Лекция 1.3.Общие сведения об электромашинных устройствах исполнительных механизмов

Классификация электромашинных устройств. Подавляющее большинство электромеханических устройств составляют электромашинные устройства. Электромеханические устройства – это класс технических средств автоматизации и управления, в основе работы которых лежит электромеханическое преобразование энергии и сигналов.

В таких устройствах электромеханическое преобразование как правило сопровождается электромагнитным преобразованием энергии.

Электромашинные устройства – это подкласс технических средств, включающий в себя как классические электрические машины (двигатели, генераторы), так и специальные устройства, выполненные на базе электрической машины и предназначенные для различных функциональных преобразований в системах автоматического управления.

Электрическая машина – это электромеханический преобразователь энергии, состоящий из ряда взаимодействующих электромагнитных контуров, часть из которых неподвижна, а часть перемещается. Электрическая машина является обратимой, т.е. может работать в двух основных режимах: двигателя – преобразователя электрической энергии в механическую, и генератора – преобразователя механической энергии в электрическую. Кроме этого, возможны специальные тормозные режимы работы электрической машины.

В большинстве электрических машин, в том числе в двигателях, перемещение контуров вращательное. Вращающиеся двигатели просты по конструкции и надёжны в эксплуатации. Однако, если в технологическом оборудовании происходит поступательное движение, к двигателю подсоединяют механический преобразователь вращательного движения в поступательное. Это усложняет схему привода. Без механического преобразователя можно обойтись, если сам двигатель будет преобразовывать электрическую энергию в механическую поступательного движения. Такие двигатели называют линейными.

По выходной мощности электрические машины можно разделить на следующие группы: микромашины – до 0, 75 кВт, машины малой мощности – от 0, 75 до 10 кВт, машины средней мощности – от 10 кВт до сотен киловатт, машины большой мощности – более сотен киловатт.

По частоте вращения машины подразделяются на тихоходные – с частотой вращения до 300 об/мин, средней быстроходности – 300-1500 об/мин, быстроходные – 1500-6000 об/мин и сверхбыстроходные – свыше 6000 об/мин.

По степени защиты от внешних воздействий конструктивное выполнение электрических машин может быть защищённое, брызгозащищённое, каплезащищённое, водозащищёное, пылезащищённое, закрытое, герметичное и взрывозащищённое. Например, машины защищённого выполнения могут устанавливаться только в закрытых помещениях, т.к. не имеют защитных приспособлений от попадания дождя внутрь машины. В то же время герметичные машины выполняются с особо плотной изоляцией внутреннего пространства от окружающей среды и могут работать под водой, в газовых камерах.

По способу охлаждения различают машины с естественным и искусственным охлаждением. Охлаждение необходимо для предотвращения недопустимого нагрева, вызываемого потерями мощности в электрической машине. Электрические микромашины обычно охлаждаются за счёт естественного теплообмена с окружающей средой (естественное охлаждение). Машины большей мощности имеют искусственное охлаждение, в основном воздушное.

Классификация по функциональному признаку существенно связана с уровнем мощности машин. Среди электромашинных устройств исполнительных механизмов значительную долю составляют электрические микромашины. Поэтому в качестве примера рассмотрим функциональную классификацию микромашин, определяющую их назначение и области применения.

Рисунок 1.4

Электрические микромашины исполнительных механизмов (рис.1.4) делятся на две подгруппы: 1) силовые микромашины, преобразующие электрический сигнал в механический; 2) информационные микромашины, преобразующие механический сигнал (угол поворота, угловую скорость и угловое ускорение) в электрический сигнал.

Силовые электрические микромашины – это в основном микродвигатели (рис.1.4), работающие от сети трёхфазного и однофазного переменного тока или от сети постоянного тока.

Двигатели постоянного тока обладают хорошими регулировочными свойствами и высоким быстродействием, поэтому они успешно применяются в ИМ любой мощности с широким диапазоном регулирования скорости.

Трехфазные асинхронные двигатели трудно поддаются плавному регулированию скорости. Поэтому они применялись в основном в ИМ с нерегулируемой или малорегулируемой скоростью. Однако, в настоящее время в связи с появлением высокоэффективных полупроводниковых преобразователей частоты трехфазные асинхронные двигатели все шире применяются в ИМ с регулируемой скоростью, причем и в диапазонах малой и средней мощности.

Асинхронные микродвигатели с двухфазной обмоткой статора, питающиеся от однофазной сети, используются в качестве исполнительных элементов в механизмах микромощности как с нерегулируемой, так и с плавно регулируемой скоростью.

Синхронные шаговые двигатели применяются в позиционных и следящих ИМ, работающих в дискретном (шаговом) режиме. Шаговые двигатели наилучшим образом приспособлены для управления с помощью средств вычислительной техники.

К информационным микромашинам относятся измерители угла (поворотные трансформаторы, сельсины) и измерители угловой скорости (тахогенераторы). Эти микромашины широко используются в качестве измерительно-преобразовательных устройств в ИМ обратными связями по положению и скорости.

Основные требования, предъявляемые к электрическим микромашинам, разделяются на две группы:

1. Общие требования, не связанные с конкретными условиями эксплуатации и областью применения. Основные требования к информационным микромашинам – высокая точность преобразования и стабильность характеристик. Силовые микромашины наряду с достаточной точностью и быстродействием должны иметь хорошие энергетические показатели. Практически ко всем микромашинам предъявляется требование высокой надёжности, т.е. способности безотказно работать в течение заданного времени и при определённых условиях эксплуатации.

2. Требования, предъявляемые в зависимости от области применения и условий эксплуатации: минимальные габаритные размеры и масса при заданных выходных параметрах – для микромашин бортовой аппаратуры, подвижных частей промышленных роботов; устойчивость к вибрации и ударным нагрузкам - для транспортных и сельскохозяйственных машин, бортовой аппаратуры; климатическая и радиационная устойчивость – для микромашин, работающих в ядерных реакторах, на космических аппаратах и в условиях тропического климата; взрывобезопасность – для микромашин шахтного и рудничного оборудования; низкий уровень создаваемых шумов – для микромашин звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуры; низкий уровень излучаемых радиопомех – для микромашин, работающих в комплекте с электронной аппаратурой; низкий уровень газовыделений – для микромашин, применяемых в вакуумном технологическом оборудовании.

Общие сведения о конструкции электрических машин. Электрическая машина имеет неподвижную и подвижную части – статор и ротор, разделенные относительно небольшим воздушным зазором; некоторые машины имеют несколько статоров или роторов. Статор и ротор в общем случае состоят из двух основных частей: магнитопровода и обмотки. Обмотка – это совокупность определенным образом расположенных и соединенных проводов, предназначенная для создания магнитного поля или использования его свойств. Обмотки выполняются из электропроводящих и изоляционных материалов; при протекании по ним электрического тока создается магнитное поле. Магнитопроводы, на которых располагаются обмотки, изготавливают из ферромагнитных материалов, чаще всего магнитомягких. Магнитомягкие материалы отличаются высокой магнитной проницаемостью и позволяют при одинаковой напряженности поля создавать в машине значительно больший магнитный поток, чем в машине без магнитопроводов. Увеличение потока позволяет сконцентрировать в машине значительный запас магнитной энергии, необходимой для преобразования электрической энергии в механическую и наоборот. В ряде электрических машин постоянный магнитный поток создается не обмотками с током, а постоянными магнитами, выполненными из магнитотвердых материалов.

В электрических машинах конструктивную часть, создающую основной магнитный поток, называют индуктором, а конструктивную часть, в обмотках которой наводится основная ЭДС, – якорем.

В зависимости от конструкции магнитной системы электрические машины можно подразделить на три типа: неявнополюсные (рис.1.5, а), с явнополюсным статором (рис.1.5, б) и с явнополюсным ротором (рис.1.5, в).

Рисунок 1.5

У неявнополюсных электрических машин поверхности статора 1 и ротора 2, обращенные к воздушному зазору, условно можно рассматривать как гладкие цилиндрические поверхности, т.е. с равномерным воздушным зазором по всей окружности. В явнополюсных машинах воздушный зазор неравномерный.

На внутренней стороне магнитопровода статора и внешней – ротора обычно имеются пазы, в которых располагаются обмотки. Они бывают сосредоточеные и распределенные. Элементарная часть обмотки – катушка со сходящимися (рис.1.6, а) или расходящимися (рис. 1.6, б) концами, состоящая из одного или нескольких витков.

Рисунок 1.6

Основные процессы электромеханического преобразования энергии в машине определяются магнитными полями, создаваемыми в воздушном зазоре пазовыми активными частями 1 витков. Лобовые части 2 служат для соединения активных частей.

В сосредоточенной обмотке магнитная ось каждого витка совпадает с результирующей магнитной осью обмотки. В распределенной обмотке магнитные оси витков в общем случае не совпадают с результирующей магнитной осью обмотки. Сосредоточенные обмотки размещаются на явнополюсных частях машины, а распределенные – на неявнополюсных.

Некоторые электрические машины, особенно в классе микро и малых мощностей, с целью повышения быстродействия изготавливаются с цилиндрическим полым немагнитным ротором. У асинхронных микромашин переменного тока полый немагнитный ротор представляет собой тонкостенный цилиндр из сплавов алюминия или бронзы, играющий роль вращающейся обмотки. У микромашин постоянного тока полый ротор представляет собой тонкостенный пластмассовый цилиндр, в который запрессованы витки обмотки ротора. С той же целью некоторые микромашины постоянного тока изготавливаются с дисковым ротором, который представляет собой тонкий немагнитный диэлектрический диск, на поверхности которого методом фотолитографии выполнена печатная схема проводников.

В коллекторных машинах постоянного тока на роторе кроме магнитопровода и обмотки размещается коллектор. Коллектор – это устройство, к которому подсоединяются все катушки обмотки ротора и которое служит для преобразования переменного тока в постоянный и наоборот. Конструктивно коллектор выполняется в виде цилиндра, набранного из медных пластин, изолированных друг относительно друга. Напряжение подается или снимается с коллектора с помощью графитовых щеток, закрепленных на статоре и скользящих по поверхности коллектора (скользящий контакт).