2.2.4 Вентильные обращенные двигатели постоянного тока

Механический коммутатор в виде коллектора со щеточным аппаратом существенно снижает надежность и ресурс работы двигателя, т. к. имеет место износ щеток и коллектора. Искрение в коммутаторе приводит к появлению электромагнитных помех. Поэтому лучше коммутировать токи другим способом, например, с помощью электронного коммутатора (электронных ключей). Для этого делают обращенные двигатели – элементы статора и ротора меняют местами, на ротор ставят магниты 1, а на статоре располагают обмотки 2 (рис. 2.10).

Токи в обмотке коммутируют электронными переключателями – ключами 3. Ключи получают управляющий сигнал от датчика угла поворота ротора 4.

Такие или другие, схожие по принципу действия двигатели, довольно широко применяются в современных транспортных и других машинах, например, в виде кольцевого двигателя, встроенного в колесо.

источник

питания

1

2

2

3

4

Рис. 2.10. Двигатель с постоянными магнитами:

1 – магнит; 2 – обмотка; 3 – ключ; 4 – ротор

2.2.5 Механическая характеристика двигателя постоянного тока

Механическая характеристика двигателя с постоянными магнитами – зависимость n = f(M) между электромагнитным моментом M и скоростью вращения n при различных напряжениях U₁, U_2, U₃ на якоре (роторе коллекторного электродвигателя) – изображена на рис. 2.11.

n

n_дв

n_н

n₂

n₁

U_3н

U₂

U₁

M (I)

M₂

(I₂)

M_ст

M_н

(I_н)

M_п2

(I_п2)

M_п

(I_п)

Рис. 2.11. Механическая характеристика двигателя с постоянными магнитами

Согласно (2.2) и (2.3)

(2.5)

где – конструктивный коэффициент.

Так как для конкретного двигателя K_к = const, то электромеханическая характеристика n = f(I) имеет вид аналогичный механической характеристике.

Всегда статический (не зависящий от ускорения) электромеханический момент в точности равен моменту статической нагрузки на валу двигателя (действие равно противодействию) и не зависит от мощности двигателя. От мощности двигателя зависит так называемый номинальный момент M_н при номинальной нагрузке, номинальной скорости n = n_н, номинальном напряжении U_н = U_3н и номинальном токе I = I_н. Параметры P_н – номинальная мощность на валу двигателя, n_н, U_н, I_н указывают в паспорте двигателя. Значение М_н легко вычислить, т. к. P_н = M_нn_н /30.

При пуске двигателя на номинальном напряжении скорость n_дв = 0, а момент на валу равен пусковому моменту M_п (см. рис. 2.11, характеристика 3). По мере разгона двигателя скорость растет, а момент уменьшается. Когда момент двигателя сравняется со статическим моментом нагрузки M_ст, разгон прекращается, наступает установившееся движение со скоростью n_дв  n_н.

Максимальное ускорение наблюдается в момент пуска, оно может быть найдено исходя из основной формулы динамики

(2.6)

(2.7)

где M_ст – статическая составляющая момента нагрузки (технологический момент, момент сил трения и т. п.);

M_дин – динамическая составляющая момента нагрузки.

Для исключения перегрева двигателя и искрения на коллекторе нельзя превышать номинальный ток I_н, кроме кратковременного (на несколько секунд) периода во время пуска. Для изменения скорости при номинальном или меньшем токе (моменте) следует изменить напряжение на якоре. При U₁ и I_н получим n₁, при U₂ и I₂ – n₂ (рис. 2.11).

Напряжение можно менять плавно или ступенчато, соответственно получим плавное или ступенчатое изменение скорости. В двигателях с электромагнитным возбуждением (с электромагнитами) скорость можно также менять, регулируя магнитный поток. Обычно до номинального значения n_н скорость изменяют с помощью напряжения U, выше n_н скорость меняют, ослабляя магнитный поток. Предел скорости вращения определяется условиями коммутации токов на коммутаторе и механической прочностью якоря.

При пуске двигателя пусковой ток I_п может существенно превышать допустимый. Поэтому пуск часто осуществляют при пониженном напряжении и токе, например при U₂ и I_п2.

Д

n

вигатели с электромагнитами можно включить по двум основным схемам: схеме с независимым возбуждением, когда катушки электромагнитов подключают к отдельному (независимому) источнику питания, и схеме с последовательным возбуждением, когда катушки электромагнитов включают последовательно с обмотками якоря (включают в цепь питания якоря). В первом случае получают «жесткую» механическую характеристику, такую же, как при постоянных магнитах (рис. 2.11). Во втором случае имеют «мягкую» характеристику (рис. 2.12), т. е. при уменьшении нагрузки двигатель развивает очень большую скорость, а при увеличении нагрузки скорость резко падает. Это свойство используется в транспортных устройствах для обеспечения плавного разгона.

M

n

Рис. 2.12. «Мягкая» характеристика двигателя

Однако лучшими регулировочными свойствами обладают двигатели независимого возбуждения и с постоянными магнитами, поэтому в настоящее время они имеют преимущественное применение. Практически все современные электродвигатели малой мощности, так называемые микродвигатели, имеют устройство возбуждения с постоянными магнитами.

Двигатели средней мощности выполняются с постоянными магнитами и электромагнитами (более дешевый вариант). В двигателях большой мощности используются электромагниты.