Исполнительные двигатели

1.Общие положения

Исполнительными двигателями (ИД) называются двигатели, которые применяются в системах автоматического управления и регулирования различных автоматизированных установок и предназначены для преобразования электрического сигнала (напряжение управления), получаемого от какого-либо измерительного органа, в механическое перемещение (вращение) вала с целью воздействия на соответствующий регулирующий или управляющий аппарат. В случае если напряжение и мощность сигнала малы для управления исполнительным двигателем, то применяются промежуточные усилители мощности (магнитные, электронные, полупроводниковые).

Номинальная мощность исполнительных двигателей обычно мала — от долей ватта до 500—600 Вт.

Требования, предъявляемые к исполнительным двигателям.

1. Быстродействие. ИД должен реагировать на входящий сигнал мгновенно;

2. Безинерционность. ИД должен останавливаться мгновенно после снятия входного сигнала с обмотки управления;

3. Большой пусковой момент, что так же влияет на быстробействие;

4. Независимость параметров и характеристик двигателя от температуры, давления, влажности;

5. Отсутствие самохода. Те. отсутствие вращения вала при снятии сигнала с обмотки управления.

6. Линейность основных характеристик. Например, график зависимости скорости вращения ИД от величины входного сигнала должен представлять собой прямую линию. Это позволяет найти постоянный коэффициент, (число) связывающий величину входного сигнала и скорости вращения. Постоянный коэффициент облегчает расчеты параметров, двигателя, то упрощает использование ИД в автоматических системах.

Существует ряд разновидностей исполнительных двигателей постоянного и переменного тока.

2.Асинхронные исполнительные двигатели

В настоящее время используются :

- асинхронные ИД с полым немагнитным ротором;

-асинхронные ИД с фазным ротором;

2.1.Асинхронный исполнительный двигатель

с полым немагнитным ротором

Двигатели с полым немагнитным ротором являются в настоящее время весьма распространенными исполнительными двигателями переменного тока. Они применяются в различных схемах автоматических устройств. Мощность двигателей с полым немагнитным ротором от десятых долей ватта до нескольких сотен ватт. Двигатели рассчитываются как для промышленной частоты (50 Гц), так и для повышенных частот (200, 400, 500 Гц). Частота вращения двигателей колеблется от 1500 до 30 000 об/мин.

Конструктивное устройство одного из двигателей с полым немагнитным ротором представлено на рис. 1.

Основными частями такого ИД являются:

1. Внешний статор

2. Полый немагнитный ротр

3. Внутренний статор.

Внешний статор. Внешний статор такого двигателя ничем не отличается от статора обычного асинхронного двигателя. Он представляет собой стальное кольцо 2, собранное из листовой электротехнической стали, по внутренней поверхности которого расположены пазы, в которые укладываются две распределённые обмотки 4, изготовленные из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения. Оси этих обмоток смещены в пространстве на 90 электрических градусов.

Рисунок 1 - Схема конструкции асинхронного исполнительного двигателя с полым

немагнитным ротором:

Ротор. Полый ротор 5 изготовляется в виде тонкостенного цилиндра из немагнитного материала, чаще из сплавов алюминия. Своим дном ротор жестко укрепляется на оси , которая свободно вращается в подшипниках. Толщина стенок ротора зависит от мощности двигателя и колеблется в пределах от 0,1 до 1 мм. Вследствие весьма малой массы ротор обладает незначительным моментом инерции, что является очень ценным свойством двигателя с полым немагнитным ротором, способствующим его широкому распространению. Между стенками ротора и статорами имеются воздушные зазоры, которые обычно составляют 0,15...0,25 мм.

Внутренний статор 3 представляет собой цилиндр, который набран из листов электротехнической стали и закреплен на выступе одного из подшипниковых щитов по центру двигателя. При работе двигателя полый ротор вращается вокруг внутреннего статора.

Назначение внутреннего статора – заполнить пространство внутри полого ротора, тем самым усилить магнитный поток, создаваемый обмоткой внешнего статора.

Обмотки статора. Статор ИД имеет две обмотки, расположенные под углом 90градусов. Одна обмотка является обмоткой возбуждения (рабочая обмотка) На нее переменное напряжение подается постоянно и не изменяется по величине. Вторая обмотка является управляющей. На нее подается управляющее напряжение, которое может регулироваться оператором или по сигналу с датчиков. Обмотки могут быть запитаны отдельно или же по мостиковой схеме (рис .2).

Простейшая (учебная) схема подключения ИД с немагнитным ротором представлена на рис 3. Конденсатор С предназначен для сдвига фазы между обмотками и создания тема самым вращающегося магнитного поля. Сигнал на обмотке управления регулируется с помощью сопротивления R

Рис.2 Варианты подключения обмоток ИД : а) независимое подключение; б) мостиковая

схема.

Рис 3. Упрощенная схема управления ИД

.

Принцип действия двигателя с полым немагнитным ротором состоит в следующем: переменный ток, протекая по обмоткам статора, создает вращающее магнитное поле, которое, пересекая полый ротор, наводит в нем вихревые токи; в результате взаимодействия этих токов с вращающимся магнитным полем двигателя возникает момент, который, действуя на ротор, увлекает его в сторону этого поля.

Особенности констркуции ИД в зависимости от габаритов.

Корпус и подшипниковые щиты в микромашинах выполняются из алюминиевых сплавов. В крупных машинах эти части конструкции выполняются обычно сварными из стальных листов необходимой толщины, реже литыми. Подшипники чаще всего используются шариковые качения, а в крупных машинах - роликовые. Если от двигателя требуется бесшумная работа, применяют подшипники скольжения – бронзовые или бронзографитные. В микромашинах используются полузакрытые пазы для укладки обмоток – рисунок 4. Внутреннюю поверхность паза изолируют 1, заполняют проводниками обмотки 2 и закрепляют проводники деревянными или пластмассовыми клиньями 3. На рисунке 4 показан паз, выполненный на внешнем магнитопроводе,

Рисунок 4 - Полузакрытый паз магнитопровода

Схема включения асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором показана на рисунке 3.

В двигателях мощностью менее 3 Вт обмотки возбуждения и управления размещаются в пазах внутреннего статора, и тогда внешний статор не имеет пазов и служит лишь для уменьшения магнитного сопротивления. При такой конструкции весьма облегчается процесс укладки обмоток, но особенности укладки обмотки влект за собой некотрое увеличение габаритов ротора, что приводит к увеличению инерции ротора (уменьшению быстродействия). Для устранения этого недостатка иногда используется третья конструктивная форма двигателя: одна из обмоток размещается на внутреннем, а другая - на наружном статоре.

Рис5.Для тех, кто еще не понял: упрощенное изображение ИД с полым ротором.

Способы управления асинхронными ИД

Пуск, регулирование скорости и остановка исполнительных двигателей осуществляются путем амплитудного, фазового и амплитудно-фазового управления.

При амплитудном управлении напряжение U на зажимах обмотки возбуждения поддерживают неизменным, а изменяют только амплитуду напряжения Uy. Сдвиг фаз между этими напряжениями, благодаря всключенному конденсатору, равен 90° (рис. 1, а).

Фазовое управление характерно тем, что напряжения U и Uy остаются неизменными, а сдвиг фаз между ними регулируют поворотом ротора фазорегулятора (рис. 1, б).

Фазорегулятор — индуктивная электрическая машина, конструктивно представляющая собой асинхронную машину с фазным заторможеным ротором, которая предназначается для регулирования фазы напряжения вторичной обмотки.

Амплитудно-фазное управление. В этом случае конденсатор устанавливается в цепь обмотку возбуждения. В это случае, хотя регулируют только амплитуду напряжения Uy, но при этом, из-за наличия конденсатора в цепи возбуждения и электромагнитного взаимодействия фаз обмотки статора, происходит одновременное изменение фазы напряжения на зажимах обмотки возбуждения и сдвига фаз между этим напряжением и напряжением на зажимах обмотки управления (рис. 1, в).

.

Различие между этими режимами заключается в том, что эллиптическое вращающееся магнитное поле становится круговым (и возникает наибольшее КПД) только при определенных условиях работы ИД. Следовательно, для каждой автоматической системы нужно выбирать тот способ управления, который наиболее выгоден. Например, при амплитудном управлении круговое вращающееся магнитное поле наблюдается при номинальном сигнале независимо от скорости ротора, а при уменьшении его оно становится эллиптическим. В случае фазового управления круговое вращающееся магнитное поле возбуждается только при номинальном сигнале и сдвиге фаз между напряжениями U и Uy равным 90° независимо от скорости ротора, а при ином сдвиге фаз оно становится эллиптическим. При амплитудно-фазовом управлении круговое вращающееся магнитное поле существует только при одном режиме — при номинальном сигнале в момент пуска двигателя, а затем по мере разгона ротора оно переходит в эллиптическое.

При всех способах управления скорость ротора регулируют изменением характера вращающегося магнитного поля, а перемену направления вращения ротора осуществляют изменением фазы напряжения, подведенного к зажимам обмотки управления, на 180°.