Розділ 13. Виконавчі двигуни постійного струму
13.1. Загальна характеристика та будова виконавчих двигунів постійного струму
Мікродвигуни постійного струму, використовувані в автоматичних пристроях для перетворення електричного сигналу в механічне переміщення валу, називають виконавчими. Для роботи виконавчих двигунів характерні постійні зміни швидкості обертання, часті пуски, реверси й зупинки [37].
Ці двигуни широко застосовуються для привода механізмів дистанційного керування в літаках, лічильно-вимірювальних приладах і т. д. Двигуни повинні мати великий пусковий момент та малу електромеханічну сталу часу. Крім того, в літакових установках ставляться вимоги мінімальної ваги, надійності в роботі в широкому діапазоні температур оточуючого середовища: -60÷+85-110ºС, а в деяких випадках – +150-200ºС в умовах висотності й механічних вібрацій.
В інших випадках потрібна постійна швидкість обертання (гіроскопічні пристрої, вентилятори, сирени і т. і.).
Окрім цих, до виконавчих двигунів постійного струму ставиться й низка загальнотехнічних вимог. При цьому потрібне виконання окремих вимог, які часто суперечать одна одній. Тому доводиться приймати деякі компромісні рішення.
В слідкуючих системах найбільше розповсюджені двигуни серії СЛ з потужністю 3.5-230 Вт. Вони виконуються з різними системами збудження, реверсивними та універсальними. Якщо необхідна стабілізація швидкості обертання, то двигуни виконуються з відцентровими вібраційними регуляторами.
Для повторно-короткочасного режиму використовуються двигуни серії МУ й МУК, які виконуються з різними системами збудження. Реверсивні мають дві послідовні обмотки збудження (для обертання праворуч та ліворуч).
Для привода електромашинних підсилювачів (ЕМП) використовуються двигуни серій МИ та ПЛ.
Школа номінальних напруг виконавчих двигунів постійного струму у вольтах така: 4,6,12,18,22,24,25,27,36,50,55,60,80,90,110,127,220,260. Іноді якір та обмотка збудження живляться різними напругами. Потужність збудження знаходиться в межах 5÷65% від номінальної, а ККД - 25÷65%.
В залежності від конструкції якоря мікродвигуни постійного струму діляться на двигуни зі звичайним, порожнистим, дисковим, безпазовим (гладким) якорем та з печатною обмоткою. В мікродвигунах з якорем звичайного типу магнітний потік створюється постійним магнітом або електромагнітом. У останньому випадку магнітна система звичайно виконується повністю шихтованою. При збудженні постійними магнітами останні виконуються у вигляді циліндрів, скоб і т. д. При будь-якому збудженні магнітна система виконується не насиченою, щоб реакція якоря не впливала на швидкість обертання. Конструкція якоря й струмознімального механізму така ж як і у звичайних двигунів постійного струму. Виконавчі двигуни найчастіше виготовляють чотириполюсними, оскільки в цьому випадку покращується надійність роботи щіткового вузла за рахунок паралельної роботи двох однополярних щіток.
Сучасні слідкуючі системи автоматики мають такі малоінерційні елементи, що швидкодія системи визначається в основному виконавчим двигуном. Для підвищення швидкодії цих двигунів застосовують якір з легкої тонкостінної основи з немагнітного матеріалу. На поверхні такого якоря наноситься печатна або звичайна схема обмотки. Основа тонкостінного якоря виконується у вигляді порожнистого пластмасового стакана або диска. У першому випадку мікродвигун називають двигуном з порожнистим якорем (рис. 13.1.)
Рис. 13.1. Двигун з порожнистим якорем
В корпусі двигуна розташовані зовнішній 1 та внутрішній 2 статори. На зовнішньому статорі розташована обмотка збудження 3. Між статорами розташовується порожнистий якір з обмоткою 4. Обмотка якоря з'єднана з колектором 5. Струмознімання здійснюється за допомогою щіток 6.
Момент інерції порожнистого якоря малий. Тому електромеханічна стала часу Тм=0,015÷0,02 с. Іноді виконують двигуни з постійним магнітом всередині порожнистого якоря і зовнішнім магнітним ланцюгом (наприклад, двигуни серії ДПР). Відсутність насичення зубців дозволяє суттєво збільшити магнітну індукцію в повітряному зазорі, а отже – магнітний потік та обертаючий момент, у порівнянні з двигуном, який має якір звичайного типу, Це також підвищує швидкодію. Перевагою цих двигунів є незначна індуктивність секцій якоря (відсутність феромагнітного осердя). Це значно покращує умови комутації, підвищує перевантажувальну здатність двигуна й стабільність його характеристик.
Недоліком цих двигунів є необхідність збільшення МРС збудження у зв'язку з великим немагнітним зазором.
У зв’язку з цим дещо збільшується маса, габарити і втрати в обмотці збудження. Але в зв’язку з відсутністю втрат в сталі ККД цих двигунів досить високий (при номінальній потужності РN=1÷15 Вт η=30÷45%).
а) б)
Рис. 13.2. Двигун з дисковим якорем: а – конструкція; б – дисковий якір
Мікродвигуни з дисковим якорем (рис. 13.2.) мають печатну обмотку, розташовану на тонкому немагнітному диску (кераміка, текстоліт, алюміній). Збудження електромагнітне або магнітоелектричне. Магнітний потік, проходячи в аксіальному напрямі через два повітряні зазори та якір 1, замикається по двох кільцях з магнітом'якої сталі (ярма) 3 й 4. Постійні магніти 2 можуть розташовуватись або з одного боку диска (несиметрична магнітна система), або з двох боків (симетрична магнітна система). Провідники якоря наносяться з двох боків диску й з’єднуються між собою через крізні отвори. Процес виготовлення обмотки повністю механізований.
Для збільшення напруги машини обмотку виконують хвильовою, а для зменшення довжини лобових частин двигун виконують з числом полюсів 2р=6÷8. Інколи магніти виступають за зовнішні лобові частини. Тоді ці частини секції є також активними. Щоб збільшити потужність машини іноді застосовують двошарову печатну обмотку, шари якої розділені ізоляційною плівкою.
Двигуни з дисковим якорем виготовляють з потужностями в діапазоні 5Вт÷5кВт.
Звичайно ці машини не мають окремого колектора. Його роль виконують частини провідників на одному з боків диску. Для підвищення зносостійкості обмотки провідники в місцях контакту зі щіткою 5 (рис. 13.2.) покривають шаром радію або паладію в кілька мікронів. Але в деяких випадках для підвищення терміну служби якоря виготовляють спеціальний колектор. При цьому часто використовуються срібло-графітові щітки, які мають малий перехідний опір в щітковому контакті.
Для прискорення гальмування при знятті керуючого сигналу диск інколи виготовляють з алюмінію. Виникаючі при обертанні диска вихрові струми створюють гальмівний момент, який значно (у 10÷15 разів) зменшує усталену швидкість обертання, але збільшує швидкодію. Стала часу Тм для двигунів з дисковим якорем досягає 0,01÷0,017 с. Якщо диск виконано з алюмінію, то пуск та зупинка двигуна можуть відбуватись з частотою до 100 разів за секунду. При цьому Тм зменшується до 0,001 с.
Крім високої швидкодії та добрих умов комутації, ці двигуни мають добрі умови охолодження обмотки якоря. Це дає можливість підвищити густину струму до 30÷40 А/мм2 в тривалому та 100 А/мм2 – в короткочасному режимах роботи. Тому маса й габарити машини зменшуються. Двигуни практично безшумні, технологічні у виготовленні, порівняно дешеві.
З цих причин печатні обмотки застосовують в наш час для машин малої й середньої потужності. Недоліками машин з печатною обмоткою є велика МРС збудження у зв’язку зі збільшеним немагнітним зазором, менший ККД через велику густину струму й порівняно малий термін служби.
Крім розглянутих конструкцій, часто виконавчі двигуни виготовляють з безпазовим (гладким) якорем. При цьому обмотка розташовується на поверхні гладкого якоря. Вона виконується у два шари, заливається епоксидною смолою з феромагнітним заповнювачем. Шари стягуються склострічкою (рис. 13.3.).
Рис. 13.3. Безпазовий якір виконавчого двигуна
У зв’язку з більшим, ніж при зубчастому якорі, значенням індукції в повітряному зазорі та меншим моментом інерції якоря (збільшена довжина й менший діаметр) ці двигуни мають більшу швидкодію, ніж двигуни з якорем звичайного типу. Останнього часу ці якорі почали застосовувати й для машин малої та середньої потужності.
Для одержання більшої кратності пускового моменту при електромагнітному збудженні частіше застосовують послідовну обмотку. Але при PN<20Вт виконується паралельне збудження, а в деяких випадках – мішане. Досить часто застосовується магнітоелектричне збудження.
Двигуни з постійними магнітами прості за конструкцією, мають меншу масу й габарити у порівнянні зі звичайними двигунами, більший ККД у зв’язку з відсутністю втрат на збудження, менше нагріваються в роботі.
Недоліки їхні полягають в старінні магнітів та високій вартості магнітотвердих матеріалів.
Випускається велика серія двигунів з постійними магнітами ДПМ. За необхідністю підтримання постійної швидкості обертання двигуна іноді використовують відцентровий вібраційний регулятор швидкості (рис. 13.4.).
Рис. 13.4. Двигун з вібраційним регулятором
При зменшенні швидкості обертання контакт розмикається, послабляючи поле двигуна. В результаті цього магнітний потік пульсує біля деякого середнього значення, відповідного потрібній швидкості обертання.