КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
Волновые двигатели Синхронные волновые двигатели представляют собой конструктивное объединение электрической машины и волновой зубчатой передачи. Особенность конструкции таких двигателей заключается в том, что они имеют гибкий, деформирующийся в радиальном направлении ротор, непосредственно на поверхности которого крепится гибкий зубчатый венец волновой передачи. Электромашинная часть волнового двигателя создает вращающий момент и является электромагнитным генератором механических волн деформации для волновой передачи. Конструкция и принцип действия синхронного волнового двигателя изображен на рисунке 6.10. 176 Рисунок 6.10. Схема синхронного волнового реактивного двигателя с радиально–осевым замыканием магнитного потока В корпусе 1 укреплены П–образные ферромагнитные сердечники 2 статора. На сердечниках расположены сосредоточенные катушки 3, образующие двух – или трехфазную обмотку переменного тока, предназначенную для создания в воздушном зазоре вращающегося магнитного поля. Жесткий зубчатый венец 8 волновой передачи закреплен на внутренней поверхности статора. Ротор 4 представляет собой гибкий тонкостенный стакан, выполненный из металла или пластмассы и укрепленный на выходном валу 9. На внешней поверхности ротора крепится гибкий зубчатый венец 7 волновой передачи. Внутренний магнитопровод состоит из отдельных ферромагнитных секторов 5, которые могут перемещаться в радиальном направлении и деформировать ротор. К внутренней поверхности ротора они прижимаются центрирующими эластичными кольцами 6. Низкая угловая скорость, большой вращающий момент и высокие динамические показатели волновых двигателей и двигателей с катящимся ротором способствуют их применению для привода различных точных механизмов (нониусы копировальных станков, часовые устройства и др.), а также в электромеханических манипуляторах систем дистанционного управления (вакуумные, радиационные установки и др.). Синхронные шаговые двигатели Шаговыми двигателями называют электромеханические устройства, преобразующие электрические сигналы в дискретные угловые перемещения вала. В качестве шаговых используют двигатели, имеющие не более двух устойчивых угловых положений ротора в пределах оборота. 177 Шаговые двигатели с постоянными магнитами (активного типа) Статор двигателей активного типа имеет явно выраженные полюсы, на которых располагают обмотки управления. Число пар полюсов каждой из обмоток управления равно числу пар полюсов ротора. Наибольшее распространение получили шаговые двигатели активного типа с ротором в виде «звездочки» постоянных магнитов литой или составной конструкции. Реактивные и индуктивные шаговые двигатели В конструкции реактивных и индуктивных шаговых двигателей с целью уменьшения шага используют принцип электромагнитного редуцирования скорости. В реактивных двигателях статор и ротор набирают из листовой электротехнической стали. Принцип действия всех типов шаговых двигателей состоит в следующем. С помощью электронного коммутатора вырабатываются импульсы напряжения, которые подаются на обмотки управления, расположенные на статоре шагового двигателя. В зависимости от последовательности возбуждения обмотку управления происходит то или иное дискретное изменение магнитного поля в рабочем зазоре машины. При угловом перемещении оси магнитного поля обмоток управления шагового двигателя его ротор дискретно поворачивается вслед за магнитным полем. Закон поворота ротора определятся последовательностью, скважностью и частотой управляющих импульсов, а также типом и конструктивными параметрами шагового двигателя. Это можно пояснить на примере простейшего m–фазного двигателя с массивным (невозбужденным) двухполюсным ротором (рис. 6.11), управляемого однополярными импульсами. Рисунок 6.11. Принцип действия шагового двигателя с пассивным ротором При однополярном питании обмоток напряжение изменяется от нуля до +U. Если 178 импульс подана фазу 1, то ось ротора займет положение, совпадающее с осью этой фазы (рис. 6.11а). При снятии напряжения с фазы 1 и одновременной подачей импульса на фазу 2 ротор повернется (сделает шаг) на угол θш = 2π/m и займет положение, совпадающее с осью фазы 2, и т. д. Таким образом, если питать однополярными импульсами отдельно каждую обмотку m–фазного шагового двигателя с пассивным ротором, то двигатель будет иметь m устойчивых состояний. Если фазы шагового двигателя питать группами, содержащими четное количество фаз, то ротор будет занимать положения, совпадающие с линиями, проходящими между осями средних фаз группы. Например, при одновременной подаче импульсов на фазы 1 и 2 ротор займет положение, соответствующее рисунку 6.11б. При снятии напряжения с фазы 1 и одновременной подаче импульса на фазу 3 ротор сделает шаг θш = 2π/m и т. д. Количество устойчивых положений ротора при таком способе управления также равно m. Оба рассмотренных способа управления называются симметричными, т. к. поочередно включается одинаковое количество фаз. При несимметричном управлении, т. е. при поочередном включении неравных по количеству групп фаз, число устойчивых состояний равно 2m. Действительно, если коммутатор подает импульсы на фазы по закону 1; 1–2; 2; 2–3; 3 и т. д., то сначала ротор займет положение как на рисунке 6.11а, затем сделает шаг θш = π/m и займет положение как на рисунке 6.11б и т. д. При активном (возбужденном) роторе шагового двигателя используется и двухполярная коммутация, когда на фазу может быть подано напряжение +U или –U. Асинхронные исполнительные двигатели Самые распространенные исполнительные двигатели – переменного тока. На статоре у них расположены две распределенные обмотки, пространственно смещенные на электрический угол 90°: обмотка возбуждения f и обмотка управления y. Обмотка возбуждения постоянно подключена к сети переменного тока, на обмотку управления подается управляющий сигнал. Для создания в рабочем зазоре исполнительного двигателя вращающего магнитного поля необходим сдвиг во времени фаз токов обмоток f и y. Максимум мощности, развиваемой исполнительным двигателем, соответствует равенству МДС Fy = Ff и сдвигу токов Ii и Iy на 90°. Сдвиг токов (напряжений) может осуществляться с помощью фазодвигающих устройств (ФСУ), фазовозвращателей (ФВ), конденсаторов. Асинхронные двигатели классифицируют по двум направлениям: 179 по их применению, схемам включения, конструктивным особенностям и способам управления; по виду асимметрии статора: электрической, пространственной, магнитной. Схемы включения исполнительных двигателей зависят от источника питания и числа фаз. В большинстве следящих систем источником питания является источник напряжения, иногда используется источник тока; имеются случаи смешанного питания. По числу фаз источника питания двигатели разделяют на трехфазные, двухфазные и однофазные – конденсаторные. Конденсаторные двигатели имеют две обмотки: возбуждения и управления, оси которых смещены в пространстве чаще всего на электрический угол 90º. Способы управления исполнительными двигателями связаны с изменением управляющего сигнала (напряжения или тока по величине, фазе или частоте – соответственно амплитуде, фазовое или частотное управление), так и с поворотом осей обмоток относительно друг друга (пространственное управление). Также применяются: симметричное регулирование – одновременное изменение напряжения на обеих обмотках статора; подмагничивание магнитной цепи машины постоянным током; управление импульсное или широтно–импульсное – импульсами прямоугольной формы с регулируемой длительностью; комбинированные способы управления и др. Классификация по виду асимметрии удобна для теоретического исследования асинхронны исполнительных двигателей. Машин несимметричных как по принципу действия, так и по своему устройству. От вида и степени асимметрии зависит характер поля в машине. По конструктивному исполнению асинхронные исполнительны двигатели можно разделить на три типа (табл. 3): двигатели с полым немагнитным ротором; двигатели с обычным ротором, имеющим короткозамкнутую обмотку в виде беличьей клетки; двигатели с полым ферромагнитным ротором и др. Таблица 3. Конструктивные схемы исполнительных двигателей 180 № п/п Схема Особенности схемы 1 Обмотка на внешнем статоре; ротор «беличья клетка». 2 Обмотка на внешнем статоре; ротор полый из немагнитного материала, имеется внутренний магнитопровод. 3 Обмотка на внутреннем статоре, ротор полый из немагнитного материала, имеется внешний магнитопровод. 4 Обмотки на внешнем и внутреннем статорах; ротор полый из ферромагнитного материала. 5 Обмотки на внешнем статоре; ротор полый из ферромагнитного материала. 6 Обмотка на внутреннем статоре; ротор полый из ферромагнитного материала. 181 7 Обмотка на внешнем статоре; два рационально расположенных ротора; полый немагнитный и «беличья клетка» с вентилятором. У двигателей первого типа ротор выполняется в виде тонкостенного полого стакана. Применение полого ротора существенно уменьшает инерционность двигателя и момент трения на валу. У двигателей второго типа ротор выполнен в виде «беличьей клетки», образованной несколькими продольными проводниками, замкнутыми накоротко в торцевой части поперечными кольцами. У двигателей третьего типа полый ротор выполняется из ферромагнитного материала, поэтому инерционность двигателя повышается. Двигатели с полым немагнитным ротором Конструктивная принципиальная схема двигателя с полым немагнитным ротором представлена на рисунке 6.12. Рисунок 6.12. Двигатель с полым немагнитным ротором Внутри корпуса 1 находится внешний статор. Его пакет 2 набирается из изолированных листов электротехнической стали. В пазах пакета 2 расположены обмотки 3 (управления и возбуждения). Оси МДС обмоток сдвинуты в пространстве на электрический угол 90°. Вал 4 двигателя крепится в корпусе с помощью подшипниковых щитов 6. С валом жестко связан полый ротор 7, представляющий собой тонкостенный 182 стакан из немагнитного материала. Внутренний статор 8, набранный из листов электротехнической стали, закреплен на наружной поверхности полого цилиндра, являющегося частью одного из подшипниковых щитов. Назначение внутреннего статора в этой конструктивной схеме – уменьшение немагнитного рабочего зазора. Конструктивная схема двигателя с полым ротором может несколько отличаться от рисунка 6.12. Например, обмотки возбуждения и управления располагаются на внутреннем статоре, а внешний статор пазов не имеет. Иногда одна обмотка расположена на внешнем, а другая – на внутреннем статоре. Принцип действии двигателя с полым немагнитным ротором основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, созданного токами, протекающими по обмоткам статора, с вихревыми токами, которые наводятся в полом роторе этим вращающемся полем. В результате этого взаимодействия возникает вращающий момент, направленный в сторону вращения поля. Частота вращения магнитного поля (синхронная частота) постоянна и определяется выражением: p f n c 60 где f – частота питающего напряжения; р – число пар полюсов обмотки статора. В результате взаимодействия вращающего магнитного поля с вихревыми токами, наводимыми в стенках ротора этим же вращающем полем, в электродвигателе создается вращающий момент, увлекающий ротор в сторону вращения магнитного поля. Так как токи ротора являются следствием пересечения его вращающимся полем, то электромагнитный вращающий момент асинхронного двигателя может создаваться только при условии, когда ротор его вращается несколько медленнее вращающегося поля. При этом вращение ротора тем медленнее, чем больше механическая нагрузка на валу двигателя. Во время холостого хода двигателя, когда его вращающий момент преодолевает лишь незначительный тормозящий момент от механических потерь на трение в подшипниках и ротора о воздух, ротор вращается почти синхронно с вращающимся полем и токи в стенках ротора незначительны. В случае механической нагрузки на валу двигателя ротор отстает от вращающегося поля больше, чем при холостом ходе. При этом условии токи в стенках ротора возрастут и их взаимодействие с 183 вращающимся полем обеспечит необходимый вращающийся момент двигателя. Несмотря на наличие двух статоров немагнитный зазор на пути магнитных потоков, создаваемых токами обмоток, в двигателях с полым немагнитным ротором довольно велик. У большинства двигателей он находится в пределах 0,5…1,5 мм. Дело в том, что немагнитный зазор состоит не только из двух воздушных зазоров (между ротором и двумя статорами), но и из толщины стакана немагнитного ротора. Это приводит к увеличению намагничивающего тока и электрических потерь в обмотках и снижению cos(φ) и КПД. Следствием этих недостатков является увеличение габаритов и массы двигателя. С другой стороны, полый немагнитный ротор обладает большим активным и весьма малым индуктивным сопротивлением, что повышает качество механических и регулировочных характеристик двигателя. У большинства двигателей М0,5* = 0,05÷0,15. Полый тонкостенный ротор из легких алюминиевых сплавов имеет малый момент инерции, что при большом пусковом моменте обеспечивает довольно высокое быстродействие. Поскольку ротор немагнитный, то радиальные силы тяжения ротора к статору отсутствуют даже при больших эксцентриситетах ротора, что способствует уменьшению сигнала трогания. Равномерность рабочего зазора, обеспечиваемая беспазовым ротором, повышает плавность и бесшумность хода, а также постоянство пускового момента независимо от углового положения ротора. Двигатели с ротором типа «беличья клетка» Широкое применение в схемах автоматики нашли и исполнительные двигатели с ротором, имеющим обычную обмотку типа «беличья клетка». Достоинства и недостатки исполнительных двигателей этого типа в сравнении с исполнительные двигатели с полым немагнитным ротором определяются двумя обстоятельствами. Первое обстоятельство – момент инерции ротора обычного типа во много раз больше момента инерции полого немагнитного ротора, что при прочих равных условиях определяет его меньшее быстродействие. Второе обстоятельство – возможность получить рабочий зазор в исполнительных двигателях с ротором обычного типа меньше, чем в исполнительных двигателях с полым немагнитным ротором, позволяет снизить намагничивающий ток, электрические потери в обмотках управления и возбуждения и тем самым повысить cos(φ) и КПД. Однако при воздушных зазорах 0,15…0,25 мм, что имеет место в исполнительных двигателях традиционной конструкции, выигрыш в КПД оказывается небольшим. Это 184 объясняется тем, что индуктивное сопротивление рассеяния роторной обмотки типа «беличья клетка», стержни которой окружены сталью, много больше индуктивного сопротивления рассеяния полого немагнитного ротора, находящегося в воздухе. Поэтому для обеспечения критического скольжения Sкр > 1, которое уменьшается с ростом индуктивного сопротивления и увеличивается с ростом активного сопротивления ротора, приходится идти на значительное увеличение последнего по сравнению с исполнительным двигателем с полым немагнитным ротором. Рост же активного сопротивления ротора приводит к увеличению электрических потерь в роторной обмотке, что определяет малое увеличение КПД при указанных выше рабочих зазорах. Уменьшение воздушного зазора до 0,03…0,05 мм стало возможным при появлении двигателей «сквозной» конструкции. Их особенностью является равенство внутреннего диаметра статора и диаметра расточки под подшипники в подшипниковых щитах. Поэтому шлифовка этих размеров может производиться в двигателе с установленными подшипниковыми щитами, что существенно уменьшает воздушный зазор. При зазоре же 0,03…0,05 мм КПД двигателя с ротором обычного типа уже заметно выше, чем двигателя с полым немагнитным ротором. К недостаткам исполнительных двигателей с ротором обычного типа следует отнести сравнительно большой сигнал трогания, что объясняется силами одностороннего магнитного притяжения ротора к статору из–за наличия на роторе ферромагнитных масс. Давая сравнительную оценку двух типов по быстродействию, следует отметить, что у двигателей «сквозной» конструкции за счет уменьшения диаметра ротора при одновременном увеличении его длины удалось получить для малых номинальных мощностей постоянную времени Тм даже меньше, чем у исполнительных двигателях с полым немагнитным ротором. Исследования показывают, что при диаметре корпуса Dк < 40÷60 мм исполнительные двигатели с ротором типа «беличья клетка» превосходят исполнительные двигатели с полым немагнитным ротором. При Dк > 60÷80 мм быстродействие выше у исполнительных двигателей с полым немагнитным ротором. Двигатели с ферромагнитными роторами В некоторых схемах автоматики находят применение двигатели с ферромагнитными роторами. Их статоры не отличаются от статоров двухфазных асинхронных машин, а роторы представляют собой ферромагнитные полые цилиндры. Достоинством таких двигателей является высокая линейность его механических и регулировочных характеристик. Однако низкие энергетические показатели и относительно большие постоянные времени Тм существенно ограничивают область применения исполнительные 185 двигатели с ферромагнитным ротором. Электромагнитные исполнительные механизмы Исполнительные механизмы с электромагнитным приводом представляет собой совокупность электромагнита и перемещаемой им механической нагрузки (заслонки, задвижки, клапана, вентиля и т. д.). Они делятся на две группы. В устройствах первой группы электромагнит рассчитан на длительное пропускание рабочего тока. Такие устройства состоят из электромагнита, который при срабатывании втягивает шток органа управления и возвратной пружины. Отпускание происходит под действием возвратной пружины при отключении электромагнита. В устройствах второй группы магнит не рассчитан на длительное пропускание рабочего тока. В этом случае кроме основного электромагнита имеется вспомогательный электромагнит, с помощью которого осуществляется управление основным электромагнитом. Такая конструкция позволяет резко уменьшить габариты электромагнитов, так как они работают в кратковременном режиме и, следовательно, плотность тока может быть резко увеличена. Таким образом, для создания одной и той же МДС у катушки, работающей в кратковременном режиме, число витков значительно меньше, чем у катушки, работающей в длительном режиме. Электромагниты могут быть подразделены: По роду тока – на электромагниты постоянного и переменного тока. Электромагниты постоянного тока применяются для быстрого перемещения подвижных элементов станков, грузозахватных приспособлений, размыкания тормозов механизмов и т. д. Они предназначаются для кратковременной работы и способны развивать значительные усилия. Электромагниты переменного тока, как правило, развивают меньшие мощности, поэтому они используются в маломощных цепях; По способу действия – на удерживающие и притягивающие. К удерживающим магнитам относятся, например, электромагнитные плиты плоскошлифовальных станков, служащие для магнитного закрепления обрабатываемых деталей. Притягивающие электромагниты служат для сообщения определенного движения подвижным частям; По значению хода якоря – на длинноходовые и короткоходовые. У длинноходовых магнитов ход якоря достигает 150 мм, а у короткоходовых – 2…4,5 мм; 186 По характеру движения якоря – на электромагниты с поступательным движением якоря и с поворотным якорем; По способу включения – на электромагниты с параллельным и последовательным включением обмотки в питающую сеть. Конструкции электромагнитов весьма разнообразны, но всегда основными частями электромагнита являются неподвижный стальной магнитопровод с расположенной на нем обмоткой и подвижный якорь. При подключении катушки электромагнита к источнику питания возникает магнитный поток, который создает электромагнитное усилие, вызывающее притяжение или поворот якоря. В качестве электромагнитов с плавным перемещением подвижной части обычно применяются электромагниты с поворотным якорем. Эти электромагниты по своему устройству близки к электромагнитному реле. Электромагниты широко применяются в электропневматических и электрогидравлических исполнительных устройствах, в которых электромагнит перемещает распределительный золотник, подключая ту или иную полость рабочего цилиндра к источнику высокого давления, либо открывает вспомогательные клапаны с той же целью. |