12. Малоинерционные двигатели постоянного тока

Малоинерционные двигатели в зависимости от конструкции и технологии изготовления их якорей можно разделить на две группы: двигатели с печатной обмоткой якоря и двигатели с обмоткой якоря, выполненной из обычного изолированного провода. По своим пусковым и рабочим свойствам эти двигатели близки друг другу.

Малоинерционные двигатели с печатной обмоткой якоря

Двигатели с печатной обмоткой в настоящее время выпускаются в двух конструктивных вариантах: с дисковыми и цилиндрическими якорями.

Дисковый якорь с печатной обмоткой (рис. 1) выполняется в виде тонкого диска из изоляционного материала (например, стеклотекстолита), на обе стороны которого, обычно электрохимическим путем, наносятся соединяющиеся между собой части плоской (печатной) обмотки. Проводники секций (см. рис. 1, б) выполняются из медной фольги, с трех сторон окруженной воздухом (четвертой стороной фольга прилегает к диску). Все первые - начальные половины секций (на рисунке показаны толстой линией) располагаются на одной стороне диска. Все вторые половины секций (выполнены пунктиром) располагаются на другой стороне диска. Концы полусекций, расположенных на разных сторонах диска, соединяются между собой с помощью имеющихся в нем отверстий. Изоляцией между отдельными проводниками обмотки якоря служит материал диска.

Р ис. 1 Дисковый якорь с печатной обмоткой (а) и принципиальная схема обмотки для восьмиполюсной машины (б): 1 – диск; 2 – активные части обмотки; 3 – лобовые части; 4 – гальванические соединения между двумя сторонами каждой секции.

Дисковый якорь вращается между полюсами, создающими поток, направленный в воздушном зазоре аксиально (рис. 2). К печатной обмотке якоря посредством щеток, скользящих по неизолированным поверхностям проводников секций якоря, подводится напряжение. В результате, взаимодействия тока проводников обмотки якоря с магнитным полем полюсов, создается вращающий момент, так же как и в обычном двигателе постоянного тока.

Рис. 2 Двигатель постоянного тока с дисковым якорем с печатной обмоткой: 1 – дисковый якорь; 2, 8 – кольцевые магнитопроводы (ярма); 3 – вал; 4 – втулка; 5 – щетка; 6 – постоянный магнит; 7 – полюсный наконечник.

Недостатком двигателей с дисковыми якорями является то, что при увеличении диаметра диска, вызванного необходимостью увеличения номинальной мощности двигателя, возрастает его момент инерции и ухудшается надежность работы вследствие возможного колебания диска при нагреве. Указанного недостатка лишены машины с полым цилиндрическим якорем, имеющим печатную обмотку.

Цилиндрический якорь с печатной обмоткой (рис. 3) изготовляется в виде полого цилиндра из изоляционного материала, на обе стороны которого (наружную и внутреннюю) наносятся соединяющиеся между собой части печатной обмотки. Концы секций обмотки выводятся к коллектору, расположенному на валу двигателя.

Рис. 3 Цилиндрический якорь с печатной обмоткой в сборе: 1 – цилиндр из изоляционного материала с печатной обмоткой; 2 – коллектор; 3 – сердечник внутреннего статора; 4 – вал; 5 – вентилятор.

Наружная неподвижная часть двигателя с цилиндрическим якорем ничем не отличается от неподвижной части обычной машины постоянного тока. Она состоит из станины и полюсов, которые у исполнительных двигателей всегда выполняются шихтованными. Для уменьшения сопротивления на пути основного магнитного потока внутри полого цилиндрического якоря располагают сердечник внутреннего статора, который укрепляется либо на цилиндрическом выступе одного из подшипниковых щитов как внутренний статор асинхронного двигателя с полым ротором, либо с помощью подшипников на валу двигателя (см. рис. 3). Положительными качествами полого цилиндрического якоря с печатной обмоткой (по сравнению с дисковым) являются меньший момент инерции и большая механическая прочность.

Обычно двигатели с дисковым якорем рассчитывают на небольшие мощности - десятки, сотни ватт, двигатели же с цилиндрическим якорем - на мощности до 10 кВт.

Положительными качествами исполнительных двигателей с дисковым и цилиндрическим якорями являются:

1. высокая технологичность якоря, позволяющая до минимума сократить ручной труд;

2. малый момент инерции якоря;

3. отсутствие потерь в стали двигателя, так как вращающийся якорь не имеет ферромагнитных частей;

4. хорошая безискровая коммутация вследствие малой самоиндукции и взаимоиндукции коммутируемых секций, окруженных воздухом;

5. отсутствие сил магнитного притяжения, действующих на якорь даже при неравномерном воздушном зазоре, что разгружает подшипники и сильно уменьшает механические потери;

6. хорошее охлаждение проводников обмотки якоря при вращении, что позволяет значительно повысить плотность Тока в обмотке якоря;

7. высокий КПД при возбуждении постоянными магнитами, что объясняется отсутствием потерь в стали и весьма незначительными механическими потерями (в двигателе практически имеются лишь потери в обмотке якоря);

8. отсутствие необходимости в межвитковой и пазовой изоляции.

К недостаткам малоинерционных двигателей с печатными обмотками относятся:

1. большой немагнитный промежуток на пути магнитного потока, состоящий из двух воздушных зазоров и толщины якоря, который не содержит ферромагнитных материалов;

2. недостаточная прочность конструкции якорей, что приводит к их колебанию при больших температурах;

3. ограниченное из-за технологических трудностей число витков обмотки якоря; что вынуждает всегда применять последовательную (волновую) обмотку и рассчитывать двигатели либо на работу от сетей с небольшим напряжением, либо на работу при больших частотах вращения.

Вследствие большого немагнитного промежутка на пути потока малоинерционные двигатели, как правило, возбуждаются постоянными магнитами, которые могут располагаться как внутри, так и снаружи полого якоря. Большой немагнитный промежуток в этом случае, хотя и ведет к необходимости увеличения объема магнитов, не приводит к увеличению потерь в двигателе.

Малоинерционные двигатели с обычной обмоткой якоря

Эти двигатели отличаются от малоинерционных двигателей с печатной обмоткой якоря лишь конструкцией обмотки. Они также выпускаются как с цилиндрическими, так и с дисковыми якорями.

Рис. 4 Малоинерционный исполнительный двигатель постоянного тока серии ДПР: 1 – корпус (станина); 2 – полый якорь с обычной обмоткой; 3 – постоянный магнит.

Обмотка якорей этих двигателей выполняется из обычного тонкого провода с эмалевой изоляцией, который в процессе изготовления якоря укладывается в виде секций на цилиндрический или плоский (дисковый) каркас, пропитывается термо активным компаундом на основе эпоксидной смолы и после формовки и полимеризации компаунда превращается в монолитный цилиндр или диск, имеющий необходимую прочность. Концы секций обмотки якоря выводятся к пластинам коллектора. В отличие от якорей с печатными обмотками в этом случае число проводников обмотки якоря может быть значительно больше, что позволяет рассчитывать двигатели на более высокие напряжения и более низкие частоты вращения. Возбуждаются эти двигатели, как правило, постоянными магнитами.

Выпускается серия ДПР малоинерционных исполнительных двигателей с полыми цилиндрическими якорями, имеющими обычную обмотку (рис. 4). В двигателях этой серии магнит размещен внутри якоря. Это позволило значительно сократить потоки рассеяния магнита и лучше его использовать. Корпус двигателя одновременно служит и магнитопроводом. Серия ДПР охватывает диапазон мощностей от 0,12 до 37 Вт. КПД двигателей этой серии на 15... 25 % выше, чем у двигателей серии ДПМ, имеющих якорь обычной конструкции. Электромеханические постоянные времени двигателей серии ДПР от 15 до 20 мс, что в 2 - 2,5 раза меньше, чем у двигателей серии ДПМ.