Универсальные коллекторные микродвигатели

Универсальными коллекторными микродвигателями называют микродвигатели, которые могут работать как от сети постоянного тока, так и от однофазной сети переменного тока. Конструкция универсального коллекторного микродвигателя не имеет принципиаль­ных отличий от конструкции коллекторного микродвигателя постоянного тока, за исключением того, что всю магнитную систему (и статор, и ротор) выполняют шихтованной, а обмотку возбуждения – секционированной. Шихтованная конструкция статора и ро­тора обусловлена тем, что при работе на переменном токе их про­низывают переменные магнитные потоки, вызывая значительные потери мощности. Секционирование обмотки возбуждения вызвано необходимостью изменения числа витков обмотки возбуждения с целью сближения рабочих характеристик при работе микродвигателя от сетей постоянного и переменного тока.

Универсальный коллекторный микродвигатель может быть вы­полнен как с последовательным, так и с параллельным и незави­симым возбуждением.

Рис. 1.10 Рис. 1.11

В настоящее время универсальные коллекторные микродвигатели выполняют только с последовательным возбуждением (рис. 1.10). Обмотку возбуждения делят на две части, включаемые с разных сторон якоря. Такое включение, называемое симметрированием обмоток, позволяет уменьшить радиопомехи, создаваемые двигателем.

Работа универсального коллекторного микродвигателя постоян­ного тока ничем не отличается от работы микродвигателя постоян­ного тока с последовательным возбуждением. Работа на перемен­ном токе сопровождается рядом особенностей.

1. При питании двигателя от сети переменного напряжения ток якоря и поток возбуждения изменяются по синусоидальному за­кону:

,

где iи I_m – мгновенное и амплитудное значения тока; β – сдвиг по фазе между потоком возбуждения и током в якоре; φ и Ф_m – мгно­венное и амплитудное значения потока; ω ₁ – угловая частота тока. Мгновенное значение вращающего момента mхарактеризуется выражением

, (1.40)

где k–конструктивный коэффициент.

Изменение тока i, магнитного потока φ и вращающего момента mво времени показано на рис. 1.11. Из этого рисунка видно, что большую часть периода направление вращающего момента mне изменяется, так как одновременно с магнитным потоком полюсов меняет направление и ток якоря. Однако в некоторые промежутки времени, обусловленные сдвигом фаз между током якоря и магнит­ным потоком возбуждения, момент отрицателен и вращение ротора замедляется.

Вследствие большой частоты пульсации момента во времени и значительного момента инерции вращающихся частей непостоянст­во вращающего момента практически на работу двигателя влияния не оказывает.

Среднее значение вращающего момента определяем интегриро­ванием выражения (1.40):

, (1.41)

где I и Ф – действующие значения тока и магнитного потока; Т– период тока.

Следовательно, вращающий момент, развиваемый универсальным коллекторным микродвигателем при питании от сети переменного тока, определяется не только значением потока возбуждения и тока, как для случая питания от сети постоянного тока, но и сдвигом фаз между ними. Для получения наибольшего момента необходимо, чтобы магнитный поток возбуждения и ток якоря совпали по фазе, т.е. β = 0 и cos β = 1.

Поэтому для создания достаточного вращающего момента в двигателе параллельного и независимого возбуждения необходимо применять специальные фазосдвигающие цепочки для выполнения условия β ≈ 0.

2. Характеристики универсального коллекторного микродвигате­ля при питании от сети переменного тока несколько хуже, чем при питании от сети постоянного тока. Причина расхождения характе­ристик состоит в том, что при переменном токе на ток и его фазу существенное влияние оказывают индуктивные сопротивления об­моток якоря и возбуждения. Это влияние выражается, в частно­сти, в том, что при работе от сети переменного тока механическая характеристика несколько мягче, особенно при больших нагрузках (сплошные линии на рис. 1.12).

Как указывалось, с целью сближения характеристик обмотку возбуждения выполняют секционированной (см. рис. 1.10). При работе от сети переменного тока включается меньше витков обмотки возбуждения (выводы 1 – 2), чем при питании от сети постоян­ного тока (выводы 3 – 4). Уменьшение числа витков обмотки воз­буждения вызывает уменьшение магнитного потока и повышение угловой скорости ротора. Механическая характеристика приподни­мается, не меняя своей жесткости (пунктирная линия на рис. 1.12). Соотношение чисел витков, включенных при питании от различных сетей, должно быть таким, чтобы получилось наибольшее сближение характеристик при номинальной нагрузке М_ном или нагруз­ках, близких к номинальным.

При одной и той же мощности на валу ток универсального кол­лекторного микродвигателя с уменьшенным числом витков обмотки возбуждения при работе от сети переменного тока больше, чем при питании от сети постоянного тока, на значение реактивной состав­ляющей тока. Потери мощности также больше, потому что добав­ляются потери в стали и увеличиваются потери в обмотках от роста потребляемого тока.

3. При работе универсального коллек­торного микродвигателя от сети переменно­го тока существенно ухудшается коммута­ция и усиливается искрение под щетками. Это объясняется тем, что коммутирующая катушка в данном случае пронизывается пульсирующим магнитным потоком воз­буждения и в ней наводится трансформа­торная эдс.

, (1.42)

Рис 1.12.

где ω _к – число витков в коммутирующей катушке; f₁– частота тока, Гц.

Наличие в коммутирующей катушке нескомпенсированной трансформаторной эдс. приводит к неудовлетворительной коммутации и, как след­ствие, к значительным радиопомехам. С целью устранения радио­помех универсальные коллекторные двигатели выпускают со встро­енными в них фильтрами, но полностью устранить радиопомехи не удается. Это ограничивает применение универсальных коллектор­ных двигателей в системах автоматики и вычислительных устройствах.

Однако универсальные коллекторные микродвигатели довольно широко распространены благодаря тому, что они:

1) работают от источников как постоянного, так и переменного тока;

2) при работе от любого из источников позволяют просто, плавно и широко регулировать угловую скорость ротора изменением подводимого к двигателю напряжения и шунтированием якоря или обмотки возбуждения активным сопротивлением;

3) позволяют получать на промышленной частоте весьма высокую угловую скорость ротора (до 2000 рад/с), недостижимую при применении синхронных и асинхронных двигателей промышленной частоты без повышающего редуктора.

ЛЕКЦИЯ №5