Похожие
Текст
В. В. МОСКАЛЕНКО
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
СПЕЦИАЛЬНОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
Библиотека
ЭЛ ЕКТРОМОНТЕРА
Основана в 1959 г.
Выпуск 522
В. В. МОСКАЛЕНКО
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
СПЕЦИАЛЬНОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
МОСКВА ЭНЕРГОИЗДАТ 1981
ББК 31.26
М 82
УДК 621.313.17:62-83
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:
В. Н. Андриевский, Я. М. ьольшам, А. И. Зевакин,
Е. А. Каминский, В. П. Ларионов, Э. С. Мусаэлян,
С. П. Розанов, В. А. Семенов, А. Д. Смирнов, А. Н. Трифонов,
П. И. Устинов, А. А. Филатов
Москаленко В. В.
М 82 Электродвигатели специального назначения.—
М.: Энергоиздат, 1981. — 104 с., ил. — (Б-ка элек-
тромонтера. Вып. 522).
30 к.
Посвящена новым типам электродвигателей постоянного и пере-
менного тока, нашедшим применение в промышленном электроприводе.
Описаны принципы их работы, основные свойства и характеристики,
назначение. Приведена номенклатура выпускаемых электродвигателей.
Для электромонтеров, обслуживающих промышленные электро-
приводы.
30307-452
МЛГ1/П,, с, -79-81(3). 2302030000
ум 1 v 1 )~о I
ББК 31.26
6П2.1.081
© Энергоиздат, 1981
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современный автоматизированный электропривод
представляет собой сложную электромеханическую си-
стему, содержащую различные по своей природе и на-
значению элементы: электрические машины, преобразо-
ватели электрической энергии, усилители, коммутаци-
онные аппараты и различные механические устройства.
Основным элементом электропривода является элек-
трический двигатель, поэтому основные его свойства —
надежность и срок службы, энергетические показатели,
удобство управления, быстродействие и т. д. — во мно-
гом характеризуют электропривод в целом.
В настоящей книге рассматриваются некоторые спе-
циальные двигатели, используемые в промышленности,
транспорте и сельском хозяйстве. Применение таких
двигателей позволяет создавать совершенные системы
электропривода, наиболее полно удовлетворяющие усло-
виям работы производственных механизмов, обеспечи-
вающие интенсивное и качественное выполнение тех-
нологических операций и, как следствие этого, повы-
шение производительности труда и качества выпускае-
мой продукции.
Развитие и совершенствование электрических двига-
телей идут по нескольким взаимосвязанным направле-
ниям.
Одно из них состоит в разработке и применении но-
вых, более качественных материалов, используемых при
изготовлении двигателей. Новые виды изоляции обмо-
ток двигателей позволяют повысить его рабочую тем-
пературу до 160°С и выше, что улучшает использование
двигателя. Применение сплавов с улучшенными маг-
нитными свойствами снижает расход металла и тем са-
мым массу и габариты двигателя. Использование новых
материалов, в частности пластмасс, повышает надеж-
ность и срок службы некоторых вспомогательных узлов
и деталей двигателя.
3
Другое направление развития двигателей связано
с совершенствованием конструкции и узлов известных
«традиционных» видов электродвигателей, широко вы-
пускаемых нашей электропромышленностью. Это свя-
зано с развитием научных методов расчета и конструи-
рования двигателя в целом и отдельных его узлов па
базе применения новых ‘материалов и прогрессивной
технологии.
И, наконец, относительно новое направление связа-
но с созданием и выпуском электродвигателей, конст-
рукция которых отличается от традиционной. Такие
двигатели приобретают определенные специфические
свойства и характеристики, делающие их применение
особенно эффективным для механизмов и устройств,
где такие свойства приводных двигателей весьма жела-
тельны. Иными словами, такие двигатели — условно на-
зовем их специальными — наилучшим образом способ-
ны обеспечить специфические режимы работы этих ме-
ханизмов и устройств, а конкретнее, специфическое дви-
жение их рабочих органов.
Какие же характерные виды движения рабочих орга-
нов, требующих применения специальных типов двига-
телей, могут иметь место на практике?
Очень часто от рабочих органов механизмов и
устройств требуются быстрое изменение величины и
направления скорости их движения или их быстрый
разгон и останов. К таким механизмам и устройствам
относятся металлорежущие станки копировальные и
с программным управлением, различные системы авто-
матического регулирования, прокатные станы и т. д.
Для обеспечения такого движения двигатель должен
иметь минимально возможную механическую и электро-
магнитную инерцию и развивать значительный вращаю-
щий момент. Результатом разработок двигателей, отли-
чающихся такими свойствами, стало появление двигате-
лей с малоинерционными роторами (полыми цилиндри-
ческими или дисковыми), с гладким якорем и с удли-
ненным ротором малого диаметра. Эти двигатели рас-
смотрены в § 2 и 3.
Повсеместным в практике электропривода является
переход на использование в первую очередь бескон-
тактных элементов и устройств. Эта тенденция харак-
терна и для развития электрических машин и вырази-
лась, в частности, в появлении так называемых бескон-
4
байтных двигателей постоянного тока. Эти двигатели
рассмотрены в § 4.
В некоторых механических устройствах, например
механизмах подач металлорежущих станков, лентопро-
тяжных механизмах киносъемочной и звуковой аппара-
туры, нажимных устройствах валков прокатных станов
и некоторых других, их рабочие органы при выполне-
нии технологических операций должны совершать дис
крегные, шаговые перемещения. В принципе такое дви-
жение можно получить с помощью обычных двигателей
и специальных схем управления ими, однако целесооб-
разнее использовать так называемые шаговые электро-
двигатели, которые по принципу действия более просто
и с лучшими показателями обеспечат такое движение.
Шаговые двигатели рассмотрены в § 5.
В подавляющем большинстве систем электрическо-
го привода для согласования движения двигателя и
производственного механизма применяются различные
механические устройства (редукторы). Обычно они ис-
пользуются для снижения (редуцирования) частоты
вращения вала двигателя, а в некоторых случаях и для
преобразования вращательного движения двигателя
в поступательное движение рабочего органа производ-
ственного механизма.
Очевидно, что весьма перспективным является со-
здание такого двигателя, который имел бы небольшую
собственную частоту вращения и мог бы непосредствен-
но (без механической передачи) сочленяться с произ-
водственным механизмом. Результатом разработок
в этом направлении явилось создание тихоходных ре-
дукторных двигателей, двигателей с катящимся рото-
ром и волновых двигателей, описанных в § 6—8. Эти
двигатели обеспечивают низкую частоту вращения вы-
ходного вала электропривода без применения редуктора
или с использованием только небольших легких ре-
дукторов.
Для производственных механизмов с поступатель-
ным движением рабочего органа разработаны так назы-
ваемые линейные электродвигатели с прямолинейным
движением ротора, применение которых оказывается
наиболее эффективным и перспективным в подъемно-
транспортных механизмах и машинах. Линейные дви-
гатели рассмотрены в § 9.
5
Для повышения производительности многих меха-
низмов важно обеспечить быстрое их торможение (оста-
нов) после завершения ими определенных технологиче-
ских операций. Эту задачу решают так называемые
самотормозящиеся двигатели, рассмотренные в § 10.
Все замечания и пожелания по книге автор просит
направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзо-
вая паб., 10, Энергоиздат.
1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Основным назначением любого двигателя является
сообщение (передача) механической энергии рабочим
органам производственных механизмов, необходимой
им для совершения определенных технологических опе-
раций. Эту механическую энергию электродвигатель
вырабатывает за счет электрической энергии, потреб-
ляемой им из электрической сети, к которой он подсо-
единен. Другими словами, электродвигатель преобразу-
ет электрическую энергию в механическую.
Количество механической энергии, вырабатываемой
двигателем в единицу времени, называется его мощ-
ностью. Механическая мощность на валу двигателя
определяется произведением вращающего момента дви-
гателя и его частоты вращения. Отметим, что некоторые
двигатели имеют поступательное движение, поэтому их
механическая мощность зависит от развиваемого дви-
гателем усилия и скорости этого поступательного дви-
жения.
В зависимости от характера питающего напряжения
различают двигатели постоянного и переменного тока.
К числу наиболее распространенных двигателей посто-
янного тока относятся, например, двигатели с незави-
симым, последовательным и смешанным возбуждением,
а примерами двигателей переменного тока являются
асинхронные и синхронные двигатели.
Несмотря на многообразие существующих электро-
двигателей (в том числе и специального назначения),
действие любого из них основано на взаимодействии
магнитного поля и проводника с электрическим током
либо магнитного поля и ферромагнитного тела или по-
стоянного магнита.
Рассмотрим взаимодействие магнитного поля и про-
водника с электрическим током. Предположим, что
р магнитное поле магнита с полюсами N—S (рис. 1),
7
Рис. 1. Взаимодействие магнитного поля и про-
водника с током.
силовые линии поля которого показа-
ны тонкими линиями, перпендикулярно
к этим линиям помещен проводник сто-
ком I. Тогда по известному физическому
закону на этот проводник будет действо-
вать сила F (сила Ампера), которая
пропорциональна индукции магнитного
поля В, длине проводника I и силе то-
ка I:
F=Bll. (1)
Направление действующей на проводник силы F мо-
жет быть определено так называемым правилом левой
руки: если пальцы левой руки вытянуть по направлению
тока I, а ладонь расположить так, чтобы линии маг-
нитного поля входили в нее, то отогнутый большой па-
лец покажет направление действия силы F.
Отметим, что в соответствии с законом электромаг-
нитной индукции проходящий по проводнику ток со-
здаст свое магнитное поле с концентрическими силовы-
ми линиями вокруг проводника (на рис. 1 это поле не
показано), в связи с чем картина магнитного поля меж-
ду полюсами магнита несколько изменится. Однако это
обстоятельство не изменяет существа рассматриваемого
явления.
Изображенная на рис. 1 схема может служить про-
стейшей моделью двигателя поступательного движения,
поскольку под действием силы F проводник с током
стремится совершить прямолинейное перемещение в на-
правлении действия этой силы.
Для пояснения принципа образования вращающего
момента в двигателях вращательного движения рас-
смотрим поведение в поле того же магнита рамки с то-
ком, состоящей из проводников А и Б (рис. 2,а). Ток
к проводникам рамки подводится от внешнего источни-
ка постоянного тока через два контактных кольца К,
укрепленных на оси вращения рамки 00'.
При изображенных на рис. 2,а положении рамки и
направлениях тока и магнитного поля на проводники
рамки А и Б будут действовать силы F, имеющие в со-
ответствии с правилом левой руки указанные на рисунке
направления. Эти силы создадут относительно оси рам7
8
ки 00' вращающий момент М, под действием которого
рамка начнет вращаться против часовой стрелки.
В курсе физики показывается, что этот момент пря-
мо пропорционален силе тока I, индукции магнитного
поля В, площади рамки с током S и зависит от угла а
между линиями магнитного поля и осью рамки аа'„
перпендикулярной к ее плоскости:
M—BIS sin a—Мтах sin а, (2)
где Mmax=BIS — максимальный момент, развиваемый
рамкой. При положении рамки, изображенной на
рис. 2,а, угол а—90°, поэтому момент, действующий на
рамку, максимален.
Рис. 2. Принцип действия двигателя постоянного тока.
а — образование момента при а=90°; б — образование момента при а=270’:
в — образование постоянного по направлению вращающего момента.
Рассмотрим теперь другое положение рамки, когда
она повернется на половину оборота и проводник А
окажется уже под полюсом S, а проводник Б — под по-
люсом N (рис. 2,6). Поскольку направление тока в про-
водниках сохранялось прежним, то по тому же прави-
лу левой руки можно определить, что в этом положении
рамки действующая на ее проводники сила F изменила
свое направление на противоположное. Соответственно
изменится на противоположное и направление вращаю-
щего момента М, который будет стремиться повернуть
рамку уже в другую сторону, по часовой стрелке. Та-
кой же вывод нетрудно сделать и на основании анализа
формулы (2): так как угол а стал равен 270° (90°-|-
-J-1800) или, что то же самое, —90°, то sin а=—1 и мо-
мент изменил свой знак на противоположный.
&
Таким образом, рамка под действием изменяющего-
ся по направлению момента будет совершать колеба-
тельное движение относительно своей оси вращения
00'. Такое устройство, очевидно, не может быть поло-
жено в основу двигателя вращательного движения по-
стоянного направления, от которого обычно требуется
момент постоянного направления и неизменное направ-
ление вращения.
Что же необходимо предпринять, чтобы образовы-
вающийся вращающий момент на рамке имел постоян-
ное направление? Нетрудно заметить, что для этого
есть две принципиальные возможности:
1) изменять направление тока в проводниках рамки
при изменении положения проводников под полюсами
магнитной системы;
изменять направление магнитного поля при вра-
'щении рамки и неизменном направлении тока в ней,
.или, другими словами, создавать вращающееся маг-
нитное поле.
Первый из названных принципов использован в дви-
гателях постоянного тока, второй — составляет основу
работы двигателей переменного тока.
Рассмотрим вначале образование постоянного по
направлению вращающего момента путем изменения
направления тока в рамке и тем самым выясним прин-
цип действия двигателей постоянного тока.
Для изменения направления тока в проводниках
рамки необходимо, очевидно, иметь устройство, которое
изменяло бы направление тока в рамке в зависимости
от положения ее проводников.
Простейшее из возможных механических устройств
такого типа может быть реализовано путем несложного
изменения конструкции скользящих контактов К.
(рис. 2,а, б), служащих для подвода тока к рамке. Это
преобразование заключается в замене двух контактных
колец одним, но состоящим из двух изолированных
.друг от друга половинок (сегментов), к которым и под-
соединяются проводники рамки А и Б (рис. 2,в). В этом
случае, при повороте рамки на половину оборота на
правление тока в проводниках изменится на противопо-
ложное, поэтому вращающий момент сохранит свое
направление и рамка будет продолжать вращаться
в том же направлении. Подобное механическое пере-
ключающее устройство, называемое коллектором, ис-
10
пользуется в обычных двигателях постоянного тока.
В некоторых специальных конструкциях двигателей,
рассмотренных ниже, это переключающее устройство
делается бесконтактным (электронным).
Реальный двигатель постоянного тока, упрощенная
схема которого показана на рис. 3, имеет, конечно же,
гораздо более сложную конструкцию по сравнению с по-
казанной на рис. 2,в. Для получения большого вращаю-
щего момента берется обычно несколько десятков ра-
мок, которые образуют обмотку 1 якоря. Проводники
обмотки якоря размещаются в пазах цилиндрического
Рис. 3. Рис. 4.
Рис. 3. Схема двигателя постоянного тока.
Рис. 4 Принцип действия синхронного двигателя.
а — равновесное положение; б — образование вращающего момента
ферромагнитного сердечника 2, а их концы присоеди-
нены к соответствующему количеству изолированных
друг от друга сегментов кольца, образующего коллек-
тор (на рисунке не показан). Сердечник, обмотка и кол-
лектор образуют якорь двигателя, который вращается
в подшипниках, установленных в корпусе двигателя.
Ток к проводникам якоря подводится от сети постоян-
ного тока с помощью скользящих щеточных контактов.
Магнитное поле создается полюсами 3 магнита, рас-
положенными в корпусе 4 двигателя. Это магнитное
поле обычно называют полем возбуждения. Для его
образования могут использоваться постоянные магниты
или электромагниты.
Обмотку электромагнита обычно называют обмот-
кой возбуждения (позиция 5 на рис. 3). Обмотка воз-
буждения подключается к сети постоянного тока и мо-
жет быть включена независимо от обмотки якоря или
последовательно с ней. В первом случае двигатель на-
зывается двигателем с независимым возбуждением, во
втором случае — с последовательным возбуждением.
Некоторые двигатели постоянного тока имеют две
обмотки возбуждения — независимую и последователь-
ную. Такие двигатели получили название двигателей со
смешанным возбуждением. Число полюсов магнитного
поля возбуждения может быть и более двух, например
четыре, как это показано на рис. 3.
Перейдем теперь к рассмотрению двигателей пере-
менного тока.
Вновь обратимся к опытам с рамкой и рассмотрим
ее положение, показанное па рис. 4,а. Заметим, что
этот рисунок представляет собой упрошенный фрон-
тальный вид схемы рис. 2,а, причем направление тока
в проводнике, втекающего в плоскость чертежа, обозна-
чено крестиком, а вытекающего из плоскости чертежа —
точкой.
Из формулы (2) следует, что в изображенном гори-
зонтальном положении рамки вращающий момент, дей-
ствующий на рамку, равен нулю (а=0), хотя дейст-
вующие на проводники А и Б силы отличны от нуля.
Объяснение этого положения состоит в том, что направ-
ление действия этих сил проходит через ось вращения
рамки 00', поэтому плечо сил F относительно этой оси
равно нулю и вращающий момент не создается.
Такое положение рамки является равновесным, и
она сохраняет состояние покоя.
Повернем теперь каким-то образом магнит N—S по
часовой стрелке на некоторый угол а, не изменяя на-
правление тока в проводниках, как это показано на
рис. 4,6. Нетрудно заметить, что такой поворот магнита
вызовет изменение направления действия сил F и по-
явление плеча приложения этих сил относительно оси
вращения рамки. В результате на рамку в соответствии
с формулой (2) начнет действовать вращающий момент,
стремящийся вернуть рамку в равновесное положение,
и рамка вследствие этого повернется вслед за магни-
том на тот же угол а.
Если теперь начать равномерно вращать магнит
N—S, то и рамка будет вращаться в том же направле-
нии синхронно с вращением магнитного поля, так как
при появлении «несинхронизма» между вращением поля
12
и рамки (а^О) на последнюю сразу же начинает дей-
ствовать момент, стремящийся синхронизировать это
вращение. Двигатели, использующие этот принцип, по-
лучили поэтому название синхронных двигателей, а их
момент, определяемый с помощью формулы (2), часто
называют синхронизирующим моментом.
Итак, для работы синхронного двигателя необходи-
мо создать вращающееся магнитное поле и поместить
в него проводники, обтекаемые неизменным по направ-
лению током.
Рассмотрим, как в реальных двигателях переменного
тока получается вращающееся магнитное поле. Вра-
щающееся магнитное поле синхронного двигателя обра-
зуется с помощью системы обмоток, подключаемых
к сети переменного тока. Обычно в синхронных двига-
телях используются трехфазные обмотки, уложенные
в пазы сердечника статора двигателя с определенным
пространственным сдвигом по окружности. В теории
электрических машин показывается, что если такую
обмотку подключить к трехфазной сети переменного
тока, то токи образуют вращающееся в воздушном за-
зоре двигателя магнитное поле, частота вращения кото-
рого По определяется частотой тока в сети f и числом
пар полюсов двигателя р, образованных обмоткой ста-
тора:
Взаимодействие этого вращающегося магнитного по-
ля с током в проводниках обмотки ротора и вызовет
вращение синхронного двигателя, которое будет проис-
ходить синхронно с вращением магнитного поля ста-
тора.
При отсутствии момента нагрузки на валу синхрон-
ного двигателя оси магнитных полей статора и ротора
совпадают (<х=0), двигатель не развивает момента и
вращается с частотой п0. При появлении на валу дви-
гателя момента сопротивления (нагрузки) ось поля ро-
тора начнет отставать от оси поля статора, и этот про-
цесс будет происходить до тех пор, пока при некотором
угле а=И=0 вращающий (синхронизирующий) момент
двигателя не станет равным моменту нагрузки. Син-
хронный двигатель будет продолжать вращаться с ча-
стотой по, преодолевая момент сопротивления на своем
валу.
Рис. 5. Схема синхронного дви-
гателя с электромагнитным
возбуждением.
Такое положение будет сохраняться до значения
максимального момента двигателя, соответствующего
углу «=90°. При дальнейшем увеличении момента на-
грузки синхронный двигатель, как говорят, «выпадает
из синхронизма» и останавливается. Таким образом,
синхронный двигатель мо-
жет преодолевать лишь оп-
ределенный, номинальный
момент сопротивления, ко-
торый у синхронных двига-
телей соответствует углу
а=20-^30°.
Упрощенная схема син-
хронного двигателя приведе-
на на рис. 5. В корпусе дви-
гателя в пазах сердечника 1
укладывается трехфазная
обмотка переменного тока
2, которая при подключении
ее к сети переменного тока
образует вращающееся маг-
нитное поле. Сердечник
с обмоткой образуют неподвижную часть двигателя —
статор.
Роль рамки с током выполняет обмотка возбужде-
ния 3 двигателя, расположенная на ферромагнитном
сердечнике 4. Обмотка возбуждения имеет несколько
десятков витков (рамок) и подключается к сети посто-
янного тока через контактные кольца и щеточный кон-
такт (на рис. 5 эти части двигателя не показаны).
Обмотка возбуждения, сердечник и контактные
кольца вместе с валом двигателя образуют ротор дви-
гателя— его вращающуюся часть.
Синхронный двигатель, построенный по схеме рис. 5,
обычно называют явнополюсным, что связано с нали-
чием полюсов у сердечника ротора. Наряду с этим име-
ются так называемые неявнополюсные синхронные дви-
гатели, у которых сердечник ротора не имеет явно вы-
раженных полюсов.
Действие синхронного двигателя может основывать-
ся помимо рассмотренного выше принципа взаимодей-
ствия магнитного поля и проводника с током также и
на принципе взаимодействия магнитного поля с посто-
янным магнитом или ферромагнитным телом. Для ил-
14
люстрации этого принципа рассмотрим поведение по-
стоянного магнита 2, помещенного в поле магнита 1,
как это показано на рис. 6. Из курса физики известно,
что разноименные полюсы двух магнитов всегда при-
тягиваются, а одноименные — отталкиваются. В соот-
ветствии с этим магнит 2 займет положение, при кото-
ром его северный полюс будет находиться у южного
полюса магнита 1, а южный — у северного. Это поло-
жение будет являться равновесным для рассматривае-
мой системы из двух магнитов.
Рис. 6.
Рис. 7.
Рис. 6. Схема синхронного двигателя.
Рис. 7. Принцип действия асинхронного двигателя.
Отметим при этом очень важное обстоятельство:
равновесное положение одновременно соответствует
минимальному магнитному сопротивлению на пути маг-
нитного потока п минимальному искривлению силовых
линий магнитного поля. Другими словами, магниты
стремятся занять такое взаимное положение, при кото-
ром линии магнитного поля мало искривляются, а маг-
нитное сопротивление магнитному потоку минимально.
Теперь уже нетрудно выяснить, что будет происхо-
дить с магнитом 2, если начать вращать магнит /. Оче-
видно, он тоже начнет вращаться вместе с магнитом /,
стремясь сохранить равновесное положение, причем
частоты вращения обоих магнитов будут одинаковы
(синхронны). Синхронные двигатели, роторы которых
представляют собой постоянные магниты, называются
синхронными двигателями с постоянными магнитами.
15
Такое же синхронное вращение ротора можно полу^
чить и в том случае, если вместо постоянного магнита 2
поместить в поле постоянного магнита 1 ферромагнит-
ное тело такой же формы. Будучи помещенным в магнит-
ное поле, ферромагнитный ротор намагнитится, причем
у северного полюса магнита образуется южный полюс,
а у южного полюса магнита — северный полюс ферро-
магнитного тела. Такое положение ферромагнитный
ротор будет стремиться сохранить и при вращении маг-
нитного поля, что и обусловливает работу синхронного
двигателя с ротором в виде ферромагнитного тела.
Такой тип двигателя получил название синхронного
двигателя с реактивным ротором. Отметим, что для
работы такого двигателя его ротор принципиально
должен иметь явно выраженные полюсы, причем их чис-
ло (не обязательно два) должно быть равно числу по-
люсов вращающегося магнитного поля.
Образование вращающегося магнитного поля син-
хронного двигателя реактивного и с постоянными маг-
нитами происходит так же, как и у обычного синхрон-
ного двигателя, — с помощью статорной обмотки, под-
ключаемой к сети переменного тока.
Для пояснения принципа работы другого, весьма
распространенного типа двигателя переменного тока —
асинхронного — вновь обратимся к опытам с рамкой,
помещенной в магнитное поле. Однако на этот раз не
будем подводить ток к рамке, а сделаем ее замкнутой,
как это показано на рис. 7. Выясним, что будет проис-
ходить с такой рамкой, если вновь начать вращать по-
люсы магнита, допустим, с частотой вращения п0 по ча-
совой стрелке.
Поскольку рамка вначале неподвижна, то при пово-
роте магнита начнет изменяться магнитный поток, про-
ходящий через рамку. Тогда в соответствии с законом
электромагнитной индукции (закон Фарадея) в рамке
начнет наводиться (индуцироваться) электродвижущая
сила (ЭДС) индукции, под действием которой ио про-
водникам рамки начнет протекать ток. Взаимодействие
этого тока с магнитным полем приведет к появлению
вращающего момента, под действием которого рамка
начнет вращаться. В этом и состоит принцип действия
асинхронного двигателя.
Для определения направления вращения рамки при-
меним закон Ленца, согласно которому токи, протекаю-
16
Щие в рамке при изменений магнитного потока через ее
контур, имеют такое направление, при котором они пре-
пятствуют этому изменению. А поскольку в проводимом
опыте это изменение вызвано вращением магнитного
поля, токи в рамке будут иметь такое направление, при
котором образующийся вращающий момент будет по-
ворачивать рамку в том же направлении, что и поле,
так как только в этом случае будет иметь место умень-
шение изменения магнитного потока через контур рам-
ки. Таким образом, рамка начнет вращаться в том же
направлении, что и поле, но с частотой вращения п.
Отметим при этом одно принципиально важное об-
стоятельство — частота вращения рамки п всегда будет
несколько меньше частоты вращения магнитного поля
По- Действительно, если предположить обратное, т. е.
,что частоты вращения рамки и поля одинаковы, то
магнитный поток через контур рамки не будет изме-
1няться, не будут соответственно индуцироваться ЭДС
'и токи в рамке и вращающий момент исчезнет.
Таким образом, для создания на рамке вращающего
^момента принципиально необходимо различие между
^частотами вращения магнитного поля п0 и рамки п,
т. е. асинхронность (несинхронность) их вращения, что
< и нашло свое отражение в названии этого вида элек-
трического двигателя. Степень различия этих частот
вращения численно характеризуется так называемым
скольжением асинхронного двигателя s, определяемым
по формуле
Необходимо при этом заметить, что при появлении
на оси рамки момента нагрузки вследствие уменьшения
частоты .вращения рамки п (рамка тормозится) увели-
чится скольжение двигателя и магнитный поток через
контур рамки начнет изменяться сильнее. При этом
начнут увеличиваться ЭДС и токи в рамке и соответ-
ственно вращающий момент двигателя. Этот процесс
будет происходить до тех пор, пока при некоторой
частоте вращения рамки вращающий момент рамки не
уравновесит момент нагрузки и не наступит новый
установившийся режим работы. При снижении нагруз-
ки происходит обратный процесс. ,
Итак, для работы асинхронного двигателя необходи-
мо иметь вращающееся магнитное поле и замкнутые рам-
2—1103 17
ки (контуры) на вращающейся части двигателя — ро-
торе.
Вращающееся магнитное поле асинхронного двига-
теля (рис. 8) образуется так же, как у синхронного, —
с помощью обмоток 2, расположенных в пазах пакета /
статора и подключаемых к
Рис. 8. Схема асинхронного
двигателя.
сети переменного тока.
Обмотки 3 ротора асин-
хронного двигателя состоят
обычно из нескольких де-
сятков замкнутых рамок
(контуров) и имеют два ос-
новных исполнения: корот-
козамкнутое и фазное.
При выполнении корот-
козамкнутой обмотки про-
водники, уложенные в пазы
ферромагнитного пакета 4
ротора, замыкаются нако-
ротко. Обычно такая обмот-
ка получается заливкой рас-
плавленного алюминия в па-
зы пакета и имеет название
«беличья клетка».
При изготовлении «фазной» обмотки концы фаз об-
мотки выводятся наружу через скользящие контакты
(кольца), что позволяет включать в цепь ротора раз-
личные добавочные резисторы, необходимые, например,
для пуска двигателя или регулирования его частоты
вращения.
Необходимо заметить, что для получения вращаю-
щего момента асинхронного двигателя не обязательно
размещать на роторе обмотку из электрических провод
ников. Можно изготовить ротор просто в виде сплош-
ного ферромагнитного цилиндра и поместить его в обыч-
ный статор асинхронного двигателя. Тогда при подклю-
чении обмоток статора к сети и появлении вращающе-
гося магнитного поля в массивном теле ротора будут
индуцироваться так называемые вихревые токи (токи
Фуко), направление которых также определяется зако-
ном Ленца. При взаимодействии этих токов с магнит-
ным полем создается вращающий момент, под дейст-
вием которого сплошной ротор начинает вращаться по
направлению вращения магнитного поля, как и обыч-
ный ротор с обмоткой. Такие двигатели получили на-
18
звание асинхронных двигателей с массивным ротором.
Отметим, что вихревые токи возникают, конечно, и
3 сердечнике обычного ротора с обмоткой, однако
в этом случае они являются вредными, поскольку вы-
зывают дополнительный нагрев ротора. Обычно их дей-
ствие стараются ослабить, для чего сердечник ротора
собирают (шихтуют) из отдельных изолированных друг
от друга листов электротехнической стали, создавая тем
самым для вихревых токов большое электрическое со-
противление. В этом случае сердечник часто называют
пакетом.
Рассмотренные в этом разделе общие принципы ра-
боты двигателей постоянного и переменного тока со-
ставляют физическую основу работы и двигателей спе-
циального назначения.
Электродвигатели как общего, так и специального
назначения характеризуются номинальными данными,
к которым относятся мощность на валу двигателя, на-
пряжение, ток, частота вращения, КПД и некоторые
другие величины. Основные номинальные данные рег-
ламентируются государственными стандартами (ГОСТ)
на электрические машины и указываются в паспорте.
Номинальным данным двигателя соответствует нор-
мальный тепловой режим его работы, при котором тем-
пература всех частей двигателя не превосходит допу-
стимого уровня. Для обеспечения такого режима дви-
гатель соответствующим образом рассчитывается и име-
ет систему охлаждения (вентиляции).
По способу охлаждения различают:
1) двигатели с естественным охлаждением, при ко-
тором нет специальных приспособлений для венти-
ляции;
2) двигатели с внутренней и внешней самовентиля-
цией, охлаждение которых осуществляется вентилято-
ром, расположенным на валу двигателя и вентилирую-
щим соответственно внутреннюю полость или внешнюю
поверхность двигателя;
3) двигатели с независимым охлаждением, которые
охлаждаются с помощью отдельного вентилятора («на-
ездника»), имеющего собственный привод.
Работа двигателей характеризуется также и неко-
торыми другими величинами, которые непосредственно
не указываются в его паспорте — номинальным момен-
том, соответствующим номинальным данным двигателя,
2* 19
и пусковыми моментом и током, которые соответствуют
моменту пуска (подключения к сети) двигателя. При
анализе работы двигателя значения пусковых момента
и тока обычно сравнивают с соответствующими номи-
нальными значениями. Момент и ток двигателя при
пуске не должны превосходить определенных допусти-
мых значений, определяемых условиями нагрева дви-
гателя и нормальной работы его коллекторно-щеточно-
го узла.
2. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ С МАЛОИНЕРЦИОННЫМ
РОТОРОМ
Для многих производственных механизмов необхо-
димо быстрое изменение значения или направления ско-
рости движения рабочих органов, что требует от при-
водного двигателя обеспечения значительных ускорений
или замедлений вращения вала, или, другими словами,
высокого быстродействия.
Из курса физики известно, что ускорение (замедле-
ние) е при вращательном движении какого-либо мате-
риального тела (в данном случае ротора двигателя)
прямо пропорционально моменту М, действующему на
это тело, и обратно пропорционально моменту инерции
J этого тела относительно оси вращения:
Из приведенной формулы следует, что для получе-
ния больших ускорений (замедлений) необходимо, что-
бы двигатель развивал значительный вращающий мо-
мент М, а его ротор имел небольшой момент инерции J.
Выражение для максимального значения момента
двигателя Мт1х в соответствии с формулой (2) может
быть записано следующим образом:
Mmax=BIS=2BIlr, (6)
где I — длина проводников рамки (длина ротора дви-
гателя); г — расстояние от оси вращения рамки 00' до
проводников (радиус ротора двигателя).
Момент инерции J цилиндрического тела (ротора
двигателя) относительно оси вращения подсчитывается
по формуле
J—mr2, (7)
где т — масса цилиндра (ротора); г — радиус цилиндра
(ротора).
20
Подстановка выражений (6) и (7) в формулу (5)
приводит к следующему соотношению:
Полученная формула определяет способы повыше-
ния быстродействия двигателя. Они состоят в сле-
дующем:
1) повышение индукции магнитного поля двигателя;
2) выполнение ротора двигателя с минимально воз-
можной массой и с максимально возможным отноше-
нием длины к радиусу;
3) увеличение тока в обмотках двигателя.
Первый способ реализуется практически во всех
двигателях — как обычных, так и специальных — путем
соответствующего расчета магнитной системы. Второй
и третий реализуются соответственно в специальных
конструкциях двигателей с малоинерционным ротором
и так называемым гладким якорем. Далее рассматри-
ваются двигатели с малоинерционными роторами, сни-
жение механической инерции которых обеспечивается
уменьшением массы ротора или увеличением отношения
его длины к радиусу.
Выясним, каким образом можно уменьшить массу
ротора (якоря) двигателя.
Вспомним, что вращающий момент двигателя со-
здается за счет сил, действующих на проводники с то-
ком, находящиеся на поверхности ротора (якоря). Сер-
дечник же ротора, который и составляет основную мас-
су вращающегося ротора, служит только для размеще-
ния (крепления) обмотки и проведения магнитного
потока. А что если каким-то образом оставить во вра-
щении только обмотку и вал ротора? Оказалось, что
такая идея практически реализуема, в результате чего
и появились малоинерционные двигатели, быстродейст-
вие которых в несколько раз выше, чем у обычных дви-
гателей.
Наибольшее распространение получили две конст-
рукции таких двигателей: с полым цилиндрическим ро-
тором и дисковым ротором. Подобные конструкции ро-
тора используются в основном для двигателей постоян-
ного тока и асинхронных двигателей, которые глав-
ным образом применяются в регулируемом электро-
приводе.
21
Для синхронных двигателей, которые используются
в основном для производственных механизмов с нерегу-
лируемой скоростью движения, применение малоинер-
ционного ротора не имеет практического смысла.
Рассмотрим теперь подробнее устройство малоинер-
ционных двигателей постоянного и переменного тока,
имеющих небольшую массу вращающейся части. Мало-
инерционные двигатели постоянного тока этого вида
могут быть с цилиндрическим полым или дисковым
якорем.
Двигатели с полым цилиндрическим якорем могут
иметь электромагнитное возбуждение или возбуждение
от постоянных магнитов. Во втором случае постоянные
магниты могут располагаться на статоре двигателя или
внутри якоря. Якорь двигателя выполняется, как пра-
вило, в виде тонкостен-
ного стакана из немаг-
нитного материала.
Па рис. 9 показана
принципиальная схема
конструкции двигателя с
полым цилиндрическим
якорем и электромагнит-
ным возбуждением.
Обмотка возбужде-
ния 1 расположена на
Рис. 9. Двигатель постоянного то-
ка с полым цилиндрическим яко- полюсах 2 магнитной си-
Рем- стемы, укрепленных на
статоре 3 двигателя.
Якорь 4 выполнен в виде полого пластмассового
цилиндра, в который запрессованы проводники обмот-
ки якоря. Ток к обмотке якоря подводится через кол-
лекторно-щеточный узел 5. Внутри полого якоря раз-
мещен магнитопровод 6, который является частью
магнитной системы двигателя и иногда называется
внутренним статором. Как видно из приведенного ри-
сунка, при такой конструкции вращается только ци-
линдр с обмоткой, масса которого невелика.
Наряду с электромагнитным возбуждением в таких
двигателях применяется возбуждение, осуществляемое
с помощью постоянных магнитов. При этом магниты
могут находиться как на внешнем статоре двигателя,
аналогично тому, как это показано на рис. 9, так и на
внутреннем. Во втором случае внешний статор выпол-
22
йяется из ферромагнитного материала и является
частью магнитопровода.
Развитием и совершенствованием конструкции дви-
гателя этого типа явилось изготовление якорей с так
называемой печатной обмоткой. Такая обмотка
(рис. 10,а) представляет собой систему из плоских мед-
ных проводников 1 небольшой толщины, расположен-
ных на внутренней и внешней поверхности полого ци-
Рис. 10. Якорь с печатными обмотками,
а —полый цилиндрический; б — дисковый.
линдра 2, выполненного из изоляционного материала.
Эти проводники наносятся на поверхность якоря спе-
циальным фотохимическим способом, откуда и произо-
шло название печатной обмотки. Изоляцией между про-
водниками обмотки служат воздух и материал якоря.
Концы обмотки подводятся к коллектору, как и в обыч-
ной конструкции двигателя постоянного тока.
Недостатком конструкции двигателя с полым якорем
является наличие большого воздушного зазора на пути
магнитного потока, что требует применения более мощ-
ной обмотки возбуждения двигателя. Это приводит
к увеличению габаритов и массы двигателей, а в слу-
чае электромагнитной системы возбуждения — и к уве-
личению потерь энергии в цепи возбуждения. Однако
эти недостатки малозначимы для двигателей небольшой
мощности и компенсируются приобретением ими весьма
ценных качеств. Основное из них — весьма малая инер-
ционность его якоря. Другое положительное свойство
определяется расположением проводников обмотки яко-
ря практически в воздушном зазоре двигателя, а не
в пазах магнитопровода. Такое расположение, как по-
23
называется в теории электрических машин, улучшает
условия их охлаждения и коммутации, что позволяет
повысить силу тока в проводниках якоря и снизить га-
бариты и массу двигателя. Кроме того, улучшение ком-
мутации увеличивает срок службы коллекторно-щеточ-
ного узла.
Таблица 1
Тип двига- теля р ном* Вт ляом’ об/мшь Мном- Нм ^НОм' & т> кг
ДПР-32 1,9 1,5 1,2 9000 6000 4500 0,002 0,025 0,14 0,12 0,095 0,08
ДПР-42 4,7 3,1 2,4 1,3 9000 6000 4500 2500 0,005 0,29 0,2 0,16 0,11 0,15
ДПР-52 9,5 6,3 4,7 2,6 9000 6000 4500 2500 0,01 0,53 0,36 0,26 0,16 0,26
ДПР-62 19 12,5 9,4 5,2 9000 иООО 4500 2500 0,02 1,0 0,72 0,55 0,33 0,41
ДПР-72 25 19 10,5 биОО 4500 2500 0,04 1,35 1,0 0,6 0,6
Отечественной электропромышленностью выпускает-
ся несколько серий двигателей постоянного тока с по-
лым якорем [1]. В табл. 1 приведены технические дан-
ные двигателей серии ДПР на напряжение 27 В, при
этом приняты следующие обозначения: Люм —номи-
нальная мощность двигателя; паом — номинальная ча-
стота вращения; /Ином, /ном — соответственно номиналь-
ные момент и ток двигателя; т — его масса.
Двигатели серии ДПР выпускаются также на напря-
жения 6 и 12 В. Возбуждение двигателей — от постоян-
ных магнитов, расположенных на неподвижном статоре
внутри полого якоря. Обмотка якоря — проводниковая.
Двигатели этой серии имеют следующие конструктив-
ные исполнения:
24
HI —нормальное исполнение с одним выходным кон-
цом вала;
Н2 — то же с двумя выходными концами вала;
Ф1—фланцевое исполнение с одним выходным кон-
цом вала;
Ф2 — то же с двумя выходными концами вала.
Каждый типоразмер предусматривает выполнение
двигателя с различными номинальными данными — ча-
стотой вращения и напряжением питания.
Внешний диаметр двигателей лежит в пределах 15—
40 мм, а их длина не превышает 84 мм.
Таблица 2
Тип дви- гателя Типоразмер Р ~ , Вт 1Юм’ ^ном* об/мин «КОМ’ Н-м бч»|- А "ном- в J-10*, кг-м*
дпця 1Т 800 3000 2,45 45 27 2,7
2Т 150) 1000 3,5 75 27 6,1
0,6 GOO 3000 1,9 40 23 3,6
0,7 700 3100 2,24 45 20 5,6
1,0 970 3000 3,08 29,3 40 4,0
1,5 1500 4900 2,94 16,5 110 3,6
3,0 2900 3000 9,45 190 22 26
5,0 5000 2800 17 29 220 105
8,0 8000 2600 29,4 41,5 220 200
11,0 11 000 2800 37,6 115 110 99
ДСПЯ 0,4Л 440 6000 0,7 12 60 1,4
0,4 400 3000 1.33 24 27 1,5
0,6 600 3000 1,9 40 27 2,1
0,8 800 3000 2,7 44 26 3,0
1,5 1500 4000 3,5 95 23 4,7
дмпя 0,37 370 3000 1,2 13,6 35 3,2
0,62 620 3000 2,0 22 39 3,2
В настоящее время разработана [7] серия двигате-
лей постоянного тока с полым цилиндрическим якорем,
имеющим печатную обмотку. Эта серия имеет следую-
щие модификации двигателей: ДПЦЯ — с электромаг-
нитным независимым возбуждением; ДСПЯ — с элек-
тромагнитным последовательным возбуждением и
ДМПЯ— с возбуждением от постоянных магнитов. Тех-
нические данные этих двигателей приведены в табл. 2,
где даны также значения номинального напряжения
17Ном и момента инерции двигателя J.
Рис. 11. Двигатель постоянного тока
с дисковым (торцевым) якорем.
Другим распространенным
типом малоинерционного двига-
теля является двигатель с дис-
ковым (торцевым) якорем. Та-
кие двигатели, как показали не-
которые теоретические исследо-
вания, целесообразно выпускать
до мощности около 1—2 кВт,
свыше этой мощности преимуще-
ства имеют двигатели с полым
цилиндрическим якорем.
Двигатели постоянного тока
с дисковым якорем имеют принципиальную конструк-
цию, показанную на рис. 11.
Основной особенностью этого двигателя является
исполнение его якоря в виде плоского немагнитного
диска /, на котором располагается, как правило, печат-
ная обмотка. Такой дисковый якорь помещен в зазор
магнитной системы двигателя, образованной полюсами
электромагнита (или постоянного магнита) 2 и ферро-
магнитными кольцами 3. Диск с обмоткой укреплен на
валу 4, который вращается в подшипниках двигателя.
Ток к обмотке якоря двигателя подводится через щет-
ки 5, которые скользят непосредственно по поверхно-
сти якоря.
На рис. 10,6 отдельно показан дисковый якорь дви-
гателя с печатной обмоткой. Он обычно выполняется из
текстолита или керамики и несет на себе печатную об-
мотку, наносимую на диск фотохимическим способом.
Толщина диска в зависимости от мощности двигателя
обычно колеблется в пределах от 0,5 до 2 мм, а толщи-
на проводников обмотки — от 0,05 до 0,5 мм. Провод-
ники обмотки якоря располагаются радиально по обе
стороны диска и соединяются через отверстия в диске.
Коллектором в таких двигателях чаще всего являются
неизолированные участки проводников обмотки якоря,
по которым скользят щетки, как это принципиально
показано на рис. 11. Иногда применяется и коллектор
обычной конструкции.
Конструкция с многодисковым якорем позволяет по-
высить мощность таких двигателей.
?6
Двигатели с дисковым якорем обладают теми же
отличительными свойствами, что и двигатели с цилин-
дрическим полым якорем: малой инерционностью вслед-
ствие небольшой массы якоря, улучшенными условиями
коммутации и хорошим охлаждением проводников об-
мотки, эти свойства обеспечивают в конечном итоге
высокое быстродействие таких двигателей. При этом
характерная особенность их конструкции — плоская
форма двигателя — оказывается весьма удобной для
сочленения с некоторыми производственными механиз-
мами или электрифицированными бытовыми приборами.
Разработано несколько типов двигателей постоянно-
го тока с дисковым (торцевым) якорем, ориентировоч-
ные технические данные которых приводятся в табл. 3
[11-
Таблица 3
Тип двигателя р ном Вт яном’ об/мин ^ном’ Н-м ^ном* А ^ном’ В WI, кг
МРМ-4 5,5 3500 0,015 2 6 .—
MPM-G 50 3000 0,16 7,5 12 —
ДП-30 36 3500 0,1 6 12 —
ДПО-1 1000 4000 2,44 26 48 —.
ДПО-2 700 3000 2,28 7,85 110 —
ПДР-6 60 3000 0,2 7 14 «—
ПДР-3 400 3000 1,35 15 39 -—
ПЯ-5 з 3000 0,016 1,67 6 0,355
ПЯ-20 20 3000 0,064 5,67 6 0,78
ПЯ-50 50 3000 0,16 7,5 12 1,1
НЯ-125 125 3000 0,4 16 12 1,96
ПЯ-250 250 3000 0,8 31,7 12 6
ПЯ-500 500 3000 1,6 13,8 48 9
В системах автоматики наряду с малоинерционными
двигателями постоянного тока широкое распростране-
ние получили и малоинерционные асинхронные двига-
тели, работающие как от сети переменного тока про-
мышленной частоты 50 Гц, так и от источников повы-
шенной частоты — 400 Гц и более. Известны асинхрон-
ные двигатели с полым цилиндрическим и дисковым
роторами. Последний тип двигателя — с дисковым ро-
тором — пока еще не получил широкого распростра-
нения.
Асинхронные двигатели с полым цилиндрическим
ротором делятся на две группы: двигатели с немагнит-
27
2 1 '1 4 5
Рис. 12. Асинхронный двига-
тель с полым немагнитным ро-
тором.
ным ротором и двигатели
с. магнитным ротором. Наи-
более широко выпускаются
двигатели с полым немаг-
нитным ротором. Конструк-
тивная схема такого двига-
теля представлена на рис. 12.
Статор 1 двигателя,
принципиально ничем не от-
личающийся от статора
обычных асинхронных дви-
гателей, набирается из лис-
тов электротехнической ста-
ли, и в его пазы укладыва-
ются обмотки переменного
тока 2. Обычно такие двигатели имеют две сдвинутые
в пространстве обмотки — возбуждения и управления.
На обмотку возбуждения подается напряжение се-
ти, а на обмотку управления поступает сигнал (напря-
жение) управления, в функции которого осуществляет-
ся регулирование частоты и направления вращения
двигателя.
Ротор 3 двигателя представляет собой тонкостен-
ный немагнитный стакан с толщиной стенок от 0,2 до
1 мм, выполняемый обычно из сплавов алюминия. Ро-
тор крепится на валу 5 двигателя, вращающегося в под-
шипниках.
Внутри ротора располагается неподвижный сплош-
ной или шихтованный магнитопровод 4, который часто
называют внутренним статором. Этот магнитопровод
является частью магнитной системы двигателя и слу-
жит для уменьшения магнитного сопротивления пото-
ку двигателя. Иногда обмотки возбуждения и управ-
ления располагают на внутреннем статоре, что делает
конструкцию двигателя более технологичной.
Конструктивная схема асинхронного двигателя с по-
лым немагнитным ротором отличается важной специфи-
ческой особенностью: воздушный зазор двигателя, скла-
дывающийся из двух зазоров между ротором и стато-
рами двигателя и толщины немагнитного ротора,
составляет 0,4—1,5 мм и существенно превышает воз-
душный зазор асинхронного двигателя обычной конст-
рукции той же мощности. Наличие такого большого
зазора приводит к снижению коэффициента мощности
28
й коэффициента полезного действия, в силу чего двгб
гатели с полым ротором выпускаются в основном на
небольшие мощности.
Отметим, что принцип действия асинхронных двига-
телей с полым немагнитным (и ферромагнитным) ро-
тором тот же, что и у обычного асинхронного двига-
теля с массивным ротором: при подаче переменного
напряжения на сдвинутые в пространстве обмотки
возбуждения и управления возникает вращающееся
магнитное поле, которое вызывает появление в роторе
вихревых токов. Взаимодействие этих токов с магнит-
ным полем двигателя приводит к появлению вращаю-
щего момента на его валу.
Таблица 4
Тип двигателя р ном' Вт По, об/мин Н*м Оу. В Ув-В J 10®. ком* »1, г
ДИД 0,1 ТА 0,1 13 660 0,00015 30 36 2,2 25
ДИД О.ЗТА 0,3 14 000 0,00035 30 36 4,4 50
ДИД 6-,6ТА 0,6 16 660 0,00065 30 36 7,4 60
ДИД 1ТЛ 1 18 000 0,0009 30 36 6,9 ПО
ДИД 2ТА 2 18 000 0,0018 30 36 8,8 160
ДИД ЗТА 3 8000 0,(056 30 36 23,2 350
ДИД 5ТА 5 6000 0,012 30 36 360 1600
АДП-1С01 3,7 12 500 0,004 35 120 78 750
АДП-1120 2,4 4600 0,006 110 110 120 650
АДП-1123 4,1 6700 0,01 по ПО 120 550
АДП-1262 9 2500 0,05 125 110 166 1600
ЛДП-1263 24,7 8560 0,04 275 36 166 1600
АДП-1362 17 2500 0,085 125 110 390 2600
АДП-1363 46,4 8600 0,075 245 36 390 2700
АДП-1563 62 8500 0,1 220 36 1180 5700
Отечественная электропромышленность выпускает
несколько серий асинхронных двигателей с полым не-
магнитным ротором. Технические данные этих двигате-
лей [1] приведены в табл. 4, где п0 — частота вращения
холостого хода, a U? и UB — соответственно поминаль-
ные напряжения обмоток управления и возбуждения.
Обозначения остальных величин — прежние.
Частота напряжения питания двигателей серии ДИД
составляет 400 Гц. Частота напряжения питания двига-
телей АДП-1262 и АДП-1362 равна 50. Гц, остальных
двигателей этой серии — 400 или 500 Гц. Внешний диа-
метр двигателей серии ДИД колеблется в зависимости
29
Рис. 13. Асинхронный двига-
тель с полым ферромагнитным
ротором.
от мощности в пределах ot
19 до 60 мм, а их длина —
от 38 до 104 мм. Соответ-
ствующие размеры двигате-
лей серии АДП составляют
50—108 и 87—183 мм.
На рис. 13 показана схе-
ма конструкции асинхрон-
ного двигателя с полым фер-
ромагнитным ротором. Ста-
тор 1 двигателя с обмотка-
ми 2 ничем не отличается от
внешнего статора двигателя
с немагнитным ротором.
Основная особенность кон-
струкции двигателя заклю-
чается в исполнении ротора, который представляет со-
бой полый ферромагнитный цилиндр 3 с толщиной сте-
нок от 0,5 до 3 мм. Этот цилиндр крепится на валу
двигателя с помощью двух специальных шайб (про-
бок) 4. Иногда применяется ротор с одной пробкой,
которая в этом случае устанавливается посередине ци-
линдрического ротора.
Внутренний статор в таких двигателях отсутствует,
так как магнитный поток, пройдя через воздушный за-
зор, замыкается по ферромагнитному ротору, выпол-
няющему тем самым и роль части магнитопровода. По
этой причине у двигателя с ферромагнитным ротором
воздушный зазор оказывается меньше, чем у двигателя
с немагнитным ротором, а коэффициенты мощности и
полезного действия несколько выше. С другой стороны,
масса ферромагнитного ротора больше массы немаг-
нитного ротора, поэтому быстродействие двигателя
с таким ротором оказывается ниже и применяются они
реже, нежели асинхронные двигатели с полым немаг-
нитным ротором.
Перейдем к рассмотрению малоинерционных двига-
телей, у которых повышение быстродействия достигну-
то увеличением длины ротора при одновременном сни-
жении его радиуса или, другими словами, за счет уве-
личения отношения Z/r. В настоящее время выпущено
несколько серий двигателей этого типа, например роль-
ганговые двигатели серии АР, двигатели для деревооб-
рабатывающих станков серии АТ, краново-металлурги-
30
ческие двигатели постоянного и переменного тока и т. д.
Далее рассматриваются малоинерционные двигатели
постоянного тока новой серии ПБСТ и ПСТ [8]. Чаще
всего двигатели этой серии применяются для привода
рабочих органов различных станков, для которых тре-
буются высокое быстродействие и большой диапазон
регулирования скорости их движения.
Основными конструктивными особенностями двига-
телей являются увеличенная длина и уменьшенный
внешний диаметр их якоря, что в соответствии с фор-
мулой (8) позволяет получать (при прочих равных
условиях) их повышенное быстродействие.
Мощность двигателей серии ПСТ в длительном ре-
жиме работы — от 0,12 до 0,75 кВт, номинальные часто-
ты вращения — 1000, 1500, 2200 и 3000 об/мин. Двига-
тели серии ПБСТ имеют те же номинальные частоты
вращения и выпускаются на мощности от 0,56 до
17 кВт. Технические данные этих двигателей при напря-
жении сети 220 В для длительного режима работы при-
ведены в табл. 5. Электродвигатели этих серий выпу-
скаются и на напряжение НО В постоянного тока.
Электродвигатели ПБСТ и ПСТ имеют независимое
электромагнитное возбуждение от обмотки возбуждения
ПО или 220 В. Помимо этого, двигатели имеют на ста-
торе дополнительные полюсы, обмотка которых вклю-
чается последовательно с обмоткой якоря. Дополни-
тельные полюсы служат для улучшения условий ком-
мутации тока.
Двигатели ПБСТ и ПСТ имеют естественное охлаж-
дение и допускают регулирование частоты вращения
в широких пределах, вплоть до 10 об/мин. При этом
двигатели могут быть нагружены на номинальный мо-
мент. Двигатели этих серий допускают также работу с
частотами вращения выше номинальных. Для двигателей
на 3000 об/мин это превышение может быть в 1,2—
1,3 раза больше номинальной частоты вращения, для
двигателей на 2200 об/мин — в 1,6—1,8 раза, а для
двигателей на 1000 и 1500 об/мин — в 2,5—3 раза.
Двигатели обеспечивают изменение направления
вращения (реверсирование) и допускают следующие
перегрузочные режимы:
четырехкратную перегрузку по току при номиналь-
ном возбуждении в течение 10 с (при этом момент дви-
гателя больше номинального в 2,5—3 раза);
•3!
р ном’ кВт Л кг-№ т, кг р ном’ кВт кг-см3
Тип двигателя
1000 1500
пст-31 — — —. — .—
ПСТ-41 — — — 0,12 —
ПСТ-42 0,12 — 25 0,18 —
ПСТ-51 0,18 — 34 0,25 —
ПСТ-52 0,25 — 38 0,37 —
ПСТ-53 0,3/ — 42 0,55 —
ПБСТ-22 0,4 0,048 66 0,6 0,048
ПБСТ-23 0,55 0,055 74 0,85 0,055
ПБСТ-32 0,8 0,1 91 1,2 0,1
ПБСТ-33 1,0 G, 13 103 1,6 0,13
ПБСТ-42 1,4 0,185 107 2,1 0,185
ПБСТ-43 1,9 0,23 123 2,8 0,23
ПБСТ-52 2,5 0,44 155 4,1 0,44
ПБСТ-53 3,3 0,52 174 4,8 0,52
ПБСТ-62 4,7 1,03 208 7,2 1,03
ПБСТ-63 5,4 1,23 250 7,8 1,23
Таблица 5
т, кг р ном’ кВт /, кг-см“ т, кг кВт /, кг см2 /п, кг
гота вращения, об/мин
2200 3000
— 0,12 .— 19 0,18 — 19
24 0,18 — 24 0,25 — 24
25 0,25 — 25 0,37 — 25
34 0,37 34 — — —
38 0,55 — 38 — — —
42 0,75 — 42 — — —
66 0,85 0,048 66 1,0 0,048 66
74 1,15 0,055 74 1,3 0,055 74
91 1.5 0,1 91 1,75 0,1 91
103 2,1 0,13 103 2,35 0,13 103
107 2,9 0,185 16'7 3,4 0,185 107
123 3,8 0,23 123 4,3 0,23 123
155 5,5 0,44 155 6,5 0,44 155
174 6,3 0,52 174 8,0 0,52 174
208 10,0 1,03 208 11,3 1,03 208
250 11,0 1,23 255 — — —
двукратную (для номинального напряжения ПО В)
и полуторакратную (для номинального напряжения
220 В) перегрузку по напряжению в течение 5 мин при
номинальном возбуждении.
Двигатели серий ПБСТ и ПСТ выпускаются со
встроенными тахогенераторами постоянного тока. Сиг-
нал тахогенератора обычно используется в схемах
управления электродвигателем для получения требуе-
мых характеристик электропривода, а также может
быть подан на регистрирующий или показывающий
прибор.
Для двигателей серии ПБСТ применяются тахогене-
раторы типа ПТ1, имеющие электромагнитное возбуж-
дение от сети постоянного тока напряжением 55 В. Эти
тахогенераторы выпускаются на 1500 и 3000 об/мин и
имеют при таких частотах вращения выходное напря-
жение 230 В. Мощность тахогенератора составляет
15 Вт, а сопротивление обмотки якоря не превышает
140 Ом при частоте вращения 1500 об/мин и 40 Ом при
частоте вращения 300 об/мин.
Для двигателей серии ПСТ тахогенераторы выпуска-
ются с возбуждением от постоянных магнитов, мощ-
ность этих тахогенераторов 5 Вт. выходное напряжение
100 В, сопротивление якоря 200 Ом.
Тахогенераторы, используемые для двигателей
ПБСТ и ПСТ, имеют пониженный уровень пульсаций
выходного напряжения и прямолинейную характеристи-
ку от номинальной частоты вращения до 10 об/мин.
Двигатели серии ПСТ и двигатели 2-го и 3-го габа-
ритов серии ПБСТ имеют изоляцию обмоток класса Б,
а двигатели 4—6-го габаритов серии ПБСТ — изоляцию
класса F.
Двигатели этих серий изготовляются в следующих
исполнениях: М101 (горизонтальное с лапами на ста-
нине); М211 (горизонтальное с лапами на станине и
фланцем); М361 (горизонтальное с фланцем и станиной
без лап); М362 (вертикальное с фланцем).
3. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ С ГЛАДКИМ ЯКОРЕМ
По принципу своего действия двигатели с гладким
якорем не отличаются от обычных двигателей постоян-
ного тока. Однако эти двигатели имеют одну важную
особенность конструкции якоря, которая заключается
в том, что проводники обмотки якоря располагаются
3^-1103 33
не в пазах пакета якоря, как обычно (см. рис. 3), а кре-
пятся непосредственно на поверхности гладкого (без
пазов) якоря. Отсюда произошло и само название этих
двигателей. На рис. 14 показана часть такого гладкого
(беспазового) якоря. Проводники 1 обмотки якоря уло-
жены на поверхность пакета 2. Для изоляции провод-
ников обмотки обычно используются изолирующие про-
Рис. 14. Элемент гладкого
якоря.
кладки 3 между обмоткой и
пакетом. Снаружи обмотка
крепится специальным банда-
жом 4, выполняемым чаще
всего из стеклоткани.
Какие же новые свойства
приобретает двигатель, имею-
щий такой гладкий (беспазо-
вый) якорь?
Сравним условия охлажде-
ния проводника, расположен-
ного в пазу сердечника яко-
ря (обычное исполнение дви-
гателей) и на поверхности сердечника (двигатель
с гладким якорем). Нетрудно заметить, что охлаждение
проводника на гладком якоре происходит интенсивнее,
чем в пазу сердечника. Поэтому в этом случае имеется
возможность повысить силу тока в проводниках обмот-
ки якоря, а тем самым в соответствии с формулой (2)
и развиваемый двигателем момент.
Помимо этого, для двигателя с гладким якорем по-
является еще одна дополнительная возможность уве-
личить силу тока в проводниках якорной обмотки. Для
обычной электрической машины постоянного тока силл
тока в проводниках обмотки якоря не может даже крат-
ковременно превышать номинальную (паспортную)
силу тока более чем в 2—2,5 раза, что связано глав-
ным образом с условиями нормальной работы коллек-
тора машины. При нарушении этого условия начинается
сильное искрение на коллекторе, его обгорание и в ко-
нечном итоге происходит выход двигателя из строя.
В теории электрических машин показывается, что
при расположении проводников обмотки якоря па по-
верхности сердечника условия коммутации тока сущест-
венно улучшаются, в связи с чем появляется возмож-
ность увеличить силу тока в обмотке в большей степени,
чем для обычного двигателя. Таким образом, в резул>-
3.4
тате улучшения охлаждения проводников обмотки яко-
ря и условий коммутации двигатели с гладким якорем
допускают 8—10-кратные пусковые токи, что примерно
в 4 раза больше, чем для двигателей с обычным испол-
нением якоря. Развиваемый двигателем при этом мо-
мент в 6,5—7 раз превышает номинальный (паспорт-
ный) и в 2,5—3 раза — допустимый момент двигателей
с обычным якорем. В этом в соответствии с формулой
(8) и заключается основная возможность повышения
быстродействия электроприводов с двигателями, имею-
щими гладкий якорь. Дополнительное повышение бы-
стродействия этих двигателей достигается также за
счет использования удлиненного якоря с малым внеш-
ним диаметром, что позволяет заметно снизить его мо-
мент инерции.
Таблица 6
Тип двигателя р нОм’ кВт "ном- В Ачом’ А Возбуждение КПД, % J, кг-сма
в ^ном’ А без ТГ с ТГ
ПГП-0,25 0,25 36 ' 8,8 79 3,4
ПГИ-0,5 0,5 48 13 — — 80 12,4 —
ПГ-1 1,0 60 20,4 220 1,08 65 21 30
ПГ-2 2,0 110 21,2 ПО 2,8 76 75 82
ПГ-4 4,0 220 21 220 2,0 79 278 285
1Г-6 6,0 220 ' 30,7 220 2,2 82 460 540
1Г-9 9,0 220 i 46,3 220 3,0 82 900 980
1Г-12 12,0 440 • 31,7 220 3,7 82 1700 1780
В результате быстродействие двигателя с гладким
якорем в несколько раз превышает быстродействие дви-
гателя с обычным якорем. Для примера отметим, что
если время пуска двигателей с гладким якорем не пре-
вышает нескольких сотых долей секунды (до 0,04 с для
двигателя мощностью 9 кВт), то для двигателей той же
мощности и частоты вращения с обычным якорем это
время составляет уже около 0,6 с.
В настоящее время в Советском Союзе разработа-
но несколько серий двигателей постоянного тока
с гладким якорем.
Двигатели серии ПГ [8] выпускаются на мощности
от 0,25 до 12 кВт и частоту вращения 3000 об/мин.
Технические данные этих двигателей приведены
в табл. 6.
3* 35
Двигатели мощностью 0,25 и 0,5 кВт имеют возбуж-
дение от постоянных магнитов и обозначаются соот-
ветственно ПГП-0,25 и ПГП-0,5. Эти двигатели выпу-
скаются с естественным охлаждением. Остальные дви-
гатели этой серии мощностью от 1 до 12 кВт имеют
электромагнитное возбуждение. Охлаждение этих дви-
гателей осуществляется с помощью внешнего вентиля-
тора — «наездника», который приводится во вращение
трехфазным асинхронным двигателем типа АОЛ-ОП-2
мощностью 80 Вт, установленным на корпусе основного
двигателя. Такой способ вентиляции, называемый часто
независимым или внешним, позволяет регулировать ча-
стоту вращения двигателей в самых широких пределах
при номинальном моменте нагрузки на валу.
Таблица 7
Тип тахогенера- тора р ном’ Вт ЛНОм’ об/мин и ном' В бом' А КПД, % Ом Возбуждение
"ном’ В бо\1' А
ТГ1 с двигате- лем ПГТ1; ПГТ2; ПГТ4 36 3000 115 0,31 37 55,6 55 0,77
ТГ2 с двигате- лем ПГТ6; ПГТ9; ПГТ 12 36 3000 115 0,31 26 12,2 55 1,15
♦ /?я—сопротивление обмотки якоря тахогенератора.
Двигатели мощностью 1 кВт и выше могут выпу-
скаться со встроенным тахогенератором и имеют в этом
случае обозначение ПГТ. Тахогенераторы, встраиваемые
в корпус двигателей ПГТ, представляют собой мало-
мощные генераторы постоянного тока, выходное напря-
жение которых пропорционально частоте вращения вала
двигателя. Напряжение тахогенератора может исполь-
зоваться для контроля частоты вращения вала двигате-
ля или в схеме управления двигателем. Тахогенераторы
имеют закрытое исполнение и выполняются с электро-
магнитным возбуждением. Технические данные тахоге-
нераторов приведены в табл. 7.
По роду монтажа двигатели этой серии изготовля-
ются в следующих исполнениях:
горизонтальные — с лапами на станине (исполнение
М.101), с лапами на станине и фланцем (исполнение
36
М211), с фланцем и станиной без лап (исполнение
М361);
вертикальные — с фланцем (исполнение М362).
Электродвигатели в исполнении М361 и М362 выпу-
скаются мощностью до 4 кВт включительно.
По допускам на установочные размеры (непарал-
лельность и неплоскостность лап, радиальное биение
свободного конца вала, биение крепительного фланца)
двигатели изготовляются в соответствии с ГОСТ
8592-66 по графе «Повышенная точность».
Двигатели имеют изоляцию обмоток класса В.
В табл. 8 приведены технические данные двигателей
постоянного тока с гладким якорем серии МИГ [7].
Двигатели серии МИГ выпускаются на номиналь-
ные частоты вращения от 430 до 6000 об/мин, мощно-
сти от 10 до 2000 Вт и номинальные моменты от 0,016
до 6,36 Н-м.
Таблица 8
Тип двигателя р ном* Вт яном’ об/мин ^ном* В ^ном’ А /?я, Ом Ы0\ кгм» т. кг
МИГ-90А 90 3000 27 4,7 0,94 2,0 5,9
МИГ-180А 180 3000 27 9,2 0,40 3,9 9,0
МИГ-400А 400 3000 60 8,3 0,76 16 14,6
МИГ-600А 600 3000 ПО 6,5 1,40 43 20
МИГ-1 ОБ 10 6000 12 1,4 2,5 . 0,025 0,35
МИГ-25 Б 25 6000 12 3,2 0,9j 0,068 0,65
МИГ-60Б 60 6000 27 3,2 1,51 0,36 1,5
МИГ-90 Б 90 6000 27 4,3 0,7 0,79 2,0
МИГ-ПР 170 1500 24 11 0,57 1,52 10
МИГ-ПК 190 450 36 14 0,9 190 15
МИГ-90ДТ 90 6000 27 4,5 0,7 1,2 3,3
МИГ-180ДТ 180 6000 27 9,0 0,3 1,9 4,7
МИГ-370ДТ 370 6000 27 16 0,12 5,0 8,2
МИГ-550ДТ 550 6000 ПО 6,0 1.1 14,3 10,7
Все двигатели имеют возбуждение от постоянных
магнитов. Двигатели серии МИГ, за исключением
МИГ-ПР, имеют естественное охлаждение аналогично
двигателям ПГП; двигатели МИГ-ПР — самовентили-
руемые. Двигатели этой серии могут выпускаться со
встроенными тахогенераторами постоянного тока.
В этом случае в их обозначения добавляется буква Т.
Применяемые тахогенераторы также имеют гладкий
якорь, что позволяет снизить уровень вредных пульса-
37
Ций их выходного напряжения до 1%. Возбуждение
тахогенераторов производится от постоянных магнитов.
Выходное напряжение тахогенераторов может быть 12
или 24 В, номинальное сопротивление нагрузки 3 или
10 кОм. Коэффициент полезного действия двигателей
серии МИГ находится в пределах от 65% (для двига-
телей мощностью 90 Вт) до 90% (для двигателей мощ-
ностью 650 Вт и выше). Допустимый пусковой ток
в 8 раз превышает номинальный.
4. БЕСКОНТАКТНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Для нормальной работы двигателя постоянного тока
необходимо изменять направление тока в проводниках
якорной обмотки при изменении его положения относи-
тельно полюсов магнитного поля статора. Это переклю-
чение в обычных двигателях постоянного тока обеспе-
чивается с помощью коллектора, простейшая конструк-
ция которого показана на рис. 2,в. Однако наличие
этого устройства, принципиально необходимого для дви-
гателей постоянного тока, вызывает появление у этих
двигателей некоторых нежелательных свойств.
В первую очередь к ним относится необходимость
постоянного надзора и ухода за коллекторно-щеточным
узлом, так как при эксплуатации двигателя щетки
истираются, а коллектор загрязняется и обгорает. Кро-
ме того, неизбежное искрение щеточно-коллекторного
аппарата создает радиопомехи, затрудняет применение
двигателей во взрывоопасных помещениях и средах.
Работа коллекторно-щеточного узла создает также до-
полнительный шум при работе двигателя.
Стремление устранить механический коллекторно-
щеточный узел и заменить его каким-либо бесконтакт-
ным устройством с теми же функциями привело к по-
явлению так называемых бесконтактных двигателей
постоянного тока. Эти двигатели имеют такие же ха-
рактеристики, как двигатели с обычным коллектором,
но обладают более высокой надежностью и простотой
в эксплуатации, не создают при своей работе радиопо-
мех и дополнительного шума.
В навтоящее время разработано несколько видов
таких двигателей, отличающихся друг от друга спосо-
38
бом возбуждения, схемами включения обмоток и типа-
ми электрических коммутирующих устройств.
Подробное описание всех типов бесконтактных дви-
гателей постоянного тока выполнить очень трудно, по-
этому остановимся лишь на пояснении основных прин-
ципов их действия, общих для всех двигателей.
Схема рис. 15 иллюстрирует принцип работы так
называемого двигателя с вращающимся выпрямителем.
Рис. 15. Принцип работы бесконтактного двигателя постоянного
тока с вращающимся выпрямителем.
Обмотка якоря изображена рамкой, состоящей из
проводников А и Б, помещенных в поле магнита N—S.
Представим, что на якоре расположено устройство,
состоящее из четырех управляемых ключей К1—К4,
которые могут замыкаться или размыкаться любым не-
обходимым нам образом. Эти ключи соединены в так
называемую мостовую схему, к одной из диагоналей
которой подключены проводники рамки А и Б, а к дру-
гой с помощью скользящих контактов СК подводится
напряжение от внешнего источника постоянного тока.
Обратимся вначале к схеме на рис. 15,я. Пусть
в указанном на этой схеме положении рамки будут за-
мкнуты ключи К1 и КЗ и разомкнуты ключи К2 и К4.
Тогда ток в проводниках А и Б будет иметь указанное
на рисунке направление и рамка под действием сил F
будет поворачиваться против часовой стрелки.
39
Рассмотрим теперь положение рамки после ее пово-
рота на 180°, показанное на рис. 15,6. Допустим при
этом, что ключи К1 и КЗ разомкнулись, а ключи К2 и
К4 замкнулись. Тогда, как нетрудно заметить из
рис. 15,6, ток в проводниках А и Б изменит свое на-
правление на противоположное. Вследствие этого со-
хранится взаимное расположение полюсов магнитного
поля и проводников с током, соответствующее показан-
ному на рис. 15,а, а тем самым и направление момента
и частоты вращения якоря двигателя. При повороте
рамки еще на 180° (рис. 15,а) вновь должны замкнуть-
ся ключи К1 и КЗ и разомкнуться ключи К2 и К4 и так
далее.
Таким образом, имея рассмотренную ключевую схе-
му, в которой ключи управляются в зависимости от
положения рамки (якоря) двигателя указанным спосо-
бом, можно обеспечить обычную работу двигателя по
стоянного тока.
Однако преимущества рассмотренной схемы комму
тации по сравнению с обычным коллектором (механи
ческим коммутатором) проявятся, очевидно, лишь в том
случае, если ключи К1—К4 будут бесконтактными эле-
ментами, например полупроводниковыми приборами.
Поэтому в реальных бесконтактных двигателях постоян-
ного тока в качестве ключей К1—К4 мостовой схемы,
приведенной на рис. 15, используются транзисторы (для
двигателей небольших мощностей) или управляемые
полупроводниковые диоды-тиристоры (для двигателей
средних и больших мощностей.). Открытие и закрытие
транзисторов или тиристоров происходят по сигналам
специального датчика положения, который укреплен на
роторе и выдает управляющие импульсы на соответст-
вующие бесконтактные ключи в зависимости от положе-
ния проводников обмотки.
Таким образом, необходимыми элементами бескон-
тактного двигателя являются мостовая переключающая
схема с бесконтактными полупроводниковыми ключами
и датчик положения, управляющий этими ключами.
Следует отметить, что в некоторых конструкциях
двигателей в качестве ключей используются герметич-
ные контакты (герконы).
Однако у такого двигателя имеется существенный
недостаток: токоподвод к якорю происходит с помощью
скользящего щеточного контакта. Хотя такой узел
Рис. 16. Бесконтактный двига-
тель постоянного тока с обмот-
кой переменного тока на ста-
торе.
(щетка — конт а к т н о е
кольцо) и не создает
столько неудобств, сколь-
ко щеточно-коллекторное
устройство, его наличие
все же является нежела-
тельным.
Результатом разрабо-
ток полностью бескон-
тактного двигателя по-
КЗ
стоянного тока является конструкция, показанная
на рис. 16. Она во многом напоминает устройство
синхронного двигателя с возбуждением от посто-
янных магнитов: ротор двигателя (в такой конструкции
двигателя он часто называется индуктором) представ-
ляет собой постоянный магнит, а обмотка переменного
тока (на рис. 16 показан лишь один ее виток) уложена
на неподвижной части двигателя — статоре. В осталь-
ном конструкция двигателя соответствует схеме на
рис. 15: питание обмотки осуществляется от одной диа-
гонали мостовой схемы, на вторую диагональ которой
подается напряжение сети постоянного тока. Ключи
К1—К4, образующие мостовую схему, также управля-
ются от датчика положения ДП, установленного на
роторе двигателя. В качестве ключей используются,
как правило, транзисторы или тиристоры. Датчик поло-
жения вырабатывает импульсы для управления ключа-
ми таким образом, чтобы обеспечивалось нужное на-
правление тока в проводниках обмотки статора при из-
менении положения ротора (индуктора).
Остановимся теперь несколько подробнее на описа-
нии специфичных узлов бесконтактного двигателя по-
стоянного тока: мостовой схемы и датчика положения.
Назначением мостовой схемы, как уже отмечалось вы-
ше, является изменение направления тока в обмотке
якоря при работе двигателя, или, другими словами, пре-
образование постоянного тока источника питания в пе-
ременный ток проводников обмотки якоря.
Такое устройство, преобразующее постоянный ток
в переменный, называется инвертором в отличие от
41
йьШряМитёля, который преобразует переменный тон
в постоянный).
Рассмотрим одну из распространенных схем тири-
сторного инвертора — мостовую двухполупериодную од-
нофазную схему, работа которой по существу и рас-
сматривалась выше на примерах схем рис. 15 и 16.
Основную часть схемы инвертора (рис. 17,а) обра-
зуют четыре тиристора Т1—Т4 (аналогия ключей К1—
К4 в схемах на рис. 15 и 16). Тиристоры управляются
импульсами напряжения от датчика положения: при
Рис. 17. Принцип работы инвертора.
а — электрическая схема; б — диаграмма токов в элементах инвертора.
подаче импульсов тиристоры начинают пропускать
ток — открываются, при снятии импульсов—закрывают-
ся (отметим, что при питании тиристоров от сети посто-
янного тока для их закрытия после снятия управляю-
щего импульса должна использоваться специальная
коммутационная схема, которая на рис. 17 не пока-
зана).
Тиристоры работают попарно и попеременно: в те-
чение половины оборота ротора двигателя включены
(пропускают ток) тиристоры Т1 и ТЗ, в течение второй
половины оборота — тиристоры Т2 и Т4. Как видно из
схемы, приведенной на рис. 17,а, при открытии тири-
сторов Т1 и ТЗ ток в обмотке якоря имеет одно направ-
ление (сплошные стрелки на рисунке), а при открытии
тиристоров Т2 и Т4 и закрытии тиристоров Т1 и ТЗ ток
изменит свое направление в обмотке якоря на противо-
положное (пунктирные стрелки).
Токовая диаграмма работы элементов схемы, приве-
денной на рис. 17,а, в зависимости от угла поворота а
42
ротора двигателя показана на рис. 17,6, где 1т, Л>.я—
соответственно токи тиристоров и обмотки якоря.
Для бесконтактных двигателей постоянного тока
разработано несколько типов датчиков положения ро-
тора, которые при своей работе обычно используют
энергию магнитного или электрического поля или луче-
вую энергию.
К датчикам, использующим энергию магнитного по-
ля, относятся индуктивные датчики, датчики Холла,
магниточувствительные сопротивления и магнито-
диоды.
Индуктивные датчики в свою очередь подразделя-
ются на датчики электродвижущей силы (ЭДС) вра-
щения, датчики с переменным воздушным зазором и
датчики с подмагничиванием. Наибольшее распростра-
нение для бесконтактных двигателей нашли дифферен-
циальные трансформаторные датчики с переменным
воздушным зазором. Эти датчики отличаются простотой
и надежностью конструкции и вырабатывают импуль-
сы для управления полупроводниковыми ключами ин-
вертора с требуемыми параметрами.
Схема датчика положения этого типа показана на
рис. 18.
Датчик состоит из Ш-образного сердечника 1 и ци-
линдрического якоря 2 с вырезом, соединяемого с ро-
тором двигателя. На сердечнике датчика расположены
три обмотки. Две из них, называемые обмотками воз-
буждения, располагаются на крайних стержнях и вклю-
чаются последовательно-встречно. При таком их вклю-
чении магнитный поток в среднем стержне всегда равен
разности магнитных потоков от
каждой обмотки возбуждения. На
среднем стержне находится обмот-
ка управления датчика, с которой
снимается сигнал Uy для управле-
ния инвертором. Обычно обмотки
возбуждения питаются от перемен-
ного напряжения повышенной ча-
стоты (в 10—20 раз превышающей
частоту коммутации тока в провод-
Рис. 18. Схема датчика положения ДП
бесконтактного двигателя.
43
никах обмотки якоря), что позволяет снизить габариты
датчика.
Датчик работает следующим образом. Когда якорь
датчика перекрывает все три стержня сердечника, маг-
нитные потоки каждой обмотки возбуждения равны,
ЭДС в катушке управления не наводится и импульсы
управления на инвертор не подаются.
Если же якорь перекрывает средний стержень и
один из крайних (что имеет место при показанном на
рис. 18 положении ротора), то магнитные потоки обмо-
ток возбуждения становятся различными, появляется
магнитный поток в среднем стержне и в обмотке управ-
ления наводится ЭДС.
При непрерывном вращении якоря обмотка управ-
ления вырабатывает последовательность импульсов, при
этом их продолжительность (а точнее, скважность —
отношение длительности импульса к периоду повторяе-
мости) определяется конфигурацией якоря. Так, при
показанном на рис. 18 вырезе, составляющем половину
окружности якоря, длительность импульса составляет
половину периода.
Практически схемы таких датчиков положения со-
держат несколько сердечников, число которых соответ-
ствует количеству секций (проводников) обмотки
якоря.
Перспективным является также применение датчи-
ков положения, использующих гальваномагнитный
эффект Холла. Сущность его заключается в том, что в
некоторых полупроводниках при прохождении по их
продольной оси электрического тока и воздействии
внешнего магнитного поля на электродах поперечной
оси возникает разность потенциалов. Таким образом,
если датчик Холла поместить на статоре двигателя и
подвести к нему ток по продольной оси, то при про-
хождении полюсов индуктора двигателя (или специ-
ального индуктора) вблизи датчика на электродах его
поперечной оси появляется разность потенциалов (ЭДС
датчика), которая может быть использована для управ-
ления инвертором.
В качестве датчиков положения могут использо-
ваться различные магниточувствительные сопротивле-
ния и магнитодиоды, внутреннее сопротивление элект-
рическому току которых зависит от величины внешнего
магнитного потока.
44
Распространение получили также различные датчи-
ки, использующие лучевую энергию. Они состоят из
источника излучения и приемника. Источниками лу-
чистой энергии могут быть различные радиоактивные
элементы, электрические лампы и светодиоды. В ка-
честве приемников для этих датчиков применяются фо-
торезисторы, фотодиоды и фототриоды. Фототриоды
обладают лучшими показателями работы — значитель-
ной чувствительностью и выходной мощностью, малой
инерционностью, но являются более дорогими при-
борами.
Меньшее распространение для бесконтактных дви-
гателей постоянного тока получили емкостные датчи-
ки— устройства, использующие для своей работы энер-
гию электрического поля. По принципу своего дейст-
вия они представляют собой конденсаторы, емкость ко-
торых зависит от положения индуктора двигателя. Эти
датчики маломощны, подвержены влиянию паразитных
емкостей, требуют дополнительных согласующих схем
для совместной работы с инверторами.
Выше уже отмечалось, что по своему устройству
бесконтактный двигатель постоянного тока во многом
повторяет синхронный двигатель. Поэтому в принципе
любой синхронный двигатель может быть превращен
в бесконтактный двигатель постоянного тока, если об-
мотки статора питать от трехфазного инвертора, кото-
рый будет управляться сигналами датчика положения,
установленного на роторе (индукторе) этого синхрон-
ного двигателя. Такая система (синхронный двига-
тель— инвертор — датчик положения) обладает харак-
теристиками и свойствами двигателя постоянного тока.
Вместе с тем электропромышленность выпускает
и специально сконструированные бесконтактные двига-
тели постоянного тока. В основном это двигатели малой
мощности, применяемые в различных устройствах ав-
томатики, звукозаписывающей и звуковоспроизводящей
аппаратуре, часовых и лентопротяжных механизмах,
измерительной аппаратуре и т. д.
В табл. 9 приведены технические данные бескон-
тактных двигателей постоянного тока серии МБ [1].
Двигатели этой серии имеют возбуждение от посто-
янных магнитов и снабжаются инвертором на транзи-
сторах, который конструктивно выполнен в виде от-
дельного блока. Этот блок герметизирован и имеет
45
Таблица 9
Ти>п двигателя Рном- Вт и л . в ном ^ИОМ* Н-м "ном- об/мин ^НОМ’ А
МБ-11-Н2-01 6,8 27 0,004 2000 0,1
МБ-12-Н2-01 2 27 0,01 2000 0,19
МБ-21-Н2-01 4 27 0,02 2000 0,34
МБ-22-Ц2-01 8 27 0,04 2000 0,65
МБ-11-Н1-08 14 27 0,015 9000 1,1
М5-11-НЗ-01 1,5 27 0,003 5000 0,14
МБ-12-Ф1-06 2 14 0,004 4500 0,26
МБ-12-Ф1-08 7 14 0,008 8000 0,95
МБ-21-Н1-02 5,5 29 0,012 4500 0,35
МБ-41-Н1-01 20 27 0,1 2000 1,8
МБ-41-Н1-02 50 27 0,12 4000 3,1
МБ-21-15 5 27 0,0165 3000 0,45
МБ-21-16 8 27 0,025 3000 0,55
МБ-21-19 13 27 0,01 12 500 0,85
МБ-21-25 4 25 0,008 4500 0,29
МБ-22-23 10,5 27 0,017 6000 0,8
МБ-11-26 1,2 27 0,004 3000 0,1
МБ-31-27 50 27 0,04 12000 2,4
объем от 400 до 900 см3. Датчик положения двигате-
лей МБ трансформаторного типа встроен в корпус дви-
гателя. Двигатели серии МБ допускают регулирование
частоты вращения в широких пределах. Первые четы-
ре двигателя, приведенные в табл. 9, имеют стабили-
зированную частоту вращения. Контроль частоты вра-
щения осуществляется с помощью встроенного синхрон-
ного тахогенератора, имеющего при номинальной
частоте вращения напряжение 6 В. Двигатели этой се-
рии имеют нормальное исполнение с креплением дви-
гателя за корпус (буква Н в названии двигателя) и
фланцевое исполнение (буква Ф). Внешний диаметр
двигателей серии МБ колеблется от 35 до 70 мм, а их
длина — от 62 до 106 мм.
5. ШАГОВЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
Рабочие органы ряда механизмов при выполнении
ими производственных операций должны перемещаться
дискретно, шагами. К таким механизмам относятся
киносъемочная и проекционная аппаратура, приборы
времени, механизмы подач различных станков, уст-
ройства перемещения валков прокатных станов и мно-
гие другие. Для привода этих рабочих органов целе-
46
Сообразно, очевидно, применять двигатель, способный
по своему принципу действия обеспечить подобное
дискретное движение. Таким двигателем является ша-
говый двигатель, ротор которого совершает шаговые
перемещения определенной величины с фиксацией по-
ложения ротора в конце каждого шага.
Широкое распространение шагового электропривода
определяется еще и тем обстоятельством, что он хоро-
шо сочетается с цифровыми вычислительными машина-
ми, программными устройствами и различными цифро-
выми управляющими приборами, которые все шире
применяются во многих отраслях техники.
Современный шаговый двигатель по принципу
действия является синхронным двигателем, магнитное
поле которого перемещается (вращается) в воздушном
зазоре не непрерывно, а дискретно, шагами. Это дости-
гается тем, что обмотки статора питаются от специ-
ального источника импульсов напряжения, которые по-
даются на обмотке статора в определенной после-
довательности.
Принцип получения дискретного перемещения рото-
ра рассмотрим на примере простейшей схемы двухфаз-
ного шагового двигателя, изображенной на рис. 19.
Отметим, что под числом фаз шагового двигателя по-
нимается количество каналов, по которым двигатель
получает напряжение от источника питания. В схеме
рис. 19 таких каналов два.
Двигатель имеет на статоре две пары явно выра-
женных полюсов, на которых находится обмотка воз-
буждения (управления)—первая I с выводами 1Н—
1К, и вторая II с выводами 2Н— 2К. Каждая из обмо-
ток состоит из двух частей, находящихся на противо-
положных полюсах двигателя. Эти части (полуобмот-
ки) соединены между собой таким образом, что при по-
даче напряжения на обмотку образуется магнитное по-
ле с полюсами N—S, а при изменении полярности на-
пряжения изменяется на противоположную и поляр-
ность магнитных полюсов.
Питание обмоток двигателя осуществляется, как
правило, импульсами напряжения прямоугольной фор-
мы, поступающими с выхода специального коммутато-
ра напряжения. Коммутатор обычно получает питание
в виде напряжения постоянного тока Ua, преобразует
его в импульсы напряжения, частота и последователь-
47
ность которых задается импульсным сигналом управ-
ления, и подает их на обмотки двигателя. Коммутатор
и шаговый двигатель образуют основную часть шаго-
вого привода. Ротор двигателя в рассматриваемой схе-
ме представляет собой двухполюсный постоянный
магнит.
Предположим, что в начальный момент работы ша-
гового двигателя (рис. 19, а) подано напряжение на
обмотку I. Протекание тока по этой обмотке вызовет
появление магнитного, поля статора с вертикально рас-
Рис. 19. Принцип работы шагового двигателя.
положенными полюсами N— S. В результате взаимо-
действия этого поля с постоянным магнитом ротора
последний займет указанное на рисунке положение, в
котором оси магнитных полей статора и ротора совпа-
дают и ротор находится в положении устойчивого рав-
новесия. Отметим при этом, что отклонение оси маг-
нитного поля статора или ротора от этого положения
вызовет в соответствии с формулой (2) появление синх-
ронизирующего момента, стремящегося вернуть ротор
в равновесное положение.
48
Допустим теперь, что с помощью коммутатора на-
пряжение снято с обмотки I управления и подано на
обмотку II с указанной полярностью. Протекание тока
по обмотке II приведет к образованию магнитного поля
статора уже с горизонтальными полюсами N — S
(рис. 19, б). Другими словами, отключение обмотки /
и подключение обмотки II вызовут дискретное скачко-
образное перемещение оси магнитного поля статора на
четверть окружности.
При повороте магнитного поля статора между ося-
ми полей статора и ротора появится угол рассогласо-
вания и на ротор в соответствии с формулой (2) нач-
нет действовать синхронизирующий момент, стре-
мящийся переместить ротор в новое положение
равновесия. Это новое положение ротора будет соот-
ветствовать его повороту на четверть окружности
(изображено сплошной линией на рис. 19, б). Таким
образом, после переключения обмоток ротор совершил
шаговое перемещение на четверть окружности вслед
за поворотом магнитного поля статора, причем новое
положение ротора также является фиксированным и
устойчивым.
Предположим далее, что отключилась обмотка //
и вновь подано напряжение на обмотку /, однако уже
противоположной полярности. Магнитное поле стато-
ра при этом (рис. 19, в) вновь дискретно повернется
на четверть окружности, но будет иметь уже противо-
положную приведенной на рис. 19, а полярность полю-
сов. Вновь на ротор будет действовать синхронизирую-
щий момент, который повернет его в положение, изоб-
раженное на рис. 19, в. Следующий шаг в том же на-
правлении ротор может совершить, если будет отклю-
чена обмотка / и подключена обмотка II с обратной
полярностью напряжения. И, наконец, ротор завершит
полный оборот при снятии напряжения с обмотки II и
подаче напряжения на обмотку / с полярностью, ука-
занной на рис. 19, а.
Рассмотренный способ коммутации обмоток двига-
теля, который обеспечивает шаговое перемещение на
угол 90°, не является для схемы на рис. 19, а единст-
венно возможным. Существует другой способ, который
позволяет при той же конструкции двигателя умень-
шить шаг ротора вдвое. Рассмотрим этот способ ком-
мутации.
4—1103 49
Допустим, что исходное положение двигателя соот-
ветствует схеме рис. 19, а. Подключим теперь обмотку
// с полярностью, соответствующей магнитному полю
на рис. 19, б, не отключая в то же время обмотку I. При
этом образуется вторая — горизонтальная система по-
люсов, магнитное поле двигателя будет представлять
собой результат сложения магнитных полей двух пар
полюсов и ось результирующего поля будет распола-
гаться посередине полюсов с одинаковой полярностью,
как это и показано на рис. 19, г. Поэтому ротор после
подключения обмотки II повернется только на угол 45°
(рис. 19, а), а не на угол 90°.
Для совершения следующего шага в 45° достаточно
лишь снять напряжение с обмотки L В этом случае
магнитное поле двигателя будет соответствовать изо-
браженному на рис. 19, б и ось магнитного потока ста-
тора расположится уже горизонтально. Следующий
шаг совершится при подключении обмотки / на проти-
воположную полярность напряжения без отключения
обмотки // и т. д. Такая схема коммутации, при которой
подключаются поочередно одна или две обмотки, яв-
ляется примером так называемой несимметричной схе-
мы коммутации в отличие от рассмотренной вначале
симметричной схемы.
В общем случае угловой шаг рассмотренного двига-
теля а определяется следующей формулой:
2л
а = —.
рп »
где р— число пар полюсов двигателя; п — количество
подключений (тактов) в цикле, равное числу фаз при
симметричной коммутации и удвоенному числу фаз при
несимметричной коммутации.
Для рассмотренного примера р = 2, п = 2 для пер-
вой схемы коммутации и п = 4 для второй схемы, со-
ответственно
04=1^=90°; «,=£> = 45°.
Шаговый двигатель легко позволяет реверсировать
(изменять на противоположное) направление своего
движения при любом положении ротора. Для реверса
двигателя, например, при симметричной схеме комму-
тации достаточно включить на обратную полярность
напряжения обмотку, которая была отключена на дан-
50
ном такте коммутации. Ротор двигателя при этом со-
вершит шаг в противоположном направлении.
Выше уже говорилось о том, что. управляющим сиг-
налом для шагового привода является, как правило,
маломощный импульсный сигнал, поступающий на
вход шагового привода от цифрового управляющего
прибора или программного устройства. При нормаль-
ной работе шагового двигателя каждому импульсу уп-
равления строго соответствует шаг двигателя, причем
это соотношение выполняется как в установившемся,
так и в переходных режимах работы двигателя.
Установившийся режим работы двигателя соответст-
вует постоянной частоте управляющих импульсов, при
этом средняя частота вращения ротора пропорцио-
нальна этой частоте. Движение ротора в установив-
шемся режиме может иметь монотонный или колеба-
тельный характер в зависимости от сочетания парамет-
ров двигателя, нагрузки и. частоты управляющего
сигнала.
К переходным режимам двигателя относятся его
пуск, реверс, торможение и переход с одной частоты
управляющих импульсов на другую. Пуск двигателя
осуществляется скачкообразным (или постепенным)
увеличением частоты входного сигнала от нуля до ра-
бочей, торможение — снижением частоты до нуля, а ре-
верс— изменением последовательности коммутации об-
моток двигателя.
Переходные режимы являются для шагового дви-
гателя наиболее сложными, так как вследствие элект-
ромагнитной инерции обмоток двигателя, механической
инерции его ротора и наличия момента нагрузки на ва-
лу ротор двигателя может не успеть отработать пол-
ностью все импульсы, поступившие на вход шагового
привода. Та максимальная частота управляющих им-
пульсов, при которой возможен пуск двигателя из не-
подвижного состояния без выпадения из синхронизма
(пропуск шагов), называется частотой приемистости.
Чем выше электромагнитная и механическая инерция
двигателя, чем больше момент его нагрузки, тем часто-
та приемистости меньше. С другой стороны, увеличе-
ние максимального значения синхронизирующего мо-
мента двигателя и уменьшение углового шага позво-
ляют повысить верхний предел частоты приемистости.
Современнее шаговые двигатели [2] имеют много-
4* 51
Таблица 10
Тип двигателя Шаг. град Число фаз М -104. ном • Н«м Z-107. кг-ма fn- гц Уп-В mt кг
ДИР-1А 36 4 40 6 50 27 0,16
ДИР-1 Б 3,6 4 400 80 27 0,16
ДШ-0.025А 22,5 4 25 2,5 450 27 0,22
Д Ш-0,04 А 22,5 4 40 3,5 450 27 0,25
ДШ-0.1А 22,5 4 100 19 300 27 0,5
ДШ-0.25А 22,5 4 250 58 250 27 0,9
ДШ-0.4А 22,5 4 400 125 200 27 1,6
ДШ-1А 22,5 4 1000 420 150 27 3,0
ДШ-4А 18 4 4000 1370 100 27 8,1
ДШ-6А 18 4 6000 2300 80 27 11,5
ДШ-10А 18 4 10000 4200 70 27 14,8
ШДА-1А 22,5 4 40 3 50 14 0,12
ШДА-1Ф-К 22,5 4 30 3 50 28 0,14
ЩДА-2А 22,5 4 ПО 6,8 50 14 0,21
ШДА-2Ф -К 22,5 4 60 6,8 125 28 0,23
ШДА-ЗА 22,5 4 280 20 32 14 0,35
ШДА-ЗФ 22,5 4 120 20 100 29 0,35
ШДА-4А 22,5 4 600 28 50 14 0,55
ШДА-5А 22,5 4 1000 48 50 14 0,8
ШДА-6А 22,5 4 1600 97 50 14 1.1
ШДМ-2Ф 22,5 4 100 1,7 220 27 0,32
ШДМ-7Ф 22,5 4 1600 80 60 27 1,65
шд-ю/юо 15 4 10 5 100 14 0,08
ШД-1С 15 4 40 14 100 27 0,14
ШД-1Б 15 2 40 14 200 25 0,125
ШД-1ЕМ 15 4 40 3 250 14 0,20
ШД-1А 15 2 120 45 150 25 0,46
шд-зс 15 4 250 100 100 24 0,6
ШДА-2-1 15 2 10 м— 400 27 0,14
ЩЦА-2-2 15 2 40 — 350 27 0,28
ШДА-2-3 15 2 100 — 320 27 0,55
ШДА-2-4 15 2 400 — 300 27 1,0
ШДА-2-5 15 2 600 - ! 250 27 2,0
ШДА-2-6 18 2 1000 — 200 27 3,15
ШДА-3-1 15 3 10 500 27 0,14
ШДА-3-2 15 3 40 — 450 27 0,28
ШДА-3-3 15 3 100 350 27 0,55
ШДА-3-4 15 3 400 — 150 27 1,0
ШДА-3-5 15 3 600 — 150 27 2,0
ШДА-3-6 15 3 1000 — 100 27 3,5
Ш-22,5/0,1 22,5 4 100 0,4 500 48 0,49
Ш-22,5/0,25 22,5 4 250 1,7 500 48 0,67
Ш-22, 5/0,6 22,5 4 600 15 350 48 1,7
Ш-22,5/1,6 22,5 4 1600 68 250 48 3,0
Ш-22,5/4 22,5 4 4000 210 240 48 4,2
Ш-22,5/10 22,5 4 юооо 710 120 48 10,0
52
образные конструктивные исполнения. Основная их
классификация производится чаще всего в зависимости
от числа фаз двигателя и устройства магнитной систе-
мы. Шаговые двигатели бывают однофазными, двух-
фазными и многофазными и могут иметь активный или
пассивный ротор. Рассмотрим основные типы шаговых
двигателей и их количественные характеристики и па-
раметры.
Шаговые двигатели с активным ротором имеют ро-
тор, выполненный из постоянных магнитов или снаб-
женный обмоткой возбуждения, как у обычных синх-
ронных двигателей. Широкое распространение получи-
ли вследствие своей высокой экономичности и
надежности в работе, технологичности изготовления,
небольших габаритов и веса двигатели с ротором из
постоянных магнитов. Этот тип двигателя и приведен
в качестве примера на рис. 19. Обычно шаговые двига-
тели с активным ротором имеют относительно крупный
шаг ротора— от 90 до 15°, что связано главным обра-
зом с трудностями изготовления активного ротора с ма-
лыми полюсными делениями. Уменьшение шага в та-
ких двигателях может достигаться увеличением числа
фаз и тактов коммутации, а также применением двух-
статорной или двухроторной конструкции двигателя.
Максимальные частоты вращения шаговых двига-
телей этого типа составляют 2000—3000 об/мин, а их
частота приемистости лежит в пределах от 70 до
500 Гц.
Отечественной промышленностью выпускается не-
сколько серий таких шаговых двигателей: четырехфаз-
ные типа ШДА, двух- и четырехфазные типа ДШ и
ДША соответственно, трехфазные типа ШДА-3 и ряд
других. Некоторые технические данные этих двигате-
лей приведены в табл. 10, где fn — частота приемистос-
ти двигателя при номинальной нагрузке, а Г/п — напря-
жение постоянного тока источника питания.
Ротор шагового двигателя с постоянными магнита-
ми изготовляется обычно из сплавов ЮН15ДК25БА
или ЮНДК35Т5 в виде «звездочек», как это показано
на рис. 20. При этом ротор может быть или монолит-
ным (ркс. 20, а), или составным (рис. 20, б). Во вто-
ром случае магниты устанавливаются на специальную
втулку или непосредственно на вал, которые выполня-
ются из магнитомягкого материала.
53
Для этих двигателей практическое применение наш-
ла также двухпакетная конструкция. Она предусмат-
ривает размещение в одном корпусе двигателя двух
сердечников статора и двух «звездочек» ротора. Оси
полюсов обоих роторов совпадают, а полюсы сердечни-
ков статора сдвинуты от-
ГлЛ хх Гл1 /х носительно друг друга на
Рис. 20. Ротор шагового двига-
теля.
а — монолитный; б — составной.
Рис. 21. Малоинерционный шаго-
вый двигатель.
половину одного зубцово-
го деления, чем достига-
ется пространственный
сдвиг магнитных полей
статорных обмоток. Та-
кая конструкция, позво-
ляющая уменьшить шаг
ротора и увеличить бы-
стродействие двигателя,
является целесообразной
при создании мощных
(силовых) шаговых дви-
гателей.
Желание уменьшить
электромагнитную и ме-
ханическую инерцию ша-
говых двигателей, что по-
зволяет улучшить их ди-
намические характери-
стики, привело к созда
нию двигателей с мало
инерционными ротора-
ми— полыми цилиндрическими и дисковыми, имеющими
на роторе печатную обмотку. По конструкции эти двига-
тели аналогичны двигателям непрерывного вращения
и обладают такими же отличительными свойствами.
Одна из конструктивных схем шагового двигателя это-
го типа приведена на рис. 21. Печатная обмотка уп-
равления находится на полом цилиндрическом роторе 1
(такая конструкция двигателя часто называется обра-
щенной). Токоподвод к роторной обмотке осуществля-
ется через контактные кольца 2, укрепленные на валу
двигателя. Полый ротор находится в зазоре между
внешним статором 3, на котором располагается обмот-
ка возбуждения 4, и внутренним статором 5, который
является частью магнитопровода.
Практическое распространение получила также
54
конструкция шагового двигателя с , щековым (торцё-
вым) ротором с печатными обмотками.
Шаговые двигатели с пассивным ротором. Специфи-
ческой особенностью шаговых двигателей с активным
ротором является, как уже отмечалось выше, относи-
тельно большой шаг ротора. Это требует в большинстве
случаев применения механических передач (редукто-
ров), понижающих (редуцирующих) шаг и соответст-
венно скорость входного вала производственного ме-
ханизма, что усложняет шаговый привод, снижает его
Рис. 22. Принцип работы реактивного шагового двигателя.
надежность, повышает массу, габариты и уровень шу-
ма. Стремление найти конструкцию шагового двигате-
ля с небольшим шагом ротора привело к появлению
двигателей с пассивным ротором. Эти двигатели де-
лятся на реактивные и индукторные.
Рассмотрим вначале работу реактивного шагового
двигателя, одна из возможных конструктивных схем
которого показана на рис. 22,а.
Статор и ротор двигателя, набранные из листов
электротехнической стали, имеют явно выраженные по-
люсы, которые в теории шагового привода принято
обычно называть зубцами. На зубцах статора распола-
гаются обмотки, которые, как обычно, получают пита-
ние от коммутатора напряжения. Ротор двигателя, вы-
полненный из ферромагнитного материала, не имеет
обмотки возбуждения, в силу чего он и получил назва-
ние пассивного.
Отличительной особенностью конструкции реактив-
ного двигателя является неравенство количества зубцов
статора Zc и ротора Zp, причем обычно ротор имеет
больше зубцов, чем статор. Так, изображенный на
55
рис. 22,а Двигатель имеет 6 зубцов на статоре и 8 зуб-
цов на роторе. При этом важно отметить, что зубцы
ротора соосны с зубцами одной пары диаметрально
противоположных зубцов статора.
Предположим теперь, что в исходном положении, со-
ответствующем приведенному на рис. 22,а, подано на-
пряжение на обмотку управления пары полюсов 1—I
статора и образовалось магнитное поле с полюсами
N—S. Тогда при изображенном на рис. 22,а положении
ротора, при котором ось намагниченных зубцов статора
I—I совпадает с осью зубцов ротора 1—1, последний
находится в положении устойчивого равновесия, по-
скольку магнитные силовые линии проходят по пути
наименьшего сопротивления и не деформируются.
Снимем теперь напряжение с первой обмотки и по-
дадим на вторую. Это переключение вызовет намагни-
чивание зубцов статора II—II и поворот оси магнитного
360°
поля на угол g— =60°, как это показано на рис. 22,6.
Ось магнитного поля уже не совпадает ни с одной осью
зубцов ротора, силовые линии магнитного поля дефор-
мируются, и на ротор начинает действовать синхрони-
зирующий момент, стремящийся повернуть его в согла-
сованное равновесное положение по кратчайшему пути.
Это новое равновесное положение будет соответствовать
изображенному на рис. 22,6, когда ось зубцов ротора
2—2 будет совпадать с осью зубцов статора II—II.
При следующем переключении обмоток — отключе-
нии второй и подключении третьей обмотки — намагни-
тятся зубцы статора III—III и ротор вновь повернется
уже до совпадения оси зубцов ротора 3—3 с осью зуб-
цов статора III—III.
Из рис. 22,а нетрудно определить, что при каждом
переключении обмоток статора ротор совершает пово-
рот (шаг) на угол ар, равный:
360° 360* , __
аР=-6------8-=15°.
ГВ общем виде эта формула имеет вид:
360° 360* 360° (Zp— Zc)
'cp=~zc 7z7 ~ zcz., ’
где Тс, тр — соответственно полюсные деления статора и
ротора.
56
Уменьшая разность чисел зубцов Zc и Zp, можно
снижать шаг ротора до весьма малых значений. Прак-
тически разность Zp—Zc выбирают обязательно четной,
что улучшает использование двигателя.
Одновременно с уменьшением углового шага ротора
снижается и частота его вращения. Действительно, если
360°
поле статора поворачивается на угол а ротор
36O’(ZP—Zc)
за то же время на угол а —---------------, to частота
вращения ротора /гр будет меньше частоты вращения
360 *ZcZp Zp
статора /г. в „сп> _ раз. В частности,
1 с 36O’ZC (Zp—Zc) Zp—Zc 1
для рассмотренного примера это отношение будет равно
Более распространенная конструкция реактивного
шагового двигателя показана на рис. 22,в. Каждый по-
люс статора имеет три зубца, такие же зубцы располо-
жены по всей поверхности ротора. Зубцы ротора соосны,
как и в конструкции рис. 22,а, с зубцами статора одной
диаметрально противоположной пары и смещены отно-
сительно зубцов двух других пар на треть зубцового
деления. В этом случае при переключении обмоток ста-
тора ротор будет поворачиваться на 1/3 зубцового деле-
ния до совпадения зубцов ротора с зубцами вновь воз-
бужденной пары полюсов статора.
При изготовлении ротора с большим числом зубцов
Zp можно получить небольшое зубцовое деление ротора
и соответственно малый шаг ротора, составляющий
в реальных конструкциях доли градуса. В общем слу-
чае смещение осей зубцов ротора и статора производит-
ся на угол 360°/mZp, а единичный шаг ротора состав-
ляет:
360’
ap~nZp ’
где п — количество тактов в цикле; т — число фаз.
Реактивные шаговые двигатели при всей своей про-
стоте и технологичности конструкции, малых значениях
шага и частоты вращения ротора обладают одним су-
щественным недостатком: синхронизирующий момент
57
2 7
Рис. 23. Индукторный шаговый
двигатель.
этих двигателей, а тем самым и их мощность невелики,
что ограничивает области их применения
Этого недостатка в значительной мере лишены ин-
дукторные шаговые двигатели, в которых для увеличе-
ния синхронизирующего момента используется дополни-
тельное подмагничивание ротора постоянным магнитным
потоком со стороны статора. Одна из конструктивных
схем двигателя этого типа
изображена на рис. 23.
Особенность двигателя
заключается в наличии
кольцевого постоянного маг-
нита /, расположенного на
одном из торцов двигателя.
Этот магнит создает по-
стоянный по направлению
магнитный поток,
проходя в осевом направле-
нии по ротору и в радиаль-
ном направлении через воздушный зазор, имеет вслед-
ствие зубчатой поверхности ротора 2 более высокое зна-
чение индукции в зубцах ротора, нежели во впадинах.
Другими словами, силовые линии постоянного магнита
N—S концентрируются в зубцах ротора и поэтому эти
зубцы можно рассматривать как своего рода полюсы
постоянного магнита. Индукторные двигатели имеют по
сравнению с реактивными повышенный синхронизирую-
щий момент и улучшенные энергетические и динамиче-
ские свойства, занимая по этим показателям среднее
положение между двигателями с активным и реактив-
ным роторами.
Помимо возбуждения от постоянных магнитов, ин-
дукторные шаговые двигатели могут иметь независимое
электромагнитное возбуждение или выполняться с са-
мовозбуждением.
Отечественная электропромышленность выпускает
несколько серий шаговых двигателей с пассивным рото-
ром. Технические данные некоторых из них приведены
в табл. 11.
Как видно из приведенных таблиц, шаговые двига-
тели с пассивным ротором имеют по сравнению с дви-
гателями с активным ротором более мелкий единичный
шаг и большую частоту приемистости.
Развитие шагового электропривода и его широко^
5?
Таблица 11
Тип двигателя Шаг, град Число фаз Нм 10», КГ-№ ГЦ Уп.в /И, кг
ДРШ-0.025А 5 4 2,5 0,7 1000 13,5 0,36
ШДР-П/1Ф 9 4 30 2 то 10 0,27
ШД Р-231 9 4 10 0,83 700 27 0,21
Ц1ДР-521 9 4 80 3,1 500 28 0,45
ШДР-711 3 4 400 15 400 10 0,38
ШДР-5 2,14 4 200 25 400 27 0,28
ШДИ-1 3 4 , 250 — 450 — 0,37
ШД-2 6 3 3000 300 200 12 4,5
ШД-75/300 3 3 t. 75 3 300 24 0,18
ШД-ЗО'/ЗСО 3 3 300 20 300 24 0,45
ШЦР-50/1800 3 4 75 100 1000 27 0,3
ШД-5 1,5 3 500 55 1200 27 0,6
ШД-4 1,5 3 2500 310 800 27 4,6
ШД-4Б 3 3 20иО 160 800 27 4,7
ШД-6А 1,5 4 2000 160 1300 27 —
Ш-3/0,025 3 4 25 0,8 1100 24 0,14
Ш-3/0,1 3 4 100 2,5 900 24 0,28
Ш-3/0,025 3 4 250 6 800 24 0,54
Ш-3/0,6 3 4 600 12 700 24 0,8
Ш-3/1,6 3 4 1С0Э 40 500 24 1,6
Ш-3/4 3 4 4000 160 350 24 3,3
Ш-3/10 3 4 10 000 400 250 24 5,8
распространение привели к созданию специальных ви-
дов шаговых двигателей — линейных, волновых и с ка-
тящимся ротором. Эти двигатели имеют те же специ-
фические особенности, что и рассмотренные ниже дви-
гатели непрерывного вращательного движения, отли-
чаясь от них дискретностью перемещения ротора.
Двигатель с катящимся (эксцентрическим) ротором
имеет тот же принцип действия, что и синхронный дви-
гатель с катящимся ротором, но отличается от него
фиксированным значением эксцентриситета ротора.
К достоинствам шаговых двигателей с эксцентрическим
ротором относится возможность получения весьма ма-
лых значений шага и низких частот вращения при зна-
чительном моменте и малой инерционности. При этом
двигатели характеризуются небольшой массой и относи-
тельно высокими энергетическими показателями работы.
Примерно такими же показателями обладают шаго-
вые двигатели с гибкими волновыми передачами. Такие
передачи имеют незначительный люфт и высокий коэф-
59
фициент полезного действия, что позволяет применить
их в весьма точных устройствах.
Для получения линейных дискретных перемещений
рабочих органов применяются линейные шаговые дви-
гатели.
6. РЕДУКТОРНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
Как правило, при использовании обычного двигателя
необходима установка механической передачи (редукто-
ра) между ним и производственным механизмом, пони-
жающей частоту вращения привода до требуемого зна-
чения. Наличие механической передачи снижает на-
дежность работы системы электропривода, увеличивает
его массу, габариты и стоимость, создает дополнитель-
ный шум при работе.
Двигатели переменного тока с электромагнитным
снижением (редуцированием) частоты вращения, кото-
рые получили название редукторных, свободны от этого
недостатка.
Следует отметить, что эти двигатели имеют невысо-
кие энергетические показатели работы — коэффициент
их полезного действия составляет около 40%, а коэффи-
циент мощности не превышает 0,2. Поэтому такие дви-
гатели в настоящее время выпускаются на мощности
до нескольких десятков ватт.
Представление о многообразии возможных типов
тихоходных двигателей переменного тока дает их клас-
сификационная схема (рис. 24).
Рассмотрим основные виды тихоходных редукторных
двигателей, начав с синхронных двигателей. Принцип
действия и устройство этих двигателей по существу уже
были рассмотрены в § 5. Важнейшее их отличие заклю-
чается лишь в характере вращения магнитного поля и
ротора, для шагового двигателя это вращение дискрет-
ное, а для редукторного синхронного двигателя — не-
прерывное. Магнитное поле редукторных двигателей об-
разуется, как и в обычных двигателях переменного
тока, с помощью обмоток, подключаемых к сети пере-
менного тока.
Во всем остальном основные конструктивные схемы
синхронного редукторного двигателя соответствуют ре-
активному и индукторному шаговым двигателям, изо-
браженным на риС. 22 и 23. Отметим, что схема кон-
струкции на рис. 23 применительно к редукторным дви-
60
гателям называется схемой с осевым или униполярным
возбуждением постоянными магнитами, причем сами
постоянные магниты могут быть заменены электромаг-
нитами.
Наряду с осевым используется радиальное возбуж-
дение двигателя в трех вариантах: с электромагнитным
возбуждением, самовозбуждением и возбуждением от
постоянных магнитов.
При электромагнитном возбуждении статор имеет
две обмотки — основную (двух- или трехфазную) с чис-
лом пар полюсов р, которая создает вращающееся маг-
Рис. 24. Классификация редукторных двигателей.
61
яитное поле, и однофазную обмотку возбуждения, пи-
тающуюся от сети постоянного тока. Обмотка возбужде-
ния укладывается в пазы статора и имеет определенный
шаг для устранения трансформаторной связи с обмоткой
переменного тока. Степень снижения (редукции) часто-
ты вращения ротора по отношению к частоте враще-
ния магнитного поля двигателя п0 определяется коэф-
фициентом электромагнитной редукции kv, который
определяется по формуле
, Пр _Zp
----- ' ~ >
Р «о Р
где р — число пар полюсов основной обмотки статора.
Синхронный двигатель с самовозбуждением имеет
ту же конструкцию, что и при электромагнитном воз-
Рис. 25. Схемы соединения обмоток синхронного редукторного дви-
гателя.
а — с однофазной обмоткой самовозбуждения; б — с трехфазной обмоткой
са м ©возбуждения.
буждении. Однако обмотка возбуждения уложена в па-
зы статора таким образом, чтобы образовалась транс-
форматорная связь с основной обмоткой переменного
тока. Поэтому при подключении последней к сети пере-
менного тока в обмотке возбуждения наводится напря-
жение переменного тока. С помощью включенных в цепь
обмотки возбуждения полупроводниковых вентилей это
напряжение выпрямляется и по ней начинает протекать
выпрямленный ток, который создает магнитный поток
постоянного направления, как и при независимом элек-
тромагнитном возбуждении. На рис. 25 показаны воз-
можные электрические схемы включения обмоток дви-
гателя. По своим рабочим характеристикам двигатель
с самовозбуждением несколько уступает двигателю с не-
зависимым электромагнитным возбуждением, что объ-
ясняется пульсирующим характером тока возбуждения.
62
Синхронный тихоходный двигатель с постоянными
магнитами имеет постоянные магниты, расположенные
на роторе. При этом принципиальным является нера-
венство числа пар полюсов р вращающегося магнитного
поля и числа пар полюсов ротора рР, причем рр должно
быть больше р в определенное число раз.
Работу такого двигателя можно проиллюстрировать
с помощью схемы конструкции реактивного шагового
двигателя на рис. 22, если представить себе, что ротор
выполнен не из ферромагнитного материала, а является
многополюсным постоянным магнитом, каждый полюс
которого соответствует каждому зубцу. Коэффициент
электромагнитной редукции /гр для этого типа двигателя
может быть определен по формуле
k — Zp
р—(ZP- ZJ
Отечественной электропромышленностью выпускают-
ся [3] синхронные тихоходные двигатели серии ДСР.
Эти двигатели предназначены для питания от сети пере-
менного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В и мо-
гут иметь трехфазную или однофазную систему питания.
В последнем случае для получения вращающегося маг-
нитного поля используется постоянно включенный кон-
денсатор.
Двигатели могут работать при температуре окружа-
ющей среды от —60 до +70°С, давлении от 200 до
780 мм рт. ст. и относительной влажности воздуха 95%
при температуре 40°С.
Технические данные двигателей представлены
в табл. 12, где также указан пусковой момент двига-
теля Мп.
Для получения более низких скоростей двигатели
серии ДСР снабжаются механическим редуктором.
Таблица 12
Тип двигателя Система питания м ~ » ном’ Н-м Мп. Н-м Сом’ А Л=’ОМ' об/мин т, кг
ДСР-2 Однофазная Трехфазная 0,1 0,3 0,2 0,6 0,06 0,055 2 0,7
ДСР-60 Однофазная Трехфазная 0,01 0,015 0,02 0,03 0,06 0,055 60 0,65
ДСР-115 Однофазная Трехфазная 0,05 0.075 0,07 0,01 0,06 0,055 115,4 0,6
63
Помимо синхронных редукторных двигателей, прак-
тическое распространение получили асинхронные двига-
тели, построенные по тому же принципу.
Статор такого двигателя конструктивно не отличает-
ся от статора синхронного двигателя и также имеет
две обмотки с различными числами пар полюсов pi
и р2- Основная обмотка с числом пар полюсов pi под-
ключается к сети переменного тока, а вторая закорачи-
вается или подключается к активному или реактивному
сопротивлению. На рис. 26 показан один из вариантов
включения трехфазных об-
моток тихоходного асин-
хронного двигателя при за-
мыкании вторичной обмот-
ки на емкость. Обмотки уло-
жены в пазы статора таким
образом, что между ними
отсутствует трансформатор-
ная связь.
Принцип действия дви-
гателя аналогичен принципу
обращенного асинхронного
Рис. 26. Схема включения об-
моток асинхронного редуктор-
ного двигателя.
действия так называемого
двигателя, у которого замкнутая вторичная обмотка
находится на статоре, а первичная — на роторе. Роль
своеобразной первичной обмотки выполняет зубчатый
ротор (с числом зубцов Zp), возбуждаемый основной
статорной обмоткой. При работе двигателя зубчатый
ротор своим магнитным полем индуцирует во вторичной
замкнутой обмотке ЭДС с частотой f2=fs, где $ —
скольжение двигателя, аналогичное понятию скольже-
ния обычных асинхронных двигателей. Под действием
ЭДС во вторичной обмотке потечет ток, взаимодействие
которого с магнитным полем в зазоре двигателя соз-
даст вращающий момент.
Частота вращения ротора асинхронного редукторного
двигателя определяется формулой
60f.
л =r'-(l-s).
р ^р
В табл. 13 приведены технические данные [3] опыт-
ных образцов асинхронных двигателей этого типа.
Двигатели этой серии имеют трехфазную основную
обмотку с двумя парами полюсов р—2 (кроме двига-
теля АРД-4, у которого р—4). Вторичная обмотка всех
64
двигателей, кроме АРД-1, — однофазная, замкнутая на
емкость. Двигатель АРД-1 имеет трехфазную коротко-
замкнутую вторичную обмотку. Отметим, что обычные
асинхронные двигатели при р=2 и /—1000 Гц имели бы
частоту вращения около 30 000 об/мин, которая на це-
лый порядок выше частоты вращения двигателей се-
рии АРД.
Таблица 13
Тип дви- гателя р ном* Вт ПНОМ* об/мин f. Гц КПД, % COS 9
АРД-1 16 4420 500 22 0,18
АРД-2 0,7 2220 1000 8 0,31
АРД-3 1,5 2450 1000 10 0,34
АРД-4 8,1 2260 1000 30,5 0,38
АРД-5 11,1 3600 1000 30,6 0,28
С целью повышения быстродействия редукторных
двигателей разработаны конструкции с малоинерцион-
ным полым ротором, который может быть как ферро-
магнитным с зубцами на поверхности, так и немагнит-
ным. В последнем случае полый ротор выполняется
с отверстиями, в которые вставляются ферромагнитные
зубцы.
7. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ С КАТЯЩИМСЯ РОТОРОМ
Одно из направлений развития безредукторного
электропривода связано с применением двигателей с ка-
тящимся ротором [5], которые имеют малую частоту
вращения и могут без понижающего редуктора сочле-
няться с производственными механизмами, требующими
невысоких скоростей движения рабочих органов. Прин-
цип действия двигателей с катящимся ротором рассмот-
рим с помощью рис. 27.
На рисунке внешнее заштрихованное кольцо 1 пред-
ставляет собой статор двигателя. Внутри статора рас-
положен гладкий ферромагнитный ротор 2, ось которо-
го Q2 не совпадает с осью статора Ot. Несовпадение
осей статора и ротора, или, другими словами, эксцент-
риситет ротора, является важным отличительным при-
знаком двигателей с катящимся ротором.
Предположим теперь, что статор двигателя создает
в воздушном зазоре вращающееся магнитное поле, ко-
торое имеет резко выраженный максимум магнитной
5—1103 65
индукции (способы получения такого несимметричного
поля будут рассмотрены ниже). Если в рассматривае-
мый момент времени этот максимум совпадает с точ-
кой А на внутренней окружности статора (рис. 27,а),
то ферромагнитный ротор под действием силы магнит-
ного притяжения FM,n займет положение, показанное на
рис. 27,а. Это положение ротора будет равновесным,
так как сила магнитного притяжения проходит через
точку А касания ротора и статора.
Рис 27. Принцип действия двигателя с катящимся ротором.
Рассмотрим теперь другой момент времени, когда
вращающееся магнитное поле повернулось против ча-
совой стрелки на некоторый угол. Сила магнитного
притяжения, совпадающая по направлению с максиму-
мом индукции магнитного поля, также изменит свое
направление и займет положение, показанное на
рис. 27,6. Так как направление силы притяжения FM.n
уже не проходит через точку касания статора и ротора,
на последний начинает действовать вращательный мо-
мент относительно точки А. Под действием этого мо-
мента ротор начнет перекатываться по поверхности ста-
тора, пока вновь не займет равновесное положение,
которое соответствует направлению силы /’м.п через но-
вую точку касания статора и ротора А' (пунктир на
рис. 27,6).
При непрерывном вращении такого несимметричного
магнитного поля ротор будет непрерывно перекатывать-
ся по поверхности статора вслед за максимумом индук-
ции этого поля. При таком обкатывании ротором ста-
тора ось ротора О2 будет вращаться вокруг оси статора
01 с частотой вращения магнитного поля, а сам ротор
будет вращаться вокруг собственной оси в противопо-
66
ложную сторону с частотой, во много раз меньшей час-
тоты вращения магнитного поля. Покажем это матема-
тически с помощью рис. 27,в.
Если магнитное поле совершит полный оборот, то
ротор из-за разности длин окружностей качения стато-
ра Di и ротора D2 повернется в противоположном на-
правлении на угол 0Ср, который, как центральный угол,
может быть рассчитан по формуле
ар=2л(£>1—Dz) IDs.
Из этой формулы видно, что если диаметры ротора
и статора близки по величине, то угол поворота ротора
вокруг своей оси весьма мал. Полученное соотношение
справедливо и для частот вращения магнитного поля По
и ротора вокруг своей оси лр, а именно:
Пр=л0 (£>i—Di)IDi.
Выполняя ротор с диаметром £>2, близким к £>i, мож-
но получить весьма малые отношения (£>i—D2))Di,
а следовательно, и очень низкие частоты вращения ро-
тора лр. Коэффициент редукции скорости kv, определяе-
мый обратным отношением D2/(Di—D2), для современ-
ных двигателей с катящимся ротором достигает 1500.
Это качество и является основным и наиболее ценным
достоинством двигателей с катящимся ротором.
Несмотря на относительно краткую историю своего
развития — первые двигатели с катящимся ротором бы-
ли разработаны в СССР в 1944 г. — в настоящее время
имеется много различных модификаций и типов их ис-
полнения. Классификация этих двигателей обычно про-
водится по нескольким признакам, а именно:
по роду тока двигатели с катящимся ротором под-
разделяются на двигатели постоянного и переменного
тока, последние в свою очередь могут быть однофазны-
ми или многофазными и работать в синхронном или
асинхронном режиме:
по конструктивному исполнению двигатели могут
быть цилиндрическими, коническими или дисковыми,
одно- или двухстаторными и иметь внутренний или на-
ружный ротор;
по исполнению ротора бывают двигатели с коротко-
замкнутым ротором, с массивным ферромагнитным ро-
тором, с полым ротором, который в свою очередь может
быть ферромагнитным или немагнитным;
5* 67
по способу возбуждения двигатели разделяются на
двигатели с электромагнитным и магнитоэлектрическим
возбуждением, с самоподмагничиванием, индукторные,
реактивные и комбинированные;
по выполнению поверхностей качения двигатели мо-
гут быть гладкие или зубчатые;
по характеру движения ротора двигатели выполня-
ются непрерывными или дискретными (шаговыми);
по направлению вращения двигатели бывают ревер-
сивными и нереверсивными.
Рис. 28. Синхронный индукторный двигатель с катя-
щимся ротором.
Кроме перечисленных признаков, двигатели с катя-
щимся ротором могут подразделяться по назначению,
мощности, основным характеристикам, характеру кине-
матической передачи от вала двигателя, режиму работы.
Рассмотрим теперь некоторые основные конструктив-
ные исполнения этих двигателей и покажем конкретные
способы получения несимметричного вращающегося
поля.
На рис. 28 показана схема конструкции индукторно-
го синхронного двигателя с катящимся ротором. Б кор-
пусе двигателя 1 закреплены сердечник статора 2 с об-
моткой 3 и постоянные магниты 4. Обмотка статора 3
создает симметричное вращающееся магнитное поле Фс,
а постоянные магниты 4 — радиально направленное и
неподвижное в пространстве магнитное поле Фп. В ре-
зультате сложения этих магнитных полей образуется
68
Рис. 29. Образование несимметричного
вращающегося поля двигателя с катя-
щимся ротором.
вращающееся несимметричное
магнитное поле с резко выра-
женным максимумом магнитной
индукции. Образование этого не-
симметричного поля иллюстриру-
ет рис. 29, на котором показано
распределение индукции вдоль
окружности воздушного зазора двигателя соответствен-
но поля статора Вс, поля постоянных магнитов Вп и
результирующего поля В s. Максимум индукции В
перемещается вдоль окружности статора с частотой вра-
щения по, и вместе с ним перемещается точка сопри-
косновения ротора и статора. Сердечник 5 ротора двига-
теля (рис. 28) набирается из листов электротехнической
стали и не имеет обмоток. Он монтируется на полой
ферромагнитной втулке 6, служащей одновременно маг-
нитопроводом для потока постоянного подмагничива-
ния Фп. На этой же втулке крепятся и кольцевые сер-
дечники 7, являющиеся частью магнитопровода для по-
ля постоянных магнитов.
Особенность конструкции рассматриваемого двигате-
ля заключается в наличии на роторе специальных кат-
ков 8, которые при вращении ротора обкатываются по
специальным направляющим статора 9. Их наружный
диаметр несколько больше диаметра ротора, что устра-
няет непосредственное соприкосновение ротора со ста-
тором и тем самым их износ.
При наличии катков соотношение частот вращения
ротора и статора принимает вид:
D,, — DK
П?=П° - DK—>
где Dn, DK — соответственно диаметры направляющих
статора и катков ротора.
Внутри полой втулки располагается механизм пере-
дачи несоосного вращения ротора (на рисунке не пока-
зан), пример устройства которого будет рассмотрен
ниже.
По своему исполнению рассмотренный двигатель яв-
ляется синхронным двигателем с возбуждением от по-
стоянных магнитов и гладкими поверхностями качения.
69
Его конструкция легко может быть преобразована так-
же к варианту с электромагнитным возбуждением или
с зубчатыми поверхностями качения. В первом случае
постоянный магнит заменяется электромагнитом, обмот-
ка возбуждения которого включается на напряжение
постоянного тока. Как вариант возбуждения в этом
случае может быть реализовано самовозбуждение (само-
подмагничивание) двигателя.
Для реализации зубчатого зацепления статора и ро-
тора гладкие обкатываемые поверхности должны быть
заменены зубчатой передачей. Редукция по скорости
в этом случае будет определяться соотношением чисел
зубцов зубчатых колес.
Рассмотренный двигатель может работать как в син-
хронном, так и асинхронном режиме работы. Синхрон-
ный режим, который практически уже был описан при
рассмотрении принципа работы двигателя с катящимся
ротором, характеризуется неизменной частотой враще-
ния поля ротора пр, находящейся в постоянном соотно-
шении с частотой вращения поля статора «о, и отсут-
ствием проскальзывания между обкатываемыми поверх-
ностями.
Асинхронный режим двигателей имеет место при
проскальзывании катков ротора относительно направ-
ляющих статора. Такой режим работы двигателя на-
ступает, когда момент нагрузки (момент сопротивления
движению) становится больше развиваемого двигателем
вращающего момента. В этом случае двигатель пере-
ходит в асинхронный режим работы с частотой враще-
ния
Очевидно, что асинхронный режим может иметь
место только у двигателей с гладкими поверхностями
качения.
Рассмотрим еще одно конструктивное исполнение
двигателя уже вместе с механической передачей. Дви-
гатель (рис. 30) имеет два сердечника 1, расположен-
ные внутри корпуса 2, который одновременно служит и
магнитопроводом. На сердечниках 1 размещаются об-
мотки переменного тока 3, а внутри корпуса — торо-
идальная обмотка постоянного подмагничивания 4. Маг-
нитопроводы 5 ротора двигателя крепятся на полой
ферромагнитной втулке 6. Конструкция двигателя не
70
предусматривает специальных поверхностей качения, и
ротор при работе двигателя непосредственно обкаты-
вается по внутренней поверхности статора. Наличие
двух статоров позволяет повысить вращающий момент
двигателя и снизить мощность и размеры обмотки по-
стоянного подмагничивания.
Для передачи несоосного вращения вала ротора
предусмотрена механическая передача Кардана. Эта
передача включает в себя карданный шарнир 7, распо-
ложенный внутри втулки ротора, который с помощью
карданного вала 8 соединяется с другим карданным
Рис. 30. Двухстаторный двигатель переменного тока с катящимся
ротором.
шарниром 9. Выходной вал 10 двигателя вращается
в подшипнике 11, размещенном во фланце 12. Этот фла-
нец в совокупности с упругими стержнями 13 образует
так называемую эластичную подвеску статора, которая
позволяет снизить вибрацию приводимого в движение
механизма, улучшить рабочие характеристики двигате-
ля и условия обкатывания.
Рассмотренная передача Кардана, которая широко
используется в автомобилях и некоторых других меха-
низмах, преобразует медленное вращение ротора вокруг
своей оси во вращение выходного вала.
Кроме передачи Кардана, в двигателях с катящимся
ротором широкое распространение нашли передачи Се-
шерона и Ольстома [5], выполняющие те же функции.
Основным достоинством двигателей с катящимся ро-
71
тором, как уже отмечалось выше, является возможность
получения низких частот вращения привода при значи-
тельных вращающих моментах без применения механи-
ческих редукторов.
Двигатель обладает высокими динамическими пока-
зателями работы: время его пуска составляет примерно
0,01 с, а реверса — 0,02 с. При торможении двигателя
отключением переменного напряжения статора он за
счет постоянного подмагничивания развивает большой
тормозной момент, вследствие чего время и путь его
торможения незначительны, а ротор фиксируется силой
притяжения в конечном положении. Достоинствами дви-
гателя являются также большой пусковой момент и от-
носительно небольшой пусковой ток, а также отсутствие
в большинстве конструкций подвижных электрических
контактов и высокоскоростных подшипников. Сравни-
тельно высокими являются и энергетические показатели
работы, которые улучшаются по мере увеличения мощ-
ности двигателей.
Вместе с тем двигатели этого типа имеют и замет-
ные недостатки. К их числу в первую очередь относятся
сложность конструкции самого двигателя и необходи-
мость применения специальных механических устройств
для передачи несоосного вращения ротора. Работа дви-
гателя сопровождается шумом и вибрациями, возника-
ющими за счет действия центробежных сил при враще-
нии ротора. При наличии ударных нагрузок вращение
двигателя нестабильно.
Несмотря на указанные недостатки, двигатели с ка-
тящимся ротором находят широкое применение для
самых разнообразных производственных механизмов,
таких как дозаторы, часовые механизмы, манипуляторы,
системы телеметрического управления, станки для на-
мотки реохордов и проволочных потенциометров, дуго-
вые нагревательные печи и многие другие. Растет мощ-
ность этих двигателей. В [5] сообщается о разработке
двигателя мощностью 2 кВт в Японии (пНом=60 об/мин,
7Ином=300 Н-м), 3 кВт в Австрии (пиом=150 об/мин,
Л1Ком=1900 Н-м) и даже 20 кВт (пНоМ=60 об/мин,
7ИНОМ=3250 Н-м).
Серийно двигатели с катящимся ротором в широком
ассортименте выпускаются во Франции, Англии, Японии
и США. В Советском Союзе также налаживается серий-
ный выпуск таких двигателей, разработка которых ве-
72
S Тип двигателя Число фаз По, об/мин Р , Вт ном*
СДКР Р-5 (Франция) 1, 2, 3 2—200 0,24—8,4
1, 2, 3 20—60 2—6,1
СДКР Р-52 (Франция) 1, 2, 3 2—200 0,44—22,3
1, 2, 3 20—60 3,1—9,2
СДКР (Англия) 1 15—60 4,5—178
СДКР (Япония) — 30—36 —
СДКР (Австрия) 3 30 23
СДКР (СССР, МЭИ) 9 30; 60 0,5; 1
СДКР (СССР, МАИ) 3,1 19—30 4,44—11,5
СДКР (СССР) 3 67 2,7
03
Таблица 14
"ном- Н'м КПД, % COS ip /77, КГ
0,45—2,4 1 0,7—28 6—18 0,7 2
1,2—3,4 1,5 0,7—36 4,9—14,7 0,7 2,5
1,8—2,9 — — 0,9—9
1—10 6—14
7 с 0,88 —
0,17 3; 6,5 0,75 1,5
2,2—4 9,7—33 0,74—0,83 2—10
0,4 5 0,24 0,33
дется МЭИ, МАИ и некоторыми другими организация-
ми. В табл. 14 приведены содержащиеся в [5] техниче-
ские данные некоторых образцов отечественных и зару-
бежных синхронных двигателей с катящимся ротором
(СДКР).
В табл. 14 для краткости в каждой графе указан
диапазон параметров двигателей дайной серии. Так,
например, двигатели серии Р-5 выпускаются на частоты
вращения от 2 до 200 об/мин, на мощности от 0,24 до
8,4 Вт и моменты от 0,45 до 2,4 Н-м и т. д.
8. ВОЛНОВЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
В электроприводах общепромышленного и специаль-
ного назначения для снижения частоты вращения при-
вода нашли применение волновые передачи (волновые
редукторы), обладающие рядом ценных свойств. Основ-
ное из них заключается в обеспечении значительного
передаточного отношения (до 100 на одну ступень) при
относительно малых собственных массе и габаритах.
Волновые передачи к тому же отличаются высокой ки-
нематической точностью отработки перемещений, надеж-
ностью и долговечностью в работе. Волновой двигатель
сочетает в себе специфические свойства волновой пере-
дачи и электрической машины, что достигнуто их кон-
структивным объединением.
Электропривод с волновыми механическими переда-
чами строится по обычной схеме: двигатель — волновая
передача. Основным достоинством волнового двигателя
является низкая частота вращения его выходного вала
при значительном вращающем моменте, что позволяет
непосредственно соединять его с производственным
механизмом. Масса и габариты привода при этом ока-
зываются меньше, чем у привода той же мощности,
выполненного по обычной схеме двигатель — редуктор.
Двигатель обладает и хорошим быстродействием. Вре-
мя его пуска при питании от сети 50 Гц составляет со-
тые доли секунды, а при отключении напряжения ротор
двигателя останавливается примерно за то же время
практически без выбега. Двигатель имеет также низкий
уровень вибраций, чем выгодно отличается от рассмот-
ренных выше двигателей с катящимся ротором.
Рассмотрим принцип действия волнового двигателя,
обратившись для этого к рис. 31. Главная особенность
конструкции двигателя состоит в наличии гибкого ци-
74
Линдрического ротора 1, который может деформировать
ся в радиальном направлении. На внешней поверхности
ротора крепится гибкий зубчатый венец 2. На статоре
двигателя 3, который по своей конструкции принципи-
ально не отличается от статоров обычных двигателей
переменного тока, крепится жесткий зубчатый венец 4.
Гибкий венец ротора и жесткий венец статора образуют
Рис. 31. Принцип действия волнового двигателя.
а —схема конструкции; б — распределение индукции и силы магнитного при-
тяжения вдоль окружности статора; в—схема двигателя при работе.
обычную волновую передачу. Подключим обмотки ста-
тора двигателя к сети переменного тока. Тогда в за-
зоре между статором и ротором появится, как обычно,
вращающееся магнитное поле. Предположим, что это
магнитное поле имеет два полюса (число пар полюсов
обмотки статора р = 1) и магнитная индукция поля
в зазоре двигателя распределяется по синусоидальному
закону, показанному сплошной линией на рис. 31,6.
Тогда на ферромагнитный ротор, как это мы уже уста-
новили, рассматривая двигатель с катящимся ротором,
будет действовать сила магнитного притяжения Fm.h.
ось которой совпадает с положением максимума маг-
нитной индукции. Значение этой силы пропорционально
квадрату магнитной индукции, и график ее изобразится
пунктирной кривой на рис. 31,6. В результате действия
этой силы ротор деформируется (рис. 31,в) и его зуб-
чатый венец входит в зацепление с зубчатым венцом
статора в двух диаметрально противоположных точках
окружности статора (в отличие от двигателя с катя-
щимся ротором, где точка касания статора и ротора
была одна). При вращении поля статора синхронно вра-
щается и волна деформации ротора, в результате чего
6* 75
зубчатый венец ротора обкатывает зубчатый венец ста-
тора.
Обычно венцы статора и ротора делают с различным
числом зубцов Zc и Zp, поэтому при обкатывании ротор
совершает еще и медленное вращение вокруг своей оси,
которое аналогично медленному вращению ротора дви-
гателя с катящимся ротором. Это вращение ротора во-
круг своей оси и является главным выходным движе-
нием волнового двигателя, и сто частота пр опреде-
ляется по формуле
(9)
Снижая разницу между количеством зубцов статор-
ного и роторного венцов, получают весьма низкие час-
вала волнового двигателя.
По своим характернстп
тоты вращения выходного
.9 7 8 3 6 5 I
Рис. 32. Реактивный волновой
двигатель с радиально-осевым
магнитным потоком.
кам рассмотренный волно-
вой двигатель является син-
хронным реактивным двига-
телем. Действительно, ось
деформации гибкого ротора
вращается синхронно с осью
магнитного поля и частота
вращения вала двигателя
постоянна и находится в
фи ксиров а ином соотноше-
нии (9) с частотой враще-
ния поля статора. Дефор-
мированный ротор приятом,
как нетрудно заметить, за-
нимает положение, при ко-
тором магнитное сопротивление магнитному потоку ми-
нимально. Поэтому при появлении рассогласования (не-
совпадении) оси поля статора и оси деформации ротора,
которое наступает, например, при нагружении двигателя
внешним моментом сопротивления, ротор двигателя на-
чинает развивать синхронизирующий момент, как
у обычного синхронного реактивного двигателя. Этот
момент уравновешивает приложенный внешний момент
нагрузки, и двигатель продолжает вращаться со ско-
ростью Пр при наличии некоторого пространственного
углового сдвига между осями ротора и поля статора.
Волновые двигатели могут быть также и индуктор-
76
ными, повторяя обычные синхронные индукторные дви-
гатели.
Заметим, что магнитное поле двигателя выполняет
по существу роль электромагнитного генератора меха-
нических волн деформации, необходимого для работы
обычной волновой передачи, причем в реактивном дви-
гателе число волн деформации равно числу полюсов
магнитного поля.
Рассмотрим некоторые практические конструкции
волновых двигателей.
На рис. 32 показана упрощенная схема конструкции
волнового двигателя реактивного типа с радиально-осе-
вым замыканием магнитного потока.
Ротор 1 двигателя представляет собой гибкий тон-
костенный металлический или пластмассовый стакан,
укрепленный на валу 2 двигателя. На внешней поверх-
ности ротора находится гибкий венец 3 волновой пере-
дачи. Вдоль внутренней поверхности ротора располага-
ются подвижные относительно друг друга ферромагнит-
ные секторы 4, которые под действием силы магнитного
притяжения могут перемещаться в радиальном направ-
лении и деформировать гибкий ротор. К ротору они при-
жимаются центрирующими эластичными кольцами 5.
Магнитная система статора двигателя образована
П-образными ферромагнитными сердечниками 6, на ко-
торых располагаются двух- или трехфазные обмотки
переменного тока 7, создающие вращающееся магнитное
поле. На статоре крепится неподвижный венец 8 волно-
вой передачи.
Статор и ротор располагаются в корпусе 9 двига-
теля.
При подаче напряжения переменного тока на обмот-
ки 7 двигателя сила магнитного притяжения действует
на ферромагнитные секторы 4; последние, притягиваясь
к статору, деформируют ротор, который и приобретает
форму, показанную на рис. 31,в.
На рис. 33 показана еще одна конструктивная схема
волнового двигателя с радиальным замыканием магнит-
ного потока.
Статор двигателя, размещенный в корпусе 1, имеет
обычную для двигателей переменного тока конструкцию.
Сердечник 2 статора набран из листов электротехниче-
ской стали, и в его пазы уложена двух- или трехфазная
обмотка переменного тока 3, создающая вращающееся
77
Рис. 33. Волновой двигатель
магнитное поле. На стато-
ре крепится жесткий зуб-
чатый венец 4 волновой пе-
редачи.
Гибкий ротор 5 имеет
обычную для волнового дви-
гателя конструкцию, и на
его поверхности закреплен
гибкий венец 6 волновой пе-
редачи.
Внутри ротора распола-
гается упругое ферромаг-
нитное кольцо 7, которое
деформирует ротор под дей-
с радиальным магнитным по- ствием сил магнитного при-
током- '1яжения и одновременно яв-
ляется магнитопроводом.
Кольцо 7 навивается из ленты ферромагнитного мате-
риала, например пермаллоя. Рассмотренная конст-
рукция соответствует реактивному волновому двига-
телю.
По конструктивным схемам, приведенным на рис. 32
и 33, может быть выполнен и индукторный волновой
двигатель, который имеет лучшие энергетические пока-
затели работы и развивает больший момент, чем реак-
тивный волновой двигатель. Для индукторного двига-
теля характерно наличие на сердечнике статора помимо
обмотки переменного тока еще и обмотки постоянного
тока, с помощью которой в двигателях создается неиз-
менный по направлению магнитный поток. Суммируясь,
магнитные потоки обмоток переменного тока с индук-
цией Вс и обмотки постоянного тока с индукцией Вп об-
разуют результирующее магнитное поле с индукцией
Въ, распределение которой вдоль воздушного зазора
для числа пар полюсов р= 1 показано сплошной линией
на рис. 34,а и для р=2 на рис. 34,6. На этих же рисун-
ках пунктиром показан график силы магнитного притя-
жения Вм,п. Из рис. 34 видно, что в отличие от реак-
тивного волнового двигателя ротор индукторного дви-
гателя имеет число волн деформации, равное числу пар
полюсов р. Необходимо при этом отметить, что проме-
жуточная волна силы магнитного притяжения недоста-
точна по амплитуде для осуществления зацепления.
Для получения симметричной деформации ротора
78
стремятся иметь р'^г-2 (рис. 34,6), что снижает уровень
вибрации волнового двигателя.
Отметим в заключение, что широкое применение вол-
новых двигателей ограничивается сложностью конструк-
ции и технологии изготовления эластичного ротора.
Нецелесообразным пока из-за сравнительно невысоких
Рис. 34. Распределение индукции и силы магнитного притяжения
индукторного волнового двигателя.
а — при р—1; б—при р—2.
энергетических показателей является выпуск волновых
двигателей на средние и большие мощности.
9. ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
Интересные и широкие перспективы развития элек-
тропривода связаны с применением так называемых
линейных двигателей [9].
Большое число производственных механизмов и
устройств имеют поступательное или возвратно-посту-
пательное движение рабочих органов (подъемно-транс-
портные машины, механизмы подач различных станков,
прессы, молоты и т. д.). В качестве привода этих меха-
низмов и устройств до недавнего времени использова-
лись обычные электродвигатели в сочетании со специ-
альными видами механических передач (кривошипно-
шатунный механизм, передача винт — гайка), преобра-
зовывавших вращательное движение двигателей в пря-
молинейное движение рабочего органа.
Применение линейных электродвигателей позволяет
упростить или полностью исключить механическую пере-
дачу, повысить экономичность и надежность работы
привода и производственного механизма в целом.
79
Специфичность конструкции линейного двигателя
определила появление и некоторых специальных терми-
нов, применяемых для обозначения отдельных его час-
тей. В настоящее время еще не принята единая система
терминологии, поэтому в технической литературе оди-
наковый смысл вкладываются в понятия: статор — пер-
вичный элемент — индуктор, ротор — вторичный эле-
мент — бегун — якорь — реактивная полоса. В § 9 часть
двигателя, получающая энергию из сети, названа ста-
тором (хотя она не всегда является неподвижной
частью), а часть двигателя, получающая энергию со
статора, названа вторичным элементом.
Рис. 35. Принцип построения линейного двигателя переменного тока.
Линейные двигатели могут быть асинхронными, син-
хронными и постоянного тока, повторяя по принципу
своего действия соответствующие двигатели вращатель-
ного движения.
Наибольшее распространение получили асинхронные
линейные двигатели, которые мы и рассмотрим вначале.
Представление об устройстве линейного асинхронного
двигателя можно получить, если мысленно разрезать
(рис. 35) статор 1 и ротор 4 с обмотками 2 и 3 обычного
асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и
развернуть в плоскость, как это и показано на рисунке.
Образовавшаяся «плоская» конструкция представляет
собой принципиальную схему линейного двигателя. Если
теперь обмотки 2 статора такого двигателя подключить
к сети переменного тока, то образуется магнитное поле,
ось которого будет перемещаться вдоль воздушного за-
зора со скоростью V, пропорциональной частоте пита-
ющего напряжения f и длине полюсного деления т:
V=2rf, (10)
80
Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле
пересекает проводники обмотки 3 ротора и индуктирует
в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут
протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным по-
лем приведет к появлению силы, действующей, по из-
вестному правилу Ленца, в направлении перемещения
магнитного поля. Ротор — в дальнейшем будем назы-
вать его уже вторичным элементом — под действием
этой силы начнет двигаться с некоторым отставанием
(скольжением) от магнитного поля, как и в обычном
асинхронном двигателе.
Рис. 36. Линейные двигатели.
а — с длинным вторичным элементом; б — с коротким вторичным элементом;
в— двух ста торный; г — с сердечником; д~ со вторичным элементом в виде
полосы.
Представленная на рис. 35 конструкция представ-
ляет собой линейный двигатель с одинаковыми разме-
рами статора и вторичного элемента. Помимо такой
конструкции, в зависимости от назначения линейного
двигателя вторичный элемент может быть длиннее ста-
тора (рис. 36,о) или короче его (рис. 36,6). Такие дви-
гатели получили соответственно название двигателей
с коротким статором и коротким вторичным элементом.
Вторичный элемент линейного двигателя не всегда
снабжается обмоткой. Часто — ив этом одно из досто-
инств линейного асинхронного двигателя — в качестве
вторичного элемента используется металлический лист
(полоса), как это показано на рис. 36,6. Вторичный эле-
мент при этом может располагаться также между дву-
81
Мя статорами (рис. 36,в) или между статором и ферро-
магнитным сердечником (рис. 36,г). Двигатель с кон-
структивной схемой, приведенной на рис. 36,<3, получил
название двигателя с односторонним статором, со схе-
мой по рис. 36,в — с двусторонним статором и со схе-
мой по рис. 36,г — с односторонним статором и сердеч-
ником.
Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия
или стали, причем использование немагнитного вторич-
ного элемента предполагает применение конструктивных
схем с замыканием магнитного потока через ферромаг-
нитные элементы, как, например, на рис. 36,в, г. Неко-
торое распространение получили составные сложные
вторичные элементы с прилегающими друг к другу по-
лосами из немагнитного и ферромагнитного материала,
при этом ферромагнитная полоса выполняет роль части
магнитопровода.
Принцип действия линейных двигателей со вторич-
ным элементом в виде полосы повторяет работу обыч-
ного асинхронного двигателя с массивным ферромагнит-
ным или полым немагнитным ротором. Обмотки статора
линейных двигателей имеют те же схемы соединения,
что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются
обычно к сети трехфазного переменного тока.
Отметим, что линейные двигатели очень часто рабо-
тают в так называемом обращенном режиме движения,
когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается
статор. Такой линейный двигатель, получивший назва-
ние двигателя с подвижным статором, находит, в част-
ности, широкое применение на электрическом транс-
порте.
Равновидностями линейных асинхронных двигателей
Рис. 37. Дуговой двига-
тель.
являются дуговой и трубчатый
(коаксиальный) двигатели.
Дуговой двигатель харак-
теризуется расположением об-
мотки на части окружности,
как это показано на рис. 37.
Особенностью этого двигателя
является зависимость частоты
вращения его ротора 1 от дли-
ны дуги, на которой распо-
лагаются обмотки 2 стато-
ра <3.
82
Пусть обмотки статора располагаются на дуге, дли-
на которой соответствует центральному углу а=2тр,
где т — длина полюсного деления и р — число пар по-
люсов. Тогда за один период тока вращающееся поле
2дс__ а
——а в течение
статора совершит поворот на угол
„ а 60 f
одной минуты поле повернется на ир =—к-1
оборо-
тов, т. е. будет иметь частоту вращения ир, об/мин.
Выбирая различные а, можно выполнять дуговые дви-
гатели с различными часто-
тами вращения ротора.
Одна из типовых кон-
струкций трубчатого линей
ного двигателя представле-
на на рис. 38.
Статор двигателя 1 име-
ет вид трубы, внутри кото-
рой располагаются переме-
жающиеся между собой пло-
ские дисковые катушки 2
(обмотки статора) и метал-
Рис. 38. Трубчатый (коак-
сиальный) линейный двигатель.
лические шайбы 3, являющиеся частью магнитопровода.
Катушки двигателя соединяются группами и образуют
обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора по-
мещается вторичный элемент 4 также трубчатой формы,
выполненный из ферромагнитного материала. При под-
ключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней
поверхности образуется бегущее магнитное поле, кото-
рое индуктирует в теле вторичного элемента токи, на-
правленные по его окружности. Взаимодействие этих
токов с магнитным полем двигателя создает на вторич-
ном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая
и вызывает (при закрепленном статоре) движение вто-
ричного элемента в этом направлении.
Трубчатая конструкция линейных двигателей харак-
теризуется аксиальным направлением магнитного пото-
ка во вторичном элементе в отличие от плоского линей-
ного двигателя, в котором магнитный поток имеет ра-
диальное направление.
Рассмотрим теперь несколько типовых практических
конструкций линейных асинхронных двигателей в сово-
купности с производственными механизмами.
83
Широкое применение линейные двигатели нашли
в электрическом транспорте, чему способствовал целый
ряд преимуществ этих двигателей. Одно из них, уже
отмеченное выше, определяется прямолинейностью дви-
жения вторичного элемента (или статора), что естест-
венно сочетается с характером движения различных
транспортных средств.
Рис. 39. Сочленение линейного двигателя с транспортным средством.
Другое, не менее важное обстоятельство связано
с независимостью силы тяги от силы сцепления колес
с рельсовым путем, что недостижимо для обычных си-
стем электрической тяги. Поэтому ускорения и скорости
движения средств транспорта при использовании ли-
нейных двигателей могут быть сколь угодно высокими
и ограничиваться только комфортабельностью движе-
ния, допустимой скоростью качения колес по рельсо-
вому пути и дороге, динамической устойчивостью ходо-
вой части транспорта и пути. Исключается при исполь-
зовании линейных двигателей и буксование колес
электрического транспорта.
Одна из возможных конструктивных схем сочленения
линейного двигателя с рельсовым транспортным средст-
вом показана на рис. 39. Линейный двигатель, укреп-
ленный на тележке 3 подвижного состава, имеет кон-
струкцию с двусторонним статором 1. Вторичным эле-
ментом является укрепленная между рельсами полоса 2.
Напряжение на статор двигателя подается с помощью
скользящих контактов.
Известны также конструкции линейных двигателей,
где вторичным элементом являются рельс или элементы
84
несущей конструкции. Такие схемы характерны, в част-
ности, для монорельсовых пассажирских и грузовых
дорог и механизмов передвижения кранов. На рис. 40
в качестве примера показаны отечественный линейный
двигатель, сконструированный для монорельсовой до-
роги. Этот двигатель имеет двусторонний статор 1 с об-
моткой 2, внутри которого находится вторичный элемент
в виде полосы 3. Статор двигателя перемещается по
полосе с помощью несущих
роликов 5. Ролики 4 служат
для взаимной фиксации ста-
тора и вторичного элемента
в горизонтальном направлс
пни. Технические данные
этого двигателя следующие:
максимальная сила тяги
3800 Н, скорость двигателя
37 км/ч, номинальный ток
200 А, коэффициент полез-
ного действия 50%,коэффи
циент мощности 0,4. Двига-
тель питается от трехфаз-
ной сети переменного тока
частотой 50 Гц и напряже-
нием 380 В.
На рис. 41 показан при-
мер использования линей-
ных асинхронных двигате-
лей для механизмов транс-
портировки грузов различ-
ных изделий. Конвейер,
Рас. 40. Линейный двигатель
для монорельсовой дороги.
Рис. 41. Линейный двигатель
для транспортеров.
предназначенный для перемещения сыпучего материала
/ из бункера 2, имеет металлическую ленту 5, укреплен-
ную на барабанах 4. Металлическая лента проходит
внутри статоров 5 линейного двигателя, являясь вторич-
ным элементом Применение линейного двигателя в этом
случае позволяет снизить предварительное натяжение
ленты и устранить ее проскальзывание, повысить ско-
рость и надежность работы конвейера.
Большой интерес представляет использование линей-
ного двигателя для машин ударного действия, например
сваезабивных молотов, применяемых при дорожных ра-
ботах и строительстве. Конструктивная схема такого
молота показана па рис. 42. Статор линейного двига-
$5
Рис. 42. Линейный двигатель
для сваезабивного молота.
теля 1 располагается на стреле молота 2 и может пере-
мещаться по направляющим стрелы в вертикальном на-
правлении с помощью лебедки 3. Ударная часть молота
4 является одновременно вторичным элементом двига-
теля.
Для подъема ударной части молота двигатель вклю-
чается таким образом, чтобы бегущее поле было на-
правлено вверх. При под-
ходе ударной части к край-
нему верхнему положению
двигатель отключается и
ударная часть опускается
вниз на сваю под действием
силы тяжести. В некоторых
случаях двигатель не от-
ключается, а реверсируется,
что позволяет увеличить
энергию удара. По мере за-
глубления сваи статор дви-
гателя перемещается вниз
с помощью лебедки.
Электрический молот
прост в изготовлении, не тре-
бует' повышенной точности
изготовления деталей, не-
чувствителен к изменению
температуры и может всту-
пать в работу практически
мгновенно.
Широкое распростране-
ние получает линейный дви-
гатель и в легкой промыш-
ленности, в частности в тек-
стильном производстве. При-
мером использования ли-
нейного двигателя в текстильной промышленности яв-
ляется привод челнока или прокладчика нити ткацкого
станка. Идея такого применения линейных двигателей
основывается на принципиальной возможности органи-
ческого объединения функций челнока и вторичного эле-
мента линейного двигателя.
Одна из возможных принципиальных схем ткацкого
станка показана на рис. 43. Система электропривода
образована двумя цилиндрическими статорами 1 и 2,
86
сложенными концевыми амортизаторами 3. Вторичным
элементом является легкий алюминиевый прокладчик
4 с захватом для нити, который перемещается из од-
ного статора в другой по направляющему каналу 5.
При нахождении прокладчика в статоре 1 устройство
управления 6 подает напряжение на этот статор таким
образом, что образовавшееся бегущее магнитное поле
выталкивает прокладчик из статора. Прокладчик по
направляющему каналу перелетает в другой статор,
прокладывая нить, и тормозится там с помощью рабо-
тающего в тормозном режиме статора 2 и амортиза-
тора 3. Затем устройство управления переключает ста-
тор 2 для образования бегущего поля в направлении
статора /, а сам статор 1 — в тормозной режим. Цикл
перемещения прокладчика повторяется.
Ткацкие станки, выполненные по этому принципу,
отличаются высокой производительностью, простотой
автоматизации и удобством в обслуживании.
В настоящее время многие отечественные организа-
ции и заводы разрабатывают и серийно выпускают ли-
нейные асинхронные двигатели, среди них:
двигатели мощностью от нескольких ватт до 660 кВт
со скоростями движения от 1,4 до 42 м/с для систем
транспорта;
двухстаторные тяговые двигатели мощностью от 5 до
1000 кВт со скоростью движения 8,4—11,2 м/с для про-
мышленного транспорта и различных производственных
механизмов;
87
одностаторные тяговые двигатели для транспорта
мощностью 26, 120 и 660 кВт со скоростью движения
соответственно 10, 25,2 и 33,6 м/с;
тяговые двигатели с использованием рельса в ка-
честве вторичного элемента;
линейные микродвигатели переменного и постоянного
тока для привода машин легкой промышленности и для
самопишущих измерительных приборов.
Таблица 15
Тил привода-тол- кателя Номиналь- ное усилие, Н Ход штока, м Время хода, с Полезная мощность, Вт
ПТЛ-75 750 0,15 0,33 330
ПТЛ-150 1500 0,25 0,56 660
ПТЛ-300 3000 0,3 0,67 1320
ПТЛ-100 1000 0,12 0,27 441
ПТЛ-200 2000 0,2 0,4 880
11ТЛ-600 6000 0 4 0,89 2640
В табл. 15 приведены технические данные цилиндри-
ческих линейных асинхронных двигателей, используемых
в безредукторном приводе-толкателе со скоростью дви-
жения штока 0,45 м/с.
Таблица 16
Тип дви- гателя Мощность, кВт Скорость бегущего поля, м/с Среднее пусковое усилие, Н КПД. % Масса, кг
ЛАД 1 40 12 450 64 690
ЛАД 2 40 18 660 63 700
ЛАД 3 120 12 1100 70 870
Для привода слитковозов в прокатном производстве
разработаны линейные асинхронные двигатели, техниче-
ские данные которых приведены в табл. 16.
Наряду с асинхронными линейными двигателями
применяются линейные двигатели постоянного тока. Они
чаще всего используются для получения небольших
перемещений рабочих органов и обеспечения при этом
высокой точности и значительных пусковых усилий.
Кроме того, линейные двигатели постоянного тока
(как и двигатели вращательного движения) позволяют
при необходимости просто регулировать скорость дви-
жения рабочих органов. Рассмотрим примеры примене-
ния этих двигателей.
88
На рис. 44 показана схе-
ма привода продольного хо-
да стола плоскошлифоваль-
ного станка с использова-
нием линейного двигателя
постоянного тока. На столе
1 станка расположен вто-
ричный элемент (якорь) 2
двигателя. Ток к обмоткам
якоря подводится через кол-
лектор 3 и щетки 4, уста-
новленные на станине 5
станка. На станине по всей
длине хода якоря располо-
жены полюсы двустороннего
нина является одновременно
гателя.
Рис. 44. Линейный двигатель
для шлифовального станка.
статора 6, при этом ста-
и магнитопроводом дви-
На рис. 45 показана еще одна конструктивная схема
линейного двигателя постоянного тока, который приме-
няется для перемещения промышленных изделий. Этот
Рис. 45. Линейный двигатель для транспортировки изделий.
двигатель по существу представляет собой двигатель
постоянного тока с полым цилиндрическим якорем,
разрезанный по образующей и развернутый в плоскость.
Подвижная часть двигателя — якорь — состоит из
немагнитного остова 1 и укрепленной на нем обмотки 2
якоря, которая может быть выполнена из изолирован-
ного обмоточного провода или изготовлена из медной
фольги путем ее травления. Ширина витков обмотки
в направлении движения, как и в обычных двигателях
постоянного тока, близка к полюсному делению (т. е.
7—110 3 89
Рис. 46. Магнитогидродина-
мический насос постоянного
тока.
расстоянию по окружности между полюсами магнитной
системы двигателя). Токоподвод к обмотке осуществ-
ляется с помощью коллектора 3 и щеток 4. На станине
двигателя 5 крепится комплект полюсов 6 с обмотками
возбуждения 7, размещенных в ряд по направлению
движения якоря. Другими частями магнитопровода дви-
гателя являются стальные сер-
дечники 8 и сама станина, вы-
полненная также из ферромаг-
нитного материала. Якорь дви-
гателя вместе со столиком 9
для крепления перемещаемого
изделия 10 движется по непод-
вижным опорам 11 так, что его
плоскости с обмотками все
время находятся в зазоре меж-
ду сердечниками 8 и полюса-
ми 6.
На принципе работы линей-
ного двигателя основано дей-
ствие специальных насосов для
перекачки электропроводящих жидкостей и в том числе
жидких металлов. Такие насосы, часто называемые маг-
нитогидродинамическими, широко применяются в ме-
таллургии для транспортировки, дозировки и переме-
шивания жидкого металла, а также на атомных элек-
тростанциях для перекачки жидкометаллического теп-
лоносителя.
Магнитогидродинамические насосы (МГД-насосы)
могут быть постоянного или переменного тока. Конст-
руктивная схема МГД-насоса постоянного тока показа-
на на рис. 46.
Первичным элементом — статором двигателя являет-
ся С-образный электромагнит / (для упрощения рисун-
ка его обмотка возбуждения не показана). В воздуш-
ный зазор электромагнита помещается трубопровод 2
с жидким металлом. С помощью электродов 3, прива-
ренных к стенкам трубопровода, через жидкий металл
пропускается постоянный ток от внешнего источника.
Часто обмотка возбуждения включается последователь-
но в цепь электродов 3.
При возбуждении электромагнита на металл в зоне
прохождения постоянного тока начинает действовать
электромагнитная сила аналогично тому, как она дей-
90
ствовала на проводник с током, помещенным в магнит-
ное поле (см. рис. I). Под действием этой силы металл
начнет перемещаться по трубопроводу, причем направ-
ление его движения просто определить по известному
правилу левой руки.
Один из выполненных МГД-насосов этого типа имеет
следующие данные: потребляемая мощность 625 кВт,
ток 250 000 А, напряжение 2,5 В, КПД 62,5%- Насос
обеспечивает транспортировку жидкого натрия при тем-
пературе 800°С со скоростью 12,4 м/с по каналу сече-
нием 53x15,2 см2. Номинальный расход насоса 3670 мэ/ч
при напоре 39 Н/см2.
Преимуществами МГД-насосов являются отсутствие
движущихся механических частей и возможность герме-
тизации канала транспортировки металла.
Принцип линейного двигателя используется при раз-
работке реактивных плазменных двигателей космиче-
ских ракет. Модель такого плазменного двигателя мож-
но также изобразить с помощью схемы, приведенной
на рис. 46, где место жидкого металла заняла плазма —
высокотемпературный (400°С и более) ионизированный
и поэтому токопроводящий газ. Электроэнергию для ра-
боты такого двигателя предполагается получить с по-
мощью ядерного реактора.
В последние годы все шире используются синхрон-
ные линейные двигатели. Основной областью примене-
ния этих двигателей, где их преимущества проявляются
особенно сильно, является высокоскоростной электриче-
ский транспорт. Дело в том, что по условиям нормаль-
ной эксплуатации такого транспорта необходимо иметь
сравнительно большой воздушный зазор между подвиж
ной частью и вторичным элементом. Асинхронный ли-
нейный двигатель имеет при этом очень низкий коэффи-
циент мощности (costp), и его применение оказывается
экономически невыгодным. Синхронный линейный двига-
тель, напротив, допускает наличие относительно боль-
шого воздушного зазора между статором и вторичным
элементом и работает при этом с costp, близким к еди-
нице.
Следует при этом отметить, что применение синхрон-
ных линейных двигателей в высокоскоростном транс-
порте сочетается, как правило, с так называемой маг-
нитной подвеской вагонов и применением сверхпроводя-
щих магнитов и обмоток возбуждения, что позволяет
7* 91
Рис. 47. Линейный синхронный
двигатель для привода подвиж-
ного состава.
повысить комфортабель-
ность движения п экономи-
ческие показатели работы
подвижного состава.
Рассмотрим конкретные
примеры использования ли-
нейных синхронных двига-
телей для транспорта. На
рис. 47 показана схема пу-
тепровода и вагона электро-
поезда со скоростью движе-
ния 400—500 км/ч, предна-
значенного для перевозки
100 пассажиров.
Тяговый синхронный линейный двигатель имеет элек-
тромагнитное возбуждение с использованием сверхпро-
водящих магнитов. Обмотка возбуждения 1 состоит из
ряда катушек, равномерно укрепленных под днищем
вагона 5. В криогенной системе охлаждения обмоток
используется жидкий гелий. Плоская трехфазная обмот-
ка переменного тока 2 уложена в бетонное полотно до-
роги и питается от трехфазного инвертора, преобразую-
щего напряжение постоянного тока в трехфазное напря-
жение переменного тока (кратко принцип действия ин-
вертора рассмотрен в § 5). С помощью инвертора осу-
ществляются пуск, изменение скорости движения и тор-
можение поезда. Номинальный ток обмотки 250 А; дли-
на секции обмоток, одновременно включаемых на на-
пряжение, 5 км. Номинальная мощность двигателя
5,2 МВт, номинальное тяговое усилие 40 кН, cos ф=0,92,
коэффициент полезного действия 72%-
Путепровод 6 представляет собой бетонное полотно
шириной 3,7 м, плоский характер поверхности которого
выбран с целью снижения накопления льда и снега.
Вагон подвешивается над полотном дороги на вы-
соте 15 см с помощью специальной системы магнитной
подвески. Эта система состоит из удлиненных сверхпро-
водящих электромагнитов 3, расположенных по краям
днища вагона, и плоских алюминиевых полос 4, укреп-
ленных в полотне дороги. Принцип работы системы маг-
нитной подвески основывается на действии электроди-
намических сил, возникающих при взаимодействии по-
токов сверхпроводящих электромагнитов 3 на борту
вагона и вихревыу токов, наведенных в алюминиевых
Q9
полосах 4. Расисты показали, что при использовании
магнитной подвески масса вагона оказывается на 20 т
меньше, чем при системе подвески на воздушной по-
душке.
Для обеспечения поперечной устойчивости поезда
при его движении применяется специальная система
стабилизации. Она предусматривает укладку дополни-
тельной обмотки (на рисунке не показана) вдоль оси
дорожного полотна и осно-
вана на взаимодействии то-
ков в этой обмотке с полем
тяговых электромагнитов.
Разработанная система
электрической тяги с при-
менением описанного выше
синхронного линейного дви-
гателя отличается хорошими
эксплуатационными пока-
зателями, однако для ее ра-
боты необходима укладка
обмоток в полотно дороги,
что удорожает изготовление
системы и усложняет ее об-
служивание, особенно при
Рис. 48. Линейный синхронный
двигатель с униполярным воз-
буждением.
значительной протяженности дороги. В связи с этим
были разработаны конструкции линейных синхронных
двигателей, которые не требуют укладки обмоток в же-
лезнодорожное полотно. К их числу относятся линейные
синхронные двигатели с так называемым униполярным
возбуждением и когтеобразными полюсами. Двигатели
того и другого исполнения были использованы для приво-
да 50-тонного состава со скоростью движения 480 км/ч.
Параметры двигателей: номинальная мощность 1340 кВт,
тяговое усилие 106 Н, частота напряжения переменного
тока 350 Гц. Расчетное значение коэффициента мощно-
сти равно 1, а коэффициента полезного действия 91—
96%. Масса двигателей при зазоре между составом и
вторичным элементом в 1,5 см не превышает 4 т.
На рис. 48 показана конструктивная схема синхрон-
ного линейного двигателя с униполярным возбуждением.
Двигатель имеет два статора 1, установленных на по-
движной части состава. Бегущее магнитное поле соз-
дается с помощью обмоток 2, подключаемых к сети
переменного тока. Статоры соединяются магнитопрово-
93
дом 3, на котором расположена обмотка униполярного
возбуждения 4. Эта обмотка создает постоянный по
направлению магнитный поток Фп, который пронизы-
вает ферромагнитный вторичный элемент 5, укладывае-
мый в. путепровод. Взаимодействие бегущего магнитного
поля с намагниченным вторичным элементом создает
силу тяги подвижного состава.
Сопоставление линейных синхронных двигателей
с униполярным возбуждением и когтеобразными полю-
сами с асинхронным линейным двигателем на то же
тяговое усилие показало, что последний имеет худший
коэффициент мощности (около 0,6), более низкий КПД
(около 80%) и большую массу на единицу мощности
двигателя.
10. САМОТОРМОЗЯЩИЕСЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
Повышение производительности многих производст-
венных механизмов, рабочие органы которых должны
периодически пускаться в движение и останавливаться,
трудно представить себе без сокращения продолжитель-
ности этих периодов работы, поскольку в это время
механизм, как правило, не совершает полезной работы.
Сокращение времени пуска и торможения при ис-
пользовании электропривода может быть достигнуто
несколькими путями. Один из них связан с использова-
нием схем управления двигателем, с помощью которых
можно обеспечить быстрый пуск или останов привода,
а тем самым и рабочего органа производственного меха-
низма. Например, для быстрого торможения двигателей
постоянного и переменного тока широко применяется
динамическое торможение и торможение противовклю-
чением.
Уменьшение времени пуска и торможения достигает-
ся также при использовании малоинерционных двига-
телей, в том числе и рассмотренных выше. Этот вывод
непосредственно следует из формулы (5), в соответствии
с которой ускорение (замедление) двигателя, а тем са-
мым и время пуска (торможения) двигателя обратно
пропорционально его моменту инерции.
Еще один путь решения поставленной задачи связан
с использованием механических тормозных устройств,
включаемых в кинематическую цепь двигатель — редук-
тор — рабочий орган. Обычно эти тормозные устройства
94
устанавливаются на валу двигателя. Управляются онй,
как правило, с помощью электромагнитов постоянного
или переменного тока. При отсутствии напряжения на
двигателе они находятся в заторможенном состоянии и
создают на валу двигателя требуемый тормозной мо-
мент. При включении двигателя на сеть тормозные
устройства растормаживают
его вал, а при отключении
вновь тормозят его.
Практическое распро-
странение получили также
встраиваемые тормозные
устройства, которые кон-
структивно объединяются с
двигателем в одном корпусе
и управляются с помощью
электромагнитов. Отече-
ственная электропромыш-
ленность выпускает не-
сколько типов двигателей с
Рис. 49. Двигатель с кониче-
ским ротором.
встроенными тормозами
В последние годы появилась еще одна разновид-
ность двигателей со встроенными тормозными устрой-
ствами, которые получили название самотормозящихся
электродвигателей [6]. Основная отличительная особен-
ность этих двигателей состоит в единой электромагнит-
ной системе ддигателя и тормоза. Такая совмещенная
конструкция обеспечивает в ряде случаев повышение
технико-экономических показателей работы электропри-
вода и производственного механизма.
В настоящее время известно [6] много типов раз-
личных самотормозящихся двигателей. К числу наибо-
лее распространенных относятся двигатели со смещаю-
щимся коническим ротором и с электромагнитной встав-
кой, которые и рассмотрены ниже.
Схема конструкции самотормозящегося асинхронного
двигателя с коническим смещающимся ротором пока-
зана на рис. 49.
Пакет статора 1 набирается из листов электротех-
нической стали и крепится в корпусе (станине) 2 дви-
гателя, как у обычного асинхронного двигателя. Одна-
ко в отличие от последнего внутренняя поверхность па-
кета самотормозящегося двигателя имеет коническую
форму.
Пакет статора имеет пазы, расположенные парал-
95
лельно образующей конуса, в которые укладывается
трехфазная обмотка переменного тока 3.
Пакет ротора 4 также набирается из листов элек-
тротехнической стали и имеет короткозамкнутую обмот-
ку, получаемую заливкой пазов алюминием. Как и ста-
тор, ротор имеет коническую форму поверхности. Вместе
с пакетом ротора на валу 5 двигателя крепится венти-
лятор 6, на котором находится тормозная колодка 7.
Вал двигателя вместе с пакетом ротора и вентилятором
может перемещаться в небольших пределах в осевом
направлении в подшипниках 8 двигателя, расположен-
ных в подшипниковых щитах 9. Крайние положения
вала двигателя ограничиваются механическими упора-
ми. На валу двигателя находится пружина 10, которая
одним концом упирается в пакет ротора, а другим —
в подшипниковый щит 9.
Принцип действия двигателя состоит в следующем.
При отключенном двигателе пружина 10 стремится вы-
толкнуть ротор из статора, при этом ротор смещается
влево по своей оси и тормозные колодки 7 прижимаются
за счет усилия пружины к подшипниковому щиту 9, соз-
давая тормозной момент. Двигатель заторможен.
При пуске двигателя магнитное поле статора создает
при взаимодействии с ротором не только вращающий
момент на валу, но и — из-за конусности ротора — силу
магнитного притяжения ротора к статору, с действием
которой мы уже познакомились на примере работы дви-
гателей с катящимся ротором и волновых двигателей.
Под действием этой силы ротор втягивается внутрь ста-
тора, сжимая пружину 10. Тормозные колодки 7 отхо-
дят от поверхности подшипникового щита 9, и вал дви-
гателя начинает вращаться. Между статором и ротором
остается необходимый воздушный зазор, величина ко-
торого устанавливается с помощью специального регу-
лирующего устройства, встроенного в щит 9.
При снятии напряжения с обмоток статора сила маг-
нитного притяжения исчезает и сжатая пружина, как
это уже описано выше, переместит ротор в крайнее ле-
вое положение, в котором тормозные колодки, прилегая
к поверхности щита, создают тормозной момент, под
действием которого двигатель быстро остановится.
Самотормозящиеся двигатели с конусным ротором,
получившие сокращенное название ДКР, выпускаются
в Советском Союзе на базе двигателей единой серии
96
А02 3-го и 4-го габаритов. Технические данные этих
двигателей приведены в табл. 17, где указана также
кратность тормозного момента Л1т по отношению к но-
минальному моменту двигателя ЛГН0М-
Таблица 17
Тип двигателя р.,о5г кВт об/мин КПД. % COS ч> т, кг Мт1М1Ю»
ДКР-31-2 3 3000 78,7 0,91 38 "2
ДКР-32-2 4 3000 80,2 0,91 46 о
ДКР-31-4 2,2 1500 79,5 0,71 38 \2
ДКР-32-4 3 1500 81,1 0,75 46 1,8
ДКР-31-6 1,5 1000 72,6 0,64 38 •2
ДКР-32-6 2,2 1000 73,7 0,65 46 1,6
ДКР-41-2 5,5 3000 83,7 0,88 67 2
ДКР-42-2 7,5 3000 86,3 0,89 79 1,8
ДКР-41-4 4 1500 81,4 0,84 67 2,5
ДКР-42-4 5,5 1500 83,7 0,82 79 2
ДКР-41-6 3 1000 79 0,73 67 2,6
ДКР-42-6 4 1000 81 0,74 79 2
ДКР-41-8 2,2 750 75,2 0,63 67 1,8
ДКР-42-8 3 750 77,1 0,63 79 1,6
Двигатели ДКР имеют те же установочные размеры,
что и соответствуощие им двигатели серии А02, и вы-
пускаются в исполнениях М101, М201, М301, М104—
М106. Двигатели этого типа рассчитаны па сочленение
с последующими звеньями кинематической цепи посред-
ством эластичных муфт.
Отметим, что в силу специфики своей конструкции
двигателям ДКР присущи определенные недостатки.
К их числу относятся повышенные потери мощности,
увеличение момента инерции ротора, усложнение тех-
нологии изготовления статора и ротора, необходимость
более тщательного и квалифицированного монтажа при
их установке. Все это ограничивает область применения
двигателей ДКР, которая в основном распространяется
на грузоподъемные механизмы и деревообрабатывающие
станки.
Другим типом самотормозящегося двигателя, нашед-
шего практическое применение, является двигатель
с электромагнитной вставкой. Одна из возможных схем
конструкции такого двигателя показана на рис. 50.
Статор 1 двигателя имеет обычную для асинхронного
двигателя конструкцию. Ротор двигателя состоит из
двух частей — основной части 2 и тормозной части 3.
97
Тормозная часть ротора отличается от основной фор
мой пазов и после заливки алюминием растачивается
с торца на конус под некоторым углом. На валу двига-
теля располагается основная деталь 4 тормозного
устройства двигателя — электромагнитная вставка, ко-
торая имеет обращенную к тормозной части ротора ко-
ническую поверхность. На вставке находятся тормозные
колодки (тормозная лента) 5. Вставка имеет возмож-
ность перемещаться вдоль ротора на небольшой ход, огра-
ниченный механическими
упорами. Между вставкой 4
и ротором находится пру-
жина 6, которая при нера-
ботающем двигателе пере-
мещает вставку в крайнюю
правую позицию. В этом по-
ложении тормозные колодки
5 прижимаются к внутрен-
ней поверхности подшипни-
кового щита 7, за счет чего
и создается тормозной мо-
мент. При включении дви-
гателя и появлении магнит-
7 2 3 5 4
Рис. 50. Самотормозящийся
двигатель с электромагнитной
вставкой.
ного поля на электромагнитную вставку за счет конус-
ности начинает действовать сила магнитного притяже-
ния, как и на любое ферромагнитное тело, помещенное
в магнитное поле. Вставка 4 под действием этой силы
притянется к ротору, преодолевая усилие пружины 6,
Таблица 18
Тип двигателя Ротор р ном’ кВт ^НОМ' А яном’ об/мин кпд, % COS С
А ММ Серийный Со вставкой 0,2 0,2 0,52 0,56 2850 2830 76 74,5 0,72 0,7
АО2-11-6 Серийный Со вставкой 0,4 0,4 1,32 1,36 890 900 67 65,8 0,66 0,65
А 02-41-8 Серийный Со вставкой 2,2 2,2 6 6,5 715 715 79 78 0,68 0,67
АО2-41-2 Серийный Со вставкой 5,5 5,5 11,1 11,3 2900 2895 86,6 85,6 0,88 0,86
98
тормозные колодки 6 отойдут от щита 7, двигатель рас-
тормозится и придет во вращение.
Двигатели с электромагнитной вставкой изготавли-
ваются в нашей стране на базе единой серии АО2 и
двигателей типов АММ и ДГТ мощностью от 0,2 до
5,5 кВт и частотой вращения от 600 до 3000 об/мин.
В табл. 18 приведены для сравнения параметры некото-
рых серийных двигателей и изготовленных на их основе
самотормозящихся двигателей со вставкой.
Как видно из таблицы, энергетические показатели
самотормозящихся двигателей со вставкой — КПД и
cos q> — оказываются ниже, чем для серийных двигате-
лей, взятых в качестве основы для их изготовления.
Дополнительное усложнение технологии изготовле-
ния, повышенная механическая инерция ротора и шум
при работе ограничивают практические возможности их
применения. В настоящее время они нашли' распростра-
нение главным образом в электрогидравлических толка-
телях.
Заключение
В электроприводе рабочих машин помимо описанных
выше двигателей специального назначения находят при-
менение и некоторые другие виды. Рассмотрим коротко
их основные свойства и характеристики.
Высокомоментные двигатели постоян-
ного тока способны развивать на валу значительные
моменты как при вращении якоря, так и при его непо-
движном состоянии, причем момент при неподвижном
якоре может даже превышать момент при вращении
двигателя. Тем самым использование таких двигателей
позволяет зачастую исключить механическую передачу
от двигателя к исполнительному органу и обеспечить
регулирование скорости его движения в самых широких
пределах. Кроме того, высокомоментные двигатели до-
пускают значительную (до 10 крат) кратковременную
перегрузку по моменту, что позволяет обеспечить высо-
кое быстродействие исполнительного органа рабочей
машины. Обычно возбуждение высокомоментных двига-
телей осуществляется от высокоэнергетических посто-
янных магнитов, а их охлаждение бывает естественным
или независимым. В основном двигатели этого типа
99
предназначены для привода металлорежущих станков,
в том числе с числовым программным управлением.
Отечественная электротехническая промышленность вы-
пускает высокомоментные двигатели серии ПВ с вра-
щающими моментами от 7 до 175 Н-м.
Гистерезисный двигатель является син-
хронным двигателем, ротор которого представляет собой
массивный цилиндр без обмотки, выполненный из магни-
тотвердого материала. Вращающий момент такого двига-
теля складывается из двух составляющих — момента, со-
здаваемого взаимодействием вращающегося магнитного
поля двигателя с вихревыми токами ротора, и момента,
создаваемого за счет явления гистерезиса при перемаг-
ничивании материала ротора (гистерезисный момент).
Достоинствами гистерезисного двигателя является
простота конструкции, надежность в работе, отсутствие
приспособлений для пуска. Двигатели этого типа вы-
пускаются на мощности до 200 Вт и имеют довольно
высокий КПД — до 80%. Они применяются в приводах
приборного типа, радиолах, электропроигрывателях,
гироскопических устройствах. В последнем случае, когда
требуются высокие (до 30 000 об/мин) частоты враще-
ния, гистерезисные двигатели обычно выполняются по
обращенной конструкции, при которой ротор охватывает
неподвижный статор.
Однокоординатный линейный шаговый
двигатель обычно имеет цилиндрический якорь и ин-
дуктор и по виду основных деталей мало отличается от
вращающихся шаговых двигателей (ШД) индукторного
типа. Двигатели этого типа серии ДШЛ имеют единич-
ный шаг 1,25-10'-3 м, частоту приемистости до 350 Гц и
обеспечивают максимальное усилие до 300 Н при ходе
до 40-10~3 м.
Подобные двигатели предназначены для привода на-
сосов, вытеснителей, дозаторов поступательного дейст-
вия и особенно выгодны в устройствах, где требуется
гибкое регулирование хода и скорости перемещения
поршня. Дополнительное преимущество они приобретают
в устройствах, где перемещение рабочего органа проис-
ходит в необычных условиях (жидкая среда, газ под вы-
соким или низким давлением, агрессивная среда и др.)
и где выгодно двигатель помещать непосредственно
в эти условия, избегая необходимости герметизировать
место установки привода.
100
На базе цилиндрических Линейных ШД созданы
д в у х к о о р д и п а т н ы е линейно-поворотные
двигатели, суммирующие на общем валу два неза-
висимых движения — поворотное и поступательное. Ли-
нейно-поворотное ШД типа ДШЛ-8 и ДШЛ-9 обеспечи-
вают шаг поворота в 1 град и шаг поступательного пере-
мещения от 0,011 до 1,25 -Ю-3 м, перемещения до
50-10-3 м, моменты до 0,16 Н-м и усилия до 36 Н. Дви-
гатели такого рода предназначены для манипуляторов
и роботов, привода инструмента в станках, например
в станках для автоматической притирки клапанов авто-
мобильных двигателей.
Наиболее распространенными м н о г о к о о р д и и а т-
пыми ШД являются двухкоординатные ШД, осуще-
ствляющие перемещения в плоскости по координатам X
и У, а также сочетания этих ШД с ранее описанными
линейно поворотными двигателями (Z, ф-ШД). Характе-
ристики одного из таких четырехкоординатных (X, У, Z,
ф-ШД) следующие: ход по координатам X и У — 0,6 м,
Z — 0,015 м; шаг соответственно 10 и 5 мкм, максималь-
ное усилие до 80 Н. Двигатели такого рода, отличаясь
высокой точностью и скоростью позиционирования, ис-
пользуются в приводах манипуляторов и в автоматиче-
ских системах технологических линий. Многокоординат-
ные опоры их выполняются, как правило, аэростатиче-
скими.
В стадии разработки находятся сферические
ШД, обеспечивающие движение исполнительного органа
в сферической системе координат.
Новые возможности в области электропривода малой
мощности открываются с появлением так называемых
пьезоэлектрических двигателей, в которых
преобразование электрической энергии в механическую
осуществляется за счет пьезоэлектрического или пьезо-
магнитного эффекта, наблюдаемого в сегнетоэлектриче-
ских или ферромагнитных материалах. Достоинства та-
ких двигателей заключаются в отсутствии обмоток и
простоте технологии изготовления, высоком КПД, ши-
роком диапазоне регулирования скорости и момента.
В настоящее время планируется серийный выпуск пьезо-
прпвода для электропроигрывающего устройства и веду-
щего узла видеомагнитофона.
101
Слисок литературы
I. Армейский Е. В., Фалк Г. Б. Электрические микромашилы.—
М.: Высшая школа, 1975. — 240 с.
2. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями/
Б. А. Ивоботенко, В. П. Рубцов, Л. А. Садовский и др. — М.: Энер-
гия, 1971, —624 с.
3. Лодочников Э. А., Юферов Ф. М. Микроэлектродвигатели
для систем автоматики. Технический справочник — М.: Энергия,
1969,—272 с.
4. Дубенский А. А. Бесконтактные двигатели постоянного то-
ка.—'М.: Энергия, 1967. — 144 с.
5. Вертинов А. И., Варлей В. В. Электрические машины с катя-
щимся ротором. — М.: Энергия, 1969.— 200 с.
6. Гусельников Э. М.. Цукерман Б. С. Самотормозящиеся элек-
тродвигатели.— М.: Энергия, 1971.—96 с.
7. Каган В. Г. Электроприводы с предельным быстродействием
для систем воспроизведения движений.—М.: Энергия, 1975.—
240 с.
8. Тиристорный следящий электропривод/ А. М. Лебедев,
В. А. Пайдис, Р. Т. Орлова и др.—М.: Энергия, 1972.— 128 с.
9. Соколов М. М., Сорокин Л. К. Электропривод с линейными
асинхронными двигателями. — М.: Энергия, 1974. — Г36 с.
10. Электрические двигатели с гладким якорем для систем авто-
матики/ 1О. К Васильев, Г. В. Лазарев, И. С. Рубан и др.; Под
ред. Ю. К. Васильева.—М.: Энергия, 1979.— 176 с.
11. Михалев А. С., Миловзоров В. П. Следящие системы с бес-
контактными двигателями постоянного тока. — М.: Энергия, 1979.—
160 с.
12. Свечарник Д. В. Линейный электропривод. — М.: Энергия,
1979. — 152 с.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие.............................................. 3
1. Общие принципы работы электродвигателей .... 7
2. Электродвигатели с малоинерциоиным ротором . 20
3. Электродвигатели с гладким якорем ... . 33
4. Бесконтактные электродвигатели постоянного тока . . 38
5. Шаговые электродвигатели........................ . 46
6. Редукторные электродвигатели........................ 60
7. ‘Электродвигатели с катящимся ротором .... 65
8. Волновые электродвигатели............................ 74
9. Линейные электродвигатели .... 7 )
10. Самотормозящиеся электродвигатели....................91
Заключение...............................................99
ВЛАДИМИР ВАЛЕНТИНОВИЧ МОСКАЛЕНКО
Электродвигатели специального назначения
Редактор Ю. А Другое
Редактор издательства И А. Сморчкова
Обложка художника Т. И Хромовой
Технический редактор Л. В. Изгаршева
Корректор Н. А. Смирнова
ИБ № 1612 («Энергия»)
Сдано в набор 25.03.81 Подписано в печать 15.03.81 Т-22009 Формат 84X108,/ss
Бумага типографская № 2 Гари, шрифта литературная Печать высокая
Усл. печ. л. 5,46 Уч.-изд. л. 5,52 Тираж 35 000 »кз. Заказ 1103 Цена 30 коп.
Энергоиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10
Московская типография № 10 Союзполиграфпрома при Государствен-
ном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной
торговли. 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10
30 коп
им на
ttifPir fit^ет.пи»ос1м1