Auto-park24.ru

Журнал "Автопарк"
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Характеристики двигателей постоянного тока с постоянными магнитами

Двигатель постоянного тока работа

В 1821 году Фарадей, проводя эксперименты при взаимодействии проводников с током и магнитом, увидел, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита. Таким образм, опыт Фарадея подготовил почву для создания электрического двигателя. Немногим позже, Томас Дэвенпортв 1833 году изготовил первый роторный электродвигатель, и реализовал его при движении модель поезда. Годом позже, Б. С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором был использован принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. А уже 13 сентября 1838 г в Российской империи первая моторная лодка с 12 пассажирами поплыла по Неве против течения. Колеса с лопостями приводились во вращение электрическим двигателем, который получал ток от батареи из 320 элементов.

В 1886 году электродвигатель стал похож на современные варианты. В дальнейшем он всё более и более модернизировался.

Сегодня жизнь нашей техноргенной цивиализации совершенно невозможна без электродвигателя. Он используется практически везде: в поездах, троллейбусах, трамваях. На заводах и фабриках используются мощные электрические станки, приборы бытовой техники (Электромясорубки, кухонные комбайны, кофемолки, пылесосы) и т.п

Сегодня, двигатели постоянного тока с постоянным магнитом широко используются в различных приложениях, где важны маленькие габариты, большая мощность и низкая стоимость. В связи с неплохой скоростью вращения, их часто применяют вместе с редуктором получая на выходе низкую скорость и существенное увеличение крутящего момента.

ДПТ с постоянным магнитом — это двигатели с достаточно простым устройством и элементарным управлением. Не смотря на то, что управление ими очень простое, скорость их вращения не определяется управляющим сигналом, т.к она зависит от множества факторов, прежде всего от прилагаемой на вал нагрузки, и постоянного напряжения питания. Соотношение идеального крутящего момента двигателя и скорости — линеарное, т.е чем больше нагрузка на вал, тем медленнее скорость и тем больше ампер в обмотке.

Подавляющее большинство электродвигателей работает в соответствии с физикой магнитного отталкивания и притяжения. Если между северным и южным полюсами магнита поместить проволоку и пропустить по ней электрический ток, то ее начнет выдавливать наружу.Т.к когда ток течет по проводнику, он формирует вокруг себя кмагнитное поле по всей длине проводника. Направление этого поля можно узнать по правилу буравчика.

При взаимодействии кругового магнитного поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами поле с одной стороны уменьшается, а с другой увеличивается. То есть среда результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, в соответствии с правилом левой руки. , а величина вычисляется по формуле

В электродвигателях малой мощности для создания постоянного магнитного поля используются типовые постоянные магниты. В случае средней и большой мощности однородное магнитное поле генерируют с помощью обмотки возбуждения.

Рассмотрим процесс получения механического движения с помощью электричества более подробно. В однородном магнитном поле вертикально разместим проволочную рамку и подключим ее к источнику постоянного напряжения. Рамка начнет проворачивается и достигает горизонтального положения. Которое считается нейтральным, т.к в нем воздействие поля на проводник с током равно нулю. Чтобы движение не останавливалось, нужно поместить ещё хотя бы одну рамку с током и обеспечить переключение направления движения в необходимый момент.

Типичный двигатель вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в специальные пазы, а вместо постоянного магнита — статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полюсами. На рисунке чуть выше показан двухполюсный электромотор в разрезе. Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас», а в нижней части — «на нас», то в соответствии с правилом левой руки верхние проводники будут выдавливаться из магнитного поля статора влево, а нижней части якоря — выталкиваться вправо. Т.к медный провод размещен в специальных в пазах якоря, то, вся сила будет переходить и на него, и он будет крутиться. Поэтому, когда проводник с токовым направлением «от нас» окажется внизу и станет против южного полюса создаваемого статором двигателя, то он будет выдавливаться в левую сторону, и начнется торможение. Чтобы этого избежать требуется поменять токовое направление на обратное, в тот момент когда будет пройдена нейтральная линия. Это осуществляется с помощью коллектора – специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с схемой.

Итак, обмотка якоря двигателя передает вращающий момент на вал движка постоянного тока, а тот приводит в движение рабочие механизмы. Конструктивно все двигатели состоят из индуктора и якоря, разделенных воздушным промежутком.

Статор электродвигателя служит для создания неподвижного магнитного поля и состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина предназначена для крепления основных и добавочных полюсов и служит элементом магнитной цепи. На главных полюсах имеются обмотки возбуждения, используемые для создания магнитного поля, на добавочных полюсах расположена специальная обмотка, используемая для улучшения условий коммутации.

Якорь двигателя состоит из магнитной системы, сделанной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной в специальные пазы, и коллектора для подвода к рабочей обмотке питания.

Коллектор похож на цилиндр, насаженный на вал ЭД и сделанный из изолированных друг от друга медных пластин. На коллекторе находятся специальные выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки. Съем тока с коллектора происходит с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки находятся в щеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и создают требуемое нажатие на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели крепятся на траверсе и связанны с корпусом.

Коллектор сложный, дорогой и самый ненадежный узел двигателя постоянного тока. Он часто искрит, создает помехи, забивается пылью от щеток. А при большой нагрузке может все закоротить наглухо. Его главная задача переключать напряжение якоря туда сюда.

Чтобы лучше понять работу коллектора сообщим рамке вращательное движение в направлении по часовой стрелке. В момент, когда рамка займет положение, А, в ее проводниках будет индуктироваться максимальный по величине ток, так как проводники пересекают магнитные силовые линии, двигаясь перпендикулярно к ним.

Индуктированный ток из проводника В, соединенного с пластиной 2, следует на щетку 4 и, проходя внешнюю цепь, через щетку 3 возвращается в проводник А. При этом правая щетка будет положительной, а левая отрицательной.

Дальнейший поворот рамки (положение В) приведет снова к токовому индуктированию в обоих проводниках; однако направление тока в проводниках будет противоположно тому, которое они имели в положении А. Так как вместе с проводниками повернутся и коллекторные пластины, то щетка 4 снова будет отдавать электрический ток во внешнюю цепь, а по щетке 3 ток будет возвращаться в рамку.

Поэтому, несмотря на изменение токового направления двигателя в самих вращающихся проводниках, благодаря переключению, направление тока во внешней цепи не изменилось.

В следующий момент (Г), рамка вторично займет положение на нейтральной линии, в проводниках и, во внешней цепи ток течь опять не будет.

В последующие временные интервалы рассмотренный цикл движений будет повторяться в той же последовательности, т.о, направление тока во внешней цепи благодаря коллектору все время будет оставаться постоянным, а вместе с этим сохраняеться и полярность щеток.

Щеточный узел используется для подвода питания к катушкам на вращающемся роторе и токового переключения в обмотках. Щетка это неподвижный контакт. Они с большой частотой размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора. Для уменьшения искрения последних используют различные способы, основным из которых является использование добавочных полюсов.

С ростом разгона начинается следующий процесс, обмотка якоря двигаясь поперек магнитного поля статора и наводит в нем ЭДС, , но направлена она встречно той, что вращает двигатель. И в результате, ток через якорь резко уменьшается и тем сильнее, чем больше скорость.

Схемы включения двигателя. При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря изготавливается из большого количества витков тонкой проволоки. Тогда коммутируемый коллектором ток будет ниже и пластины не будут сильно искрить. Если выполнить последовательное соединение обмоток статора и якоря, то обмотка индуктора выполняется проводником большего диаметра с меньшим количеством витков . Поэтому, намагничивающая сила остаётся постоянной, а характеристики двигателя увеличиваются.

Двигатели этого типа со щетками, в принципе, не нуждается в отдельной управляющей схеме, т.к. вся нужная коммутация осуществляется внутри двигателя. Во время работы электродвигателя на вращающемся коммутаторе ротора скользит пара статических щеток и они держат обмотки под напряжением. Направление движения вращения задается полярностью напряжения питания. Если управлять двигателем необходимо только в одну сторону, то питающий ток коммутируют через реле или другим простым методом, а если в обе стороны, то используется специальную схему управления.

Недостатками двигателей этого типа можно считать быстрый износ щеточно-коллекторного узла. Достоинства – хорошие характеристики запуска, простая регулировка частоты и направления вращения.

Наличие обмотки возбуждения у двигателя постоянного тока дает возможность реализовывать различные схемы подключения. В зависимости от того каким образом соединена обмотка возбуждения (ОВ), бывают двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, и с самовозбуждением, которое, в свою очередь разделяется на последовательное, параллельное и смешанное.

Пуск двигателей этого вида осложнен возникающими в момент старта огромными значениями моментов и пусковых токов. В ДПТ пусковые токи могут превышать номинальные в 10-40 раз. Такое сильное превышение может легко сжечь обмотки. Поэтому токи при пуске стараются ограничить до уровня (1,5-2) Iн

Работа асинхронного двигателя основана на принципах физического взаимодействия магнитного поля, появляющегося в статоре, с током, который это же поле генерирует в роторной обмотке.

Синхронный двигатель – это разновидность электродвигателей, только работающих от переменного напряжения, при этом частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля. Именно поэтому она остается постоянной вне зависимости от нагрузки, т.к ротор синхронного двигателя – это обычный электромагнит и его, количество пар полюсов совпадает с числом пар полюсов у вращающегося магнитного поля. Поэтому взаимодействие этих полюсов обеспечивает постоянство угловой скорости, с которой крутится ротор.

Читать еще:  Вентилятор радиатора включается при холодном двигателе форд фокус

Электродвигатели устройства для преобразования электрической энергии в механическую и наоборот, но это уже генераторы. Существует огромное разнобразие типов электромоторов, поэтому и схем управления электродвигателями существует великое множество. Рассмотрим некоторые из них

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, U2, U3 на якоре (роторе коллекторного электродвигателя) – изображена на рис. 2.11.

Mст
Mп (Iп)
Mп2 (Iп2)
M2 (I2)
Mн (Iн)
M (I)
U1
U2
U3н
n1
n2
nдв
nн
n

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 Kк = 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 Mн при номинальной нагрузке, номинальной скорости n = nн, номинальном напряжении Uн = U и номинальном токе I = Iн. Параметры Pн – номинальная мощность на валу двигателя, nн, Uн, Iн указывают в паспорте двигателя. Значение Мн легко вычислить, т. к. Pн = Mнpnн /30.

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

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

(2.6)

(2.7)

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

Mдин – динамическая составляющая момента нагрузки.

Для исключения перегрева двигателя и искрения на коллекторе нельзя превышать номинальный ток Iн, 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 Iн получим n1, при U2 и I2n2 (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 nн скорость изменяют с помощью напряжения U, выше nн скорость меняют, ослабляя магнитный поток. Предел скорости вращения определяется условиями коммутации токов на коммутаторе и механической прочностью якоря.

При пуске двигателя пусковой ток Iп может существенно превышать допустимый. Поэтому пуск часто осуществляют при пониженном напряжении и токе, например при U2 и Iп2.

n

Двигатели 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.

Основные технические особенности вентильных двигателей

Для решения задач контролируемого движения в современных прецизионных системах все чаще применяются вентильные (бесколлекторные) двигатели. Такая тенденция обусловлена преимуществами вентильных двигателей и бурным развитием вычислительных возможностей микроэлектроники. Как известно, вентильные (синхронные) двигатели обеспечивают наиболее высокие плотность длительного момента (момент в единице объема) и энергетическую эффективность по сравнению с любым другим типом двигателя.

Современный вентильный привод объединяет электрическую, механическую и электронную подсистемы в единое цельное мехатронное устройство. В рамках такого подхода удается значительно сократить габариты, избавиться от лишних преобразователей и промежуточных элементов, а значит, повысить надежность всего привода в целом.

В рамках данной статьи рассматривается принцип работы и устройство современных вентильных машин, описываются принципы управления вентильным преобразователем для коммутации с применением датчиков положения ротора, а также перечисляются особенности интегрированного исполнения вентильных двигателей.

1. Основные технические особенности вентильных двигателей

Под вентильным двигателем понимают синхронный двигатель, содержащий многофазную обмотку статора, ротор с постоянными магнитами и встроенным датчиком положения. Коммутация такого двигателя осуществляется при помощи вентильного преобразователя. Поэтому его принято называть «вентильным».

По сути, вентильный двигатель с точки зрения метода коммутации представляет собой «инвертированный» вариант коллекторной машины постоянного тока. В вентильном двигателе индуктор находится на роторе, якорная обмотка на статоре. Коммутация осуществляется путем подачи управляющего согласованного воздействия на обмотки статора в зависимости от положения ротора, определяемого с помощью интегрированных в двигатель датчиков обратной связи.

Рис. 1. Структура вентильного двигателя:
1 – задняя крышка, 2 – печатная плата датчиков, 3 – датчики Холла,
4 – втулка подшипника, 5 – подшипник, 6 – вал,
7 – магниты ротора, 8 – изолирующее кольцо, 9 – обмотка,
10 – тарельчатая пружина, 11 – промежуточная втулка, 12 – изоляция,
13 – корпус, 14 – провода.

Рассмотрим структуру вентильного двигателя на примере семейства двигателей Faulhaber (рис. 1). В данном случае в основе ротора лежит двухполюсный магнит, статора трехфазная обмотка, положение ротора определяется с помощью интегрированных в двигатель датчиков Холла. В общем случае ротор может содержать другое количество пар полюсов, а статор иметь более традиционную конструкцию, внешне сходную со статором асинхронной машины. Наиболее распространен статор с тремя обмотками, соединенными «звездой» (реже в «треугольник») без вывода средней точки. Как известно, именно трехфазная структура является наиболее эффективной при минимуме числа обмоток.

При соединении обмоток «звездой» вентильный двигатель имеет большие постоянные момента и меньшие постоянные противо­ЭДС (при соотношении ?3) по сравнению с соединением «треугольником». Поэтому соединение «звездой» используется для управления осями, требующими больших моментов, а соединение «треугольником» – для больших скоростей.

В большинстве случаев обмотки статора выполняются без насыщения, т.е. противо­ЭДС обмоток имеет синусоидальную форму. Такие двигатели зачастую называют AC brushless motor в отличие от DC brushless motor, обмотки статора которого выполняются с насыщением. Такое насыщение в DC brushless motor предназначено для снижения пульсаций тока (и соответственно момента) при применении трапецеидальной коммутации.

Но иногда термин DC brushless motor используют для двигателей с питанием через инвертор от сети постоянного тока, что не совсем корректно.

Обычно количество пар полюсов, определяемое количеством пар магнитов ротора и определяющее соотношение механического и электрического оборотов, равно 4…8. Статор может быть выполнен с железным (iron core) или безжелезным (ironless) сердечником. Конструкция статора с безжелезным сердечником обеспечивает отсутствие силы притяжения магнитов ротора и железа статорной обмотки (magnetic attraction) и зубцового эффекта (cogging), но снижает незначительно (на 10…20%) эффективность двигателя изза меньших значений постоянной момента.

Одно из самых очевидных преимуществ ротора с постоянными магнитами состоит в уменьшении диаметра ротора и, как следствие, в уменьшении момента инерции ротора. Технологически магниты могут быть встроены в ротор или расположены на его поверхности. Но пониженный момент инерции зачастую приводит к малым значениям соотношения момента инерции двигателя и приведенного к его валу момента инерции нагрузки (mismatch ratio), усложняющему настройку привода. Поэтому ряд производителей предлагает наряду со стандартным и повышенный – в 2…4 раза – момент инерции ротора.

2. Датчики положения и дополнительные устройства

В качестве датчика положения, необходимого для коммутации вентильного двигателя, могут быть использованы датчики Холла (цифровые или аналоговые), энкодер (цифровой, аналоговый или абсолютный) или резольвер.

Цифровые датчики Холла используются для наиболее распространенной – трапецеидальной коммутации вентильного двигателя. Цифровые датчики Холла могут быть выполнены также и на оптической шкале энкодера.Аналоговые датчики Холла используются для синусоидальной коммутации вентильного двигателя.

Энкодер имеет три дифференциальных канала – два канала А, В прямоугольных импульсов, сдвинутых на 90 электрических градусов, и нулевой импульс I (индекс). Резольвер представляет собой вращающийся трансформатор с обмоткой возбуждения и двумя выходными обмотками со сдвигом 90 электрических градусов.

Аналоговый энкодер имеет аналоговые sin/cos (1В между пиками peaktopeak) дифференциальные выходы.

Внешний интерполятор позволяет повысить исходное разрешение с коэффициентом умножения до 4096 .Абсолютный энкодер передает информацию по положению по синхронному последовательному интерфейсу (SSI или BiSS), протокол которого задается производителем энкодера. Одними из наиболее популярных протоколов являются Heidenhain EnDat, Tamagawa Smart Abs и Stegman Hiperface протоколы.

Кроме датчика положения дополнительно могут быть встроены: тахогенератор, термодатчик, тормоз или редуктор.

Тахогенератор применяется в случае использования вентильного двигателя в режиме регулирования/стабилизации скорости с высокой точностью.

Термодатчик для защиты обмоток от перегрева представляет собой несколько последовательно соединенных позисторов, т.е. терморезисторов с положительным температурным коэффициентом (positive temperature coefficient РТС).

3. Способы коммутации с применением датчика положения ротора

Способы коммутации вентильного двигателя различаются по типу датчика положения ротора и особенностям регулирования тока в фазах обмоток статора.

Читать еще:  Через сколько меняют масло в двигателе на грузовиках

3.1. Трапецеидальная или шестишаговая (sixstep) коммутация вентильного двигателя осуществляется по цифровым датчикам Холла. Для 3х датчиков Холла, являющихся «грубым» датчиком положения ротора, возможных состояний на полный электрический оборот будет шесть, каждое из которых соответствует 60 электрическим градусам. При каждом постоянном состоянии датчиков Холла подключаются только две обмотки двигателя, а третья отключена от источника напряжения. Постоянство вектора тока в пределах ±30 электрических градусов от оптимального (создающего максимальный момент) приводит к 17% пульсациям тока.

Преимущества:

  • готовность к работе при включении питания;
  • дешевый усилитель тока;
  • управление током (моментом) аналоговым сигналом ±10В.

Недостатки:

  • пульсации тока;
  • средние показатели быстродействия при позиционировании и равномерности при сканировании.

Область применения: регулирование скорости при невысоких требованиях к эффективности и равномерности перемещения на низких скоростях.

3.2. Синусоидальная коммутация лишена недостатков трапецеидальной коммутации за счет непрерывной и плавной коммутации вектора тока. Это достигается благодаря более высокому разрешению датчика положения ротора (обычно инкрементального энкодера) по сравнению с цифровыми датчиками Холла, имеющими разрешение только 60 электрических градусов. Для стандартного двигателя с соединением фаз в «звезду» достаточно контролировать ток в двух обмотках с помощью двух регуляторов на базе ПИрегуляторов. Такой способ коммутации очень эффективен на малых и средних скоростях, но имеет ошибки на высоких скоростях. В этом случае изза ограниченного усиления ПИрегулятора при заданном напряжении постоянного напряжения (DC bus) мах скорость ограничена. Несколько повысить скорость позволяет метод сдвиг фазы (phase advance).

Преимущества:

  • минимальные пульсации тока;
  • высокие показатели быстродействия при позиционировании и равномерности при сканировании.

Недостатки:

ограничение мах скорости при заданном напряжении постоянного напряжения;

управление током (моментом/силой) при помощи двух аналоговых сигналов ±10В.

Область применения: прецизионные механизмы.

3.3. Непосредственно векторный контроль тока в координатах DQ использует преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока, известными как преобразования ПаркаКларка. В отличие от синусоидальной такой способ коммутации предполагает работу ПИрегулятора с напряжениями постоянного тока, а не синусоидальными напряжениями. Это и обеспечивает качество управления током, независимое от скорости вращения двигателя.

Векторный контроль предполагает регулирование квадратичной (D) и прямой (Q) составляющих тока. Т.к. только прямая (Q) составляющая тока, перпендикулярная к полю ротора, создает момент двигателя, то задание тока подается на вход прямой (Q) составляющей тока. На вход квадратичной (D) составляющей тока подается «0» сигнал.

Преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока производятся с учетом токов фаз и положения ротора.

Векторный контроль при наличии преимуществ синусоидальной коммутации позволяет расширить диапазон скоростей вентильного двигателя за счет более полного использования напряжения постоянного тока.

Следует отметить, что для синусоидальной или векторной коммутации тока при использовании инкрементального (относительного) датчика положения ротора необходимо первоначально (т.е. при каждом включении питания) сфазировать положение ротора относительно фаз статора. Алгоритм такой начальной фазировки обычно является «встроенным».

Трапецеидальная коммутация вентильного двигателя не требует начальной фазировки благодаря использованию датчиков Холла, являющихся абсолютными датчиками положения ротора. Поэтому их иногда применяют вместе с инкрементальным датчиком положения для реализации синусоидальной или векторной коммутации тока без необходимости производить начальную фазировку. Такая конфигурация рекомендуется для механизмов, где реализация процедуры начальной фазировки затруднена, например, механизмов вертикального перемещения.

4. Интегрированное исполнение вентильных двигателей

Одной из основных перспективных тенденций в развитии современных вентильных двигателей является тяготение производителя к интеграции в единый корпус с двигателем управляющей электроники. Такое решение позволяет предлагать не разрозненный набор комплектующих приводной системы, а законченный привод в сборе. Таким образом решаются возможные проблемы совместимости различных компонент привода, а также проблема различных интерфейсов компонент приводной системы.

Рис. 2 Векторный контроль тока вентильного двигателя

Примером интегрированного привода является серия двигателей BG, предлагаемая компанией Dunkermotoren (рис. 3).

В рамках данной серии двигателей производитель предоставляет возможность заказать одну и ту же модель в различных исполнениях:

  • без интегрированной управляющей электроники,
  • с интегрированной коммутирующей электроникой (2wire),
  • с интегрированным контроллером скорости,
  • с интегрированным контроллером движения,
  • с интегрированным контроллером движения с сетевыми интерфейсами (CAN, PROFINET).

5. Преимущества использования вентильных двигателей

При разработке нового изделия разработчик часто сталкивается с проблемой выбора двигателя для решения конкретной задачи движения. Когда речь идет о построении привода средней либо малой мощности, как правило, выбор сводится к сборкам на базе коллекторных, вентильных, а также шаговых двигателей.

Рис. 3 Двигатели Dunkermotoren серии BG

К несомненным достоинствам вентильных двигателей следует отнести:

Высокий запасаемый момент:

  • Идеальное решение при высоких пиковых нагрузках
  • Хорошее ускорение при изменяющихся нагрузках

Высокий диапазон скоростей

Высокую равномерность движения

Высокую точность позиционирования благодаря возможности использования энкодеров и других датчиков обратной связи по скорости/положению.

Двигатели для специальных применений: в среде высокого вакуума, автоклавируемые, погружные с высоким классом IP защиты.

М. Сонных, Л. Ганнель
Статья опубликована в журнале «РИТМ» №10, 2010

Следите за нами в Life-режиме в Instagram
Деловые поездки, офисная жизнь, актуальные разработки в мире электротехники

Принцип действия двигателя постоянного тока

Устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, может использоваться как двигатель или генератор, так как конструкция и принцип действия двигателя постоянного тока (ДПТ) аналогична конструкции генератора. Особенностью ДПТ является механический инвертор (коммутатор). Этот коммутатор имеет скользящие контакты в виде щёток, которые расположены так, что они изменяют полярность обмоток якоря (катушек) во время вращательного движения.

  • Особенности и устройство ДПТ
    • История изобретения
    • Конструкция двигателя
  • Принцип действия и использование
    • Настройка скорости
    • Современное применение

Особенности и устройство ДПТ

ДПТ представляет собой вращающуюся электрическую машину, работающую от постоянного тока. В зависимости от направления потока мощности проводится различие между двигателем (электродвигатель с электрической и механической мощностью) и генератором (электрический генератор, на который подаётся механическая мощность, а также электроэнергия). ДПТ могут запускаться под нагрузкой, их скорость легко изменить. В режиме генератора ДПТ преобразует напряжение переменного тока, подаваемое ротором, в пульсирующее постоянное напряжение.

История изобретения

Основываясь на развитии первых гальванических элементов в первой половине XIX века, первыми электромеханическими преобразователями энергии были машины постоянного тока. Первоначальная форма электродвигателя была разработана в 1829 году, а в 1832 году француз Ипполит Пиксии построил первый генератор. Антонио Пачинотти построил в 1860 году электродвигатель постоянного тока с многокомпонентным коммутатором. Фридрих фон Хефнер-Алтенек разработал барабанный якорь в 1872 году, который открыл возможность промышленного использования в области крупномасштабного машиностроения.

В последующие десятилетия такие машины из-за развития трехфазного переменного тока потеряли свою значимость в крупномасштабном машиностроении. Синхронные машины и системы с низким уровнем обслуживания асинхронного двигателя заменили их во многих устройствах.

Конструкция двигателя

Чтобы понять принцип действия ДПТ, нужно сначала изучить его конструктивные особенности, одной из которых является то, что в магнитном поле постоянного магнита установлен вращающийся проводящий контур.

Упрощая эту структуру, можно сказать, что двигатель состоит из двух основных компонентов:

  1. Основной магнит (постоянный магнит), который прикреплён к статору. Магнитное поле также может быть электрически сгенерировано. На статоре находятся так называемые возбуждающие обмотки (катушки).
  2. Проводящая петля (арматура) на сердечнике якоря, обычно состоящая из слоистых металлических листов.

Обе конструкции называются двигателями постоянного тока с внешним возбуждением. Электродинамический закон указывает, что токопроводящая петля проводника в магнитном поле представляет собой силу [F], зависящую от тока [I] и напряжённости магнитного поля [B]. Токопроводящий проводник окружен круговым магнитным полем. Если объединить магнитное поле магнитного поля с магнитным полем проводящей петли, можно обнаружить суперпозицию двух полей, а также результирующий силовой эффект.

Обмотка якоря состоит из двух половин катушки. Если применить напряжение постоянного тока к двум концам обмотки якоря, можно представить, что движущиеся носители заряда поступают в нижнюю половину катушки из верхней половины катушки.

Каждая токопроводящая катушка развивает собственное магнитное поле, и магнитное поле постоянного магнита накладывается на магнитное поле нижней половины катушки и поле верхней половины катушки. Линии поля постоянного магнитного поля всегда одного направления, они всегда показывают с севера на южный полюс. Напротив, поля двух половин катушки имеют противоположные направления.

В левой части поля половины катушки полевые линии поля возбудителя и поля катушки имеют одно и то же направление. Благодаря этому силовому эффекту в противоположном направлении на нижнем и верхнем концах арматуры создаётся крутящий момент, который вызывает вращательное движение якоря.

Якорь представляет собой так называемый двутавровый якорь. Эта конструкция получила название из-за своей формы, которая напоминает два составных «Т». Катушки якоря соединены с платами коммутатора (коллектора). Подача тока в обмотке якоря обычно осуществляется через угольные щётки, которые обеспечивают скользящий контакт с вращающимся коммутатором и подают катушкам электричество. Щётки изготавливаются из самосмазывающихся графитов, частично смешанных с медным порошком для небольших двигателей.

Принцип действия и использование

Это устройство представляет собой электромашину, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую. Принцип работы двигателя постоянного тока заключается в том, что всякий раз, когда проводник, переносимый током, помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу.

Постоянный магнит преобразовывает электрическую энергию в механическую через взаимодействие двух магнитных полей. Одно поле создаётся сборкой постоянными магнитами, другое — электрическим током, протекающим в обмотках двигателя. Эти два поля приводят к крутящему моменту, который имеет тенденцию вращать ротор. Когда ротор вращается, ток в обмотках коммутируется, обеспечивая непрерывный выход крутящего момента.

Коммутатор состоит из проводящих сегментов (стержней) из меди, которые представляют собой завершение отдельных катушек проволоки, распределённых вокруг арматуры. Вторая половина механического выключателя комплектуется щётками. Эти щётки обычно остаются неподвижными с корпусом двигателя.

По мере прохождения электрической энергии через щётки и арматуру создаётся крутильная сила в виде реакции между полем двигателя и якорем, вызывающим поворот якоря двигателя. Когда арматура поворачивается, щётки переключаются на соседние полосы на коммутаторе. Это действие переносит электрическую энергию на соседнюю обмотку и якорь.

Читать еще:  Что лучше звездочки или башмаки на 406 двигатель

Движение магнитного поля достигается переключением тока между катушками внутри двигателя. Это действие называется коммутацией. Очень многие двигатели имеют встроенную коммутацию. Это означает, что при вращении двигателя механические щётки автоматически коммутируют катушки на роторе.

Настройка скорости

ДПТ можно легко регулировать. Скорость можно изменить с помощью следующих переменных:

  1. Напряжение якоря U_A (управление напряжением).
  2. Основной поток поля (полевое управление), сила магнитного поля.
  3. Анкерное сопротивление.

Простейшим методом управления скоростью вращения является управление приводным напряжением. Чем выше напряжение, тем выше скорость, которую двигатель пытается достичь. Во многих приложениях простое регулирование напряжения может привести к большим потерям мощности в цепи управления, поэтому широко используется метод широтно-импульсной модуляции.

В основном способе с широтно-импульсной модуляцией рабочая мощность включается и выключается для модуляции тока. Отношение времени включения к «выключенному» времени определяет скорость двигателя.

Электродвигатель с внешним возбуждением легко контролировать, поскольку токи через обмотки якоря и статора можно контролировать отдельно. Поэтому такие двигатели имели определённое значение, особенно в области высоко динамичных приводных систем, например, для привода станков с точной регулировкой скорости и крутящего момента.

Современное применение

ДПТ используются в различных областях.

Он является важным элементом в различных продуктах:

  1. игрушках;
  2. сервомеханических устройствах;
  3. приводах клапанов;
  4. роботах;
  5. автомобильной электронике.

Высококачественные предметы повседневного назначения (кухонные приборы) используют серводвигатель, известный как универсальный двигатель. Эти универсальные двигатели являются типичными ДПТ, в которых стационарные и вращающиеся катушки представляют собой последовательные провода.

Двигатель на постоянных магнитах

Согласно закону сохранения энергии, любой современный эл. привод не может иметь КПД выше 100%, потому как часть энергии нужно потратить на собственные нужды. Решить этот вечный вопрос призван двигатель на постоянных магнитах (униполярный, линейный, роторный, гравитационный и т. п), в котором механическое перемещение компонентов происходит за счет их взаимодействия на уровне магнитных свойств.

Принцип действия вечного магнитного движителя

Большинство современных эл. двигателей используют принцип трансформации эл. тока в механическое вращение ротора, а вместе с ним и приводного вала. Это значит, что любой расчет покажет КПД меньше 100%, а сам агрегат является зависимым, а не автономным. Та же ситуация наблюдается в случае генерирующего устройства. Здесь уже момент вращения вала, которое происходит за счет тепловой, ядерной, кинетической или потенциальной энергии движения среды, приводит к выработке электрического тока на коллекторных пластинах.

Двигатель на постоянных магнитах использует совершенно иной подход к работе, который нивелирует или сводит к минимуму необходимость в сторонних источниках энергии. Описать принцип работы такого двигателя можно на примере «беличьего колеса». Для изготовления демонстративной модели не требуются особые чертежи или расчет надежности. Необходимо взять один постоянный магнит тарельчатого (дискового) типа, полюса которого располагаются на верхней и нижней плоскостях пластин. Он будет служить основой конструкции, к которой нужно добавить два кольцевых барьера (внутренний, внешний) из немагнитных, экранирующих материалов. В промежуток (дорожку) между ними помещается стальной шарик, который будет играть роль ротора. В силу свойств магнитного поля, он сразу же прилипнет к диску разноименным полюсом, положение которого не будет меняться при движении.

Статор представляет собой условно пластину из экранируемого материала, на которую по кольцевой траектории крепят постоянные магниты, например, неодимовые. Их полюса расположены перпендикулярно по отношению к полюсам дискового магнита и ротора. В результате, когда статор приближается к ротору на определенное расстояние, возникает поочередное притяжение, отталкивание в магнитном поле, которое формирует момент затем перерастает во вращение шарика по кольцевой траектории (дорожке). Пуск и остановка происходят за счет приближения или отдаления статора с магнитами. Этот вечный двигатель на постоянных магнитах будет работать до тех пор, пока они не размагнитятся. Расчет ведется относительно размера коридора, диаметров шарика, пластины статора, а также цепи управления на реле или катушках индуктивности.

На подобном принципе действия было разработано немало моделей действующих образцов, например, синхронных двигателей, генераторов. Наиболее известными среди них являются двигатели на магнитной тяге Тесла, Минато, Перендев, Говарда Джонсона, Лазарева, а также линейные, униполярные, роторные, цилиндровые и т. д.

Рассмотрим каждый из примеров подробнее.

Магнитный униполярный двигатель Тесла

Выдающийся ученый, ставший в свое время пионером в области снабжения эл. током, асинхронных электродвигателей на переменном токе, не обделил своим вниманием и расчетом вопрос вечного источника энергии. В научной среде это изобретение именуется иначе, как униполярный генератор Тесла.

Первоначально расчет данного типа устройства вел Фарадей, но его прототип при сходном принципе действия не обладал должной эффективностью, стабильностью работы, то есть не достиг цели. Термин «униполярный» означает, что в схеме агрегата кольцевой, дисковый (пластина) или цилиндровый проводник расположен в цепи между полюсами постоянного магнита.

Магнитный двигатель Тесла и его схема

На схеме, которая была представлена в оригинальном патенте, есть конструкция с двумя валами, на которых размещаются две пары магнитов: В, В создают условно положительное поле, а С, С – отрицательное. Между ними располагаются униполярные диски с отбортовкой, используемые в качестве генерирующих проводников. Оба униполярных диска связаны между собой тонкой металлической лентой, которая может быть в принципе использована, как проводник (в оригинале) или для вращения диска.

Двигатель Минато

Еще одним ярким примером использования энергии магнетизма для самовозбуждения и автономной работы является сегодня уже серийный образец, разработанный более тридцати лет назад японцем Кохеи Минато. Его отличают бесшумность и высокая эффективность. По собственным заявлениям Минато, самовращающийся магнитный двигатель подобной конструкции имеет КПД выше 300%.

Двигатель Минато

Ротор имеет форму диска или колеса, на котором под определенным углом располагаются магниты. Когда к ним подводится статор с большим магнитом, возникает момент и колесо Минато начинает вращаться, используя попеременное сближение и отталкивание полюсов. Чем ближе статор к ротору, тем выше момент и скорость вращения. Питание осуществляется через цепь реле прерывателя.

Для предотвращения импульсов и биения при вращении колеса Минато, используют реле стабилизаторы и сводят к минимуму потребление тока управляющего эл. магнита. Недостатком можно считать отсутствие данных по нагрузочным характеристикам, тяге, используемых реле цепи управления, а также необходимость периодического намагничивания, о которой, кстати, тоже от Минато информации нет.

Может быть собран, как и остальные прототипы, экспериментально, из подручных средств, например, деталей конструктора, реле, эл. магнитов и т. п.

Двигатель Лазарева

Устройство двигателя Лазарева

Отечественный разработчик Николай Лазарев создал работающий и довольно простой вариант агрегата, использующего магнитную тягу. Его двигатель или роторный кольцар, состоит из емкости, разделенной пористой перегородкой потока на верхнюю и нижнюю части. Они сообщаются между собой за счет трубки, по которой из нижней камеры в верхнюю идет поток воды/жидкости. В свою очередь поры обеспечивают гравитационное перетекание вниз. Если под потоком жидкости поместить колесико, на лопастях которого будут закреплены магниты, то получиться добиться цели потока – вращения и создания постоянного магнитного поля. Схема роторного двигателя Николая Лазарева используется для расчета и сборки простейших самовращающихся устройств.

Магнитный мотор Говарда Джонсона

Магнитный мотор Говарда Джонсона

В своей работе и следующем за ней патенте на изобретение, Говард Джонсон использовал энергию, генерируемую потоком непарных электронов, присутствующих в магнитах для организации цепи питания мотора. Статор Джонсона представляет собой совокупность множества магнитов, дорожка расположения и движения которых будет зависеть от конструктивной компоновки агрегата Говарда Джонсона (линейной или роторной). Они закрепляются на специальной пластине с высокой степенью магнитной проницаемости. Одноименные полюса статорных магнитов направляются в сторону ротора. Это обеспечивает поочередное притяжение и отталкивание полюсов, а вместе с ними, момент и физическое смещение элементов статора и ротора относительно друг друга.

Организованный Говардом Джонсоном расчет воздушного зазора между ними позволяет корректировать магнитную концентрацию и силу взаимодействия в большую или меньшую сторону.

Генератор Перендева

Генератор Перендева

Еще одним неоднозначным примером действия магнитных сил является самовращающийся магнитный двигатель Перендев. Его создатель Майк Брэди, до того, как в его отношении начали уголовное производство, даже успел обзавестись патентом, создать одноименную фирму (Перендев) и поставить дело на поток. Если анализировать представленную в патенте схему и принцип, или чертежи самодельных эл. двигателей, то ротор и статор имеют форму диска и внешнего кольца. На них по кольцевой траектории размещают отдельные магниты, соблюдая определенный угол относительно центральной оси. За счет взаимодействия поля отдельных магнитов статора и ротора Перендев, возникает момент и происходит их взаимное перемещение (вращение). Расчет цепи магнитов сводится к определению угла расхождения.

Синхронный двигатель на постоянных магнитах

Устройство синхронного двигателя на магнитах

Одним из основных видов электродвигателей является синхронный, частота вращения магнитных полей статора и ротора которого равны. У обычного электромагнитного мотора обе эти части состоят из обмоток на пластинах. Но если конструкцию якоря поменять и вместо катушки поставить постоянные магниты, то можно получить интересную, эффективную, действующую модель синхронного двигателя. Статор имеет привычную компоновку магнитопровода из пластин и обмоток, в которых способно генерироваться вращающееся магнитное поле от электрического тока. Ротор создает постоянное поле, которое взаимодействует с предыдущим, и создает крутящий момент.

Также следует отметить, что в зависимости от схемы, относительное расположение статора и якоря могут меняться, например, последний будет выполнен в форме внешней оболочки. Для пуска мотора от тока из сети используется цепь из магнитного пускателя (реле, контактора) и теплового защитного реле.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector