Будова виконавчих двигунів постійного струму
Одна з головних вимог до виконавчих двигунів – швидкодія (малоінерційність). При подачі керуючого сигналу на відповідну обмотку виконавчого двигуна якір починає обертатися і, розганяючись, через якийсь час досягає встановленої частоти обертання. Час розгону якоря двигуна визначається електромеханічними процесами, обумовленими перехідним процесом. Для кількісної оцінки швидкодії виконавчого двигуна використовують електромеханічну постійну часу, що являє собою час (с), за який якір (ротор) розганяється до частоти обертання, рівної 0,633wо, де wо – кутова швидкість якоря в режимі холостого ходу:
wо = 2pnо/60 » 0.105nо. (1.3.16)
Електромеханічна постійна часу прямо пропорційна моменту інерції якоря
Тем » 0.105 J2no/Мп, (1.3.17)
де Мп – початковий пусковий момент двигуна, Н×м.
Момент інерції якоря, Н×м с2,
J2 = G2D22/4g, (1.3.18)
де G2 – сила тяжіння якоря, Н; D2 – діаметр якоря, м; g = 9,81 м/c2 – прискорення сили тяжіння.
Використовуючи (1.3.18), електромеханічна постійна часу, с,
Тем = 26×10-3G2D22no/gMп. (1.3.19)
Отже, підвищенню швидкодії (зменшенню Тем) виконавчого двигуна сприяють: збільшення пускового моменту, зменшення сили тяжіння якоря (ротора) і його зовнішнього діаметра, зменшення частоти обертання холстстого ходу.
При зменшенні зовнішнього діаметра якоря (ротора) збільшують його довжину, щоб забезпечити необхідну потужність двигуна.
Швидкодія виконавчого двигуна залежить також від способу керування. Для двигунів постійного струму з якірним керуванням електромеханічна постійна часу визначається за (1.3.19), тобто Тем.я = Тем, а при полюсному керуванні Тем.п = Тем/a2, тобто вона в значній мірі залежить від коефіцієнта сигналу a.
Рис.1.3.4. Виконавчий двигун постійного струму з пустотілим якорем:
а – пустотілий якір, б – будова (повздовжній розріз)
двигуна серії ДПР
Якщо до виконавчого двигуна постійного струму не пред’являють особливих вимог по швидкодії, то в якості такого двигуна використовують двигун постійного струму з звичайною конструкцією якоря. Часті пуски, зупинки і реверси, що супроводжують роботу виконавчого двигуна, викликають інтенсивне перемагнічування магнітної системи двигуна, в тому числі станини і осердя полюсів. Тому осердя якоря і станину з полюсами роблять шихтованими (див. рис. 1.2.5, б). Приклади таких конструкцій – виконавчі двигуни серії СЛ (див. рис. 1.2.10) або виконавчі двигуни з постійними магнітами, наприклад серії ДПМ.
Якщо ж до виконавчого двигуна пред’являються вимоги підвищеної швидкодії, то використовують малоінерційні двигуни спеціальної конструкції, з яких найбільше застосування отримали малоінерційні двигуни постійного струму з пустотілим, дисковим або з гладким (безпазовым) якорем.
Двигун постійного струму з пустотілим якорем. Для зменшення сили тя-жіння обертової частини обмотка якоря двигуна виконана у вигляді пустотілого пластмасового стакана. У процесі виготовлення обмотку якоря укладають на циліндричний каркас, з’єднують з колектором і заливають епоксидною смолою. В результаті утворюється механічно міцна конструкція у вигляді пустотілого стакана, одною стороною закріплена на валу (рис.1.3.4, а). Індуктивність такої обмотки набагато менша, ніж в обмотки якоря звичайної конструкції, укладеної в пазах феромагнітного осердя якоря. Це істотно покращує комутацію, і работа двигуна при пусках і реверсах не супроводжується іскрінням на колекторі, що в 2-3 рази збільшує термін використання колектора і щіток, спрощує догляд за двигуном і підвищує стабільність його характеристик.
Вітчизняною промисловістю виготовляється серія двигунів з пустотілим якорем ДПР. Станина 1 такого двигуна (рис.1.3.4, б) виготовлена з магніто-м’якої сталі. В середині пустотілого якоря 2 розташований постійний магніт 3 циліндричної форми, що здійснює збудження двигуна. Через центральний отвір в магніті проходить вал 4, виготовлений з нержавіючої, що не володіє феромагнітними властивостями сталі. Постійний магніт жорстко прикріплений до підшипникового щита 6.Підшипниковий щит виконаний з алюмінієвого сплаву, його центральний отвір для встановлення підшипника армований стальною втулкою. Колектор 5 має пластмасову основу.
Двигуни з пустотілим якорем мають між постійним магнітом і станиною великий немагнітний проміжок, який складається з двох повітряних проміжків і товщини стакану якоря. Через наявність цього проміжку потребується значне збільшення МРС збудження. У двигунах з постійними магнітами для цього необхідне збільшення розмірів постійного магніту, а в двигунах з електромагнітним збудженням – збільшення габаритних розмірів обмотки збудження, наслідком чого є збільшення втрат на збудження. Проте ККД двигунів постійного струму з пустотілим якорем більший, ніж двигунів з зубчатим якорем, що пояснюється меншими механічними втратами (пустотілий якір в багато разів легший зубчатого) і відсутністю магнітних втрат в осерді якоря. Великий немагнітний проміжок між постійним магнітом і станиною значно послаблює дію реакції якоря, що корисно впливає на властивості двигуна.
Електромеханічна постійна часу двигунів з пустотілим якорем серії ДПР Тем = 15 ¸ 20 мс.
Двигун постійного струму з дисковим якорем. Якір такого двигуна – це пластмасовий диск, на торцевій поверхні якого печатним способом нанесена обмотка якоря (рис.1.3.5, а). Така конструкція якоря обумовила видозміну й інших елементів двигуна (рис. 1.3.5, б). Збудження двигуна відбувається постійними магнітами 2, розташованими на статорі 6 і поверненими своїми полюсними наконечниками 4 до однієї сторони дискового якоря 1. З іншого боку якоря розташоване кільце 3 з феромагнітного матеріалу, що виконує функцію нерухомого осердя якоря, тобто це елемент магнітної системи двигуна. У цьому випадку кожне осердя полюса споряджене полюсною котушкою. Як правило, двигуни з дисковим якорем не мають окремого колектора, а електричний контакт щіток 5 і обмотки якоря відбувається безпосередньо на одній з сторін печатного якоря.
Рис.1.3.5. Двигун постійного струму з дисковим якорем:
а-дисковий якір, б-будова двигуна.
Електромагнітний момент в двигунах з дисковим якорем створюється так само, як і у двигунах звичайної конструкції.
Обмотка якоря наноситься на обидві сторони пластмасового диска електрохімічним способом, методом травлення фольги. Так як секції печатної обмотки одновиткові, а кількість секцій обмежена площею диска, то двигуни з дисковим якорем, як правило, виконують на низьку напругу.
Легкий якір, що не має стального осердя, забезпечує двигунам з дисковим якорем високу швидкодію і покращені умови роботи щітково-колекторного вузла. Недолік двигунів з дисковим якорем – обмежений термін служби, обумовлений зносом печатної обмотки якоря, що має ковзаючий контакт з щітками. У деяких конструкціях двигунів цей недолік усувають застосуванням окремого колектора, але при цьому ускладнюється будова двигуна.
Рис.1.3.6. Будова гладкого якоря: 1-гладкий якір, 2-обмотка якоря, 3-компаунд, 4-осердя якоря
Двигун з гладким (безпазовим) якорем. На відміну від двигуна з зубчатим якорем двигун з безпазовим (гладким) якорем не має зубців на осерді якоря, а двошарова обмотка якоря розташована на гладкій поверхні осердя (рис.1.3.6). Якір бандажується скляною стрічкою і заливається у вакуумі компаундом або пронизується лаком. Виконавчі двигуни з гладкою конструкцією якоря мають наступні переваги: магнітна індукція в повітряному проміжку двигуна у 2-3 рази більша, ніж при зубчатому якорі, в якому велике значення магнітної індукції неприпустиме через сильне магнітне насичення зубчатого шару якоря і різко зростаючих при цьому магнітних втрат; відкрите розташування провідників обмотки якоря на гладкому осерді і відсутність магнітних втрат в зубчатому шарі дозволяють істотно збільшити навантаження двигуна при заданих габаритних розмірах;великий немагнітний повітряний проміжок між осердями якоря і головних полюсів і відкрите розташування провідників обмотки якоря сприяють безіскристій роботі щітково-колекторного вузла і послаблюють дію реакції якоря, що підвищує надійність двигунів і стабілізацію їх характеристик. Як правило, для збудження виконавчих двигунів з гладким якорем застосовують постійні магніти. З розглянутих малоінерційних двигунів машини з гладким якорем мають найбільш високу швидкодію. Це пояснюється тим, що покращені умови комутації дозволяють застосувати в двигунах якір малого діаметра D2 і великої довжини, що значно знижує електромеханічну постійну часу, так як Тем ~ D2. Відносна електромеханічна постійна часу Т*ем = Тем/Тем.з, де Тем.з – електромеханічна постійна часу двигунів з зубчатим якорем. Нижче приведені значення відносної електромеханічної постійної часу для двигунів з різною конструкцією якоря.
Васюра А.С. – книга “Електромашинні елементи та пристрої систем управління і автоматики”
