якорем. Магнитный поток в них создается обмоткой возбуждения (рис. 10.2) или постоянными магнитами, якорь представляет полый стакан 1, расположенный между полюсами 2 с обмоткой возбуждения 3 и неподвижным ферромагнитным сердечником 4, который насаживают на втулку 5 подшипникового щита. Вместо сердечника внутри якоря может быть установлен неподвижный цилиндрический магнит. Обмотку якоря 6 укладывают на цилиндрический каркас и заливают эпоксидным компаундом, концы секций обмотки, как и в обычном двигателе, соединяют с пластинами коллектора 7. Обмотка может быть выполнена и фотохимическим способом (печатная обмотка). Момент инерции полого якоря невелик, благодаря чему существенно повышается быстродействие двигателя. Отсутствие насыщения в зубцах позво-

ляет значительно увеличить индукцию в воздушном зазоре машины, то есть ее магнитный поток и номинальный вращающий момент по сравнению с микродвигателями, имеющими якорь обычного типа, что также способствует повышению быстродействия двигателя.

Поскольку секции обмотки якоря окружены не ферромагнитным материалом, а воздухом, они имеют гораздо меньшую индуктивность, что существенно улучшает условия коммутации двигателя. Щетки в таких микродвигателях работают практически без искрения даже при кратковременных перегрузках, вследствие чего можно применять большие форсировки для ускорения переходных процессов.

Недостатком микродвигателей с полым якорем является необходимость значительного увеличения МДС обмотки возбуждения, так как немагнитный зазор у них гораздо больше, чем в обычных двигателях, что приводит к увеличению потерь в обмотке возбуждения. КПД рассматриваемых двигателе из-за отсутствия потерь мощности в стали имеет такую же величину, как и у микродвигателей с якорем обычной конструкции.

Разновидностью двигателя с полым якорем является двигатель с дисковым якорем, у которого печатная обмотка нанесена на немагнитный диск. Магнитный поток создается постоянными магнитами или электромагнитами, расположенными по одну сторону диска с обеих сторон. В исполнительных двигателях постоянного тока обмотки якоря и главных полюсов питаются от двух независимых источников тока. Одна из них (условно называемая обмоткой возбуждения) подключена постоянно к источнику с неизменным напряжением U_B, а на другую (обмотку управления) подается напряжение управления U_У только при необходимости вращения вала двигателя. В зависимости от того, на какую обмотку подается управляющий сигнал, различают два способа управления исполнительными двигателями - якорное (рис. 10.3, а) и полюсное (рис. 10.3, б).

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. При полюсном управлении меньше мощность управления, а при якорном - выходные характеристики параллельны и линейны.

10. 2. Тахогенераторы

Тахогенераторы относят к информационным машинам, то есть к машинам от которых требуется высокая точность преобразования электрических или механических входных - сигналов управления соответственно в механические или электрические выходные величины, находящиеся в строго постоянной вполне определенной зависимости от входных сигналов. Тахогенераторы преобразуют частоту вращения механизма, с валом которого они соединены, в строго пропорциональное выходное напряжение:

,                  (10.1)

где  частота вращения,  угол, на который перемещается вал механизма, связанного с тахогенератором.

В системах автоматики тахогенераторы служат:

для измерения частоты вращения (в этом случае выходное напряжение подается на вольтметр, шкала которого отградуирована в об/мин);

для осуществления обратной связи по скорости в следящих системах;

для осуществления электрического дифференцирования

 ( и интегрирования .

Тахогенераторы постоянного тока по принципу действия и конструктивному оформлению представляют собой машины постоянного тока чаще с возбуждением от постоянных магнитов (рис. 10.4, б), реже с электромагнитным возбуждением (рис. 10.4, а). В них используют якорь обычного типа, полый или дисковый с печатной обмоткой.

Выходное напряжение тахогенератора  выражают, как и напряжение обычного генератора постоянного тока, через ЭДС якоря , падение напряжения в обмотке якоря  и падение напряжения на щеточном контакте :

.              (10.2)

Представив в (10.2) ЭДС по (4.5), ток через напряжение и сопротивление нагрузки:

,                    (10.3)

получим:

.           (10.4)

Решив это равенство относительно напряжения , найдем выражение для выходного напряжения:

.            (10.5)

При  выходное напряжение

.                  (10.6)

При постоянном потоке Ф, сопротивлениях якоря  и нагрузки

,                        (10.7)

где  называют крутизной характеристики генератора.

Крутизна выходной характеристики растет с уменьшением  и увеличением  и при холостом ходе крутизна характеристики наибольшая (рис. 10.4, в, кривая 1). При уменьшении сопротивления нагрузки крутизна меньше (кривая 2 на рис. 10.4, в). В реальных тахогенераторах сопротивление щеточного контакта не равно нулю и выходная характеристика  пересекает ось ординат (при ) не в начале координат, а в точке  прямая 3 на рис. 10.4, в.

Зону частот вращения от  до , при которых выходное напряжение , называют зоной нечувствительности. Для уменьшения зоны нечувствительности тщательно подбирают щетки медно-графитные или серебряно-графитные, иногда выполняя их с напылением серебра или золота.                          

Практически выходная характеристика отклоняется от линейного закона в результате размагничивающего действия реакции якоря(кривая 4 на рис. 10.4, в), наличия нелинейного сопротивления в переходном контакте между коллектором и щетками и изменения тока возбуждения из-за увеличения сопротивления обмотки возбуждения при ее нагреве. Для уменьшения погрешности увеличивают сопротивление внешней нагрузки, суживают пределы измерения скорости механизмов, выполняют тахогенераторы с сильно насыщенной магнитной системой. Последнее уменьшает влияние изменения сопротивления обмотки возбуждения при нагреве и размагничивающее действие реакции якоря.

10.3. Бесконтактные двигатели постоянного тока.

Бесконтактные двигатели постоянного тока, обладая всеми положительными свойствами обычных двигателей постоянного тока, лишены их основного недостатка – щеточно-коллекторного узла, существенно снижающего их надежность.

В бесконтактном двигателе применяют машину обращенной конструкции, в которой якорь с обмотками неподвижен, а полюсы вращаются. В этом случае щеточно-коллекторный узел можно заменить статическим полупроводниковым коммутатором, который управляется датчиком положения. В коллекторном двигателе датчиком положения (определяющим момент коммутации секции якоря) является сама коллекторная пластина, подходящая под соответствующую щетку в момент прохождения секцией нейтральной зоны (зоны коммутации).

Статический коммутатор, получая сигналы управления с датчика положения ротора обеспечивает при вращении ротора такое же изменение токов в обмотке якоря, как и щетки с коллектором.

Бесконтактные двигатели постоянного тока состоят из трех элементов: бесконтактного двигателя с m-фазной обмоткой статора

и ротором в виде постоянного магнита; датчика положения ротора для выработки сигналов управления полупроводниковыми ключами;

бесконтактного коммутатора, осуществляющего по сигналам датчика положения коммутацию токов в обмотках статора двигателя.

На рис. 10.4 представлена модель двигателя. В качестве датчика 1 положения ротора 2 двигателя 3 использованы оптические датчики (фототранзисторы). Три фототранзистора РТ1, РТ2 и РТ3, расположенные с интервалом 120⁰ на периферии платы, последовательно освещаются с помощью вращающегося затвора, установленного на валу двигателя. При расположении южного полюса магнита напротив неподвижного полюса Р2 статора освещен фототранзистор РT 1, который открывает транзистор VT1 коммутатора 4. На неподвижном полюсе Р1 статора создается южный полюс за счет протекания тока по обмотке W1, который притягивает северный полюс ротора, заставляя ротор поворачиваться против часовой стрелки. При повороте ротора его северный полюс оказывается напротив неподвижного полюса Р1. Затвор, установленный на валу ротора, затемняет фототранзистор РТ1и освещает фототранзистор РТ2, последний включает транзистор VT2. Протекающий по обмотке W2 ток создает южный полюс на неподвижном полюсе Р2, тогда северный полюс ротора повернется по стрелке и расположится напротив неподвижного полюса Р2. В этот момент затвор затемняет фототранзистор РТ2 и освещает РТ3, что обесточивает обмотку W2 и включает обмотку W3. При этом неподвижный полюс Р2 размагничивается, а неподвижный полюс Р3 намагничивается и становится южным полюсом. Следовательно, северный полюс ротора продолжит свое вращение от Р2 к Р3. Ротор будет непрерывно вращаться, если переключения транзисторов повторяются в той же последовательности.

Для реверсирования бесконтактного двигателя необходимы схемотехнические решения заключающиеся в изменении последовательности переключения транзисторов.

Более совершенной схемой управления бесконтактным двигателем является мостовая схема, в которой на каждую фазу обмотки статора приходится по два транзистора и благодаря этому одновременно работают две фазы статора. Эта схема требует большего числа транзисторов и датчиков положения.

Регулирование частоты вращения двигателя в широких пределах возможно изменением питающего напряжения, что при транзисторном коммутаторе реализуется также просто.

При увеличении числа ключей в коммутаторе до количества

коллекторных пластин двигателя постоянного тока свойства бесконтактного двигателя такие же, как и коллекторного двигателя. При этом исключается из схемы ненадежный щеточно-коллекторный узел.

Вам также может быть полезна лекция "6.1. Электродные потенциалы. Гальванический элемент".

В бесконтактных двигателях большой мощности вместо постоянного магнита на роторе применяют обмотку возбуждения.

В качестве датчиков положения кроме рассмотренных фототранзисторов применяют электромагнитные датчики и элементы Холла.

При увеличении числа ключей в коммутаторе до количества

коллекторных пластин двигателя постоянного тока свойства бесконтактного двигателя такие же, как и коллекторного двигателя. При этом исключается из схемы ненадежный щеточно-коллекторный узел.

В бесконтактных двигателях большой мощности вместо постоянного магнита на роторе применяют обмотку возбуждения.

В качестве датчиков положения кроме рассмотренных фототранзисторов применяют электромагнитные датчики и элементы Холла.