§2.7. Исполнительные асинхронные микродвигатели. Конструкция и принцип управления.

Исполнительными называются электрические двигатели, преобразующие электрический сигнал в пропорциональную ему угловую (линейную) скорость ротора.
   Основные требования, предъявляемые к исполнительным двигателям: линейность механических характеристик и обеспечение устойчивой работы во всем рабочем диапазоне скоростей; линейность регулировочных характеристик и широкий диапазон регулирования угловой скорости (регулировочная характеристика – это зависимость угловой скорости от электрического сигнала управления); отсутствие самохода (явление самохода состоит в том, что двигатель развивает вращающий момент и его ротор вращается при отсутствии сигнала управления); высокое быстродействие.
   Кроме этого, к исполнительным двигателям предъявляется ряд требований, зависящих от области применения.
   В качестве исполнительных асинхронных микродвигателей в большинстве случаев используют двухфазные микродвигатели.

Конструкция.
    На статоре исполнительных микродвигателей имеются две обмотки, сдвинутые в пространстве на угол γ; у большинства двигателей электрический угол γ_э = 90°. Число витков в обмотках возбуждения В и управления У в общем случае разное.
   По сравнению с трехфазными асинхронными двигателями общего применения исполнительные асинхронные микродвигатели имеют повышенное активное сопротивление ротора. Это связано с требованием устойчивой работы исполнительных микродвигателей во всем рабочем диапазоне угловых скоростей (s = 0:1). Поскольку устойчивая работа асинхронных машин практически при всех видах нагрузки обеспечивается только на участке s= 0 : s_кр, активное сопротивление ротора у исполнительного асинхронного микродвигателя должно быть таким, чтобы обеспечивалось условие s_кр  ≥ 1. У реальных исполнительных асинхронных микродвигателей обычно s_кр = 2:4.
   В зависимости от конструкции ротора различают три основных типа исполнительных асинхронных микродвигателей: с короткозамкнутым ротором типа “беличья клетка”, с полым немагнитным и полым ферромагнитным роторами; из них в схемах автоматики используются в основном двигатели первых двух типов.
   Асинхронные двухфазные микромашины с ротором типа “беличья клетка”, используемые в качестве исполнительных микродвигателей, имеют такую же конструкцию, как трехфазный асинхронный двигатель с аналогичным ротором (см. §2.2). Современная технология позволяет изготавливать такие микродвигатели с очень небольшим воздушным зазором порядка 0,03:0,05 мм и, соответственно, высокими энергетическими показателями.

Рис. 2.17

В асинхронном микродвигателе с полым немагнитным ротором (рис. 2.17) внешний статор 1, закрепленный в корпусе 8, ничем не отличается от статора обычного асинхронного микродвигателя. В пазах магнитопровода статора располагают две обмотки 2 – возбуждения и управления, сдвинутые в пространстве на 90°. Внутренний статор 4, который набирают из листов электротехнической стали на цилиндрическом выступе 5 одного из подшипниковых щитов, служит для уменьшения магнитного сопротивления на пути основного магнитного потока, проходящего через воздушный зазор.
   В микромашинах мощностью в единицы ватт и менее обмотки возбуждения и управления часто размещают в пазах внутреннего статора.
   В воздушном зазоре между внешним и внутренним статорами находится полый ротор 3, выполненный в виде тонкостенного стакана из немагнитного материала, чаще всего из сплавов алюминия. Дно ротора жестко укрепляют на валу 6, который вращается в подшипниках 7, расположенных в подшипниковых щитах. Толщина стенок ротора в зависимости от мощности двигателя колеблется в пределах 0,2 – 1 мм. В полом немагнитном роторе наводятся ЭДС и протекают токи: в результате взаимодействия этих токов с полем статора возникает электромагнитный момент двигателя.
   Полый ротор имеет очень малую массу и, следовательно, незначительный момент инерции. В отличие от роторов других типов обладает незначительным индуктивным сопротивлением рассеяния, что повышает линейность характеристик двигателя. Гладкая цилиндрическая поверхность полого немагнитного ротора способствует снижению уровня шумов, создаваемых двигателем. Отсутствие радиальных сил притяжения полого немагнитного ротора к статору и уменьшение массы ротора, соответственно момента трения в подшипниках, обеспечивают уменьшение напряжения трогания.
   Недостатком микромашин с полым немагнитным ротором является большой немагнитный зазор, состоящий из двух зазоров: между внешним статором и ротором и ротором и внутренним статором (каждый до 0,25 мм), а также из немагнитной стенки самого ротора. Из-за большого немагнитного зазора между внешним и внутренним статорами, который составляет 0,5-1,5 мм, эти машины имеют значительный намагничивающий ток (0,8-0,9 номинального) и низкий коэффициент мощности. Большой намагничивающий ток приводит к большим электрическим потерям в обмотках двигателя и значительно снижает его КПД. У исполнительных микродвигателей с полым немагнитным ротором мощностью в несколько десятков ватт по сравнению с исполнительными микродвигателями той же мощности с ротором типа “беличьей клетки” при частоте 50 Гц КПД снижается с 40-50% до 20-35%, а габариты и масса увеличиваются в 1,2-2 раза. При увеличении номинальной частоты напряжения питания до 400-1000 Гц габариты и масса на единицу полезной мощности уменьшаются и эти показатели у указанных типов микродвигателей сближаются. Объясняется это относительным уменьшением активного сопротивления обмоток статора (по сравнению с индуктивным) и электрических потерь в них.
   Микромашины с полым немагнитным ротором менее надежны при высоких температурах, вибрации и ударах, так как вероятность деформации полого немагнитного ротора в указанных условиях выше, чем ротора типа “беличьей клетки”. В каждом конкретном случае выбор конструктивного типа двигателя должен определяться с учетом основных требований и условий применения.

Форма поля.
    Вращающееся магнитное поле статора, создаваемое в результате взаимодействия МДС обмоток В и У является круговым (рис. 2.18,а) при соблюдении условий (2.4), т.е. γ_э =90°, β =90° и I_yw_yэф=I_вw_yэф.

Рис. 2.18

Нарушение любого из этих условий приводит к тому, что суммарное магнитное поле Ф при вращении не остается постоянным и конец вектора магнитного потока описывает не окружность, а эллипс. Можно показать, что эллиптическое поле создает меньший вращающий момент, чем круговое такой же амплитуды. Для этого условно представим эллиптическое поле в виде суммы двух неравных по значению круговых полей, вращающихся с синхронной угловой скоростью в противоположные стороны (рис. 2.18, б). Круговое поле Ф_пр, вращающееся в одном направлении с эллиптическим, называют прямым; второе поле Ф_обр именуют обратным. Простые геометрические построения показывают, что такая замена справедлива, если сумма Ф_пр и Ф_обр будет равна большой полуоси эллипса, а разность – малой полуоси эллипса. Скольжение ротора относительно поля обратной последовательности

s_обр = (-ω₁-ω₂) /(-ω₁)= 2 – s   (2.34)

Прямое поле создает вращающий момент двигателя, а обратное – тормозящий момент. С увеличением эллиптичности поля за счет изменения углов β и γ или уменьшения МДС одной из обмоток статора прямая составляющая поля и момента убывает, а обратная составляющая растет. Уменьшение результирующего момента при неизменном моменте нагрузки приводит к снижению угловой скорости ротора.
   Когда полностью не выполняется хотя бы одно из условий кругового поля, т.е. β= 0, или γ= 0, или I_в= 0, или I_у= 0, поле статора становится пульсирующим и двигатель не развивает вращающего момента при неподвижном роторе. Для объяснения этого явления заменим пульсирующее магнитное поле Ф (рис. 2.18, в) двумя полями Ф_пр и Ф_обр, вращающимися в противоположные стороны с синхронной угловой скоростью и имеющими амплитуды, равные половине амплитуды пульсирующего поля.
   При неподвижном роторе оба поля вращаются относительно ротора с синхронной угловой скоростью. Каждый из них наводит в обмотке ротора токи, равные по амплитуде вследствие равенства полей и скольжений. Возникают равные по модулю вращающие моменты, направление которых противоположно, как и направление полей. Результирующий момент равен нулю, и ротор во вращение прийти не может.
   Картина несколько меняется, если поле статора становится пульсирующим при вращении ротора. В этом случае двигатель продолжает развивать электромагнитный момент, так как скольжение относительно прямого и обратного полей уже неодинаковое. Этот момент будет положительным (вращающим) или отрицательным (тормозным) в зависимости от параметров двигателя. При s_кр<1 электромагнитный момент пульсирующего поля положительный практически во всем рабочем диапазоне скоростей. Поле статора в исполнительном асинхронном микродвигателе становится пульсирующим при снятии сигнала управления. Следовательно, ротор двигателя может продолжать вращаться при снятом сигнале управления. Это явление, называемое параметрическим самоходом, недопустимо для исполнительных двигателей.
   При s_кр≥1 электромагнитный момент пульсирующего поля отрицательный во всем рабочем диапазоне скоростей, и при снятии сигнала управления ротор обязательно останавливается. Это является второй причиной изготовления исполнительных асинхронных микродвигателей c s_кр>1.

Назад | Оглавление | Вперед