Бесконтактные двигатели постоянного тока реферат

Обновлено: 05.07.2024

Асинхронный двигатель — это двигатель переменного тока, который вращается за счет взаимодействия переменного магнитного поля статора и ротора. Название свое он получил из-за того, что никогда не достигает синхронной скорости (3000об/мин — для 2-х полюсного, 1500об/мин — для 4-х полюсного 50герцовой сети)вращающегося магнитного поля, а как бы догоняет его. Асинхронные двигатели могут быть двух типов — с короткозамкнутым ротором (самый распространенный тип двигателей), в котором переменное магнитное поле индуцируется за счет взаимной индукции, и с фазным ротором (используется в основном на кранах), где ток на обмотки подается через специальные кольца.Асинхронный двигатель незаменим, там, где необходимо просто вращение исполнительного механизма.

Синхронный двигатель — это двигатель переменного тока, который вращается за счет взаимодействия переменного магнитного поля статора и постоянного ротора (двигатель постоянного тока наоборот).

На самом деле это не совсем так, но объяснять очень долго. Синхронный двигатель всегда работает на синхронной скорости. Обычно синхронные двигатели имеют большую мощность (свыше 630кВт), иначе его эксплуатация не выгодна (необходимо специальное выпрямительное устройство или генератор постоянного тока на валу).

Есть правда синхронные двигатели на малую мощность до 1кВт(синхронные реактивные двигатели).

К преимуществам асинхронных двигателей можно отнести все, кроме малого пускового момента и нелинейности характеристики момент на валу — скорость, малый коэффициент мощности на мощностях ниже номинальной. Преимущество синхронного двигателя — опережающий коэффициент мощности, регулируемый с помощью возбуждения (обмотка ротора).

Все остальное — недостатки. Очень трудный пуск (обычно используют асинхронный пуск), а уже потом входят в синхронизм. Очень чувствителен к нагрузкам — если вышел из синхронизма — гасят поле ротора и останавливают. Дорог по стоимости и в эксплуатации.

Электродвигатель постоянного тока(ДПТ) — электрическая машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

Электрические машины постоянного тока предназначены для преобразования электрической энергии как в механическую, так и обратно. Поэтому в первом случае они называются двигателем, а во втором — генератором. Устройство генераторов и двигателей одинаково. Неподвижная часть машины, называемая статором, состоит из массивного стального корпуса, к которому крепятся главные и дополнительные полюсы. Главные полюсы собираются из стальных листов, что обеспечивает уменьшение потерь мощности от вихревых токов, а дополнительные изготавливаются массивными. На главных полюсах размещаются катушки обмоток возбуждения. На дополнительных полюсах — обмотки

Тахогенераторы и область их применения. Тахогенераторы постоянного .

. асинхронного тахогенератора Конструкция асинхронного тахогенератора ничем не отличается от асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором. Как и в ИД, одна из обмоток статора подключается к сети переменного тока и .

В режиме генератора электромагнитный момент Мэм противодействует вращению. Он уравновешивается моментом приводного двигателя Мдв (турбина, дизель и т.п.).

В режиме двигателя момент действует по направлению вращения. При равномерном вращении ему противодействует момент сопротивления Мс приводимого в движение механизма (станок, вентилятор, насос и т.п.).

Плюсы по сравнению с асинхронным и синхронным, например у него нет коллектора, который быстро изнашивается

Шаговый двигатель — это исполнительный привод многих современных аппаратов: станков, приворов, автоматов. Шаговый двигатель в паре со специальным блоком управления призван преобразовывать входной электрический сигнал в механическое перемещение ротора — определенный угол, называемый также основным угловым шагом двигателя. По принципу действия шаговый двигатель относится к двигателям синхронного типа: в нем существует связь между сигналом питания и положением ротора двигателя. В настоящий момент распространены и повсеместно применяются гибридные шаговые двигатели, которые обладают достоинствами двигателей с постоянными магнитами и синхронных реактивных двигателей с переменным магнитным сопротивлением. Гибридные шаговые двигатели имеют вращающий момент, пропорциональный току, и характеризуются большим числом шагов на оборот. Управление шаговым двигателем Шаговые двигатели работают в паре со специальными блоками управления, которые являются источником тока для двигателя, осуществляют при необходимости дробление основного углового шага и выполняют коммутацию фаз двигателя.

Преимущества и недостатки шаговых двигателей Шаговые двигатели имеют существенные преимущества: во-первых, это отсутствие обратной связи, которая обычно используется для управления положением или частотой вращения(это недостаток); во-вторых, не происходит накопление ошибки положения ротора двигателя; в-третьих, шаговые приводы совместимы с современными цифровыми устройствами. Отсутствие обратной связи можно отнести как к достоинствам, т.к. система значительно упрощается, так и к недостаткам — т.к. возможна потеря положения. К недостаткам шаговых двигателей относят и явление резонанса. Однако, этот недостаток в значительной степени устраняется дроблением основного шага двигателя.

С целью улучшения свойств всех предыдущих двигателей были созданы двигатели с бесконтактным коммутатором, называемые бесконтактными двигателями постоянного тока (БДПТ) или вентильные двигатели. Отличие БДПТ от коллекторных двигателей традиционной конструкции состоит в том, что у них щеточно-коллекторный узел заменен полупроводниковым коммутатором (инвертором), управляемым сигналами, поступающими с бесконтактного датчика положения ротора. Рабочая обмотка двигателя — обмотка якоря — расположена на сердечнике статора, а постоянный магнит — на роторе.

Рис 1. Бесконтакный двигатель постоянного тока:

а) — блок-схема, б) — магнитная система блок-схему нарисовать красиво самому и магнитную тоже

Датчики управления двигателем автомобиля

. активные датчики скорости и положения систем контроля двигателя Honeywell; г -- датчик положения дроссельной заслонки SS10459 Delphi; д -- датчик положения дроссельной заслонки на основе эффекта Холла BEI; е -- потенциометрический датчик положения педали .

Вал двигателя Д механически соединен с датчиком положения ротора (ДПР), сигнал от которого поступает в блок коммутатора (БК).

Подключение секций обмотки якоря к источнику постоянного тока происходит через элементы блока коммутатора (БК).

Назначение ДПР—выдавать управляющий сигнал в блок коммутатора в соответствии с положением полюсов постоянного магнита относительно секций обмотки якоря.

В качестве датчиков положения ротора применяют различные чувствительные бесконтактные элементы с минимальными размерами и потребляемой мощностью и большой кратностью минимального и максимального сигналов, чтобы не вызывать нарушений в работе блока коммутатора.

Чувствительные элементы ДПР должны надежно работать при внешних воздействиях (температура, влажность, вибрации и т. п.), на которые рассчитан двигатель. Такие свойства присущи ряду чувствительных элементов (датчиков): индуктивных, трансформаторных, магнитодиодов и т. п.

Рис 2. Датчик ЭДС Холла

Наиболее целесообразно использовать датчики ЭДС Холла (р, представляющие собой тонкую полупроводниковую пластину с нанесенными на ней контактными площадками, к которым припаяны выводы 1—2, подключенные к источнику напряжения U1, и выводы 3—4, с которых снимают выходной сигнал U2. Если в цепи 1—2 проходит токI, а датчик находится в магнитном поле, вектор индукции В которого перпендикулярен плоскости пластины датчика, то в датчике наводится ЭДС и на выводах 3—4 появляется напряжение U2. Значение ЭДС зависит от тока I и магнитной индукции В, а полярность — от направления тока I в цепи 1—2 и направления вектора магнитной индукции В.

Рассмотрим работу бесконтактного двигателя постоянного тока, для управления которым применяют датчики Холла и коммутатор, выполненный на транзисторах VT1—VT4. Четыре обмотки (фазы) двигателя w1—w4 расположены на явно выраженных полюсах шихтованного сердечника якоря.

Датчики Холла ДХ1 иДХ2 установлены в пазах полюсных наконечников двух смежных полюсов. Силовые транзисторы VT1— VT4 работают в релейном (ключевом) режиме . Сигнал на открытие транзистора поступает от соответствующего датчика Холла (датчика положения ротора).

Питание датчиков Холла (выводы 1—2) осуществляется от источника напряжением U1.

Каждая обмотка (фаза) выполнена из двух катушек, расположенных на противолежащих полюсах сердечника статора и соединенных последовательно (рис. 1.50).

Если по какой-либо из обмоток (фаз) статора проходит ток от начала H1—Н4 к концу К1—К4, то полюсы сердечника статора приобретают полярность соответственно S и N.

При положении ротора, показанном на рис.1.49, в зоне магнитного полюса N находится датчик ДХ1. При этом на выходе датчика появляется сигнал, при котором транзистор VT2 переходит в открытое состояние. В обмотке (фаза) статора w2 появляется ток i2, протекающий от Н2 к К2. При этом полюсы статора 2 и 4 приобретают полярность S и N. В результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора (постоянного магнита) появляется электромагнитный момент М, вращающий ротор. После поворота ротора относительно оси полюсов статора 1—3 на некоторый угол а против часовой стрелки датчик ДХ2 окажется в зоне магнитного полюса ротора S, при этом по сигналу с датчика ДХ2 включается транзистор VT3. В фазной катушке w3 возникает ток i3 и полюсы 3 и 1 приобретают полярность S и N. При этом магнитный поток статора Ф создается совместным действием МДС обмоток фаз w2 и w3. Вектор этого потока повернут относительно оси 2—4 на угол 45°. Ротор, продолжая вращение, занимает положение по оси полюсов статора 2—4. При этом датчик ДХ1 попадает в межполюсное пространство ротора, а датчик ДХ2 останется в зоне полюса S ротора. В результате транзистор VT2 закрывается, транзистор VT3 останется открытым и магнитный поток Ф, создаваемый МДС обмотки фазы w3, поворачивается относительно оси полюсов 2—4 еще на 45°. После того как ось вращающегося ротора пересечет ось полюсов статора 2—4, датчики ДХ1 и ДХ2 окажутся в зоне полюса ротора S, что приведет к включению транзисторов VT3 и VT4.

Синхронный двигатель

. число оборотов. В настоящее время применяется асинхронный пуск синхронного двигателя. В пазах полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка. Вращающее магнитное поле статора индуктирует в короткозамкнутой пусковой обмотке вихревые токи. .

Рис 1.49. Принципиальная схема БДПТ

Рис 1.50 Расположение обмоток фаз на полюсах статора БДПТ

Дальнейшую работу элементов схемы БДПТ (рис. 1.51) до завершения вектором потока Ф одного оборота проследим по табл. 1 и рис. 1.51, а—з.

Рис. 3. Магнитное поле статора в четырехполюсном БДПТ.

На рис.4 показано устройство рассмотренного БДПТ. Датчики Холла 3 размещены в специальных пазах полюсных наконечников 1 сердечника статора.

Рис 4. Устройство БДПТ

Постоянный магнит 2 не имеет центрального отверстия для посадки на вал, он закладывается в тонкостенную гильзу и закрывается привариваемыми фланцами двух полуосей. Такая конструкция ротора позволяет избежать выполнения центрального отверстия в постоянном магните, что часто является причиной брака (трещины, сколы и т. п.).

Блок коммутатора (БК) расположен на панелях 5, отделен от двигателя перегородкой 4 и закрыт металлическим колпаком 6, через который выведены провода 7 для подключения двигателя в сети постоянного тока. Подобная конструкция применена в БДПТ полезной мощностью от 1 до 120 Вт.

Изменение направления вращения (реверс) двигателя осуществляется изменением полярности напряжения U1 в токовой цепи датчиков Холла. Изменение полярности напряжения U на входе двигателя недопустимо, так как при этом прекращается работа блока коммутатора.

Коэффициент полезного действия БДПТ по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока выше, что объясняется отсутствием щеточно-коллекторного узла, а значит, электрических потерь в щеточном контакте и механических потерь в коллекторе.

К достоинствам БДПТ относятся также высокая надежность и долговечность, что объясняется отсутствием у них щеточно-коллекторного узла, т. е. их бесконтактностью. Двигатели могут работать в условиях широкого диапазона температур окружающей среды, в вакууме, в средах с большой влажностью и т. п., где применение коллекторных двигателей недопустимо из-за неработоспособности щеточно-коллекторного узла, не теряет КПД, имеет устойчивые люфты, инерция меньше чем в других двигателях постоянного тока, не нужен зубчатый редуктор.

Недостаток БДПТ — повышенная стоимость, обусловленная наличием полупроводникового блока коммутатора, чувствительных элементов (датчиков ЭДС Холла) и постоянного магнита на редкоземельных элементах.

Рассмотрев эти двигатели мы можем сделать вывод о том, что БДПТ имеет огромное преимущество над остальными, так как он долговечен и надежен, устойчив к перепадам температур и большой влажности, не теряет КПД, имеет наименьшую инерцию, не нуждается в зубчатом редукторе, что заметно сокращает его габариты. Именно поэтому его использование самый лучший вариант в управлении роботом, который участвует в робофесте

Техническая эксплуатация и ремонт двигателей постоянного тока (2)

. применения 1.1 Общие сведения Двигатель постоянного тока — электрическая машина, машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию. Двигатели постоянного тока находят широкое применение в . якорем и сердечником главного полюса (что характерно для многих машин постоянного тока) распределяется симметрично относительно продольной оси машин. При работе .

Примеры похожих учебных работ

Асинхронные двигатели

. вращается, оставаясь неизменной по величине. Таким образом, трёхфазная обмотка статора создаёт в машине круговое . p = π n0 / 30, [рад/сек]. Режимы работы трёхфазной асинхронной машины Асинхронная машина может работать в режимах двигателя, генератора .

Шаговый двигатель

. рийных устройствах ЭВМ и подобных системах. Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора , на котором расположены . максимального синхронизирующего момента Mmax дает характеристику шагового двигателя как преобразователю энергии, число пар .

Синхронный двигатель

. с места и развить необходимое число оборотов. В настоящее время применяется асинхронный пуск синхронного двигателя. В пазах полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка. Вращающее магнитное поле статора .

Техническая эксплуатация и ремонт двигателей постоянного тока (2)

. действия и область применения 1.1 Общие сведения Двигатель постоянного тока — электрическая машина, машина постоянного . разных по мощности двигателях применяется различная обмотка возбуждения: 1) Простая волновая обмотка применяется для машин малой и .

Техническое обслуживание синхронных двигателей

. сердечников, валов и вентиляторов электрических машин. Сердечники. Вентиляторы. реферат [104,0 K], добавлен 10.11.2008 Выбор мощности высоковольтных синхронных двигателей компрессоров по заданной производительности. Методика расчета электрических .

Характерные особенности работы и конструкции бесконтактных двигателей постоянного тока типа БК-1, ДБ, которые предназначены для применения в составе научной и служебной аппаратуры космических аппаратов, других технических средств с высокой надежностью.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	28.02.2011
Размер файла	148,0 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

2. Основная часть

2.1 Характерные особенности бесконтактных двигателей

2.2 Конструкция бесконтактного двигателя

2.3 Схема электромагнитной системы линейного бесконтактного двигателя

4. Список использованной литературы

1. Введение

В начале 60-х г. были разработаны первые бесконтактные электродвигатели постоянного тока типа БП-203, БП-251 и БПС-202. В первом космическом скафандре в кислородном нагнетателе был установлен бесконтактный электродвигатель БПК-401.

Для обеспечения большого гарантийного ресурса двигателей в составе КА с длительным сроком активного существования НПП ВНИИЭМ ведет разработку бесконтактных электродвигателей постоянного тока с гидростатическими опорами ротора для насосных агрегатов. НПП ВНИИЭМ также ведет постоянную работу по совершенствованию разработанных изделий, дальнейшему повышению их надежности и долговечности, а также по созданию новых изделий, в наибольшей степени отвечающих требованиям потребителя.

Техническое решение для бесконтактного гидроподвеса вращающегося ротора обеспечивает возможность реализации электрической машины насосного исполнения с практически неограниченным ресурсом, определяемым лишь сроком сохраняемости электротехнических материалов и комплектующих элементов, способных обеспечить гарантийный ресурс двигателя в составе элек-тронасосного агрегата более 100 тыс. часов.

2. Основная часть

2.1 Характерные особенности бесконтактных двигателей

Коллекторные двигатели постоянного тока обладают хорошими регулировочными свойствами и экономичны, но наличие скользящего контакта коллектор - щетки ограничивает область их применения.

В настоящее время в связи с развитием силовой полупроводниковой электроники появились и начали получать все более широкое распространение бесконтактные двигатели постоянного тока. При замене механического коммутатора - коллектора с щетками полупроводниковым коммутатором двигатель постоянного тока становится более надежным и долговечным, создает меньше радиопомех, особенно при высоких частотах вращения, когда очень быстро изнашиваются щетки и значительно увеличиваются искрение и радиопомехи.

В отличие от обычного коллекторного двигателя бесконтактный двигатель постоянного тока обладает рядом характерных особенностей.

1. Силовая обмотка якоря расположена на статоре и состоит из нескольких катушек, сдвинутых относительно друг друга в пространстве. Ротор выполняют в виде постоянного магнита.

2. Положение оси магнитного потока ротора по отношению к осям катушек силовой обмотки статора определяется бесконтактными датчиками (трансформаторными, индукционными, магнитоэлектрическими, фотоэлектрическими).

3. Бесконтактный полупроводниковый коммутатор осуществляет коммутацию катушек силовой обмотки статора по сигналам датчиков положения. При мощности двигателей до 0,5 - 1 кВт в качестве коммутирующих элементов обычно используются транзисторы, при большей мощности - тиристоры.

Эти факторы позволяют при устранении скользящего контакта коллектор-щетки сохранить основную особенность машины постоянного тока, заключающуюся в том, что частота переключения катушек обмотки якоря определяется частотой вращения ротора. Благодаря этому бесконтактный двигатель постоянного тока в основном сохраняет характеристики коллекторного двигателя с независимым возбуждением.

2.2 Конструкция бесконтактного двигателя

Рассмотрим простейшую конструкцию бесконтактного двигателя (рис.1).

В корпусе 1 расположены электромагнитные системы двигателя и датчика положения. Магнитопровод статора двигателя 2 выполнен из электротехнической стали. В его пазах расположена обмотка 3, состоящая из двух обмоток, сдвинутых в пространстве на 90°. Каждая обмотка представляет собой сосредоточенную многовитковую катушку. Ротор 4 с одной парой полюсов изготовлен из постоянного магнита. При подаче постоянного напряжения на обмотку статора по ней проходит ток, который по взаимодействии с магнитным потоком ротора создает вращающий момент.

Роль датчика положения ротора относительно обмотки статора выполняют два магнитоуправляемых диода Д1 и Д2, расположенных на дополнительном кольцевом магнитопроводе 5, и вращающийся ферромагнитный диск 6. Диск имеет немагнитную вставку 7, занимающую половину его толщины на половине окружности. Магнитный поток датчика Фд создается постоянным магнитом 8 с радиальной намагниченностью. Каждый из магнитоуправляемых диодов одну половину оборота вала находится в зоне действия магнитного потока Фд и открыт, а вторую - вне зоны действия магнитного потока Фд и закрыт.

Работа датчиков и полупроводникового коммутатора К (рис.2) согласована при расположении датчиков Д1 и Д2 по осям обмоток статора 1 и 2 и линии симметрии диска СС перпендикулярно оси полюсов ротора. В положении, изображенном на рис.2, a, сигнал, управляющий коммутатором, снимается с датчика Д1, и коммутатор подает на обмотку 1 напряжение указанной на рисунке полярности.

Когда сигнал отсутствует, коммутатор К подает на обмотку 1 напряжение противоположной полярности (рис. 2, б). Аналогично со сдвигом на 90° подключается к коммутатору обмотка 2 по сигналам датчика Д2. При этом изменение коммутатором полярности напряжения на обмотках статора осуществляется в момент перехода оси потока ротора через ось данной обмотки статора. Тем самым обеспечивается изменение направления тока в обмотке статора при подходе оси полюса ротора противоположного знака. Следовательно, сохраняется одно направление вращающего момента эм, создаваемого силами Fэм, в пределах полного оборота ротора, т.е. выполняется роль коллектора электрической машины постоянного тока.

На рис.3 показана схема подключения обмоток двигателя к транзисторам TI и Т8 коммутатора и таблица, определяющая порядок переключения транзисторов по сигналам датчиков Д1 и Д2.

Известно, что электромагнитный момент, действующий на виток с током, помещенный в магнитное поле, пропорционален току витка и магнитному потоку и зависит от угла между осями витка и поля. Зависимость электромагнитного момента от угла поворота ротора для двухобмоточного двигателя, включенного по схеме рис. 3, показана на рис. 4.

На этом рисунке M1 и M2 - моменты взаимодействия раздельно с 1 и 2 обмотками, M1,2 - результирующий момент.

Как видно из графиков M1 и M2, при включении напряжения только на одну обмотку статора ротор двигателя не приходит во вращение, если начальное положение ротора соответствует углу И, при котором вращающий момент эм меньше момента сопротивления на валу. Кроме того, существенная пульсация вращающего момента в пределах оборота ротора приводит, соответственно, к нестабильности мгновенной угловой скорости ротора.

При наличии двух (и более) обмоток на статоре уменьшение момента взаимодействия ротора с одной из обмоток компенсируется увеличением момента взаимодействия с другой. Соответственно, обеспечивается достаточно большой пусковой момент при любом угловом положении ротора, снижение пульсации вращающего момента в пределах оборота и нестабильности мгновенной угловой скорости ротора.

Характеристики бесконтактных микродвигателей тем ближе к характеристикам классического двигателя постоянного тока, чем больше число обмоток на статоре. Однако пропорционально числу обмоток увеличивается необходимое число чувствительных элементов датчиков положения и число транзисторов в коммутаторе. Поэтому практически число обмоток нецелесообразно более трех-четырех.

2.3 Схема электромагнитной системы линейного бесконтактного двигателя

Для повышения стабильности момента и угловой скорости в пределах оборота применяют специальные схемы модуляции тока в обмотках статора.

В настоящее время крупными сериями выпускаются только бесконтактные микродвигатели. Однако наблюдается тенденция роста выпуска бесконтактных двигателей малой мощности, которые могут составить конкуренцию высокомоментным двигателям, используемым в промышленных роботах, приводах подач обрабатывающих центров и т.д. Объясняется это, в частности, тем что сами бесконтактные двигатели имеют меньшие габариты и массу, чем коллекторные, так как у них лучше условия охлаждения - источники тепла только на статоре, и отсутствует такой источник нагрева, как узел трения коллектор-щетки. Правда, бесконтактный двигатель не может работать без полупроводникового коммутатора.

В ряде случаев двигатели постоянного тока целесообразно делать линейными.

На рис.5, а показана схема электромагнитной системы линейного бесконтактного двигателя. Корпус индуктора 1 выполнен из ферромагнитного материала и служит внешним магнитопроводом. В корпусе расположены постоянные магниты 2, создающие поток возбуждения Фв, индуктор является подвижной частью линейного двигателя. Якорь 3 представляет собой диэлектрическую пластину, на поверхности которой методом фотолитографии выполнена печатная схема проводников 4. Якорь является неподвижной частью двигателя. Длина якоря lя больше длины индуктора lи на длину хода индуктора. Проводники якоря объединены в катушки, оси которых сдвинуты по длине якоря. Выводы катушек подсоединены к полупроводниковому коммутатору. На рис. 5, б показана схема кинематического звена поступательного перемещения с линейным двигателем. Якорь 3 прикреплен к неподвижной направляющей 5, а индуктор 1 - к подвижной каретке 6. На направляющей по осям катушек якоря расположены сигнальные элементы, вызывающие срабатывание датчиков положения индуктора относительно якоря, расположенных на каретке.

Работа линейного бесконтактного двигателя мало отличается от работы рассмотренного ранее вращающегося бесконтактного двигателя. Различие состоит в том, что силы электромагнитного взаимодействия тока якоря с полем возбуждения индуктора создают тяговое электромагнитное усилие Fтяг в плоскости якоря, которое приводит к поступательному перемещению индуктора.

3. Заключение

Бесконтактные электродвигатели постоянного тока типа БК-1, БК-2, ДБ предназначены для применения в составе научной и служебной аппаратуры космических аппаратов, других технических средств с высокой надежностью и длительным сроком службы без регламентного обслуживания. Основными узлами двигателей являются ротор с постоянными магнитами, статор с обмотками и датчиками положения ротора на эффекте Холла, полупроводниковый коммутатор (встроенный для двигателей БК-1 и БК-2, либо выполненный в виде отдельного конструктива для двигателей типа ДБ). Ротор двигателей БК-2 и ДБ отделен от статора герметичной гильзой, что обеспечивает надежную изоляцию внутренней полости двигателей с вращающимся ротором от окружающей среды, дает возможность простыми средствами встроить электродвигатель, например в насос гидросистемы, не заботясь об установке на вал двигателя каких-либо уплотнителей.

Бесконтактные электродвигатели типа БК-1, БК-2, ДБ различных модификаций успешно применяются в приводах вентиляторов и насосов систем жизнеобеспечения и терморегулирования космических аппаратов, пилотируемых кораблей, скафандров космонавтов. Они используются для перекачки горячей щелочи в насосах электрохимических источников тока, обеспечивают функционирование компрессоров микрокриогенных установок, ряда приборов и систем, в том числе автоматизированных технологических комплексов.

4. Список использованной литературы

2. Стома С.А., Ремизов В.Е., Кузьмин В.Н., Медушев С.В., Михайлов Е.М., Тихомиров В.К. Изделия точной электромеханики для космических аппаратов (опыт создания и эксплуатации). М.: МЭИ. 1999.

2. Основная часть

2.1 Характерные особенности бесконтактных двигателей

Коллекторные двигатели постоянного тока обладают хорошими регулировочными свойствами и экономичны, но наличие скользящего контакта коллектор – щетки ограничивает область их применения.

В настоящее время в связи с развитием силовой полупроводниковой электроники появились и начали получать все более широкое распространение бесконтактные двигатели постоянного тока. При замене механического коммутатора – коллектора с щетками полупроводниковым коммутатором двигатель постоянного тока становится более надежным и долговечным, создает меньше радиопомех, особенно при высоких частотах вращения, когда очень быстро изнашиваются щетки и значительно увеличиваются искрение и радиопомехи.

3. Бесконтактный полупроводниковый коммутатор осуществляет коммутацию катушек силовой обмотки статора по сигналам датчиков положения. При мощности двигателей до 0,5 – 1 кВт в качестве коммутирующих элементов обычно используются транзисторы, при большей мощности – тиристоры.

Эти факторы позволяют при устранении скользящего контакта коллектор–щетки сохранить основную особенность машины постоянного тока, заключающуюся в том, что частота переключения катушек обмотки якоря определяется частотой вращения ротора. Благодаря этому бесконтактный двигатель постоянного тока в основном сохраняет характеристики коллекторного двигателя с независимым возбуждением.

2.2 Конструкция бесконтактного двигателя

Рассмотрим простейшую конструкцию бесконтактного двигателя (рис.1).

На этом рисунке M1 и M2 – моменты взаимодействия раздельно с 1 и 2 обмотками, M1,2 - результирующий момент.

Как видно из графиков M1 и M2, при включении напряжения только на одну обмотку статора ротор двигателя не приходит во вращение, если начальное положение ротора соответствует углу Θ, при котором вращающий момент эм меньше момента сопротивления на валу. Кроме того, существенная пульсация вращающего момента в пределах оборота ротора приводит, соответственно, к нестабильности мгновенной угловой скорости ротора.

2.3 Схема электромагнитной системы линейного бесконтактного двигателя

В настоящее время крупными сериями выпускаются только бесконтактные микродвигатели. Однако наблюдается тенденция роста выпуска бесконтактных двигателей малой мощности, которые могут составить конкуренцию высокомоментным двигателям, используемым в промышленных роботах, приводах подач обрабатывающих центров и т.д. Объясняется это, в частности, тем что сами бесконтактные двигатели имеют меньшие габариты и массу, чем коллекторные, так как у них лучше условия охлаждения – источники тепла только на статоре, и отсутствует такой источник нагрева, как узел трения коллектор–щетки. Правда, бесконтактный двигатель не может работать без полупроводникового коммутатора.

В ряде случаев двигатели постоянного тока целесообразно делать линейными.

На рис.5, а показана схема электромагнитной системы линейного бесконтактного двигателя. Корпус индуктора 1 выполнен из ферромагнитного материала и служит внешним магнитопроводом. В корпусе расположены постоянные магниты 2, создающие поток возбуждения Фв, индуктор является подвижной частью линейного двигателя. Якорь 3 представляет собой диэлектрическую пластину, на поверхности которой методом фотолитографии выполнена печатная схема проводников 4. Якорь является неподвижной частью двигателя. Длина якоря lя больше длины индуктора lи на длину хода индуктора. Проводники якоря объединены в катушки, оси которых сдвинуты по длине якоря. Выводы катушек подсоединены к полупроводниковому коммутатору. На рис. 5, б показана схема кинематического звена поступательного перемещения с линейным двигателем. Якорь 3 прикреплен к неподвижной направляющей 5, а индуктор 1 – к подвижной каретке 6. На направляющей по осям катушек якоря расположены сигнальные элементы, вызывающие срабатывание датчиков положения индуктора относительно якоря, расположенных на каретке.

3. Заключение

4. Список использованной литературы

Двигатели постоянного тока обычного исполнения имеют ценное качество-возможность широко и плавно регулировать скорость вращения. Вместе с тем они обладают существенным недостатком, обусловленным щеточно-коллекторным узлом. Вполне естественно, что появилась мысль создать двигатели, обладающие достоинствами двигателей постоянного тока и свободные от их недостатков. Такие двигатели называются бесконтактными двигателями постоянного тока.

Рис.5.1. Структурная схема бесконтактного двигателя постоянного тока

Бесконтактные двигатели постоянного тока состоят из трех элементов (рис. 5.1):

1) бесконтактного двигателя с m-фазной обмоткой на статоре и возбужденным ротором обычно в виде постоянного магнита;

2) датчика положения ротора (ДПР), выполненного в одном корпусе с двигателем и предназначенного для выработки сигналов управления моментами времени и последовательностью коммутации токов в обмотках статора;

3) коммутатора, как правило, транзисторного, осуществляющего по сигналам ДПР коммутацию токов в обмотках статора.

Принцип действия бесконтактного двигателя рассмотрим на примере упрощенной схемы (рис. 5.2). В ее состав входит двигатель с тремя обмотками на статоре, сдвинутыми в пространстве на 120 градусов и соединенными в звезду, ДПР с одним сигнальным элементом (СЭ) и тремя чувствительными элементами (ЧЭ) (их число равно числу обмоток статора), коммутатор, выполненный на трех транзисторах, работающих в ключевом режиме, т.е. в режиме "закрыт" или "открыт".

Рис. 5.2. Упрощенная принципиальная схема бесконтактного двигателя постоянного тока

В положении, показанном на рис.5.2, сигнальный элемент через чувствительный элемент "А" открывает транзистор Т_А. По обмотке А протекает ток I_А. Намагничивающая сила обмотки F_А взаимодействует с потоком постоянного магнита ротора. Возникает вращающий момент, и двигатель приходит во вращение (1-й такт на рис. 5.3). Вместе с ротором поворачивается и СЭ ДПР. При повороте ротора на угол чуть больший 30° СЭ будет воздействовать сразу на два ЧЭ: на "А" и на "В". Это значит, что будут открыты сразу два транзистора: Т_А и Т_В. Ток будет протекать по обеим обмоткам А и В. Появится результирующая НС статора F_АВ, которая повернется на 60° по сравнению с первым положением (2-й такт на рис. 5.3).

Рис. 5.3. Первых 3 такта в работе бесконтактного двигателя постоянного тока

Эта НС продолжает взаимодействоватьс полем постоянного магнита; двигатель продолжает развивать вращающий момент.

Когда угол поворота станет чуть больше 90°, транзистор Т_А закроется, ток будет проходить только по обмотке В. Поле ротора будет взаимодействовать только с НС этой обмотки, однако вращающий момент по прежнему будет воздействовать на ротор двигателя и вращать его в том же направлении (3-й такт на рис. 5.3). В конечном итоге двигатель разовьет такую скорость, при которой его момент будет уравновешиваться моментом нагрузки.

Если бы бесконтактный двигатель имел обмоток, чувствительных элементов и транзисторов столько же, сколько обычный двигатель имеет коллекторных пластин, то по своим свойствам и характеристикам они ничем бы не отличались друг от друга. Однако увеличение числа элементов сильно усложняет конструкцию машины. Поэтому в реальных двигателях число обмоток, а соответственно, и число чувствительных элементов и транзисторов не превышает 3-4.

Малое число обмоток обусловливает ряд особенностей работы бесконтактного двигателя постоянного тока.

1. Пульсация вращающего момента - возникает вследствие скачкообразного перемещения НС статора (см. положения 1,2,3 рис. 5.3). В соответствии с общими законами электромеханического преобразования энергии момент бесконтактного двигателя может быть определен как скалярное произведение магнитного потока ротора и НС взаимодействующих обмоток статора

(5.1)

где: с_м - постоянный коэффициент; q - угол между потоком ротора и НС статора.

Так как при вращении двигателя угол q непрерывно меняется, то и момент двигателя не остается постоянным.

2. Реакция якоря периодически изменяется, становясь то поперечной, то продольно намагничивающей, то продольно размагничивающей (рис. 5.4). Объясняется это опять-таки скачкообразным перемещением НС статора (якоря). Размагничивающее действие поля статора особенно сильно при пуске двигателя, т.к. при этом противо-ЭДС равна 0, а ток - наибольший. С этим необходимо считаться при выборе постоянных магнитов, стабилизация которых происходит в режиме короткого замыкания.

Рис. 5.4. Реакция якоря в бесконтактном двигателе постоянного тока

3. Пульсация токов в обмотках статора и суммарного тока двигателя объясняется дискретным питанием обмоток (в тот момент, когда открыты два транзистора, потребляемый ток вырастает в два раза по сравнению с режимом, когда открыт только один транзистор).

4. Влияние индуктивности обмоток статора.В обычном двигателе секции якоря маловитковые, поскольку общее число витков якоря делится на большое число секций. Индуктивность таких секций сравнительно небольшая. В бесконтактном двигателе общее число витков якоря разбивается на 3-4 обмотки (секции). В результате секции получаются многовитковыми, а, следовательно, обладающими большой индуктивностью т.к. L~W 2

С учетом ряда допущений уравнение напряжения для якоря можно записать в виде

(5.2)

Решая его относительно тока, получим

(5.3)

где Т = L/r - электромагнитная постоянная времени.

Выражение перед круглой скобкой есть ток якоря при отсутствии индуктивности. Тогда

(5.4)

При больших скоростях, когда время коммутации невелико, ток в обмотках не успевает достигать установившегося значения. Его эффективное значение становится меньше, чем при L = 0

Вращающий момент прямо пропорционален току якоря, поэтому

(5.5)

(5.6)

Анализ выражения (5.6) показывает, что момент имеет две составляющие. Первую - не зависящую от времени. Она равна моменту при отсутствии индуктивности. Вторую - переменную. Она появляется из-за индуктивности обмоток. Эта составляющая при всех скоростях имеет отрицательное значение (U > E). Поэтому можно утверждать, что, как и ток, вращающий момент бесконтактного двигателя меньше, чем вращающий момент обычного коллекторного двигателя.

Подставим значение ЭДС Е = с_еnФ в формулу (5.6), получим механическую характеристику бесконтактного двигателя

(5.7)

Выразим эту характеристику в относительных единицах, приняв за базисный момент пусковой момент (n = 0, U = Uном), а за базисную скорость - скорость холостого хода (М = 0, U = Uном ). Время t = ¥

Рис. 5.6. Механические характеристики бесконтактного двигателя постоянного тока при разных значения α и L: L2 > L1 > 0

Разделим обе части уравнения (5.7) на Мп:

(5.8)

Обозначим a = U/U_ном. С учетом n₀ = U/(с_еФ) получим

(5.9)

где n = n/n₀ - относительная скорость двигателя.

На рис. 5.6 показаны механические характеристики бесконтактного двигателя при разных индуктивностях обмоток статора L. Видно, что с увеличением L нелинейность характеристик увеличивается.

Частоту вращения бесконтактных двигателей можно регулировать в широких пределах путем изменения напряжения питания.

Однако на практике чаше применяется импульсный способ, сущность которого заключается в изменении не величины постоянно подводимого напряжения, а длительности питания двигателя номинальным напряжением.

§ 5.1. Датчики положения ротора

Датчики положения ротора определяются их чувствительными элементами, которые могут быть построены с использованием ЭДС Холла, фотоэффекта и т.д.

Рис. 5.7. Датчик положения ротора трансформаторного типа

Достаточно широкое распространение получили датчики электромагнитного – трансформаторного типа. На рис. 5.7. показан один из них.

Чувствительными элементами датчика являются три трансформатора (Тр₁, Тр₂, Тр₃), сдвинутыми в пространстве на 120 эл. град. Сердечники трансформаторов выполняются из быстронасыщающихся материалов – феррита, пермалоя и тр. Первичные обмотки трансформаторов (I) питаются напряжением высокой частоты (порядка нескольких килогерц) от маломощного источника. Вторичные обмотки через диоды включаются в базы соответствующих транзисторов.

Ротор датчика состоит из постоянного магнита 1, полюсного наконечника 2, выполненного из магнитомягкого материала, и немагнитного полуцилиндра 3.

Элементам конструкции датчика придаются такие формы и они располагаются так, чтобы сердечники трансформаторов, перекрытые полюсным наконечником 2, были насыщенными. В этом случае ЭДС вторичных обмоток трансформаторов (II) практически равны нулю и сигналы на базы транзисторов не поступают. Управляющие сигналы поступают только от тех трансформаторов, сердечники которых не насыщены.

Вопросы: 1) Нарисуйте диаграмму НС обмоток статора (подобную положениям 1,2,3 на рис. 5.3) при условии, что дуга чувствительного элемента не 180° , а 120° .

2) Чему равна величина суммарного тока, потребляемого двигателем из сети, при различных углах поворота ротора и дуге ЧЭ в 120° ?

Бесконтактные двигатели постоянного тока, обладая всеми положительными свойствами обычных двигателей постоянного тока, лишены их основного недостатка – щеточно-коллекторного узла, существенно снижающего их надежность.

В бесконтактном двигателе применяют машину обращенной конструкции, в которой якорь с обмотками неподвижен, а полюсы вращаются. В этом случае щеточно-коллекторный узел можно заменить статическим полупроводниковым коммутатором, который управляется датчиком положения. В коллекторном двигателе датчиком положения (определяющим момент коммутации секции якоря) является сама коллекторная пластина, подходящая под соответствующую щетку в момент прохождения секцией нейтральной зоны (зоны коммутации).

Статический коммутатор, получая сигналы управления с датчика положения ротора обеспечивает при вращении ротора такое же изменение токов в обмотке якоря, как и щетки с коллектором.

Бесконтактные двигатели постоянного тока состоят из трех элементов: бесконтактного двигателя с m-фазной обмоткой статора

и ротором в виде постоянного магнита; датчика положения ротора для выработки сигналов управления полупроводниковыми ключами;

бесконтактного коммутатора, осуществляющего по сигналам датчика положения коммутацию токов в обмотках статора двигателя.

На рис. 10.4 представлена модель двигателя. В качестве датчика 1 положения ротора 2 двигателя 3 использованы оптические датчики (фототранзисторы). Три фототранзистора РТ1, РТ2 и РТ3, расположенные с интервалом 120 0 на периферии платы, последовательно освещаются с помощью вращающегося затвора, установленного на валу двигателя. При расположении южного полюса магнита напротив неподвижного полюса Р2 статора освещен фототранзистор РT 1, который открывает транзистор VT1 коммутатора 4. На неподвижном полюсе Р1 статора создается южный полюс за счет протекания тока по обмотке W1, который притягивает северный полюс ротора, заставляя ротор поворачиваться против часовой стрелки. При повороте ротора его северный полюс оказывается напротив неподвижного полюса Р1. Затвор, установленный на валу ротора, затемняет фототранзистор РТ1и освещает фототранзистор РТ2, последний включает транзистор VT2. Протекающий по обмотке W2 ток создает южный полюс на неподвижном полюсе Р2, тогда северный полюс ротора повернется по стрелке и расположится напротив неподвижного полюса Р2. В этот момент затвор затемняет фототранзистор РТ2 и освещает РТ3, что обесточивает обмотку W2 и включает обмотку W3. При этом неподвижный полюс Р2 размагничивается, а неподвижный полюс Р3 намагничивается и становится южным полюсом. Следовательно, северный полюс ротора продолжит свое вращение от Р2 к Р3. Ротор будет непрерывно вращаться, если переключения транзисторов повторяются в той же последовательности.

Для реверсирования бесконтактного двигателя необходимы схемотехнические решения заключающиеся в изменении последовательности переключения транзисторов.

Более совершенной схемой управления бесконтактным двигателем является мостовая схема, в которой на каждую фазу обмотки статора приходится по два транзистора и благодаря этому одновременно работают две фазы статора. Эта схема требует большего числа транзисторов и датчиков положения.

Регулирование частоты вращения двигателя в широких пределах возможно изменением питающего напряжения, что при транзисторном коммутаторе реализуется также просто.

При увеличении числа ключей в коммутаторе до количества

коллекторных пластин двигателя постоянного тока свойства бесконтактного двигателя такие же, как и коллекторного двигателя. При этом исключается из схемы ненадежный щеточно-коллекторный узел.

В бесконтактных двигателях большой мощности вместо постоянного магнита на роторе применяют обмотку возбуждения.

В качестве датчиков положения кроме рассмотренных фототранзисторов применяют электромагнитные датчики и элементы Холла.

При увеличении числа ключей в коммутаторе до количества

Читайте также: