КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
6.2. Электрические исполнительные механизмы Электрическими исполнительными (управляемыми) двигателями автоматических систем называют двигатели, предназначенные для преобразования электрического сигнала в угол поворота или частоту вращения (или перемещения) вала. Такие механизмы преобразуют энергию электрического тока в механическую энергию с целью воздействия на объект управления или его органы. Исполнительные механизмы представляют собой электроприводы, предназначенные для перемещения регулирующих органов в системах дистанционного и автоматического управления. В настоящее время наибольшее распространение получили асинхронные двухфазные исполнительные двигатели, исполнительные двигатели постоянного тока с независимым возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов, шаговые двигатели. Эти двигатели предназначены для различных функциональных преобразований. В зависимости от устройства они могут работать либо в режиме непрерывного вращения (перемещения), либо в шаговом режиме. 162 Электрические микродвигатели постоянного и переменного тока, применяемые в системах автоматики, вычислительной техники и др., имеют номинальную механическую мощность от сотых долей ватта примерно до 750 Вт. Требования, предъявляемые к исполнительным двигателя, вытекают из специфических условий работы исполнительных двигателей в устройствах автоматики. Основные из них: высокое быстродействие (малая инерционность); возможность регулирования частоты вращения исполнительного двигателя в широком диапазоне; отсутствие самохода (явление самохода состоит в том, что двигатель продолжает развивать вращающий момент и его ротор продолжает вращаться при сигнале управления); высокая линейность регулировочных и механических характеристик и обеспечение устойчивости работы во всем рабочем диапазоне угловых скоростей; малый момент трения (малое напряжение трогания); малая мощность управления при значительной механической мощности на валу (требование вызвано ограниченной мощностью источников сигнала управления, в основном электронных). Немаловажным для исполнительных двигателей являются и такие параметры, как пусковой момент, габариты, масса. КПД и cos(φ) имеют второстепенное значение. Когда требуется строго постоянная частота вращения, используются синхронные двигатели. К основным элементам электрических исполнительных механизмов относятся: электродвигатель; редуктор, понижающий число оборотов; выходное устройство для механического сочленения с регулирующим органом; дополнительные устройства, обеспечивающие остановку механизма в крайних положениях. Выходные устройства электрических исполнительных механизмов выполняются так, чтобы осуществить вращательное или прямолинейное движение. Исполнительные механизмы рассчитаны для работы при температуре окружающей среды от –30° до +60°С и относительной влажности 30…80% (по договоренности с заводом возможно исполнение на диапазон от –50° до +50°С. Механизмы имеют 163 пылебрызгозащитное исполнение. Электрические исполнительные механизмы делятся на электромагнитные и электродвигательные. К электромагнитным исполнительным относятся реле, контакторы, электромагниты, электромагнитные вентили и клапаны, электромагнитные муфты. Основными видами электрических двигателей, изготавливаемых промышленностью, являются синхронные, асинхронные с короткозамкнутым или фазным ротором и электродвигатели постоянного тока с независимым, сериесным или смешанным возбуждением, а также некоторые виды специальных электродвигателей: коллекторные электродвигатели переменного тока, электродвигатели с постоянными магнитами и др. (рис. 6.2). Рисунок 6.2. Классификация микромашин общего применения В зависимости от режима и условий работы изготовляются электродвигатели: для длительного и повторно–кратковременного режимов работы; для эксплуатации в нормальной и взрывоопасной среде; открытого, защищенного или закрытого исполнения; для работы в условиях тропического климата и в условиях крайнего севера; горизонтальные, вертикальные, встроенные и др. Механизмы с вращающимися выходными устройствами подразделяются на однооборотные, у которых угол поворота выходного вала менее или равен 360°, и многооборотные, у которых выходной вал совершает более одного оборота. 164 Технические характеристики однооборотных исполнительных механизмов приведены в таблицах 1 и 2. Таблица 1. Технические характеристики однооборотных исполнительных механизмов 165 Таблица 2. Технические характеристики однооборотных исполнительных механизмов 166 Электромагнитные исполнительные механизмы, основным элементом которых является электромагнитный привод, как правило, используются для поступательного перемещения органов управления, а электрические двигатели – для поворотного. Электрические микродвигатели постоянного тока по конструкции и принципу действия подразделяют на коллекторные и бесконтактные, не имеющие скользящего контакта коллектор – щетки. Коллекторные микродвигатели по конструкции якоря подразделяют на три типа: с барабанным якорем; с полым немагнитным якорем; с дисковым якорем. Коллекторные микродвигатели с барабанным якорем бывают как постоянного тока, так и универсальные, т. е. способные работать от сети как постоянного, так и переменного 167 тока. Последние используются только в качестве вспомогательных микродвигателей. Исполнительные двигатели постоянного тока В качестве исполнительных микродвигателей постоянного тока используют коллекторные микродвигатели независимо электромагнитного возбуждения и с возбуждением от постоянных магнитов, а также бесконтактные с транзисторными коммутаторами. Исполнительные микродвигатели с барабанным якорем не имеют принципиальных конструктивных отличий от классической машины постоянного тока. Микродвигатели с полым немагнитными дисковым якорями и бесконтактные выпускаются промышленностью, как правило, с возбуждением от постоянных магнитов. Двигатели с полым немагнитным якорем На рисунке 6.3 изображен микродвигатель постоянного тока с полым немагнитным якорем. Особенностью конструкции является то, что для уменьшения момента инерции якорь 2 выполняют в виде полого пластмассового цилиндра, в который запрессована обмотка из медного провода или на поверхности которого нанесена печатня обмотка. Полый якорь вращается в воздушном зазоре между внешним и внутренним статорами. Внутренний статор 3 представляет собой цилиндрический постоянный магнит с радиальной намагниченностью, создающей поток возбуждения. Внешний статор 1, выполненный из магнитомягкого материала, является магнитопроводом. Напряжение на якорь подается через щетки 5 и коллектор 4. Внешний и внутренний статоры жестко закреплены в корпусе 6. Якорь и коллектор насажены на вал 9, который вращается в подшипниках 8, закрепленных в подшипниковых щитах 7. Момент инерции якоря такого двигателя значительно меньше момента инерции якоря барабанного типа. 168 Рисунок 6.3. Исполнительный двигатель постоянного тока с полым немагнитным якорем Двигатели постоянного тока с дисковым якорем Двигатели постоянного тока с дисковым якорем (рис. 6.4) выполняют не с цилиндрическим воздушным зазором, а с плоским. Рисунок 6.4. Двигатель постоянного тока с полым немагнитным якорем Возбуждение двигателя обеспечивается постоянными магнитами 1 с полюсными наконечниками 4 из магнитомягкой стали, имеющими форму кольцевых сегментов. Магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами, проходит аксиально через два воздушных зазора, немагнитный дисковый якорь 5 с печатной обмоткой и замыкается по кольцам 2, 3 из магнитомягкой стали, которые служат ярмом. Роль коллектора могут играть неизолированные участки проводников, находящиеся на поверхности диска, по которым скользят щетки 6. Якорь (рис. 6.5) представляет собой тонкий немагнитный диск без пазов (из керамики, текстолита, алюминия) с печатной обмоткой. Проводники 2 печатной обмотки располагаются радиально по обеим сторонам диска и соединяют через сквозные отверстия 3 в диске. Такое соединение выполняют автоматически одновременно с фотохимическим нанесением обмотки. При прохождении тока по обмотке якоря на валу 169 двигателя создается вращающий момент, направленный в плоскости диска якоря. Момент инерции дискового якоря значительно меньше, чем у барабанного, что является одним из основных преимуществ рассматриваемых двигателей. Рисунок 6.5. Дисковый якорь Кроме малоинерционных двигателей с полым и дисковым якорями имеют еще ряд преимуществ перед двигателями, имеющими барабанные якори. Так как в якоре отсутствуют ферромагнитные участки и поток якоря в основном замыкается по воздуху, влияние реакции якоря незначительно. Собственная индуктивность обмотки якоря мала, и все переходные электрические процессы в якорной цепи протекают быстро, улучшая условия коммутации. В магнитопроводе двигателей практически отсутствуют потери мощности на гистерезис и вихревые токи. Якорь двигателя не имеет зубцов, что способствует равномерному распределению индукции в зазоре и значительному уменьшению шума. В двигателе отсутствуют реактивные моменты связанные с пульсацией магнитного потока в воздушном зазоре, что обеспечивает снижение напряжения трогания. Вследствие отсутствия радиальных сил притяжения якоря к статору, уменьшения массы якоря и соответственно момента трения в подшипниках уменьшаются механические потери двигателя и напряжения трогания. При изготовлении таких двигателей с печатной обмоткой якоря проводники печатной обмотки находятся в значительно лучших условиях охлаждения, чем проводники, уложенные в пазы барабанного якоря; это позволяет повысить плотность тока в проводниках обмотки якоря до 30–40 А/мм 2 и, как следствие, уменьшить габариты и массу двигателя. Изготовление печатной обмотки якоря возможно при высокой степени механизации Увеличение допустимой плотности тока в проводниках обмотки якоря приводит к 170 росту электрических потерь в якоре, так как сечение проводников уменьшается, а следовательно, увеличивается сопротивление обмотки якоря. Однако у микродвигателей с полым немагнитным и дисковым якорями КПД, масса и габаритные размеры примерно одинаковы, а иногда и лучше, чем у двигателя с барабанным якорем, т. к. увеличение электрических потерь в якоре перекрывается уменьшением механических потерь в магнитопроводе. В малоинерционных микродвигателях немагнитный зазор, состоящий из двух магнитных зазоров и немагнитного слоя якоря, больше, чем у микродвигателей с барабанным якорем. Это приводит к необходимости применения для постоянных магнитов магнитотвердых материалов с большими максимальной удельной магнитной энергией и коэрцитивной силой и соответственно более дорогих. Двигатели с дисковым якорем менее долговечны, что обуславливается главным образом быстрым износом меди печатных проводников в месте установки щеток. Двигатели с полым немагнитным и дисковым якорями менее надежны при высоких температурах, вибрациях и ударах, так как вероятность деформации у таких якорей в данных условиях больше, чем у барабанных. Бесконтактные (бесколлекторные) двигатели постоянного тока В последнее время в ряде областей техники нашли применение бесконтактные (вентильные) двигатели постоянного тока. Характерными особенностями бесконтактных микродвигателей постоянного тока являются: наличие силовой обмотки якоря, расположенной на статоре и состоящей из нескольких катушек, сдвинутых относительно друг друга в пространстве (одна катушка соответствует обмотке фазы синхронной машины). Ротор выполняют в виде постоянного магнита; наличие бесконтактных датчиков положения оси магнитного потока ротора по отношению к осям силовой обмотки статора (трансформаторных, индукционных, фотоэлектрических и т. д.), которые определяют момент коммутации тока в этих катушках; наличие бесконтактного, чаще всего транзисторного, коммутатора, осуществляющего коммутацию катушек силовой обмотки статора по сигналам датчиков положения. Датчик положения ротора содержит чувствительные и сигнальные элементы. 171 Чувствительные элементы устанавливают в корпусе машины, а сигнальные – на валу. Полупроводниковый коммутатор находится обычно вне корпуса машины и соединен с якорной обмоткой и датчиком кабелем. Эти три фактора позволяют при устранении скользящего контакта коллектор–щетки сохранить основную особенность машины постоянного тока по сравнению с машинной переменного тока: частота переключения катушек обмотки якоря определяется угловой скоростью ротора, т. е. регулируется самой машиной. Благодаря этому бесконтактный двигатель постоянного тока в основном сохраняет характеристики коллекторного двигателя с независимым возбуждением. Бесконтактный двигатель постоянного тока (рис. 6.6) состоит из статора 1, который имеет двухкатушечную обмотку 2, а ротор 3 с одной парой полюсов выполнен из постоянного магнита. Рисунок 6.6. Бесконтактный микродвигатель При подаче постоянного напряжения на зажимы обмотки статора по ней проходит ток, который при взаимодействии с магнитным потоком ротора создает вращающий момент. Роль датчика положения ротора, т. е. оси магнитного потока, относительно катушек обмотки статора. Выполняют два трансформаторных датчика, вал ротора. Диск имеет вырез вдоль окружности на дуге 180º. Выходные обмотки датчиков соединены по дифференциальной схеме, датчик вырабатывает сигнал при перекрытии двух из трех стержней трансформатора, т. е. при расположении датчика напротив выреза диска. Бесконтактный двигатель постоянного тока по принципу действия аналогичен коллекторной машине постоянного тока. Но роль щеточно–коллекторной аппаратуры выполняют коммутатор и датчик положения ротора, обеспечивающие бесконтактное 172 переключение секций якорной обмотки в зависимости от относительного положения якоря и индуктора. Отсутствие контактной пары повышает надежность и срок службы двигателя, устраняет радиопомехи и т. д. Однако наличие громоздкого полупроводникового коммутатора, сложность конструкции, высокая стоимость двигателя позволяют в настоящее время рекомендовать применение бесконтактных двигателей постоянного тока лишь для устройств, работающих в различных неблагоприятных условиях (вакуум, колебания температур, взрывоопасные среды и т. п.). В дальнейшем, с уменьшением стоимости габаритов полупроводниковых приборов, область применения бесконтактных двигателей постоянного тока будет, несомненно, расширяться. Коллекторные двигатели Универсальными коллекторными двигателями называют двигатели, которые могут работать как от сети постоянного тока, так и от однофазной сети переменного тока. Всю магнитную систему (статор и ротор) выполняют шихтованной, а обмотку возбуждения – секционированной. Шихтованная конструкция статора и ротора обусловлена тем, что при работе на переменном токе их пронизывают переменные магнитные потоки, вызывая значительные потери мощности. Секционирование обмотки возбуждения вызвано необходимостью изменения числа витков обмотки возбуждения с целью сближения рабочих характеристик при работе двигателя от осей постоянного и переменного тока. Универсальный коллекторный двигатель может быть выполнен как с последовательным, так и с параллельным и независимым возбуждением (рис. 6.7). Рисунок 6.7. Схема коллекторного двигателя Универсальные коллекторные двигатели широко распространены благодаря тому, что: 173 работают от источников как постоянного, так и переменного тока; при работе от любого от источников позволяют просто, плавно и широко регулировать угловую скорость ротора изменением проводимого к двигателю напряжения и шунтированием якоря или обмотки возбуждения активным сопротивлением; позволяют получать на промышленной частоте весьма высокую угловую скорость ротора, недостижимую при применении синхронных и асинхронных двигателей промышленной частоты без повышающего редуктора. Синхронные электродвигатели Вращающий момент, развиваемый синхронным электродвигателем, определяется упругой силой взаимодействия вращающего магнитного поля статора и потоком ротора, вращающимся синхронно с полем статора и отстающим от него на угол, зависящий от момента нагрузки. Практически возможным способом изменения скорости вращения синхронного электродвигателя является изменение частоты питающего тока. Синхронный электродвигатель является экономичным и надежным электродвигателем, его экономичность обуславливается тем, что он не является потребителем активной мощности и имеет высокий КПД. Его эксплуатационная надежность обусловлена увеличенным воздушным зазором по сравнению с асинхронным электродвигателем и линейной зависимостью от напряжения момента, развиваемого синхронным электродвигателем по сравнению с квадратичной зависимостью у асинхронного. Наиболее экономичным являются синхронные электродвигатели большой мощности. Синхронные электродвигатели применяются для привода механизмов, где не требуется регулирование скорости – насосов, вентиляторов, нагнетателей, компрессоров, преобразовательных агрегатов и др. Редукторные двигатели (субсинхронные) В синхронных редукторных двигателях осуществляется электромагнитное редуцирование угловой скорости ротора по отношению к угловой скорости первой гармоники поля статора. Особенность конструкции и принцип действия синхронных редукторных двигателей изображены на рисунке 6.8. 174 Рисунок 6.8. Схема синхронного редукторного двигателя Статор и ротор набирают из листов электротехнической стали. Статор выполнен в виде кольца и имеет зубцы и пазы на внутренней поверхности. Ротор выполнен в виде диска и имеет зубцы и пазы на внешней поверхности. Число зубцов статора и ротора различны. Причем число зубцов ротора больше, чем число зубцов статора. На статоре уложена обмотка, предназначенная для питания от трехфазной или однофазной сети и создающая магнитное поле. Двигатели с катящимся ротором В синхронных двигателях с катящимся ротором редуцирование угловой скорости ротора по отношению к угловой скорости магнитного поля объясняется тем, что ротор расположен эксцентрично в расточке статора и имеет возможность катиться вдоль окружности статора. Основной электромагнитны вращающий момент создается за счет сил одностороннего магнитного притяжения ротора к статору несимметричным вращающимся магнитным полем. Конструкция реальных двигателей с катящимся ротором определяется методом получения несимметричного вращающегося поя, устройством поверхностей обкатывания и механизма передачи несоосного вращения ротора. Конструктивная схема двигателя с катящимся ротором изображена на рисунке 6.9. 175 Рисунок 6.9. Схема двигателя с катящимся ротором В корпусе 1 закреплены сердечник статора 2, постоянные магниты 4 и направляющие статора 9. Статор не отличается по конструкции от статора классической асинхронной машины, и его двухполюсные обмотки 3 предназначены для создания симметрично вращающегося потока. Постоянные магниты имеют радиальную намагниченность и создают униполярный поток подмагничивания. Направляющие статора имеют гладкую или зубчатую поверхности. Ротор двигателя монтируют на полой втулке 7, которая одновременно служит магнитопроводом для потока подмагничивания. Основной сердечник 5 ротора собирают из листовой электротехнической стали; он не имеет обмоток. Кольцевые сердечники 6, набранные из листовой электротехнической стали, уменьшают магнитное сопротивление на пути потока подмагничивания. Катки 8 ротора имеют гладкую или зубчатую поверхности. Их наружный диаметр несколько больше диаметра ротора, что предохраняет поверхности ротора и статора от непосредственного соприкосновения и износа. Внутри полой втулки размещают кинематический механизм передачи несоосного вращения ротора. Недостатками конструкции двигателей с катящимся ротором в том, что механизм передачи вращения довольно сложный, это связано со специфическим несоосным вращением ротора. Центробежные силы, возникающие за счет вращения центра ротора относительно центра статора, вызывают вибрации, шумы, неравномерность мгновенной угловой скорости ротора. |