Saafonov (1)

Представителями двигателей общего назначения являются машины се-( рии CJI, которые нашли применение в ПР типа ’’Универсал”. Конструктивно эти машины не имеют принципиальных отличий от классических электрических машин постоянного тока. Двигатели выпускаются на мощности до 230 Вт, имеют двухполюсное исполнение и шихтованный пакет статора, который лучше соответствует работе в переходных процессах. Номинальный режим работы электрических машин продолжи, тельный (S1). Технические данные приведены в табл. 2.1. На большие мощности выпускаются станочные двигатели серий ПБСТ, А и др.

Параметры электрических машин определяются свойствами постоянных магнитов, используемых для возбуждения. В настоящее время для возбуждения электрических машин наибольшее применение нашли литые магниты на основе сплавов Fe — Ni — Со, оксидные магниты на ос~ i нове ферритов бария и стронция, а также интерметаллические соединения кобальта с редкоземельными металлами, например с самарием. Магниты на основе сплавов Fe — Ni — Со изготовляются методом фасонного литья, а ферритовые и редкоземельные — методом спекания размолотого порошка. Все они хрупкие, в процессе работы образуют крошку, которая забивает воздушный зазор.

Основной характеристикой постоянных магнитов является кривая размагничивания В(Н). Основные параметры — остаточная индукция Вг, коэрцитивная сила Нс и энергия IVM = ВН/2, — которые характеризуют кривую размагничивания, для магнитов, нашедших применение в электромашиностроении, приведены в табл. 2.2.

В зависимости от формы кривой размагничивания различают три группы магнитов: докритические, у которых точка перехода от линейной зависимости В (/Л к нелинейной лежит во втором квадранте; критические, 44

П р и м е ч а н и е . Рном, С/Но.м, /я.ном — номинальные мощность, напряжение,

I O K якоря двигателя; п - частота вращения; J — момент инерции якоря; К я — сопротивление якоря; т — масса двигателя.

Таблица 2.2

Марка магнита Тип магнита Вг , Тл Нс , кА/м WM, кДж/м3

у которых эта точка находится на оси абсцисс; закритические — точка расположена в третьем квадранте [16]. В соответствии с этой классификацией литые магниты являются докритическими, редкоземельные — ^критическими, а ферритовые близки к критическим. Такая классификация позволяет определить некоторые свойства двигателей.

Рассмотрим работу постоянных магнитов в электрических машинах. И магнитной цепи электрических машин присутствует воздушный зазор. Нели бы зазор отсутствовал, то магнитная индукция была бы равна остаточной Вг . Для нахождения индукции в магнитной цепи с зазором необходимо воспользоваться законом полного тока для контура

ВЬ

Ям/м + 2 -А б = О,

Но

где Нм — напряженность магнита; /м — длина магнитной линии в магните; /?§ — магнитная индукция в зазоре; /и0 — магнитная постоянная; б — зазор.

Здесь учтено, что магнитная линия дважды пересекает воздушный зазор и отсутствует внешняя МДС. Считая, что площадь поперечного сечения магнита равна площади воздушного зазора под полюсом и пренебрегая рассеянием, получаем Вм = С учетом этого последнее уравнение можно переписать в виде

_ ^о'м

Вм Ям '

Полученное уравнение определяет прямую, проходящую через начало координат и расположенную во втором и четвертом квадрантах. Поскольку рабочая точка магнита должна одновременно находиться на полученной прямой и кривой размагничивания, то это будет точка их пересечения. Координаты этой точки определяют напряженность поля и магнитную индукцию.

Литые магниты не допускают даже кратковременного увеличения зазора, т.е. разборки двигателя без принятия специальных мер. Если таких мер не предпринять, то, как следует из рис. 2.1, произойдет частичное размагничивание.

Первоначально рабочей точке 1 соответствовала индукция Вм1, при увеличении зазора изменяется наклон прямой линии и рабочая точка переходит в положение 2, ей соответствует индукция в магните Ям2. После восстановления зазора рабочая точка по частному циклу намагничивания перейдет в положение 3 с магнитной индукцией в зазоре Вм 3, которая меньше первоначальной #м1.

У ферритовых и редкоземельных магнитов такого размагничивания не произойдет, так как на этом участке кривые намагничивания и размагничивания совпадают. Редкоземельные магниты допускают разборку двигателя и намагничивание в свободном состоянии.

При наличии внешней МДС FM , например реакции якоря, уравнение полного тока для магнитной цепи имеет вид

Полученная прямая уже не проходит через начало координат, а сметена влево на отрезок, пропорциональный FM. Реакция якоря приводит к размагничиванию литых магнитов (рис. 2.2). Магниты должны быть защищены от перегрузок либо полюсными наконечниками, либо другими способами.

Редкоземельные магниты выдерживают действие реакции якоря без

последующего изменения Электрические машины на основе этих магнитов допускают значительные кратковременные перегрузки по току.

При протекании тока нагрузки создается МДС реакции якоря, которая, как известно, имеет поперечную и продольную составляющие. Продольная составляющая зависит от положения щеток, при нахождении их на нейтрали продольная составляющая равна нулю, а при сдвиге может создаваться либо намагничивающая, либо размагничивающая составляющая.

Поперечная реакция проявляет себя здесь так же, как и в машинах с электромагнитным возбуждением. Магнитный ноток поперечной 1>еакции якоря проходит через полюсный наконечник в поперечном направлении, складываясь с основным потоком на одном участке и вычи- |аясь из основного потока на другом. За счет насыщения участка, где потоки складываются, результирующий поток уменьшается, ослабляя моля и приводя к нелинейности механической характеристики двигателя. Магнитный поток поперечной реакции якоря проходит поперек полюса, | основной поток - вдоль полюса, поэтому доя уменьшения влияния поперечной реакции якоря достаточно увеличить магнитное сопротивление в поперечном направлении, оставив неизменным в продольном. Для этого зазор выполняют неравномерным, увеличивая его от середины полюса к краям, а также выполняют разрезным полюсный наконечник. Ферритовые магниты обладают значительным обратным магнитным сопротивлением и ослабляют действие реакции якоря, при этом меньше искажается поле в зазоре и повышается гшавность движения. Электромеханическая характеристика имеет прямолинейный характер.

Для полного использования двигателя необходимо знать его нредель ные возможности. Двигатель может развивать длительно момент, определяемый нагревом (классом нагревостойкости изоляции). Нагрев электрической машины при неизменных условиях охлаждения зависит от потерь, выделяющихся внутри машины, АРТ:

АРт - АРЭЛ + АРмех + АРСТ.

Электрические потери АРЭЛ пропорциональны квадрату тока, протекающего через якорь, механические потери изменяются пропорционально скорости ДРмех = к со, потери в стали ДРСХ складываются из потерь на перемагничивание стали якоря ДР,, = кхВг ш и потерь на вихревые токи Д^в.т -k2B2 (jj2. Если считать, что условия охлаждения неизменны, то во всех режимах тепловые потери ДРт должны оставаться неизменными. Поскольку со снижением скорости снижаются потери механические и в стали, то имеется возможность увеличить долю электрических потерь, т.е. ток и соответственно момент.

На рис. 2 3 показана предельная кривая 1, ограничивающая область длительной работы. При кратковременном режиме работы (S2) имеется возможность расширить рабочую область 2, не выходя за пределы допустимого нагрева. Кривая 3 ограничивает область работы, допустимой только в переходных процессах. Эта кривая определяет степень искрения 11 /2. Справа допустимая область ограничена Мтах, полученным из условий размагничивания постоянного магнита. В паспортных данных электрических машин часто приводят характеристики допустимого времени работы в зависимости от нагрузки. Все эти ограничения необходимо знать, чтобы в системе электропривода обеспечить соответствующие

защиты.

Отечественной промышленностью выпускаются высокомоментные двигатели серии ПБВ, основные технические данные которых приведены

Таблица 2.3

в табл. 2.3. Двигатели серии ПБВ выпускаются с ферритовыми магнитами в виде сегментов, закрепленных эпоксидным клеем на внутренней поверхности станины, без полюсных наконечников. Якорь имеет традиционное пазовое исполнение. Двигатели допускают 16-кратную перегрузку по току при заторможенном якоре в течение 1 с, при номинальном напряжении в течение 1 мин — 2-кратную.

При возбуждении от постоянных магнитов обеспечиваются увеличение мощности двигателей при тех же габаритах, большая равномерность скорости двигателя при малых частотах вращения, большее значение вращающего момента двигателя при том же токе якоря, т.е. более высокое ускорение в переходных процессах. Высокомоментные двигатели можно устанавливать непосредственно на рабочем органе без промежуточного редуктора, они обеспечивают высокую плавность движения благодаря хорошему демпфированию. К недостаткам этих машин можно отнести снижение максимального момента с ростом частоты вращения.

На рис. 2.4 показан общий вид двигателя постоянного тока типа 1ПИ 12.1.1.-

1.1-202М (НРБ). Двигатель состоит из якоря 1, статора 2, подшипников 3, 4. Статор представляет собой станину с постоянными магнитами на основе феррита стронция.

Двигатель снабжен встроенными датчиками скорости и пути. В качестве датчика скорости используется тахогенератор 5, имеющий крутизну выходного напряжения 0,02 В/(об/мин), допустимый ток 50 мА. В качестве датчика пути 6 используется резольвер типа РБ-2, соединенный с валом двигателя через редуктор с передаточным отношением 5:1.

Таблица 2.4

Технические данные двигателей постоянного тока приведены в табл. 2.4.

В последнее время появились высокомоментные двигатели обращенной конструкции, у которых обмотка якоря и коллектор располагаются на статоре, а магниты —на роторе. Таким образом, в роторе не существует электрических потерь и облегчено его охлаждение. Концы якорной обмотки подсоединяются к неподвижному коллектору. К валу ротора прикреплено токосъемное устройство, состоящее из щеткодержателей, в которых размещены щетки, соединяющие питающие кольца и коллектор. Обмотка якоря имеет благоприятные условия охлаждения благодаря хорошему контакту с ребристой станиной, вследствие чего линейная нагрузка может быть увеличена. Представителями высокомоментных машин обращенной конструкции являются машины серии МВНСР, технические данные которых приведены в табл. 2.5.

Второй путь повышения быстродействия электропривода привел к созданию так называемых малоинерционных электродвигателей. Наиболее распространенными из них являются электродвигатели с дисковым якорем, например типов ПЯ, ДНЯ. ДПУ, и с полым цилиндрическим немагнитным якорем, например типов ДПЦЯ, ДСПЯ, ДМПЯ [7].

Особенности конструкции двигателей с дисковым якорем рассмотрим на примере двигателя типа ПЯ-250 (рис. 2.51. Якорь такого двигателя выполнен из стеклотекстолита, на который печатным способом нанесены обмотки. Дисковый якорь вращается между полюсами, создающими в зазоре аксиальный поток. В этих двигателях коллектор расположен на том же диске, что и обмотка, и выполнен таким же способом. Это упрощает конструкцию щеточноколлекторного узла, умень-

шает инерцию якоря и улучшает массогабаритные показатели. Двигатели этого типа при одинаковой мощности являются более легкими и могут применяться для степеней подвижности ПР, расположенных ближе к схвату. Кроме перечисленных двигатели с дисковым якорем имеют следующие преимущества:

в них отсутствуют потери на перемагничивание, так как вращающиеся части не содержат ферромагнитных материалов;

имеются хорошие условия для коммутации, так как обмотка расположена в воздухе и коммутируемые секции имеют малую индуктивность;

повышается допустимая плотность тока, так как создаются хорошие условия охлаждения;

отсутствует пазовая изоляция.

К недостаткам двигателей этого типа можно отнести: большой воздушный зазор, что требует увеличения тока возбуждения, или более ’’сильных” постоянных магнитов: невысокая механическая прочность;

Таблица 2.6