Исполнительные двигатели и тахогенераторы

Общие положения

Исполнительными двигателями называются двигатели, которые применяются в системах автоматического управления и регулирования различных автоматизированных установок и предназначены для преобразования электрического сигнала (напряжения управления), получаемого от какого-либо измерительного органа, в механическое перемещение (вращение) вала с целью воздействия на соответствующий регулирующий или управляющий аппарат. Если напряжение и мощность сигнала малы для управления исполнительным двигателем, то применяются промежуточные усилители мощности (магнитные, электронные, полупроводниковые).

Номинальная мощность исполнительных двигателей обычно составляет от долей ватта до нескольких киловатт. К этим двигателям предъявляются большие требования по точности работы и быстродействию. Обычно требуется, чтобы зависимости момента M и скорости n от напряжения сигнала (управления) U_у были по возможности линейными.

Существует ряд разновидностей исполнительных двигателей постоянного и переменного тока. Ниже кратко рассматриваются исполнительные двигатели постоянного тока.

Исполнительные двигатели нормальной конструкции

По своему устройству они аналогичны нормальным машинам постоянного тока. При якорном управлении ток возбуждения i_в = const, а на якорь подается напряжение управления U_у. Характеристики M = f (U_у) и n = f (U_у) при этом получаются практически линейными. При полюсном управлении на якорь подается напряжение U_a = const, а напряжение управления, U_у подается на обмотку возбуждения. При этом требуется меньшая мощность управления, однако характеристика n = f (U_у) не будет линейной. Поэтому чаще применяется якорное управление.

Магнитоэлектрические машины

В связи с разработкой сплавов ални (Al – Ni), алнико (Al – Ni – Co), а также ряда других сплавов, обладающих высокими магнитными свойствами, стало возможным изготовление машин без обмотки возбуждения, с постоянными магнитами на индукторе. В частности, с постоянными магнитами изготовляются исполнительные двигатели с якорным управлением мощностью до 50 – 100 Вт.

С постоянными магнитами можно строить также генераторы и двигатели общего назначения мощностью до 5 – 10 кВт и выше. Такие машины получили широкое распространение.

Исполнительные двигатели с полым немагнитным якорем

Вследствие малой инерции такие двигатели обладают большим быстродействием. Полый якорь в виде стаканчика изготовляется из пластмассы, и на нем размещается и укрепляется якорная обмотка обычного типа, соединенная с коллектором. Внутренний неподвижный ферромагнитный сердечник (статор) при якорном управлении может быть массивным (рисунок 1).

Рисунок 1. Исполнительный двигатель постоянного тока с полым немагнитным якорем
1 – переднй щит; 2 – щеткодержатель; 3 – крышка смотрового люка; 4 – коллектор; 5 – станина; 6 – обмотка возбуждения; 7 – полюс; 8 – полый якорь; 9 – внутренний статор; 10 – задний щит

Из-за наличия большого немагнитного зазора между внешним и внутренним статорами требуется сильная обмотка возбуждения, габариты машины увеличиваются, а коэффициент полезного действия уменьшается. Подобные двигатели выпускаются мощностью до 10 – 15 Вт.

Двигатели с печатной обработкой якоря

Двигатели с печатной обработкой якоря (рисунок 2), также обладают малой инерцией. Якорь этого двигателя имеет вид тонкого диска из немагнитного материала (текстолит, стеклотекстолит и так далее), на обеих сторонах которого расположены медные проводники обмотки якоря. Проводники выполняются путем гальванического травления листов медной фольги, наклеенных на диск якоря, либо гальваническим осаждением или переносом меди. Обмотка, изготовляемая таким способом, получила название печатной. Схема обмотки якоря обычная, двухслойная, причем проводники отдельных слоев расположены на разных сторонах диска и соединяются электрически между собой через отверстия в диске. Серебряно-графитные щетки скользят по неизолированной поверхности элементов обмотки якоря, как по коллектору.

Рисунок 2. Двигатель постоянного тока с печатной обмоткой якоря: а – разрез двигателя; б – обмотка якоря
1 – диск якоря с обмоткой; 2 – вал; 3 – втулка; 4 – щетки и щеткодержатель; 5 – постоянные магниты (полюсы); 6 – полюсные наконечники; 7 и 8 - диски из магнитной стали

Возбуждение осуществляется с помощью постоянных магнитов или обмотки возбуждения. Напряжение таких машин составляет 6 – 50 В. Ввиду хороших условий охлаждения допустимы большие плотности тока в обмотке якоря (до 30 – 40 А/мм² при продолжительном режиме работы). В случае необходимости быстрого торможения после снятия напряжения сигнала диск якоря изготовляется из алюминия.

Тахогенераторы

Тахогенераторы представляют собой маломощные электрические генераторы (обычно до P_н = 10 – 50 Вт), которые служат в системах автоматики для преобразования скорости вращения в электрический сигнал (напряжение U_с). От тахогенераторов требуется линейная зависимость U_с = f (n) с точностью до 0,2 – 0,5 %, а иногда с точностью до 0,01 %. В маломощных тахогенераторах при n = 1000 об/мин напряжение U_с = 3 – 5 В, а в более мощных тахогенераторах обычного применения при такой же скорости вращения U_с = 50 – 100 В.

Большинство тахогенераторов имеет обычную конструкцию машин постоянного тока с независимым возбуждением при i_в = const или с постоянными магнитами. При необходимости уменьшения механической инерции и устранения зубцовых пульсаций напряжения применяют конструкцию с полым якорем (смотрите рисунок 1). Разработаны также униполярные тахогенераторы (смотрите рисунок 7, в статье "Специальные типы генераторов и преобразователей постоянного тока") с электромагнитным возбуждением или с постоянными магнитами. При этом отсутствуют коллекторные пульсации напряжения, однако U_с мало.

Исполнительные двигатели и тахогенераторы нормальной конструкции и с постоянными магнитами выпускались в СССР серийно.

Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.