Классификация электрических микромашин

СОДЕРЖАНИЕ

 

Классификация электрических  микромашин…………………………………3

 

Требования,  предъявляемые  к  электрическим  машинам……………………….5

 

Требования, предъявляемые  к электрическим микромашинам автоматических устройств…………………………………………………………………………5

 

Электрические микромашины  постоянного тока…………………………..7

 

• Тахогенераторы  постоянного тока..................................................7

 

• Микродвигатели постоянного тока…………………………………..10

 

• Исполнительные двигатели постоянного тока......................................14

 

• Универсальные  коллекторные  двигатели…………………………….23

 

• Электромашинный усилитель с поперечным полем………………….28

 

Применение двигателей в  школьной практике……………………………….33

 

Литература………………………………………………………………………33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  МИКРОМАШИН

 

Электрические машины классифицируются по назначению, роду тока, принципу действия, мощности, частоте вращения. Электрические машины небольшой мощности до 600 Вт называют микромашинами. Их широко применяют в автоматических устройствах и в электробытовых приборах.

Классификация по назначению. По назначению электрические микромашины автоматических устройств подразделяются на следующие группы.

Силовые микродвигатели приводят во вращение различные механизмы автоматических устройств, самопишущих приборов и пр.

Управляемые (исполнительные) двигатели преобразуют подводимый к ним электрический сигнал в механическое перемещение вала, т. е. отрабатывают определенные команды.

Тахогенераторы преобразуют механическое вращение вала в электрический сигнал — напряжение, пропорциональное частоте вращения вала.

 Вращающиеся трансформаторы дают на выходе напряжение, пропорциональное той или иной функции угла поворота ротора, например синусу или косинусу этого угла или самому углу.

Машины  синхронной связи (сельсины, магнесины) осуществляют синхронный и синфазный поворот или вращение нескольких механически не связанных между собой осей.

Микромашины гироскопических приборов (гироскопические двигатели, датчики угла, датчики момента) осуществляют вращение роторов гироскопов с высокой частотой коррекцию их положения.

Электромашинные преобразователи и усилители преобразуют энергию.

Электрические микромашины  первых двух групп часто называют силовыми, а третья – пятой группы – информационными.

Классификация по роду тока и принципу действия. Электрические машины по роду тока делят на машины переменного и постоянного  тока.

Машины  переменного тока в зависимости от принципа действия и особенностей электромагнитной системы подразделяют на трансформаторы, асинхронные, синхронные и коллекторные машины.

Трансформаторы широко применяют для преобразования напряжения: в системах передачи и распределения электрической энергии, в выпрямительных установках, устройствах связи, автоматики и вычислительной техники, а также при электрических измерениях (измерительные трансформаторы) и функциональных преобразованиях (вращающиеся трансформаторы).

 Асинхронные машины используют главным образом в качестве электрических двигателей трехфазного тока. Простота устройства и высокая надежность позволяют применять их   в   различных   отраслях   техники   для   привода   станков, грузоподъемных и землеройных машин, компрессоров, вентиляторов и пр. В системах автоматического регулирования широко используют одно- и двухфазные управляемые асинхронные двигатели, асинхронные тахогенераторы, а также сельсины.

Синхронные  машины применяют в качестве генераторов переменного тока промышленной частоты на электрических станциях и генераторов повышенной частоты в автономных источниках питания (на кораблях, самолетах и т. п.). В электрических приводах большой мощности используют также синхронные электродвигатели. В устройствах автоматики широко применяют различные синхронные машины малой мощности (реактивные, с постоянными магнитами, гистерезисные, индукторные и пр.).

Коллекторные  машины переменного тока используют сравнительно редко и главным образом в качестве электродвигателей. Они имеют сложную конструкцию и требуют тщательного ухода. В устройствах автоматики, а также в разного рода электробытовых приборах применяют универсальные коллекторные двигатели, работающие как на постоянном,  так и на переменном токе.

Машины  постоянного тока применяют главным образом в качестве электродвигателей в устройствах электропривода, требующих регулирования частоты вращения в широких пределах (железнодорожный и морской транспорт, прокатные станы, электротрансмиссии большегрузных автомобилей, грузоподъемные и землеройные машины, сложные металлообрабатывающие станки и пр.), а также в случаях, когда источниками электрической энергии для питания электродвигателей служат аккумуляторные батареи (стартерные двигатели, двигатели подводных лодок, космических кораблей и т. п.).

Генераторы постоянного  тока часто применяют для питания устройств связи, зарядки аккумуляторных батарей, в качестве основных источников питания на транспортных установках (автомобилях, самолетах, тепловозах, пассажирских вагонах). Однако в последнее время генераторы постоянного тока заменяют генераторами переменного тока, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.

В системах автоматического регулирования  машины постоянного тока широко используют в качестве электромашинных усилителей, исполнительных двигателей и тахогенераторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТРЕБОВАНИЯ,  ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ  К  ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ  МАШИНАМ

 

Электрические машины должны иметь высокую надежность работы, хорошие энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности), по возможности минимальные габаритные размеры, массу и стоимость. Они должны быть простыми по конструкции, несложными в изготовлении и удобными  в  обслуживании и эксплуатации.

Общие технические требования. Такие требования для машин общепромышленного применения сформулированы в специальном ГОСТе, а для машин специального исполнения— в соответствующих ГОСТах, учитывающих специфические условия работы этих машин.

Каждая электрическая  машина рассчитана на работу при определенных условиях эксплуатации: режиме нагрузки, допускаемых перегрузках, напряжении, частоте переменного тока, частоте вращения, температуре охлаждающей среды, высоте над уровнем моря, влажности и др. При этом машина должна развивать номинальную мощность и работать без аварий и повреждений в течение установленного времени (обычно в течение времени между периодическими ремонтами).

Надежность работы машины обеспечивается путем закладки достаточных запасов при проектировании, применения высококачественной технологии изготовления и правильной эксплуатации (работы машины в режимах, для которых она спроектирована, и своевременного выполнения профилактических ремонтов).

В основном электрические  машины большой, средней и малой мощности работают в качестве преобразователей энергии (двигатели, генераторы, трансформаторы, электромашинные преобразователи). Поэтому для уменьшения эксплуатационных расходов важное значение имеют энергетические показатели машин: КПД и коэффициент мощности. При проектировании электрической машины путем оптимального выбора ее основных параметров и электромагнитных нагрузок стремятся получить наивыгоднейшие значения КПД и коэффициента мощности при номинальной нагрузке. Однако эти значения связаны определенным образом с номинальной мощностью машины, поэтому, чем меньше номинальная мощность электрической машины, тем меньше ее КПД и коэффициент мощности.

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ  МИКРОМАШИНАМ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ. Электрические микромашины кроме общих технических требований должны также обеспечивать:

1) высокую точность  преобразования входного сигнала  в выходной, например частоту вращения в выходное напряжение в тахогенераторах или управляющее напряжение в частоту вращения в исполнительных двигателях;

2) стабильность  выходных характеристик при изменении  условий эксплуатации, например температуры окружающей среды;

3) линейность   характеристик   при   изменении   управляющего сигнала и нагрузки;

4) высокое быстродействие;

5) широкий диапазон  регулирования.

Для выполнения этих требований при создании электрической микромашины в ряде случаев отступают от принципов оптимального проектирования, принятых для машин средней и большой мощности. Так, например, для уменьшения погрешностей в информационных электрических микромашинах выбирают относительно небольшие электромагнитные нагрузки и увеличивают воздушный зазор между статором и ротором. В исполнительных двигателях и других микромашинах, выполняющих силовые функции, для увеличения развиваемого машиной момента электромагнитные нагрузки выбирают максимально возможными по условиям отвода теплоты от машины. Это приводит к ухудшению энергетических показателей — КПД и коэффициента мощности, которые весьма важны для электрических машин средней и большой мощности, однако в микромашинах показатели, характеризующие точность, быстродействие, диапазон регулирования, могут иметь преобладающее значение.

Кроме перечисленных требований к отдельным видам микромашин предъявляются специфические требования, обусловленные особенностями их эксплуатации. Так, микромашины, применяемые в звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуре, должны иметь низкий уровень создаваемых шумов; микромашины, используемые в радиоаппаратуре, не должны создавать значительных радиопомех; при установке их, например, в ядерных реакторах и космических аппаратах должна быть обеспечена радиационная устойчивость. Все это также накладывает определенные ограничения на конструкции соответствующих микромашин и приводит к увеличению их массы, габаритных размеров и ухудшению  энергетических показателей.

 

 

 

 

 

 

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МИКРОМАШИНЫ  ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

ТАХОГЕНЕРАТОРЫ  ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

Тахогенераторы постоянного  тока выполняют с постоянными магнитами на статоре (рис. 1, а) или с электромагнитным возбуждением от независимого источника постоянного тока (рис. 1, б). В них используют якорь обычного типа с барабанной обмоткой, а также полый или дисковый с печатной  обмоткой  (см. ниже).

Принцип действия. При неизменном токе возбуждения I_в, т. е. при неизменном потоке Ф, ЭДС пропорциональна частоте вращения:

 

        (1)

 

что является основой для  использования машины постоянного тока в качестве тахогенератора. Его выходное напряжение

 

      (2)

 

где R_H — сопротивление нагрузки.

Из (1) и (2) составим уравнение  выходной характеристики тахогенератора:  

     (3)

 

Рис. 1.   Устройство   тахогенераторов   постоянного тока: 1 — корпус с полюсами; 2—якорь; 3 — подшипник; 4 — вал; 5—кожух;    6—коллектор;    7—подшипниковый   щит;    8 —щетки

На рис. 2, а сплошными линиями показаны выходные характеристики для различных сопротивлений нагрузки при идеализированных условиях (при и ). Эти характеристики являются линейными, а их угол наклона к оси абсцисс уменьшается при снижении сопротивления нагрузки. Следовательно, тахогенераторы можно применять только при неизменной нагрузке, т. е. совместно с индикатором или другим устройством, на который рассчитан данный тахогенератор.

Крутизна выходной характеристики современных тахогенераторов постоянного  тока S=3...100 мВт/(об/мин) (меньшие значения относятся к тахогенераторам с постоянными магнитами). Наиболее распространены тахогенераторы с номинальной частотой вращения «=1500...3000 об/мин.

Погрешности выходной характеристики. Выходная характеристика практически отклоняется от линейного закона в результате размагничивающего действия реакции якоря, наличия нелинейного сопротивления в переходном контакте между коллектором и щетками и изменения тока возбуждения из-за увеличения сопротивления обмотки возбуждения при ее нагревании.

Размагничивающее действие реакции якоря проявляется при  возрастании частоты вращения n, так как при этом повышается напряжение U, увеличивается ток 1_а тахогенератора, а следовательно, и МДС якоря F_a. Поэтому при повышенных частотах вращения выходное напряжение U возрастает медленнее, чем увеличивается частота вращения (см. штриховые линии на рис. 2, а). Для уменьшения влияния размагничивающего действия реакции якоря в цепи нагрузки желательно иметь максимально большое

Рис. 2.  Выходные характеристики тахогенератора   постоянного   тока   и влияние   на характеристики падения напряжения под щетками

 

сопротивление R_H и тахогенератор должен работать при небольших относительных частотах вращения.

Нелинейный характер сопротивления щеточного контакта также создает определенную погрешность по сравнению с идеализированной характеристикой 1 (рис. 2, б).