Двигатели специального назначения

Помимо двигателей общего назначения, составляющих основу современного электропривода, в последние годы получают все более широкое распространение двигатели специального назначения. Для двигателей специального назначения характерна нетрадиционность конструктивного исполнения, причем в одном двигателе могут сочетаться несколько из приведенных ниже особенностей конструкции. Применение таких двигателей позволяет упростить электропривод и придать ему некоторые свойства, которые двигатели общего назначения не обеспечивают.

Ниже приведены отличительные черты и области применения некоторых двигателей специального назначения. Основные технические данные даны для двигателей, которые встречаются достаточно часто при проведении наладочных работ.

Двигатели с внешним ротором отличаются от двигателей общего назначения тем, что их статор находится внутри ротора. Наружная поверхность ротора таких двигателей образована ободом, форма которого зависит от назначения двигателя, т. е. она может быть в виде колеса, шкива, ролика или просто массивного элемента — маховика. Данную конструкцию, иногда называемую обращенной, применяют в асинхронных двигателях, например, для электроинструмента или в качестве двигателя-маховика для привода механизмов, требующих равномерного вращения при неравномерной нагрузке на вал.

Гистерезисные двигатели с внешним ротором получили широкое применение в гидроскопических приборах в качестве гидродвигателей для обеспечения большего момента инерции и большей частоты вращения. Гистерезисный двигатель является синхронным двигателем, ротор которого представляет собой массивный цилиндр без обмотки, выполненный из магнитотвердого материала[1]. Вращающий момент гистерезисного двигателя складывается из двух составляющих — момента, создаваемого взаимодействием вращающегося магнитного поля двигателя с вихревыми токами ротора и момента, возникающего из-за явления гистерезиса при перемагничивании материала (гистерезисный момент). Двигатели такого типа выпускают на мощности от долей ватта до нескольких сотен ватт при частоте питающего тока 50—500 Гц. Благодаря простоте конструкции эти двигатели надежны в работе, долговечны, бесшумны и могут работать с различной частотой вращения. Их КПД достигает 80 %.

Двигатели с малоинерционным ротором применяют для производственных механизмов, где требуется быстрое изменение частоты вращения или направления движения рабочих органов.

Высокое быстродействие, требующее от приводного двигателя значительных ускорений вращения вала, достигается следующими способами: повышением индукции магнитного поля двигателя, что реализуется и в двигателях общего назначения; выполнением ротора (якоря) двигателя с минимально возможной массой и с максимально возможным отношением длины к радиусу; увеличением тока в обмотках двигателя. Наибольшее распространение получили конструкции двигателей с полным цилиндрическим ротором и с дисковым (торцевым) ротором. Эти конструкции используют для двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей, применяемых в регулируемом электроприводе.

Двигатели постоянного тока с полным цилиндрическим якорем малой мощности (микродвигатели с мощностью до десятков ватт) выпускают с возбуждением от постоянных магнитов с проводниковой обмоткой якоря и применяют в системах автоматики.

Изготавливают также двигатели мощностью до нескольких киловатт. Их якори имеют печатную обмотку, которая представляет собой систему из плоских медных проводников небольшой толщины, расположенных на внутренней и внешней поверхностях полого цилиндра, выполненного из изоляционного материала. Изоляцией между проводниками служат воздух и материал якоря. Проводники наносятся на поверхность якоря фотохимическим способом.

Асинхронные двигатели с полым цилиндрическим ротором работают по тому же принципу, что и асинхронные двигатели с массивным ротором. Обычно такие двигатели имеют две сдвинутые в пространстве обмотки — возбуждения и управления. На обмотку возбуждения подается напряжение сети. Обмотка управления служит для регулирования частоты и направления вращения двигателя, которое осуществляется при помощи подачи на нее соответствующего напряжения.

Различают две группы таких двигателей — двигатели с немагнитным ротором и двигатели с ферромагнитным ротором. Более широко применяют двигатели с немагнитным ротором, которые изготавливают, в основном, на небольшие мощности (до нескольких десятков ватт) из-за низкого коэффициента мощности и КПД. Их энергетические показатели имеют низкие значения, что обусловлено большим воздушным зазором двигателя, который складывается из зазора между статором и ротором и толщины самого ротора.

Двигатели постоянного тока с дисковым якорем имеют плоскую форму, что является характерной особенностью их конструкции. Якорь у таких двигателей выполнен в виде плоского диска из текстолита или керамики, на котором располагается, как правило, печатная обмотка, наносимая на диск фотохимическим способом.

Асинхронные двигатели с дисковым ротором широкого распространения не получили.

Двигатели постоянного тока с увеличенной длиной якоря используют, например, в приводах рабочих органов станков, которым требуется высокое быстродействие и большой диапазон регулирования частоты вращения. Основной конструктивной особенностью этих двигателей является увеличенная длина и уменьшенный диаметр якоря. В электродвигателях типа ПБСТ это позволяет полнее использовать возможности безынерционного тиристорного преобразователя. Двигатели постоянного тока с увеличенной длиной якоря являются двигателями смешанного возбуждения. Их полюсы и обмотки включены последовательно.

Двигатели с гладким якорем применяют там, где необходимо повышенное быстродействие электропривода в сочетании с большим вращающим моментом. Конструктивная особенность этого двигателя заключается в том, что проводники обмотки якоря располагаются не в пазах пакета якоря, как обычно, а находятся непосредственно на поверхности гладкого якоря. Такое расположение проводников способствует более интенсивному охлаждению и улучшает условия коммутации тока, что позволяет повысить ток в обмотке якоря и, соответственно, развиваемый двигателем вращающий момент.

Двигатели с гладким якорем допускают 8—10-кратные пусковые токи, что уменьшает время пуска двигателя, т. е. увеличивает его быстродействие. Это в 4 раза больше, чем у двигателей с традиционной конструкцией якоря. Развиваемый при этом вращающий момент в 6—7 раз превышает номинальный и в 2—3 раза допустимый момент двигателя с обычным якорем. Повышению быстродействия двигателя из-за снижения его момента инерции способствуют также удлиненная конструкция и малый внешний диаметр якоря.

Бесконтактные двигатели постоянного тока имеют такие же характеристики, как и двигатели с обычным коллектором. Их применяют там, где требуется повышенная надежность и минимальные затраты на эксплуатацию. В этих двигателях отсутствует искрение, которое наблюдается в коллекторно-щеточном узле обычного двигателя. При работе они не создают радиопомех и дополнительного шума, и их можно применять во взрывоопасных помещениях и средах. В основном это двигатели небольшой мощности, используемые в устройствах автоматики.

Изменение направления тока в проводниках якорной обмотки при изменении их положения относительно полюсов магнитного поля статора, необходимое для работы двигателя и обеспечиваемое в обычных двигателях постоянного тока с помощью коллектора, в бесконтактных двигателях обеспечивается мостовой переключающей схемой с бесконтактными полупроводниковыми ключами и датчиком положения, управляющим этими ключами. В качестве ключей для электродвигателей небольшой мощности используют транзисторы, для двигателей средних и больших мощностей — тиристоры. В некоторых конструкциях двигателей нашли применение герметичные контакты (герконы).

В качестве датчиков положения обычно используют различные магниточувствительные резисторы и магнитодиоды, значение внутреннего сопротивления которых зависит от значения внешнего магнитного потока. Применяют также емкостные датчики и датчики, использующие лучевую энергию.

Бесконтактные двигатели постоянного тока широко используют для привода компрессоров, насосов, шлифовальных и сверлильных станков и др.

Шаговые двигатели и созданные на их базе дискретные приводы применяют там, где рабочие органы механизмов при выполнении ими производственных операций должны перемещаться дискретно (шагами). Это требуется, например, для киносъемочной и проектной аппаратуры, механизмов подач различных станков и др.

Отличием шаговых двигателей от двигателей непрерывного вращения является дискретная форма преобразования энергии. Дискретность преобразования достигается импульсным питанием и реализуется в виде угловых и линейных перемещений — шагов. Значение перемещения строго фиксировано и определяется конструкцией двигателя и схемой коммутации обмоток. Частота вращения (а для линейных двигателей — перемещение) реализуется изменением частоты следования управляющих импульсов.

Диапазон мощностей таких двигателей составляет от 5 • 10 4 Вт до нескольких киловатт, угловой шаг — от единиц до десятков градусов, вращающий момент — от КГ5 до 100 Н • м.

Шаговые двигатели обладают большим диапазоном регулирования частоты вращения, быстродействием и высокой точностью отработки заданных команд. Кроме того, большинство шаговых двигателей — бесконтактные с безобмоточным ротором, и срок их службы практически определяется только работоспособностью подшипникового узла.

Шаговые двигатели бывают однофазные, двухфазные и многофазные, они могут иметь активный или пассивный ротор.

Шаговые двигатели с активным ротором имеют ротор, обладающий собственным, не зависящим от статора магнитным полем. Ротор выполняется либо с электромагнитным возбуждением (обмотка и контактные кольца), либо из постоянных магнитов. В последнем случае двигатели называют магнитоэлектрическими. Магнитоэлектрические двигатели обладают высокой экономичностью и надежностью в работе, имеют небольшие габариты и малую массу. Шаг двигателей составляет от 90 до 15°.

Шаговые двигатели с пассивным ротором имеют ротор, выполненный из ферромагнитного, магнитомягкого материала. Конструктивной его особенностью является отсутствие на роторе обмотки возбуждения. Шаг двигателя с пассивным ротором обычно значительно меньше, чем двигателя с активным ротором.

Однокоординатные линейные шаговые двигатели предназначены для привода насосов, вытеснителей, дозаторов поступательного действия и особенно выгодны в устройствах, где требуется регулирование хода и скорости перемещения поршня.

Промышленность выпускает также двухкоординатные линейно-поворотные шаговые двигатели и многокоординатные шаговые двигатели, предназначенные для работы в автоматических системах технологических линий и в приводах манипуляторов.

Редукторные двигатели — двигатели переменного тока с электромагнитным снижением (редуцированием) частоты вращения.

Наличие механической передачи в обычных двигателях для снижения частоты вращения создает дополнительный шум при работе, снижает надежность работы электропривода, увеличивает его массу и габариты. Редукторные двигатели лишены этих недостатков. Поскольку энергетические показатели редукторных двигателей низки (КПД обычно не превышает 40 %, a cos ср не превышает 0,2), их выпускают обычно на небольшие мощности (до десятков ватт).

Для повышения быстродействия редукторных двигателей разработаны конструкции с малоинерционным ротором. Существует множество различных типов редукторных двигателей переменного тока (рис. 3.9).

Классификация редукторных электродвигателей

Рис. 3.9. Классификация редукторных электродвигателей

Двигатели с катящимся ротором имеют малую частоту вращения и сочленяются с производственными механизмами, требующими малых скоростей движения рабочих органов при значительных вращающих моментах без понижающего редуктора. Они применяются, например, в часовых механизмах, манипуляторах, станках для намотки проволочных потенциометров и др.

Появление двигателей с катящимся ротором связано с одним из направлений развития безредукторного электропривода. Мощность изготавливаемых двигателей составляет от долей ватта до нескольких киловатт.

Отличительным признаком этих двигателей является несовпадение осей статора и ротора (эксцентриситет ротора). В настоящее время существует много модификаций и типов исполнения этих двигателей. Их классификацию проводят по многим признакам: например, мощности, режиму работы, роду тока, конструктивному исполнению, способу возбуждения, характеру движения ротора и др.

Принцип действия двигателя основан на том, что его статор создает в воздушном зазоре несимметричное вращающееся магнитное поле, которое имеет резко выраженный максимум магнитной индукции. При непрерывном вращении такого поля ротор будет непрерывно перекатываться по поверхности статора вслед за максимумом индукции этого поля, и ось ротора будет вращаться вокруг оси статора с частотой вращения магнитного поля, а сам ротор будет вращаться вокруг собственной оси в противоположную сторону со значительно меньшей частотой, равной

п = п

і

(3.20)

где п — частота вращения ротора, об/мин; я, — частота вращения магнитного поля, об/мин; /)е — диаметр окружности качения статора, м; /)р — диаметр ротора, м.

Коэффициент редукции частоты вращения, определяемый

отношением —

Ос

достигает значения, равного 1500.

Для передачи несоосного вращения вала ротора применяют, например, карданную передачу.

Основным достоинством двигателей с катящимся ротором являются высокие динамические показатели работы, т. е. малое время пуска, реверса и торможения, большой пусковой момент при относительно небольшом пусковом токе, отсутствие в большинстве конструкций подвижных электрических контактов и высокоскоростных подшипников. Энергетические показатели работы улучшаются по мере увеличения мощности этих двигателей.

К недостаткам двигателей, сдерживающим его широкое применение, в первую очередь, следует отнести сложность конструкции самого двигателя и необходимость применения специальных устройств для передачи несоосного движения ротора. Работа таких двигателей сопровождается шумом и вибрациями, а при наличии ударных нагрузок вращение двигателя нестабильно.

Волновые двигатели также, как и двигатели с катящимся ротором, применяют для снижения частоты вращения электропривода, когда требуется значительный вращающий момент. Эти двигатели сочетают в себе специфические свойства электрической машины и волновой передачи, являющейся разновидностью зубчатой передачи, и в которой крутящий момент передается волнами деформации гибкого элемента.

Отличительная особенность конструкции волнового двигателя — наличие гибкого цилиндрического ротора, который может деформироваться в радиальном направлении. Магнитное поле такого двигателя выполняет роль электромагнитного генератора механических волн деформации, необходимого для работы волновой передачи, т. е. на ферромагнитгый ротор действует сила магнитного притяжения, ось которой совпадает с положением максимума магнитной индукции также, как в двигателе с катящимся ротором, но в отличие от него в результате действия этой силы зубчатый венец ротора деформируется и входит в зацепление с зубчатым венцом статора в двух диаметрально противоположных точках окружности статора.

Зубчатые венцы статора и ротора изготавливают с различным числом зубцов, поэтому при вращении поля статора и, следовательно, вращении волны деформации ротора, его зубчатый венец обкатывает зубчатый венец статора, а сам ротор совершает еще медленное вращение вокруг своей оси аналогично вращению ротора двигателя с катящимся ротором. Передаточное отношение достигает значения, равного 100, а частота вращения ротора определяется формулой:

п = п

(3.21)

где Zp — число зубцов ротора; Zc — число зубцов статора.

Основными достоинствами такого двигателя являются, как уже указывалось, низкая частота вращения при значительном вращающем моменте, а также меньшая масса и габариты, чем у двигателей с механическим редуктором. Двигатель обладает хорошим быстродействием и останавливается при отключении напряжения практически без выбега. Уровень его вибрации значительно ниже, чем у двигателя с катящимся ротором, а волновая передача отличается высокой кинематической точностью отработки перемещений, надежностью и долговечностью в работе.

Широкое применение волновых двигателей ограничено сложностью конструкции и технологии изготовления гибкого ротора. Невысокие энергетические показатели делают нецелесообразным выпуск этих двигателей на средние и большие мощности.

Линейные двигатели применяют там, где требуется поступательное или возвратно-поступательное движение рабочих органов производственных механизмов, например, в механизмах передач различных станков, прессов, молотов, в тяговых электроприводах транспортных машин и др.

Линейные электродвигатели развивают большие усилия, что во многих случаях позволяет отказаться от редуктора. Их применение упрощает или полностью исключает механическую передачу, преобразующую вращательное движение двигателей в прямолинейное движение рабочего органа, и повышает надежность работы производственного механизма.

Принцип действия линейного двигателя основан на том, что один из элементов магнитной системы разомкнут и имеет развернутую обмотку, создающую бегущее магнитное поле, а другой выполнен в виде направляющей, обеспечивающей передвижение подвижной части двигателя.

Различают линейные двигатели постоянного и переменного тока (синхронные и асинхронные). Наибольшее распространение получили асинхронные линейные двигатели, применение которых наиболее перспективно в электрическом транспорте в сочетании с магнитными подвесками и воздушными подушками, так как при их применении сила тяги не зависит от силы сцепления колес с рельсовым путем, что недостижимо для обычных систем электрической тяги.

Мощность выпускаемых в настоящее время линейных двигателей составляет от нескольких ватт, например, для привода самопишущих измерительных приборов, до тысяч киловатт для промышленного транспорта.

Самотормозящиеся двигатели применяют для повышения производительности механизмов, рабочие органы которых периодически пускаются и останавливаются, например, в грузо-подъемных механизмах, некоторых станках и электрогидравли-ческих толкателях.

Основной отличительной особенностью этих двигателей является единая электромагнитная система двигателя и тормоза, которая в ряде случаев обеспечивает повышение его технико-экономических показателей по сравнению с использованием динамического торможения и торможения противовключением, а также механических или встраиваемых в двигатель и управляемых с помощью электромагнитов тормозных устройств, включаемых в кинематическую цепь двигатель — редуктор — рабочий орган.

К числу наиболее распространенных самотормозящихся двигателей относятся двигатели с коническим смещающимся ротором. При его пуске магнитное поле статора, имеющего также коническую форму, при взаимодействии с ротором создает не только вращающий момент на валу, но и из-за конусности ротора — силу, втягивающую ротор внутрь статора до упора, что гарантирует необходимый воздушный зазор. При этом смещается вал двигателя, отводя вентилятор с расположенными на нем тормозными колодками от подшипникового щита и сжимая пружину. Пружина при снятии напряжения с обмоток статора сдвигает ротор в исходное положение, в котором тормозные колодки, прилегая к поверхности щита, создают тормозной момент.

Самотормозящиеся двигатели имеют низкие энергетические показатели. Область применения этих двигателей ограничивает также сложность технологии их изготовления и необходимость квалифицированного монтажа.

Пьезоэлектрические двигатели выпускают мощностью до нескольких ватт. Действие таких двигателей основано на преобразовании электрической энергии в механическое перемещение ротора или якоря, осуществляемое за счет обратного пьзоэлек-трического или пьезомагнитного эффекта, который состоит в линейном изменении (деформации) пьезоэлемента при изменении приложенного к нему электрического ПОЛЯ.

Кроме отсутствия обмоток и простоты технологии изготовления этих двигателей, их достоинством является высокая удельная мощность, большой КПД, широкий диапазон частот вращения и моментов на валу, хорошие механические характеристики и отсутствие излучаемых магнитных полей.

  • [1] Магнитотвердые материалы — материалы, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях напряженностью до десятков килоампер на метр и обладают высоким значением остаточной магнитной индукции. Из этих материалов, к которым относится, например, феррит, изготовляют постоянные магниты. Магнитомягкие материалы намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно слабых магнитных полях напряженностью до сотен ампер на метр. Из них изготовляют электротехнические стали.
 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >