Устройство, принцип действия и характеристики электрических двигателей
Классификация электродвигателей
В промышленных мехатронных модулях применяют различные типы электродвигателей вращательного движения: постоянного тока (ДПТ), асинхронные (АД) и синхронные (СД) переменного тока (см. рис. 1.6).
Любой из указанных двигателей конструктивно состоит из двух частей: неподвижной – статора и вращающейся – якоря или ротора. Каждая из этих частей представляет собой металлическое основание с расположенной на нем медной обмоткой, либо постоянными магнитами (рис. 1.7).
Наиболее простым в управлении является двигатель постоянного тока. В общем случае, в зависимости от способа подключения обмотки возбуждения различают двигатели с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. В мехатронных модулях наиболее широко распространены двигатели с независимым возбуждением, а также с постоянными магнитами. Управление ДПТ осуществляется изменением напряжения и тока подводимого к его обмоткам.
Двигатели переменного тока различают на асинхронные и синхронные. В синхронных машинах угловая скорость вращающейся части – якоря инвариантна к изменению механической нагрузки. В асинхронных машинах угловая скорость подвижной части – ротора зависит от механической нагрузки на его валу.
Рис. 1.6. Классификация электрических машин вращательного движения по роду тока, принципу действия и типу возбуждения
Рис. 1.7. Принцип устройства электродвигателей:
а – постоянного тока; б – синхронного; в - асинхронного
Электрические машины могут также совершать и возвратно-поступательное движение. Такие машины называются линейными. Применение их в мехатронных модулях позволяет отказаться от преобразователя вращательного движения в поступательное. Кроме того, достоинствами этих машин является быстрота срабатывания – практически мгновенный останов и реверс, а также повышенные осевые усилия. Основными недостатками, ограничивающими применение линейных двигателей, являются низкие энергетические показатели их работы и неравномерность движения. Однако в последние годы в развитии теории и практики линейных двигателей произошел существенный прорыв, и сегодня уже известны примеры серийного производства станков с линейными электродвигателями.
Двигатель постоянного тока
Принцип действия двигателя постоянного тока может быть пояснен на примере работы простейшей одновитковой машины (рис. 1.8). При подключении обмотки якоря к источнику постоянного напряжения в ней будет протекать электрический ток, величина которого согласно закону Ома обратно пропорциональна сопротивлению этой обмотки
. (1.24)
К онструкция машины такова, что обмотка якоря находится в магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами. Известно, что на проводник с током, размещенным в магнитном поле, действует электромагнитная сила
, (1.25)
направление которой определяется по правилу “левой руки” (см. рис. 1.9). Эти силы создают механический момент, называемый электромагнитным моментом
(1.26)
или с учетом (1.25)
. (1.27)
В выражениях (1.25)-(1.27): – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; – активная длина проводника; – диаметр якоря.
Электромагнитный момент приведет вращающуюся часть двигателя в движение. При этом проводники обмотки будут также вращаться в магнитном поле, а следовательно в них будет индуцироваться электродвижущая сила (э.д.с.). Направление э.д.с. определяется по правилу “правой руки” (см. рис. 1.9). Мгновенное значение индуцируемой в проводнике обмотки э.д.с определится по закону электромагнитной индукции в виде
, (1.28)
где – линейная скорость движения проводника.
Поскольку верхняя (см. рис. 1.8) часть обмотки якоря находится под северным полюсом магнита, а нижняя часть – под его южным полюсам, а также при условии разнонаправленности тока в них, полная э.д.с. одновитковой машины определится как
. (1.29)
При повороте обмотки якоря более чем на 90° от исходного положения его верхний проводник окажется под южным полюсом. Одновременно с этим из-за действия коллектора направление тока в нем также изменится, а следовательно направление электромагнитного момента, вызывающее вращение двигателя останется неизменным. Двигатель продолжит вращаться в прежнюю сторону.
Исходя из вышесказанного, напряжение на зажимах двигателя уравновешивается э.д.с. и падением напряжения на обмотке якоря
. (1.30)
Развиваемый двигателем электромагнитный момент расходуется на преодоление механических потерь в подшипниках якоря двигателя и рабочего органа , на создание полезного момента нагрузки и на создание динамического момента, необходимого для разгона или торможения
. (1.31)
Динамический момент может быть определен по выражению
, (1.32)
где – суммарный момент инерции всех вращающихся частей мехатронного модуля, приведенный к валу двигателя.
Анализ зависимости (1.32) показывает, что при разгоне и при торможении. Также следует отметить, что в установившемся режиме работы , а момент двигателя равен статическому моменту
. (1.33)
Приняв, что , где – конструктивная постоянная двигателя, а – его магнитный поток, выражения (1.27) и (1.29) можно переписать в виде
, (1.34)
. (1.35)
Подставив (1.34) и (1.35) в (1.30) получим уравнение электромеханической характеристики ДПТ
(1.36)
и уравнение его механической характеристики
. (1.37)
Н а рис. 1.10 приведены механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения, построенные в соответствии с выражением (1.37). Механическая характеристика двигателя, запитанного номинальным напряжением при номинальной величине магнитного потока называется естественной. Для управления скоростным режимом работы двигателя в мехатронных модулях, как правило, изменяют напряжение вниз от номинального значения. При этом согласно выражению (1.37) скорость двигателя уменьшается пропорционально снижению напряжения вплоть до нуля. В случае если полярность питающего напряжения будет изменена, то двигатель начнет вращаться в другую сторону. Таким образом, возможно задавать вращение двигателя в любом необходимом направлении.