Силовые коллекторные микродвигатели

СИЛОВЫЕ КОЛЛЕКТОРНЫЕ МИКРОДВИГАТЕЛИ

Роль, значение и область применения

Коллекторные микродвигатели, которые можно разделять на три группы — двигатели постоянного тока, двигатели переменного то­ка и универсальные двигатели (способные работать как от сетей постоянного тока, так и от сетей переменного тока), — широко при­меняются для привода самых различных механизмов, особенно в приводах автономных систем (питающихся не от промышленных электрических сетей), которые находят широкое применение на различных транспортных средствах: автомашинах, поездах, само­летах, морских и речных судах, орбитальных космических станци­ях, ракетах и т.п. Особенно большое количество коллекторных микродвигателей, исчисляемое миллионами, выпускается для быто­вых приборов — магнитофонов, миксеров, кофемолок, электро­бритв, фенов, пылесосов и т.п. Широкому распространению кол­лекторных микродвигателей постоянного и переменного токов спо­собствует целый ряд их положительных качеств, по которым они выгодно отличаются от рассмотренных ранее асинхронных и син­хронных двигателей.

Положительные качества коллекторных микро двигателей таковы: возможность получения самых различных частот вращения, просто, плавно и экономично в широком диапазоне изменять частоту вращения, сравнительно высокий КПД (осо­бенно у машин постоянного тока), большие пусковые моменты при небольших пусковых токах, малые габаритные размеры и масса.

Области применения коллекторных микродвигателей особенно малых мощностей (от долей ватт до нескольких десятков ватт) значительно шире областей применения синхронных и асинхронных микродвигателей. Объясняется это тем, что частота вращения п синхронных и асинхронных микродвигателей определяется часто­той питающего напряжения f и числом пар полюсов р n =60 f / р (об/мин).

При промышленной частоте 50 Гц частота вращения п не пре­вышает (при р =1) 3000 об/мин. Это верхний предел частоты вра­щения п синхронных и асинхронных двигателей, работающих от сетей промышленной частоты (f= 50Гц). Нижний предел п опреде­ляется (при заданной частоте f) числом пар полюсов — чем боль­ше р, тем меньше частота вращения п.

В машинах больших мощностей и габаритных размеров, имею­щих большое число пазов на статоре, увеличение числа пар полю­сов не вызывает затруднений.

В машинах малой мощности (микромашинах), имеющих малые размеры, увеличение числа пазов статора и числа пар полюсов (р) связано с большими трудностями и весьма ограничено в связи с малым диаметром расточки статора.

Невозможность получения больших и малых частот вращения при малых габаритах ограничивает области применения синхрон­ных и асинхронных микродвигателей, расширяя тем самым области применения коллекторных микродвигателей.

Основным недостатком коллекторных двигателей как малых, так и больших мощностей, ограничивающим области их примене­ния, является наличие у них щеточно-коллекторного узла, снижа­ющего надежность работы, особенно при работе в тяжелых усло­виях эксплуатации (тряска, вибрации, резко меняющиеся темпера­тура и давление, повышенная влажность и др.). Для обеспечения необходимой надежности работы приходится принимать специаль­ные меры, которые часто ведут к повышению стоимости двигателей.

Конструктивной особенностью коллекторных микродвигателей, вотличие от двигателей средней и большой мощности, является то, что они никогда не имеют дополнительных полюсов и компенсационных обмоток, выпускаются, как правило, двухполюсными. Вследствие необходимости периодического ухода за коллектором и щетками, смены щеток коллекторные двигатели всегда имеют отверстия — люки в корпусе или в подшипниковых щитах, по это­му признаку их легко отличить даже по внешнему виду от синхрон­ных и асинхронных машин малой мощности.

Силовые коллекторные микродвигатели переменного тока

В настоящее время из большого разнообразия известных коллек­торных двигателей переменного тока малой мощности в схемах автоматики применяются в основном лишь однофазные коллектор­ные двигатели с последовательным возбуждением. Эти двигатели по своему устройству почти не отличаются от двигателей постоян­ного тока с последовательным возбуждением. Отличие заключается лишь в том, что они имеют не литые, а шихтованные из листовой электротехнической стали не только якорь, но и станину и полюсы. Последнее необходимо для уменьшения потерь на вихревые токи от переменного во времени магнитного потока.

Вращающий момент двигателя создается, так же как и у двигателей постоянного тока, в результате взаимодействия тока обмотки якоря с магнитным потоком полюсов Ф:

М=с_мIФ

Если ток якоря I и магнитный поток полюсов Ф совпадают по фазе во времени, то вращающий момент М, несмотря на перемен­ный характер I и Ф, не изменяет своего направления, так как одно­временно с током аналогично изменяется и поток. Однако вслед­ствие изменения тока и потока во времени вращающий момент не остается постоянным по величине.

Рис. 1. Зависимость вращающе­го момента однофазного коллек­торного двигателя переменного то­ка от времени

Вращающий момент М однофазного коллекторного двигателя кроме постоянной состав­ляющей M_const содержит еще переменную составляющую М_var, ко­торая изменяется во времени с двойной частотой сети (рис.1). В моменты времени, когда ток I или поток Ф проходят через нуль, вращающий момент равен нулю. В определенные моменты времени вращающий момент М принимает отрицательные значения. Величина отрицательного момента зависит от угла сдвига тока и потока β. При β = 0 амплитуда переменной составляющей момента М_var равна постоянной составляющей момента М_const и момент не получает отрицательных значений. Угол β отставания магнитного потока от тока возникает из-за потерь в стали. Именно поэтому в коллекторных двигателях переменного тока всегда стремятся максимально уменьшить потери в стали.

Пульсация момента, наблюдаемая у рассматриваемых двигателей, вследствие большой ее частоты и значительных маховых масс якоря и вращающихся частей механизмов, приводимых во вращение двигателем, практически не отражается на средней ско­рости вращения за один оборот. Однако в приводах, где требуется высокая стабильность мгновенной скорости, с ней нельзя не считаться.

По своим рабочим свойствам однофазной коллекторный двига­тель переменного тока напоминает аналогичный двигатель посто­янного тока, однако несколько уступает ему по своим энергетиче­ским показателям (η, Р_н), что объясняется увеличенными потеря­ми в стали за счет потерь в станине и полюсах.

Частоту вращения можно регулировать одним из трех следую­щих способов: 1) изменением напряжения питания; 2) изменениемсопротивления цепи якоря; 3) изменением магнитного потока.

Универсальные коллекторные микродвигатели

В настоящее время кроме коллекторных двигателей постоянного и переменного тока выпускается большое количество универсальных коллекторных двигателей, способных работать как от сетей посто­янного, так и от сетей переменного тока.

По своему устройству эти двигатели почти не отлича­ются от коллекторных двигателей переменного тока с последова­тельным возбуждением. Их отличительная особен­ность — наличие дополнительных средних выводов у обмоток воз­буждения (рис. 2, а). При работе на постоянном токе под напряжением включается вся обмотка возбуждения, а при работе на переменном токе — лишь часть ее. Последнее необходимо для сближения характеристик двигателя на постоянном и переменном токе (рис. 2, б).Дело в том, что при использовании всей обмотки на постоянном токе двигатель развивает большие моменты и имеет большие частоты вращения, чем на переменном токе (рис. 2, б), что объясняется влиянием на силу и фазу переменного тока индук­тивных сопротивлений обмоток якоря и возбуждения. Однако даже при использовании на переменном токе только части витков обмот­ки возбуждения двигатель может быть универсальным лишь по значению вращающего момента, развиваемой мощности и частоте вращения, причем только при номинальной частоте вращения. При всех других частотах вращения механические характеристики дви­гателя на переменном токе хуже, чем на постоянном.

Рис. 2. Схема включения (а) и ме­ханические характеристики (б) уни­версального коллекторного двигателя. Пунктиром изображена характеристи­ка двигателя при уменьшенном числе витков обмотки возбуждения I

Потери в двигателе при переменном токе боль­ше, чем при постоянном, так как при переменном токе к потерям, имеющимся при постоянном токе, добавляются еще потери в стали статора и полюсов, а также потери в меди обмоток вследствие уве­личения потребляемого двигателем тока.

Искрение под щетками, радиопомехи и шум универсального двигателя при переменном токе значительно больше, чем при постоянном, что объясняется ухудшенны­ми условиями коммутации, вследствие наличия в коммутируемых секциях трансформаторной ЭДС.

Характеристики универсального коллекторного двигателя принципиально не отличаются от характе­ристик двигателя постоянного тока с последовательным возбужде­нием, однако во многом уступают им (рис. 3).

Частота вращения универсального двигателя регулируется либо изменением подводимого к двигателю напряжения, либо путем шунтирования якоря или обмотки возбуждения.

Выпускается несколько серий универсальных коллекторных двигателей. Это серии УЛ, УМТ, МУН и др.

Рис. 3. Рабочие характеристики уни­версального коллекторного двигателя:

–––––– – при постоянном токе;

-------- – при переменном токе

Дата добавления: 2015-10-21