Проектирование мехатронных узлов Божко

Схема универсального коллекторного двигателя

Работа коллекторных электродвигателей универсального типа основана на том, что если одновременно (или почти одновременно) поменять полярность питания на обмотках статора и ротора, направление результирующего момента останется тем же. При последовательной схеме возбуждения полярность меняется с очень небольшой задержкой. Так что направление вращения ротора остается тем же.

M = CМ∙Ф∙Iя = CМ∙(-Ф)∙(-Iя)

Если двигатель подключить к сети синусоидального переменного тока, то ток якоря Iя и магнитный поток Ф будут изменяться по синусоидальному закону:

где i - ток, А,

I max – амплитуда тока, А, ω – частота, рад/c.

где Фмаx – наибольшее значение магнитного потока, Вб,

δ – угол сдвига фаз между током возбуждения и магнитным потоком, обусловленный магнитными потерями в двигателе, рад.

После подстановок и преобразования получим:

Первая часть выражения представляет собой постоянную составляющую электромагнитного момента Mпост, а вторая часть — переменную составляющую этого момента Мпер, изменяющуюся во времени с частотой, равной удвоенной частоте напряжения питания.

Таким образом, результирующий электромагнитный момент при работе двигателя от сети переменного тока пульсирует. Пульсации электромагнитного момента практически не нарушают работу двигателя. Объясняется это тем, что при значительной частоте пульсаций электромагнитного момента и большом моменте инерции якоря вращение последнего оказывается равномерным.

Управление универсальным электродвигателем

Способы подключения универсального электродвигателя к сети питания:

-прямое подключение к сети питания;

-подключение через автотрансформатор;

-подключение через регулятор:

-симисторный

-транзисторный

Достоинства:

1.Высокий пусковой момент. Устройство может быстро набрать большое количество оборотов как в холодном, так и горячем состоянии.

2.Высокая удельная мощность. Универсальный мотор может работать с большей выходной мощностью чем аналоги, того же размера.

3.Небольшая цена. Стоимость мотора чуть выше чем обычного коллекторного и меньше чем бесколлекторного.

4.Простота конструкции. Несложное устройство обеспечивает простоту обслуживания и ремонта. 5.Большой общий рабочий ресурс. Основные детали довольно долговечны (за исключением щеток). 6.Портативность. Небольшие размеры электромотора позволяют использовать его в самых малых приборах

(дрель).

7.Простота управления. Мотор может регулироваться простым изменением напряжения.

Недостатки:

1.Шум и вибрация. В основном возникает из-за работы щеток на высоких оборотах.

2.Низкая эффективность. КПД устройств лежит в диапазоне 55-80%, при работе с переменным током он меньше чем с постоянным.

3.Неэффективен при работе с малым напряжением. Устройство практически бесполезно при работе с напряжением до 100В.

4.Щетки быстро изнашиваются. Из-за постоянного контакта щеток с коллектором требуется их периодическая замена или ремонт.

5.Доп. оборудование для некоторых задач. Эффективные конструкции имеют низкий момент и быстроходность, поэтому иногда необходим дополнительный редуктор.

Асинхронный электродвигатель. Принцип работы. Вращающееся магнитное поле в 3-х фазном АД. Расчет.

Асинхронные двигатели являются самыми распространёнными электромеханическими преобразователями. Суммарная мощность асинхронных двигателей составляет более 90% общей мощности всех существующих двигателей.

Асинхронные двигатели относятся к бесколлекторным машинам переменного тока или машинам с вращающимся магнитным полем. Название асинхронные (несинхронные) объясняется тем, что в статическом режиме работы скорость вращения ротора (вращающейся части) двигателя отличается от скорости вращения магнитного поля, т.е. ротор и поле вращаются несинхронно.

Причиной широкого распространения асинхронных двигателей является их предельная простота, надёжность и экономичность. Конструкция асинхронных двигателей не претерпела существенных изменений с 1889 года, когда эти двигатели были изобретены М.О. Доливо-Добровольским. Можно сказать, что асинхронные двигатели совместно с синхронными генераторами и трёхфазными линиями передачи и распределения электрической энергии образуют систему передачи механической энергии на расстояние.

Вращающееся магнитное поле

Работа асинхронного двигателя основана на взаимодействии электрического тока, протекающего в обмотке ротора, с вращающимся магнитным полем, возбуждаемым обмотками статора. Статор (неподвижная часть машины) асинхронного двигателя состоит из корпуса, сердечника и обмоток. Корпус является конструктивным элементом машины и практически не участвует в электромагнитных процессах. Сердечник статора изготавливается из листов электротехнической стали и представляет собой полый цилиндр, на внутренней поверхности которого имеются пазы для укладки обмоток. Конструктивная схема сердечника статора без обмоток и с сосредоточенными обмотками показана на рис.1.

Рис.1. Сердечник статора без обмоток (а) и с сосредоточенными 3-х фазными обмотками (б).

Оси трёх фазных обмоток статора смещены в пространстве по окружности пакета на 120°, а пазы с концами обмоток (X, Y, Z) отстоят от пазов, в которые уложены их начала (A, B, C) на 180°.

При подключении обмоток к трёхфазному источнику питания, протекающие в них токи

iA = Im sinωt; iB = Im sin(ωt - 2π/3); iC = Im sin(ωt + 2π/3)

возбуждают магнитные поля, оси которых совпадают с осями обмоток (рис.2), а максимальные значения индукции изменяются во времени по синусоидальным законам

BA = Bm sinωt; BB = Bm sin(ωt - 2π/3); BC = Bm sin(ωt + 2π/3).

Аналогично ведут себя и потоки ФА, ФВ, ФС.

Рис.2. Показаны три сосредоточенные фазные обмотки A – X, B – Y, C – Z, каждая в виде одного витка.

Высокий КПД и хорошие характеристики (свойства) асинхронный двигатель имеет тогда, когда наибольший магнитный поток статорной обмотки создается при наименьшем токе в ней, а магнитная индукция в воздушном зазоре между ротором и статором распределяется по закону синуса. Первое условие выполняется путем применения в каждой фазе многовитковых катушек, что позволяет получить необходимое значение намагничивающей силы при сравнительно малом значении тока в каждой фазе. Уменьшение силы тока в статорной обмотке ведет к снижению тепловых потерь в двигателе. Второе условие выполняется путем распределения витков каждой фазы по возможно большему числу пазов. Для примера, на рис.3 показана схема обмотки, когда каждая фаза (А, В, С) заполняет шесть пазов, т.е. катушка каждой фазы состоит из трех секций, а на рис.4 представлена развертка одной фазы этой обмотки и условно показаны пазы ротора.