Конструкции исполнительных двигателей постоянного тока

По конструкции исполнительные двигатели можно разделить на двигатели с ферромагнитным якорем и малоинерционные, не имеющие ферромагнитного сердечника якоря.

Двигатели с ферромагнитным якорем и обмоткой возбуждения отличаются от обычных машин лишь тем, что имеют полностью шихтованную магнитную систему (якорь, полюса, станину), что продиктовано стремлением уменьшить потери в стали и увеличить быстродействие в переходных режимах. Это двигатели серий СЛ, МИ, ПБС и др. Есть двигатели (серии ДП и ДПМ), в которых роль обмотки возбуждения выполняют постоянные магниты. В остальном они ничем не отличаются от названных выше.

Существуют двигатели, например серии МИГ, в которых обмотка якоря располагается не в пазах (их нет), а непосредственно на поверхности якоря, закрепляясь на ней с помощью специального клея и бандажей. "Беспазовое" исполнение обмотки значительно уменьшает ее индуктивность, улучшает коммутацию и увеличивает быстродействие. Недостатком гладкого якоря является большой немагнитный промежуток между ним и полюсом, что увеличивает размеры обмотки возбуждения.

Малоинерционные двигатели выпускаются двух типов: 1) с дисковым якорем и печатной обмоткой; 2) с полым немагнитным якорем и обычной обмоткой. Один из вариантов двигателя первого типа показан на рис. 2.14. В его состав входят: дисковый якорь 1, выполненный из тонкого изоляционного материала, на обеих сторонах которого фотохимическим методом нанесена обмотка якоря; кольца 2 и 3 из магнитомягкой стали, по которым замыкается магнитный поток, созданный постоянными магнитами 4, и щетки 5, непосредственно касающиеся оголенных проводников якоря. Как видно, здесь отсутствует отдельный коллектор.

Двигатель второго типа показан на рис. 2.15.

Якорь малоинерционных двигателей примерно в 8 раз легче, а момент инерции в 5¸ 10 раз меньше, чем у обычного двигателя. В результате их постоянные времени в 2¸ 2,5 раза меньше. К тому же они имеют практически безыскровую коммутацию, поскольку их секции обладают меньшей индуктивностью. К недостаткам таких двигателей можно отнести большой воздушный зазор, а, следовательно, большие габариты по сравнению с обычными машинами.

 

 

Тахогенераторы

Общие сведения

Тахогенераторами (ТГ) называются электрические машины небольшой мощности, преобразующие механическое вращение в электрический сигнал.

Главное требование, предъявляемое к тахогенераторам, заключается в линейности выходной характеристики – пропорциональной зависимости между выходным напряжением U и угловой скоростью вращения n:

 

, (4.1)

 

где: k, k’ – коэффициенты пропорциональности; – угол поворота.

Из уравнения (4.1) видно, что тахогенераторы можно использовать для измерения скорости вращения и для электромеханического дифференцирования, если за входной сигнал принять угол поворота ротора.

По роду тока тахогенераторы можно разделить на ТГ переменного и ТГ постоянного тока.

 

Асинхронный тахогенератор

Конструкция асинхронного тахогенератора ничем не отличается от асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором. Как и в ИД, одна из обмоток статора подключается к сети переменного тока и называется обмоткой возбуждения (ОВ), с другой – генераторной обмотки (ГО) снимается выходное напряжение (рис. 4.1).

 

Рис. 4.1. К вопросу о принципе действия асинхронного тахогенератора

Принцип действия асинхронного тахогенератора заключается в следующем. (Для упрощения качественного анализа примем полый ротор состоящим из конечного числа витков, замкнутых на торцах).

При питании обмотки возбуждения переменным током частоты возникает пульсирующий магнитный поток , который во вращающемся роторе индуцирует два вида ЭДС: трансформаторную ЭДС – (показана внутри ротора) и ЭДС вращения – (показана снаружи ротора).

В контурах, перпендикулярных оси обмотки возбуждения, под действием трансформаторной ЭДС протекают токи и возникает поток , который в соответствии с принципом Ленца направлен встречно потоку обмотки возбуждения, однако его действие компенсируется увеличением тока возбуждения. Так как ось генераторной обмотки перпендикулярна потоку , он не будет индуцировать в ней никакой ЭДС.

В контурах, параллельных оси обмотки возбуждения, но теперь уже под действием ЭДС вращения тоже протекают токи, которые создают свой поток . Он, пульсируя по оси генераторной обмотки, и наводит в ней выходную ЭДС.

Если принять, что магнитный поток возбуждения является гармонической функцией времени , то мгновенное значение ЭДС вращения будет . Ток, созданный этой ЭДС, . (Индуктивным сопротивление ротора можно пренебречь, поскольку он немагнитный, да к тому же выполнен из материала с высоким удельным сопротивлением). При отсутствии насыщения магнитный поток пропорционален току . Тогда мгновенное значение выходной ЭДС будет . Угловая частота сети . Так как ЭДС изменяется по гармоническому закону, ее действующее значение будет

 

.

 

Таким образом, величина выходной ЭДС асинхронного тахогенератора пропорциональна угловой скорости вращения, а ее частота равна частоте сети возбуждения.

При подключении нагрузки выходное напряжение станет меньше ЭДС на величину внутреннего падения напряжения

В общем случае асинхронный тахогенератор (АТГ) представляет несимметричную двухфазную машину, которую можно исследовать методом симметричных составляющих, что приводит к следующему выражению выходной характеристики [1]

 

(4.2)

 

где – коэффициент трансформации АТГ; – напряжение возбуждения; – относительная частота вращения; и – комплексные коэффициенты, зависящие от величины и характера нагрузки , от параметров схемы замещения АТГ.

Как следует из выражения (4.2), выходное напряжение не является линейной функцией относительной угловой скорости вращения . Нелинейность создает квадратичная зависимость . Если , то становится пропорциональным , а тахогенератор считается идеальным. При проектировании АТГ выражение стремятся уменьшить как за счет уменьшения так и за счет уменьшения .

Так как , то с целью уменьшения тахогенераторы проектируют на большую частоту . Правда при этом не уменьшают , поскольку при , слабее проявляется магнитная несимметрия машины. Обычно .

Комплексный коэффициент В [1]:

 

,

 

где – полное сопротивление обмотки возбуждения статора АТГ. Ясно, что с увеличением , коэффициент будет уменьшаться. Вот почему ротор АТГ выполняют из материала с высоким удельным сопротивлением (фосфористой или марганцевой бронзы, манганина и др.)! Повышению линейности выходной характеристики способствует и работа при больших сопротивлениях нагрузки . К уменьшению и обычно не прибегают т.к. первое снижает крутизну выходной характеристики, а второе – увеличивает габариты АТГ.