Классификация электрических микромашин

При этом выходная характеристика 2 остается линейной, однако в области малых частот вращения тахогенератор становится нечувствительным к изменению Δn — появляется зона нечувствительности Оа. Для уменьшения погрешности, создаваемой падением напряжения 2Δu_щ под парой щеток, в тахогенераторах применяют металлографитовые щетки, у которых величина 2Δu_щ незначительна, а в прецизионных тахогенераторах, предназначенных для счетно-решающих устройств,— щетки с серебряными и золотыми напайками. При использовании таких щеток погрешность от влияния величины 2Δu_щ практически можно не учитывать.

Нагревание обмотки возбуждения  тахогенератора приводит к увеличению ее сопротивления R_B, вследствие чего уменьшаются ток возбуждения, магнитный поток и выходное напряжение. Чтобы с повышением температуры обмотки возбуждения ток возбуждения изменялся незначительно, последовательно с ней включают либо терморезистор, который стабилизирует сопротивление цепи обмотки возбуждения, либо добавочный резистор с сопротивлением R_Доб » R_н, выполненный из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления. Кроме того, для уменьшения влияния тока возбуждения на магнитный поток тахогенераторы часто выполняют с сильно насыщенной магнитной системой (рис. 3, а). При этом небольшие отклонения тока возбуждения ΔI_Β от номинального, значения I_в.ном практически не  влияют  на  величину  магнитного  потока  ().

В машине с сильно насыщенной магнитной системой уменьшается  также размагничивающее действие реакции  якоря, особенно при небольших токах  нагрузки. Однако рост насыщения магнитной  системы тахогенератора приводит к увеличению размеров его обмотки возбуждения, а следовательно, размеров и массы всей машины. Недостатком    насыщенной    машины    является    также    отсутствие

Рис. 3. Магнитная характеристика тахогенератора· с насыщенной  магнитной  системой   (а)  и  устройство  магнитной системы  с термочувствительными шунтами  (б): 1—полюсы; 2 — термочувствительные магнитные шунты; 3 — якорь

 

пропорциональности между  выходным напряжением и током  возбуждения, что необходимо в некоторых  схемах автоматики. В этом случае магнитопровод тахогенератора выполняют ненасыщенным, а для компенсации температурного влияния применяют термочувствительные магнитные шунты (рис. 11.3, б), изготовленные из сплава, изменяющего свою магнитную проводимость при нагревании. При нагревании обмотки возбуждения ее сопротивление увеличивается, а поток возбуждения Ф_в уменьшается. Однако магнитная проводимость шунтов при этом снижается, что приводит к уменьшению потоков рассеяния Φ_δ, ответвляющегося через шунты, и увеличению потока Ф_в, проходящего из полюсов в якорь. В результате выходное напряжение тахогенератора изменяется незначительно.

Указанные причины вызывают отклонение линейной выходной характеристики тахогенератора от идеализированной. Относительная скоростная амплитудная погрешность , обусловленная нелинейностью выходной характеристики, обычно устанавливается при номинальной частоте вращения и определяется в  %:

 

 (4)

 

где U_ид — выходное напряжение при идеализированных условиях; U_д — действительное значение выходного напряжения.

В тахогенераторах постоянного  тока технологическая неточность установки  щеток на геометрической нейтрали вызывает еще один вид погрешности — асимметрию выходного напряжения. Она заключается в том, что величина выходного напряжения различна при вращении якоря с одинаковой частотой, но в противоположных направлениях. Асимметрию выходного напряжения вычисляют как отношение разности выходных напряжений при вращении якоря с номинальной частотой в обоих направлениях к полусумме этих напряжений. В зависимости от класса точности тахогенератора скоростная амплитудная погрешность при номинальной частоте вращения составляет ± (0,05...3)%, а ошибка асимметрии равна   ±(1...3)%.

Достоинства и  недостатки тахогенераторов. Достоинства тахогенераторов постоянного тока следующие: малые габариты и масса при большой выходной мощности; отсутствие фазовой погрешности, что обусловлено работой на активную нагрузку; в тахогенераторах с постоянными магнитами не требуется иметь вспомогательный источник электрической энергии для возбуждения. Однако по сравнению с тахогенераторами переменного тока они имеют ряд недостатков: сложность конструкции, высокую стоимость, нестабильность выходной характеристики из-за наличия скользящего контакта, пульсации выходного напряжения и радиопомехи, возникающие в результате коммутации тока щетками.

 

МИКРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

Микродвигатели постоянного  тока, применяемые в автоматических устройствах, используют для вращения различных механизмов и преобразования электрического сигнала в механическое перемещение вала. В последнем случае их называют исполнительными двигателями постоянного тока.

В зависимости от конструкции  якоря микродвигатели постоянного  тока подразделяют на микродвигатели с якорем обычного исполнения, полым  якорем, беспазовым (гладким) якорем, а также с дисковым и цилиндрическим якорем с печатной обмоткой.

Микродвигатели  с якорем обычного исполнения. В таких микродвигателях магнитный поток создается обмоткой возбуждения, расположенной на полюсах (рис. 4), или постоянными магнитами. В первом случае магнитную систему выполняют, как правило, полностью шихтованной, причем корпус и полюсы изготовляют в виде одного общего пакета, собранного из штампованных листов требуемого профиля (рис. 5). Это необходимо потому, что микродвигатели работают обычно в переходных режимах. Во втором случае на статоре располагают массивный постоянный магнит цилиндрической формы или несколько магнитов, выполненных в виде полюсных сердечников, скоб и др. В исполнительных микродвигателях магнитную систему обычно делают ненасыщенной, чтобы реакция якоря не оказывала влияния на его магнитный поток, следовательно, и на частоту вращения. Обмотку якоря укладывают в пазах сердечника якоря и присоединяют к коллектору, так же как и в машинах постоянного тока нормального  исполнения.

Микродвигатели  с полым якорем. Магнитный поток в   них   создается   обмоткой   возбуждения   (рис. 6, а)   или

 

Рис. 4.   Устройство микродвигателя постоянного тока с якорем обычного исполнения:

1 — корпус; 2 —  обмотка возбуждения; 3 — полюс; 4 — якорь; 5 — обмотка якоря; 

6 —щеткодержатель; 7—коллектор; 8 — постоянный магнит

 

 

 

Рис. 5.   Лист   корпуса микродвигателя  вместе с полюсами:

1 — отверстие   под  шпильку; 2 — полюсный наконечник; 3— ярмо статора

 

постоянными магнитами (рис. 6,б). Якорь представляет собой полый  стакан, расположенный между полюсами и неподвижным ферромагнитным сердечником, который насаживают на втулку подшипникового щита. Вместо сердечника внутри якоря может быть неподвижно установлен комплект постоянных магнитов цилиндрической формы. Обмотку якоря укладывают на цилиндрический каркас и заливают эпоксидной смолой; концы секций обмотки соединяют с пластинами коллектора. После полимеризации смолы якорь с коллектором становится монолитной конструкцией.

Момент инерции полого якоря невелик, поэтому существенно повышается быстродействие двигателя. Отсутствие насыщения в зубцах позволяет увеличить индукцию в воздушном зазоре микродвигателя, т. е. его магнитный поток и номинальный вращающий момент по сравнению с микродвигателями, имеющими якорь обычного исполнения, что также повышает быстродействие двигателя.

Достоинством микродвигателей  с полым якорем является то, что  секции их обмотки якоря окружены не ферромагнитным материалом, а воздухом и поэтому имеют меньшую индуктивность. Это существенно улучшает условия коммутации двигателя, что, в свою очередь, увеличивает срок службы щеток и повышает стабильность характеристик двигателя. Щетки в таких микродвигателях работают      практически без искрения даже при кратковременных перегрузках, вследствие чего можно применять большие форсировки для ускорения протекания переходных процессов.

 

 

Рис. 6. Устройство микродвигателей постоянного тока с полым якорем:

1 — корпус; 2—обмотка  возбуждения; 3 — полюс; 4 — полый  якорь; 

5 — ферромагнитный сердечник; 6 — подшипниковый щит; 

7—коллектор; 8—  постоянные магниты

 

Недостаток микродвигателей  с полым якорем — необходимость  значительного увеличения МДС обмотки  возбуждения, так как воздушный  зазор у них гораздо больше, чем в двигателях обычного исполнения. Последнее приводит к некоторому увеличению массы, габаритных размеров машины и потерь мощности в обмотке  возбуждения. Однако КПД рассматриваемых  микродвигателей из-за отсутствия потерь в стали имеет примерно такую  же величину, как и у микродвигателей  с якорем обычного исполнения (η = 0,3...0,45 в двигателях мощностью   1...15 Вт).

Микродвигатели  с печатной обмоткой якоря. Их выполняют с дисковым и цилиндрическим  якорем.

Микродвигатели  с дисковым якорем (рис. 7) имеют плоскую печатную обмотку якоря, нанесенную на тонкий диск из немагнитного материала (керамики, текстолита и т. п.). Возбуждение осуществляется постоянными магнитами с полюсными наконечниками, выполненными в виде кольцевых сегментов. Создаваемый ими магнитный поток проходит в аксиальном направлении через два воздушных зазора и дисковый якорь с печатной обмоткой и замыкается по двум кольцам, изготовленным из магнитомягкой стали; кольца служат боковыми ярмами. Постоянные магниты или электромагниты могут быть расположены по одну сторону диска или симметрично с обеих сторон, как показано на рис. 7, а.

Печатную обмотку наносят на дисковый якорь (рис. 7, б) электрохимическим способом: ее проводники располагают радиально по обе стороны диска и соединяют между собой гальваническими соединениями через сквозные отверстия в диске; изоляцией между отдельными проводниками служит воздух и материал диска. Процессы нанесения проводников на диск и их  соединения  в обмотку механизированы.

 

Рис. 7. Устройство микродвигателя с печатным дисковым  якорем:

1—постоянные  магниты; 2—полюсные наконечники;  3   и   8—стальные   кольца   (ярма);   4—диск   якоря;5—щеткодержатель;   6—подшипниковый   щит;   7—корпус

 

Каждая секция печатной обмотки  состоит из двух проводников, расположенных  на различных сторонах диска. Поскольку  число активных проводников ограничено размерами диска, для увеличения напряжения применяют простую волновую обмотку. Чтобы уменьшить длины  лобовых соединений, эти микродвигатели выполняют многополюсными (2/7 = 6...8). В некоторых случаях применяют полюсные наконечники, выступающие за внешние лобовые соединения, которые при этом становятся активными частями обмотки (в них индуцируется ЭДС). Обычно микродвигатели с печатной обмоткой якоря не имеют коллектора; роль его выполняют части проводников, расположенные на одной из сторон дискового якоря, по которым скользят щетки. Однако в некоторых конструкциях для повышения срока службы печатной обмотки на валу якоря устанавливают коллектор, к которому выводят концы секций. В исполнительных микродвигателях для ускорения торможения после снятия управляющего сигнала диск иногда изготовляют не из изоляционного материала, а из алюминия. При вращении в диске возникают вихревые токи, создающие тормозной момент, пропорциональный частоте вращения. Тормозной момент значительно уменьшает установившуюся частоту вращения микродвигателя.

Преимущества микродвигателей  с печатными обмотками якоря: 1) малый момент инерции якоря, что  обеспечивает высокое быстродействие исполнительных микродвигателей; 2) хорошие  условия коммутации из-за малой индуктивности  секций, что повышает срок службы щеток  и позволяет значительно увеличить  перегрузочную способность микродвигателя; 3) лучшие условия охлаждения печатной обмотки

Рис. 8.  Устройство  цилиндрического  якоря с печатной  обмоткой:

1 — полый якорь  из пластмассы с печатной обмоткой; 2 — коллектор; 3— постоянный

магнит;  4 —  вал;  5 — вентилятор

 

по сравнению с обмоткой, уложенной в пазах якоря; это  дает возможность значительно повысить плотность тока в проводниках  обмотки якоря и уменьшить  благодаря этому массу и габаритные размеры микродвигателей; 4) незначительное влияние реакции якоря, так как  в якоре отсутствуют ферромагнитные элементы и его поток замыкается в основном по воздуху.

Недостатки микродвигателей  с печатными обмотками якоря  по сравнению с микродвигателями обычного исполнения: 1) большая МДС  возбуждения из-за увеличения воздушного зазора; 2) увеличенные потери вследствие повышенной плотности тока в обмотке  якоря, а при электромагнитном возбуждении  также вследствие увеличенных потерь мощности в обмотке возбуждения; 3) меньший срок службы из-за износа проводников печатной обмотки, возникающего от трения щеток. Однако в микродвигателях с печатными обмотками практически отсутствуют магнитные потери в стали, поэтому при их возбуждении от постоянных магнитов КПД имеет приблизительно тоже значение, что и в машинах обычного исполнения.

Микродвигатели  с цилиндрическим якорем и печатной обмоткой (рис. ) выполнены принципиально так же, как и микродвигатель с полым якорем; отличаются от него лишь способом выполнения обмотки. На обе стороны полого якоря электромеханическим способом наносят печатную обмотку, концы которой выводят к коллектору. По своим свойствам микродвигатели с цилиндрическим печатным якорем аналогичны микродвигателям с полым якорем.

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ  ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

В исполнительных двигателях постоянного тока обмотки якоря  и главных полюсов питаются от двух независимых

 

Рис. 9. Схемы включения исполнительных   двигателей   постоянного тока при якорном (а) и полюсном (б) управлении

 

источников тока. Одна из них (условно называемая обмоткой возбуждения) подключена постоянно к источнику с неизменным напряжением U_в, а на другую (обмотку управления) подают напряжение управления U_y только при необходимости вращения вала двигателя. В зависимости от того, на какую обмотку подают управляющий сигнал, различают два способа управления исполнительными двигателями (рис. 9): якорное и полюсное.