Главная Обмотки для микроэлектродвигателей



микроэлектродвигатели

Решение ряда новых актуальных проблем, а также необходимость повышения надежности различных автоматических систем потребовали разработки тихоходных исполнительных двигателей, которые обеспечили бы низкие скорости вращения без использования механических понижающих редукторов. Это относится особенно к автономным автоматическим системам, которые питаются от источников повышенной частоты 400-1000 и более герц. При такой частоте получаемые скорости вращения ротора часто не могут быть использованы исполнительными механизмами и не обеспечивают надежной работы подшипников. Применение тихоходных безредукторных двигателей позволяет значительно увеличить срок службы подшипников и повысить тем самым надежность работы, а путем исключения понижающих механических редукторов - и точность и малошумность системы.

Для целого ряда случаев удовлетворительного технического решения проблемы получения низких скоростей вращения можно добиться при использовании многополюсных исполнительных двигателей с обмотками при дробном числе пазов на полюс и фазу q<Ch которые сокращенно будем называть дробными обмотками. Но более радикальным решением этой проблемы является применение двигателей с электромагнитной редукцией скорости вращения.

Принцип электромагнитной редукции первоначально был использован при разработке различных типов индукторных высокочастотных генераторов. Хотя индукторные машины известны свыше 100 лет, но применялись они в основном в генераторном режиме работы. Очевидно, прн использовании их двигательного режима работы можно получить весьма малые скорости вращения ротора при питании обмоток от источников повышенной частоты.

Отметим, что принцип электромагнитной редукции в настоящее время применяется и в таких электромашинных элементах автоматики, как нониусные поворотные трансформаторы, датчики угла, шаговые двигатели и др.

Для получения низких скоростей вращения выходного вала находят при.менение тихоходные исполнительные двигатели, работающие на других принципах. В частности, весьма перспективными во многих случаях являются двигатели с катящимся и Волновым роторами.



Для выбора типа тихоходного Двигателя необходимо предварительно рассчитать основные рабочие показатели для всех тихоходных двигателей по единой методике. Поэтому в данной книге сделана попытка создать такую обобщенную методику исследования и расчета основных показателей, одинаково пригодную для анализа работы большой разнообразной группы тихоходных исполнительных двигателей. При этом автор стремился приблизить ее к общей теории электрических машин, что дает возможность использовать для их исследования хорошо разработанные методы.

При разработке общей теории основных типов тихоходных двигателей автор использовал многочисленные работы советских и иностранных авторов как по специальным, так и по индукторным машинам. Особенно следует отметить труды советских ученых М. М. Алексеевой, Н. Я. Альпера, В. В. Апсита, А. И. Бертинова, В. В. Жуловяна, А. С. Куракина, Б. X. Коника, И. И. Левина, В. С. Шарова, Г. И. Штурмана, Ф. Л5. Юферова и др.

Хотя изложенная в этой книге общая теория разработана применительно к тихоходным безредукторным .цвигателям, основные ее положения могут быть успешно использованы и для исследования других типов электромашинных элементов автоматики, работающих по принципу электромагнитной редукции.

Попытка систематического изложения теории тихоходных без-редукторных двигателей сделана впервые, поэтому в книге могут быть недостатки. Автор с благодарностью примет все замечания, которые можно направлять по адресу: 192041, Ленинград, Марсово поле, д. 1, Ленинградское отделение издательства «Энергия».

Автор

Глава первая

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ТИХОХОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1-1. Принципы классификации

Для выбора обобщенной электромеханической модели в целях разработки общей теории тихоходных безредукторных двигателей необходимо их предварительно классифицировать. В "основу классификации необходимо положить те общие признаки, дающие возможность объединять отдельные типы в группы. При этом прежде всего надо исходить из физических процессов, определяющих принцип работы той или иной группы двигателей. Электромагнитные процессы в электрических машинах зависят от характера и способа изменения магнитного потока взаимной индукции между первичной и вторичной системами обмоток. Для определенности условимся считать первичными и вторичными обмотками такие две системы обмоток, электромагнитные связи между которыми по заданны.м законам осуществляются только за счет перемещения (вращения) ротора.

Если первичйая обмотка находится на статоре, а вторичная обмотка - на роторе, то нужный для работы закон изменения взаимных индуктивностей обеспечивается за счет изменения положения в пространстве одних контуров системы (схемы) обмоток относительно других. По этому принципу работают все нормальные типы электрических машин. Тихоходные двигатели на их основе можно получить путем выполнения многополюсных обмоток с (7<J1 [15, 16, 44. 67]. Для образования многополюсной возбужденной системы ротора для синхронных машин необходимо использовать когтеобраз-ные полюсы и гармонические роторы. Последние были разработаны под руководством автора М. А. Шакировым [67, 68]. Для того чтобы при образовании активного многополюсного ротора исключить контактные кольца, используется возбуждение от постоянных магнитов.

При выполнении бесконтактных многообмоточных тихоходных двигателей, а также других типов электромагнитных элементов автоматики, использующих принцип электромагнитной редукции, первичные и вторичные обмотки выносятся на неподвижный статор. Необходимые электромагнитные связи между обмотками образуются здесь не путем взаимного перемещения контуров, а путем соответствующего изменения магнитной проводимости на участках, охватываемых обмотками первичных и вторичных систем. Для осуществления этого ротор выполняется зубчатым, а статор может иметь почти закрытые или открытые пазы в зависимости от типа машины.

Несмотря на кажущееся различие в принципе установления электромагнитной связи между обмотками этих двух групп машин, основные электромагнитные процессы, как будет показано в дальнейшем, протекают в них одинаково. Разница только в механических и электрических пара.метрах, определяющих работу этих машин.

Анализ работы этих основных типов тихоходных двигателей показывает, что в зависимости от характера изменения самойидуктивнести обмоток ти-



б) Сттр

хт-п п га-гт гц

Г1 п ги

mj-LTiJ

priJlJlJl rTJTJTJTJ-l n


хоходные двигатели могут быть также разделены на явнополюсные и неявно-полюсные. Приведение теории и исследования работы различных специальных типов тихоходных двигателей к общей теории электрических машин проведенное в работах [6, 21, 27-381, особенно ценно тем, что позволяет использовать основы уже хорошо разработанной теории в исследовании режимов работы и для расчета различных типов тихоходных двигателей с электромагнитной редукцией скорости вIfaщeния.

Основные рабочие свойства различных типов двигателей зависят, в основном, от способа возбуждения систем обмоток. Большую группу составляют машины, которые возбуждаются только переменным током. При одностороннем возбуждении только одной системы обмоток и при отсутствии

вторичной системы обмоток имеем дело с реактивными машинами.

Если основная э. д. с. во вторичной обмотке индуктируется посредством переменного магнитного поля первичной обмотки, то такая электрическая машина называется индукционной. На этом принципе работают также асинхронные двигатели. На возбуждении первичной и вторичной системы обмоток переменным током разной частоты работают электрические машины двойного питания.

Многие электрические машины, особенно работающие в синхронном режиме имеют возбуждение первичной системы обмоток переменным током, а вторичной - постоянным током. При этом часто вторичную, преимущественно однофазную, обмотку заменяют постоянным магнитом (или магнитами).

В зависимости от количества возбужденных обмоток тихоходные двигатели могут быть разделены на одно-обмоточные, двухобмоточные и, в общем случае, многообмоточные. Возбуждение магнитной системы может быть радиальным (разноименно-полюсным) или аксиальным (одноименнополюсным).

Тихоходные безредукторные двигатели могут быть классифицированы в зависимости от характера геометрии зубцовой зоны на машины с односторонней зубчатостью (ротора) с двусторонней зубчатостью (статора н ротора). Зубцовая зона статора и ротора может быть: классической (рис. 1-1, а); гребеночной (рнс. 1-1, б); распределенной (нониусной) (рис. 1-1, в) или специальной, полученной на основе выше приведенных систем путем «вытаскивания» отдельных зубцов на статоре [20].

Для безредукторных тихоходных двигателей наибольшее применение в настоящее время находит распределенная зубцовая зона. Последняя имеет большое преимущество перед остальными, так как позволяет легко образовать многофазную систему обмоток с одинаковыми параметрами и обеспечивает почти синусоидальное изменение взаимоиндукции между отдельными системами обмоток.

В зависимости от основного режима работы тихоходные двигатели могут быть разделены на асинхронные и синхронные. По способу создания основного магнитного потока последние в свою очередь могут быть реактивными или с электромагнитным или с магнитоэлектрическим возбуждением.

Тихоходные двигатели могут быть рассчитаны для работы от сети промышленной частоты 50 Гц н повышенной частоты (400-1000 и более Гц). Питающее напряжение может изменяться Непрерывно или в виде импульсов,

Рис. 1-1.

црму соответствует непрерывное или импульсное вращение ротора. Кроме тпгп движение ротора может быть круговым вращательным, линейным пе-прмещением нли в виде поворота на неограниченный или ограниченный угол.

В зависимости от числа фаз возбужденных обмоток исполнительныедви-гатели могут быть однофазными, двухфазными, трехфазными или, в оощем глучае многофазными. Питание фаз может быть осуществлено симметричной или асимметричной системой напряжений. Отметим, что многие исполнительные двигатели автоматических устройств имеют, как правило, асимметричное питание.

1-2. Принципы работы и основные соотношения тихоходных безредукторных двигателей

Рассмотрим характер изменения проводимости воздушного зазора при числе зубцов статора Zs и ротора (рис. 1-2, а). Если магнитный потенциал статора Um ¥ О, а ротора (/м = О и воздушный зазор по сравнению с остальными размерами пазовозубцо-

вого слоя имеет весьма малую величину, то магнитную проводимость зазора можно изобразить в виде прямоугольников с шириной, равной зуб-цовым перекрытиям. Как видно из рис. 1-2, б, огибающая усредненных значений проводимостей (штриховая линия) представляет собой периодическую кривую, которая содержит постоянную составляющую Xfio и переменную составляю- \ щую Лп, с числом волн = = \ Zr~Z \ [2, 21, 38]. Нетрудно убедиться, что картина проводимости повторяется при сдвиге ротора на одно зубцо-вое деление. Если разложить кривую проводимости Хб в ряд Фурье и ограничиться только постоянной составляющей Лво и первой гармонической Xgj (рис. 1-2, в), то кривую удельной проводимости можно представить в следующем виде;

6 = Хво + Хб1 cos [ZrYM - ~(2,-Zs)aM], (1-1)

где >бо = Ио/о-

При вращении ротора с угловой скоростью Q,, = = dyia/idt) основная гармоника проводимости перемещается по окружности расточки статора с угловой скоростью ZrQr/{Zr-Zs)- При Z > Z основная гармоника .проводимости вращается в направлении вращения ротора, а при 2, < Zj - в противоположном направлении. При равномерном вращении ротора с угловой скоростью Qr угол сдвига у„ = Qrt + Уго, где 7го - Угол сдвига ротора в первоначальный момент времени t = 0.

Принцип работы тихоходных безредукторных двигателей с электромагнитной редукцией скорости вращения можно объяснить на основе несколь-


Рис. М.



[0] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22


0.0113