Опубликовано

Двигатели переменного тока

Линейные электродвигатели

Интересные и широкие перспективы развития электропривода связаны с применением так называемых линейных двигателей.
Большое число производственных механизмов и устройств имеют поступательное или возвратно-поступательное движение рабочих органов (подъемно-транспортные машины, механизмы подач различных станков, прессы, молоты и т. д.). В качестве привода этих механизмов и устройств до недавнего времени использовались обычные электродвигатели в сочетании со специальными видами механических передач (кривошипно-шатунный механизм, передача винт — гайка), преобразовывавших вращательное движение двигателей в прямолинейное движение рабочего органа.
Применение линейных электродвигателей позволяет упростить или полностью исключить механическую передачу, повысить экономичность и надежность работы привода и производственного механизма в целом.
Специфичность конструкции линейного двигателя определила появление и некоторых специальных терминов, применяемых для обозначения отдельных его частей. В настоящее время еще не принята единая система терминологии, поэтому в технической литературе одинаковый смысл вкладываются в понятия: статор — первичный элемент — индуктор, ротор — вторичный элемент — бегун — якорь — реактивная полоса. Часть двигателя, получающая энергию из сети, названа статором (хотя она не всегда является неподвижной частью), а часть двигателя, получающая энергию со статора, названа вторичным элементом.

Рис. 1. Принцип построения линейного двигателя переменного тока.
Линейные двигатели могут быть асинхронными, синхронными и постоянного тока, повторяя по принципу своего действия соответствующие двигатели вращательного движения.
Наибольшее распространение получили асинхронные линейные двигатели, которые мы и рассмотрим вначале. Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если мысленно разрезать (рис. 1) статор 1 и ротор 4 с обмотками 2 и 3 обычного асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и развернуть в плоскость, как это и показано на рисунке. Образовавшаяся «плоская» конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя. Если теперь обмотки 2 статора такого двигателя подключить к сети переменного тока, то образуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью V, пропорциональной частоте питающего напряжения f и длине полюсного деления т:

Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники обмотки 3 ротора и индуктирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведет к появлению силы, действующей, по известному правилу Ленда, в направлении перемещения магнитного поля. Ротор — в дальнейшем будем называть его уже вторичным элементом — под действием этой силы начнет двигаться с некоторым отставанием (скольжением) от магнитного поля, как и в обычном асинхронном двигателе.

Рис. 2. Линейные двигатели.
а — с длинным вторичным элементом; б — с коротким вторичным элементом; в — двухстаторный; г —с сердечником; 5 — со вторичным элементом в виде полосы.
Представленная на рис. 1 конструкция представляет собой линейный двигатель с одинаковыми размерами статора и вторичного элемента. Помимо такой конструкции, в зависимости от назначения линейного двигателя вторичный элемент может быть длиннее статора (рис. 2,а) или короче его (рис. 2,6). Такие двигатели получили соответственно название двигателей с коротким статором и коротким вторичным элементом.
Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Часто — и в этом одно из достоинств линейного асинхронного двигателя — в качестве вторичного элемента используется металлический лист (полоса), как это показано на рис. 2Д. Вторичный элемент при этом может располагаться также между двумя статорами (рис. 2,в) или между статором и ферромагнитным сердечником (рис. 2,г). Двигатель с конструктивной схемой, приведенной на рис. 2,6, получил название двигателя с односторонним статором, со схемой по рис. 2,в — с двусторонним статором и со схемой по рис. 2,г — с односторонним статором и сердечником.
Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, причем использование немагнитного вторичного элемента предполагает применение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через ферромагнитные элементы, как, например, на рис. 2,в, г. Некоторое распространение получили составные сложные вторичные элементы с прилегающими друг к другу полосами из немагнитного и ферромагнитного материала, при этом ферромагнитная полоса выполняет роль части магнитопровода.
Принцип действия линейных двигателей со вторичным элементом в виде полосы повторяет работу обычного асинхронного двигателя с массивным ферромагнитным или полым немагнитным ротором. Обмотки статора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются обычно к сети трехфазного переменного тока.
Отметим, что линейные двигатели очень часто работают в так называемом обращенном режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое применение на электрическом транспорте.
Разновидностями линейных асинхронных двигателей являются дуговой и трубчатый (коаксиальный) двигатели.

Рис. 3. Дуговой двигатель.
Дуговой двигатель характеризуется расположением обмотки на части окружности, как это показано на рис. 3. Особенностью этого двигателя является зависимость частоты вращения его ротора I от длины дуги, на которой располагаются обмотки 2 статора 3.
Пусть обмотки статора располагаются на дуге, длина которой соответствует центральному углу сс=2тр, где т — длина полюсного деления и р — число пар полюсов. Тогда за один период тока вращающееся поле статора совершит поворот на угол. а в течение
одной минуты поле повернется на оборотов, т. е. будет иметь частоту вращения яр, об/мин. Выбирая различные а, можно выполнять дуговые двигатели с различными частотами вращения ротора.
Одна из типовых конструкций трубчатого линейного двигателя представлена на рис. 4.
Статор двигателя 1 имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки 2 (обмотки статора) и металлические шайбы 3, являющиеся частью магнитопровода. Катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент 4 также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала. При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуктирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создает на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закрепленном статоре) движение вторичного элемента в этом направлении.
Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным направлением магнитного потока во вторичном элементе в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление.

Рис. 4. Трубчатый (коаксиальный) линейный двигатель.
Рассмотрим теперь несколько типовых практических конструкций линейных асинхронных двигателей в совокупности с производственными механизмами.
Широкое применение линейные двигатели нашли в электрическом транспорте, чему способствовал целый ряд преимуществ этих двигателей. Одно из них, уже отмеченное выше, определяется прямолинейностью движения вторичного элемента (или статора), что естественно сочетается с характером движения различных транспортных средств.

Рис. 5. Сочленение линейного двигателя с транспортным средством.
Другое, не менее важное обстоятельство связано с независимостью силы тяги от силы сцепления колес с рельсовым путем, что недостижимо для обычных систем электрической тяги. Поэтому ускорения и скорости движения средств транспорта при использовании линейных двигателей могут быть сколь угодно высокими и ограничиваться только комфортабельностью движения, допустимой скоростью качения колес по рельсовому пути и дороге, динамической устойчивостью ходовой части транспорта и пути. Исключается при использовании линейных двигателей и буксование колес электрического транспорта.
Одна из возможных конструктивных схем сочленения линейного двигателя с рельсовым транспортным средством показана на рис. 5. Линейный двигатель, укрепленный на тележке 3 подвижного состава, имеет конструкцию с двусторонним статором 1. Вторичным элементом является укрепленная между рельсами полоса 2. Напряжение на статор двигателя подается с помощью скользящих контактов.
Известны также конструкции линейных двигателей, где вторичным элементом являются рельс или элементы
несущей конструкции. Такие схемы характерны, в частности, для монорельсовых пассажирских и грузовых дорог и механизмов передвижения кранов. На рис. 6 в качестве примера показаны отечественный линейный двигатель, сконструированный для монорельсовой дороги. Этот двигатель имеет двусторонний статор 1 с обмоткой 2, внутри которого находится вторичный элемент в виде полосы 3. Статор двигателя перемещается по полосе с помощью несущих роликов 5. Ролики 4 служат для взаимной фиксации статора и вторичного элемента в горизонтальном направлении. Технические данные этого двигателя следующие: максимальная сила тяги 3800 Н, скорость двигателя 37 км/ч, номинальный ток 200 А, коэффициент полезного действия 50%,коэффициент мощности 0,4. Двигатель питается от трехфазной сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 380 В.
На рис. 7 показан пример использования линейных асинхронных двигателей для механизмов транспортировки грузов различных изделий. Конвейер, предназначенный для перемещения сыпучего материала 1 из бункера 2, имеет металлическую ленту 3, укрепленную на барабанах 4. Металлическая лента проходит внутри статоров 5 линейного двигателя, являясь вторичным элементом. Применение линейного двигателя в этом случае позволяет снизить предварительное натяжение ленты и устранить ее проскальзывание, повысить скорость и надежность работы конвейера.

Рис. 6. Линейный двигатель для монорельсовой дороги.

Рис. 7. Линейный двигатель для транспортеров.
Большой интерес представляет использование линейного двигателя для машин ударного действия, например сваезабивных молотов, применяемых при дорожных работах и строительстве. Конструктивная схема такого молота показана па рис. 8. Статор линейного двигателя 1 располагается на стреле молота 2 и может перемещаться по направляющим стрелы в вертикальном направлении с помощью лебедки 3. Ударная часть молота 4 является одновременно вторичным элементом двигателя.
Для подъема ударной части молота двигатель включается таким образом, чтобы бегущее поле было направлено вверх. При подходе ударной части к крайнему верхнему положению двигатель отключается и ударная часть опускается вниз на сваю под действием силы тяжести. В некоторых случаях двигатель не отключается, а реверсируется, что позволяет увеличить энергию удара. По мере заглубления сваи статор двигателя перемещается вниз с помощью лебедки.
Электрический молот прост в изготовлении, не требует повышенной точности изготовления деталей, нечувствителен к изменению температуры и может вступать в работу практически мгновенно.
Широкое распространение получает линейный двигатель и в легкой промышленности, в частности в текстильном производстве. Примером использования линейного двигателя в текстильной промышленности является привод челнока или прокладчика нити ткацкого станка. Идея такого применения линейных двигателей основывается на принципиальной возможности органического объединения функций челнока и вторичного элемента линейного двигателя.

Рис. 8. Линейный двигатель для сваезабивного молота.
Одна из возможных принципиальных схем ткацкого станка показана на рис. 9. Система электропривода образована двумя цилиндрическими статорами 1 и 2,
снабженными концевыми амортизаторами 3. Вторичным элементом является легкий алюминиевый прокладчик 4 с захватом для нити, который перемещается из одного статора в другой по направляющему каналу 5.
При нахождении прокладчика в статоре 1 устройство управления 6 подает напряжение на этот статор таким образом, что образовавшееся бегущее магнитное поле выталкивает прокладчик из статора. Прокладчик по направляющему каналу перелетает в другой статор, прокладывая нить, и тормозится там с помощью работающего в тормозном режиме статора 2 и амортизатора 3. Затем устройство управления переключает статор 2 для образования бегущего поля в направлении статора I, а сам статор 1 — в тормозной режим. Цикл перемещения прокладчика повторяется.


Рис. 9. Линейный двигатель для ткацких станков.
Ткацкие станки, выполненные по этому принципу, отличаются высокой производительностью, простотой автоматизации и удобством в обслуживании.
В настоящее время многие отечественные организации и заводы разрабатывают и серийно выпускают линейные асинхронные двигатели, среди них:
двигатели мощностью от нескольких ватт до 660 кВт со скоростями движения от 1,4 до 42 м/с для систем транспорта;
двухстаторные тяговые двигатели мощностью от 5 до 1000 кВт со скоростью движения 8,4—11,2 м/с для промышленного транспорта и различных производственных механизмов;
одностаторные тяговые двигатели для транспорта мощностью 26, 120 и 660 кВт со скоростью движения соответственно 10, 25,2 и 33,6 м/с;
тяговые двигатели с использованием рельса в качестве вторичного элемента;
линейные микродвигатели переменного и постоянного тока для привода машин легкой промышленности и для самопишущих измерительных приборов.
Таблица 1

Тип привода-толкателя

Номинальное усилие, Н

Ход штока, м

Время хода, с

Полезная мощность, Вт

ПТЛ-75

0,15

0,33

ЛТЛ-150

0,25

0,56

ПТЛ-300

0,3

0,67

ПТЛ-100

0,12

0,27

ПТЛ-200

0,2

0,4

ПТЛ-600

0,4

0,89

В табл. 1 приведены технические данные цилиндрических линейных асинхронных двигателей, исиользуемых в безредукторном приводе-толкателе со скоростью движения штока 0,45 м/с.
Таблица 2

Тип двигателя

Мощность, кВт

Скорость бегущего поля, м/с

Среднее пусковое усилие, Н

КПД. %

Масса, кг

ЛАД 1

ЛАД 2

ЛАД 3

Для привода слитковозов в прокатном производстве разработаны линейные асинхронные двигатели, технические данные которых приведены в табл. 2.
Наряду с асинхронными линейными двигателями применяются линейные двигатели постоянного тока. Они чаще всего используются для получения небольших перемещений рабочих органов и обеспечения при этом высокой точности и значительных пусковых усилий.
Кроме того, линейные двигатели постоянного тока (как и двигатели вращательного движения) позволяют при необходимости просто регулировать скорость движения рабочих органов. Рассмотрим примеры применения этих двигателей.
На рис. 10 показана схема привода продольного хода стола плоскошлифовального станка с использованием линейного двигателя постоянного тока. На столе 1 станка расположен вторичный элемент (якорь) 2 двигателя. Ток к обмоткам якоря подводится через коллектор 3 и щетки 4, установленные на станине 5 станка. На станине по всей длине хода якоря расположены полюсы двустороннего статора 6, при этом станина является одновременно и магнитопроводом двигателя.
На рис. 11 показана еще одна конструктивная схема линейного двигателя постоянного тока, который применяется для перемещения промышленных изделий. Этот двигатель по существу представляет собой двигатель постоянного тока с полым цилиндрическим якорем, разрезанный по образующей и развернутый в плоскость.


Рис. 11. Линейный двигатель для транспортировки изделий.

Рис. 10. Линейный двигатель для шлифовального станка.
Подвижная часть двигателя — якорь — состоит из немагнитного остова 1 и укрепленной на нем обмотки 2 якоря, которая может быть выполнена из изолированного обмоточного провода или изготовлена из медной фольги путем ее травления. Ширина витков обмотки в направлении движения, как и в обычных двигателях постоянного тока, близка к полюсному делению (т. е. расстоянию по окружности между полюсами магнитной системы двигателя). Токоподвод к обмотке осуществляется с помощью коллектора 3 и щеток 4. На станине двигателя 5 крепится комплект полюсов 6 с обмотками возбуждения 7, размещенных в ряд по направлению движения якоря. Другими частями магнитопровода двигателя являются стальные сердечники 8 и сама станина, выполненная также из ферромагнитного материала. Якорь двигателя вместе со столиком 9 для крепления перемещаемого изделия 10 движется по неподвижным опорам 11 так, что его плоскости с обмотками все время находятся в зазоре между сердечниками 8 и полюсами 6.
На принципе работы линейного двигателя основано действие специальных насосов для перекачки электропроводящих жидкостей и в том числе жидких металлов. Такие насосы, часто называемые магнитогидродинамическими, широко применяются в металлургии для транспортировки, дозировки и перемешивания жидкого металла, а также на атомных электростанциях для перекачки жидкометаллического теплоносителя.
Магнитогидродинамические насосы (МГД-насосы) могут быть постоянного или переменного тока. Конструктивная схема МГД-насоса постоянного тока показана на рис. 12.
Первичным элементом — статором двигателя является С-образный электромагнит 1 (для упрощения рисунка его обмотка возбуждения не показана). В воздушный зазор электромагнита помещается трубопровод 2 с жидким металлом. С помощью электродов 3, приваренных к стенкам трубопровода, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего источника. Часто обмотка возбуждения включается последовательно в цепь электродов 3.

Рис. 12. Магнитогидродинамический насос постоянного тока.

При возбуждении электромагнита на металл в зоне прохождения постоянного тока начинает действовать электромагнитная сила аналогично тому, как она действовала на проводник с током, помещенным в магнитное поле (см. рис. I). Под действием этой силы металл начнет перемещаться по трубопроводу, причем направление его движения просто определить по известному правилу левой руки.
Один из выполненных МГД-насосов этого типа имеет следующие данные: потребляемая мощность 625 кВт, ток 250 000 А, напряжение 2,5 В, КПД 62,5%. Насос обеспечивает транспортировку жидкого натрия при температуре 800°С со скоростью 12,4 м/с по каналу сечением 53×15,2 см2. Номинальный расход насоса 3670 м3/ч при напоре 39 Н/см2.
Преимуществами МГД-насосов являются отсутствие движущихся механических частей и возможность герметизации канала транспортировки металла.
Принцип линейного двигателя используется при разработке реактивных плазменных двигателей космических ракет. Модель такого плазменного двигателя можно также изобразить с помощью схемы, приведенной на рис. 12, где место жидкого металла заняла плазма — высокотемпературный (400°С и более) ионизированный и поэтому токопроводящий газ. Электроэнергию для работы такого двигателя предполагается получить с помощью ядерного реактора.
В последние годы все шире используются синхронные линейные двигатели. Основной областью применения этих двигателей, где их преимущества проявляются особенно сильно, является высокоскоростной электрический транспорт. Дело в том, что по условиям нормальной эксплуатации такого транспорта необходимо иметь сравнительно большой воздушный зазор между подвижной частью и вторичным элементом. Асинхронный линейный двигатель имеет при этом очень низкий коэффициент мощности (cosφ), и его применение оказывается экономически невыгодным. Синхронный линейный двигатель, напротив, допускает наличие относительно большого воздушного зазора между статором и вторичным элементом и работает при этом с cosφ, близким к единице.
Следует при этом отметить, что применение синхронных линейных двигателей в высокоскоростном транспорте сочетается, как правило, с так называемой магнитной подвеской вагонов и применением сверхпроводящих магнитов и обмоток возбуждения, что позволяет повысить комфортабельность движения и экономические показатели работы подвижного состава.
Рассмотрим конкретные примеры использования линейных синхронных двигателей для транспорта. На рис. 13 показана схема путепровода и вагона электропоезда со скоростью движения 400—500 км/ч, предназначенного для перевозки 100 пассажиров.
Тяговый синхронный линейный двигатель имеет электромагнитное возбуждение с использованием сверхпроводящих магнитов. Обмотка возбуждения 1 состоит из ряда катушек, равномерно укрепленных под днищем вагона 5. В криогенной системе охлаждения обмоток используется жидкий гелий. Плоская трехфазная обмотка переменного тока 2 уложена в бетонное полотно дороги и питается от трехфазного инвертора, преобразующего напряжение постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока (здесь кратко рассмотрен принцип действия инвертора). С помощью инвертора осуществляются пуск, изменение скорости движения и торможение поезда. Номинальный ток обмотки 250 А; длина секции обмоток, одновременно включаемых на напряжение, 5 км. Номинальная мощность двигателя 5,2 МВт, номинальное тяговое усилие 40 кН, cos φ=0,92, коэффициент полезного действия 72%.
Путепровод 6 представляет собой бетонное полотно шириной 3,7 м, плоский характер поверхности которого выбран с целью снижения накопления льда и снега.

Рис. 13. Линейный синхронный двигатель для привода подвижного состава.
Вагон подвешивается над полотном дороги на высоте 15 см с помощью специальной системы магнитной подвески. Эта система состоит из удлиненных сверхпроводящих электромагнитов 3, расположенных по краям днища вагона, и плоских алюминиевых полос 4, укрепленных в полотне дороги. Принцип работы системы магнитной подвески основывается на действии электродинамических сил, возникающих при взаимодействии потоков сверхпроводящих электромагнитов 3 на борту вагона и вихревых токов, наведенных в алюминиевых полосах 4. Расисты показали, что при использовании магнитной подвески масса вагона оказывается на 20 т меньше, чем при системе подвески на воздушной подушке.
Для обеспечения поперечной устойчивости поезда при его движении применяется специальная система стабилизации. Она предусматривает укладку дополнительной обмотки (на рисунке не показана) вдоль оси дорожного полотна и основана на взаимодействии токов в этой обмотке с полем тяговых электромагнитов.
Разработанная система электрической тяги с применением описанного выше синхронного линейного двигателя отличается хорошими эксплуатационными показателями, однако для ее работы необходима укладка обмоток в полотно дороги, что удорожает изготовление системы и усложняет ее обслуживание, особенно при значительной протяженности дороги. В связи с этим были разработаны конструкции линейных синхронных двигателей, которые не требуют укладки обмоток в железнодорожное полотно. К их числу относятся линейные синхронные двигатели с так называемым униполярным возбуждением и когтеобразными полюсами. Двигатели того и другого исполнения были использованы для привода 50-тонного состава со скоростью движения 480 км/ч. Параметры двигателей: номинальная мощность 1340 кВт, тяговое усилие 106 Н, частота напряжения переменного тока 350 Гц. Расчетное значение коэффициента мощности равно 1, а коэффициента полезного действия 91— 96%. Масса двигателей при зазоре между составом и вторичным элементом в 1,5 см не превышает 4 т.

Рис. 14. Линейный синхронный двигатель с униполярным возбуждением.
На рис. 14 показана конструктивная схема синхронного линейного двигателя с униполярным возбуждением. Двигатель имеет два статора 1, установленных на подвижной части состава. Бегущее магнитное поле создается с помощью обмоток 2, подключаемых к сети переменного тока. Статоры соединяются магнитопроводом 3, на котором расположена обмотка униполярного возбуждения 4. Эта обмотка создает постоянный по направлению магнитный поток Фп, который пронизывает ферромагнитный вторичный элемент 5, укладываемый в. путепровод. Взаимодействие бегущего магнитного поля с намагниченным вторичным элементом создает силу тяги подвижного состава.
Сопоставление линейных синхронных двигателей с униполярным возбуждением и когтеобразными полюсами с асинхронным линейным двигателем на то же тяговое усилие показало, что последний имеет худший коэффициент мощности (около 0,6), более низкий КПД (около 80%) и большую массу на единицу мощности двигателя.

Линейный двигатель

Лабораторный синхронный линейный двигатель. На заднем плане статор — ряд индукционных катушек, на переднем плане — подвижный вторичный элемент, содержащий постоянный магнит. Поезда Московской монорельсовой транспортной системы используют для движения асинхронный линейный двигатель. Статор расположен на подвижном составе, а вторичным элементом служит монорельс.

Лине́йный дви́гатель — электродвигатель, у которого один из элементов магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую магнитное поле, а другой взаимодействует с ним и выполнен в виде направляющей, обеспечивающей линейное перемещение подвижной части двигателя. Сейчас разработано множество разновидностей (типов) линейных электродвигателей, например:

  • линейные асинхронные электродвигатели (ЛАД),
  • линейные синхронные электродвигатели,
  • линейные электромагнитные двигатели,
  • линейные магнитоэлектрические двигатели,
  • линейные магнитострикционные двигатели,
  • линейные пьезоэлектрические (электрострикционные) двигатели и др.

Многие типы линейных двигателей, такие как асинхронные, синхронные или постоянного тока, повторяют по принципу своего действия соответствующие двигатели вращательного движения, в то время как другие типы линейных двигателей (магнитострикционные, пьезоэлектрические и др.) не имеют практического исполнения как двигатели вращательного движения. Неподвижную часть линейного электродвигателя, получающую электроэнергию из сети, называют статором, или первичным элементом, а часть двигателя, получающую энергию от статора, называют вторичным элементом или якорем (название «ротор» к деталям линейного двигателя не применяется, так как слово «ротор» буквально означает «вращающийся», а в линейном двигателе вращения нет).

Наибольшее распространение в транспорте и для больших линейных перемещений получили асинхронные и синхронные линейные двигатели, но применяются также линейные двигатели постоянного тока и линейные электромагнитные двигатели. Последние чаще всего используются для получения небольших перемещений рабочих органов и обеспечения при этом высокой точности и значительных тяговых усилий.

Асинхронный линейный двигатель

Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если мысленно разрезать статор и ротор с обмотками обычного асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и развернуть в плоскость. Образовавшаяся плоская конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя. Если теперь обмотки статора такого двигателя подключить к сети трёхфазного переменного тока, то образуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью V, пропорциональной частоте питающего напряжения f и длине полюсного деления t: V = 2пf . Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведёт к появлению силы, действующей, по правилу Ленца, в направлении перемещения магнитного поля. Ротор — в дальнейшем будем называть его уже вторичным элементом — под действием этой силы начнёт двигаться. Как и в обычном асинхронном двигателе, перемещение элемента происходит с некоторым скольжением относительно поля S = (V — v)/V, где v — скорость движения элемента. Номинальное скольжение линейного двигателя равно 2-6%. Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Одно из достоинств линейного асинхронного двигателя заключается в том, что в качестве вторичного элемента может использоваться обычный металлический лист. Вторичный элемент при этом может располагаться также между двумя статорами, или между статором и ферромагнитным сердечником. Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, причём использование немагнитного вторичного элемента предполагает применение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через ферромагнитные элементы. Принцип действия линейных двигателей со вторичным элементом в виде полосы повторяет работу обычного асинхронного двигателя с массивным ферромагнитным или полым немагнитным ротором. Обмотки статора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются обычно к сети трёхфазного переменного тока. Линейные двигатели очень часто работают в так называемом обращённом режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое применение на электрическом транспорте. Например, статор неподвижно закреплён под полом вагона, а вторичный элемент представляет собой металлическую полосу между рельс, а иногда вторичным элементом служат сами рельсы. Одной из разновидностей линейных асинхронных двигателей являются трубчатый (коаксиальный) двигатель. Статор такого двигателя имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки (обмотки статора) и металлические шайбы, являющиеся частью магнитопровода. Катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала. При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуцирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создаёт на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закреплённом статоре) движение вторичного элемента в этом направлении. Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным направлением магнитного потока во вторичном элементе в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление.

Синхронный линейный двигатель

Схема синхронного линейного двигателя.

Основной областью применения синхронных двигателей, где их преимущества проявляются особенно сильно, является высокоскоростной электрический транспорт. Дело в том, что по условиям нормальной эксплуатации такого транспорта необходимо иметь сравнительно большой воздушный зазор между подвижной частью и вторичным элементом. Асинхронный линейный двигатель имеет при этом очень низкий коэффициент мощности (cosφ), и его применение оказывается экономически невыгодным. Синхронный линейный двигатель, напротив, допускает наличие относительно большого воздушного зазора между статором и вторичным элементом и работает при этом с cosφ, близким к единице, и высоким КПД, достигающим 96%. Применение синхронных линейных двигателей в высокоскоростном транспорте сочетается, как правило, с магнитной подвеской вагонов и применением сверхпроводящих магнитов и обмоток возбуждения, что позволяет повысить комфортабельность движения и экономические показатели работы подвижного состава.

Применение линейных двигателей

  • Широкое применение линейные двигатели нашли в электрическом транспорте, чему способствовал целый ряд преимуществ этих двигателей: прямолинейность движения вторичного элемента (или статора), что естественно сочетается с характером движения различных транспортных средств, простота конструкции, отсутствие трущихся частей (энергия магнитного поля непосредственно преобразуется в механическую), что позволяет добиться высокой надёжности и КПД. Ещё одно преимущество связано с независимостью силы тяги от силы сцепления колёс с рельсовым путём, что недостижимо для обычных систем электрической тяги. При использовании линейных двигателей исключается буксование колёс электрического транспорта (именно этой причиной был обусловлен выбор линейного двигателя для ММТС), а ускорения и скорости движения средств транспорта могут быть сколь угодно высокими и ограничиваться только комфортабельностью движения, допустимой скоростью качения колёс по рельсовому пути и дороге, и динамической устойчивостью ходовой части транспорта и пути.
  • Линейные асинхронные двигатели применяются для привода механизмов транспортировки грузов различных изделий. Такой конвейер имеет металлическую ленту, которая проходит внутри статоров линейного двигателя, являясь вторичным элементом. Применение линейного двигателя в этом случае позволяет снизить предварительное натяжение ленты и устранить её проскальзывание, повысить скорость и надёжность работы конвейера.
  • Линейный двигатель может применяться для машин ударного действия, например сваезабивных молотов, применяемых при дорожных работах и строительстве. Статор линейного двигателя располагается на стреле молота и может перемещаться по направляющим стрелы в вертикальном направлении с помощью лебёдки. Ударная часть молота является одновременно вторичным элементом двигателя. Для подъёма ударной части молота двигатель включается таким образом, чтобы бегущее поле было направлено вверх. При подходе ударной части к крайнему верхнему положению двигатель отключается и ударная часть опускается вниз на сваю под действием силы тяжести. В некоторых случаях двигатель не отключается, а реверсируется, что позволяет увеличить энергию удара. По мере заглубления сваи статор двигателя перемещается вниз с помощью лебёдки. Электрический молот прост в изготовлении, не требует повышенной точности изготовления деталей, нечувствителен к изменению температуры и может вступать в работу практически мгновенно.
  • Линейный двигатель показал высокие характеристики и на металлорежущем оборудовании. Так на шлифовальных станках 3В130Ф4 установлен именно линейный двигатель для изменения положения бабки шлифовальной. На электроэрозионных станках и станках лазерной резки, так же устанавливают линейные двигатели
  • Станки для набор электрических схем также требуют решений на линейных двигателях.
  • Разновидностью линейного двигателя можно считать магнитогидродинамический насос. Такие насосы применяются для перекачки электропроводящих жидкостей и в том числе жидких металлов, и широко применяются в металлургии для транспортировки, дозировки и перемешивания жидкого металла, а также на атомных электростанциях для перекачки жидкометаллического теплоносителя. Магнитогидродинамические насосы могут быть постоянного или переменного тока. Для насоса постоянного тока первичным элементом — статором двигателя постоянного тока — является С-образный электромагнит. В воздушный зазор электромагнита помещается трубопровод с жидким металлом. С помощью электродов, приваренных к стенкам трубопровода, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего источника. Часто обмотка возбуждения включается последовательно в цепь электродов. При возбуждении электромагнита на металл в зоне прохождения постоянного тока начинает действовать электромагнитная сила аналогично тому, как она действовала на проводник с током, помещённым в магнитное поле. Под действием этой силы металл начнёт перемещаться по трубопроводу. Преимуществами МГД-насосов являются отсутствие движущихся механических частей и возможность герметизации канала транспортировки металла.
  • Вертикальные линейные двигатели используются для лифтов в высотных зданиях, что позволяет обойтись без затраты энергии на подъём троса кабины лифта.

Линейные двигатели высокого и низкого ускорения

Все линейные двигатели можно разделить на две категории:

  • двигатели низкого ускорения
  • двигатели высокого ускорения

Двигатели низкого ускорения используются в общественном транспорте (маглев, монорельс, метрополитен) как тяговые, а также в станках (лазерных, водорезных, сверлильно-фрезерных) и другом технологическом оборудовании в промышленности. Двигатели высокого ускорения весьма небольшие по длине, и обычно применяются, чтобы разогнать объект до высокой скорости, а затем выпустить его (см. пушка Гаусса). Они часто используются для исследований гиперскоростных столкновений, а также, гипотетически, может использоваться в специальных устройствах, таких, как оружие или пусковые установки космических кораблей.

Линейные двигатели широко используются также в приводах подачи металлорежущих станков и в робототехнике. Для повышения точности позиционирования часто используются линейные датчики положения.

  1. Линейные асинхронные двигатели — Принцип действия
  2. Линейные электродвигатели

ВИДЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА — ПОСТОЯННОГО

Одним из основных стимулов к широкой электрификации, начавшейся в XX веке, стала возможность легкого преобразования энергии электрического тока в механическую — к тому времени уже был известен коллекторный электродвигатель, изобретенный Якоби еще в первой половине XIX века.

Изобретение асинхронного двигателя переменного тока стало еще большим шагом вперед. Электромотор лишился механически трущихся и искрящих узлов (щеток и коллектора), превзойдя по бесшумности и ресурсу любой другой существовавший в то время тип привода.

Независимо от конструкции, любой электродвигатель устроен одинаково: внутри цилиндрической проточки в неподвижной обмотке (статоре) вращается ротор, в котором возбуждается магнитное поле, приводящее к отталкиванию его полюсов от статора.

Поддержание постоянного отталкивания требует либо перекоммутации обмоток ротора, как это делается на коллекторных электродвигателях, либо создания вращающегося магнитного поля в самом статоре (классический пример – асинхронный трехфазный двигатель).

Достоинства электродвигателей переоценить трудно. Это:

Крайняя простота. Электродвигатель состоит из минимального количества узлов, поэтому ломаться в нем практически нечему. Самостоятельный запуск. Электродвигателю не нужен пусковой импульс, он начинает вращаться сам при включении питания (исключение – однофазные электродвигатели с пусковой обмоткой, но они практически вышли из употребления). Это позволяет отказаться от холостого хода, включая электромотор только при необходимости. Отсутствие вибраций. Так как в электродвигателях энергия магнитного поля непосредственно преобразуется во вращение, при должной балансировке ротора они полностью бесшумны и не создают вибрации. Легкость управления оборотами и крутящим моментом. Несмотря на то, что на разных типах электродвигателей это достигается разными способами, управление ими в любом случае достаточно просто и надежно. Возможность реверса. На коллекторном двигателе достаточно поменять местами полюса якоря, на трехфазном электромоторе – изменить порядок включения фаз. Обратимость. Коллекторные электродвигатели при внешнем приводе начинают работать как электрогенераторы, что позволяет использовать их для рекуперации энергии при торможении электротранспорта.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Так как постоянный ток не способен создать изменяющееся магнитное поле, обеспечение непрерывного вращения ротора требует принудительной перекоммутации обмоток, или дискретного изменения направления магнитного поля.

Старейший из известных способов – это использование электромеханического коллектора. В этом случае якорь электродвигателя имеет несколько разнонаправленных обмоток, соединенных с находящимися в соответствующем положении относительно щеток ламелями коллектора. В момент включения питания возникает импульс в обмотке, соединенной со щетками, после чего ротор проворачивается, и в том же месте относительно полюсов статора включается новая обмотка.

Так как намагниченность статора во время работы коллекторного электродвигателя постоянного тока не изменяется, вместо сердечника с обмотками могут использоваться мощные постоянные магниты, что сделает мотор компактнее и легче.

Коллекторный двигатель не лишен ряда недостатков. Это:

  • высокий уровень помех, как передаваемых в питающую сеть при переключении обмоток якоря, так и возбуждаемых искрением щеток;
  • неизбежный износ коллектора и щеток;
  • повышенная шумность при работе.

Современная силовая электроника позволила избавиться от этих недостатков, применяя так называемый шаговый двигатель – в нем ротор имеет постоянную намагниченность, а внешнее устройство последовательно меняет направление тока в нескольких обмотках статора. Фактически за единичный импульс тока ротор проворачивается на фиксированный угол (шаг), откуда и пошло название электромоторов такого типа.

Шаговые электродвигатели бесшумны, а также позволяют в широчайших пределах регулировать как крутящий момент (амплитудой импульсов), так и обороты (частотой), а также легко реверсируются изменением порядка следования сигналов. По этой причине они широко используются в сервоприводах и автоматике, однако их максимальная мощность определяется возможностями силовой управляющей схемы, без которой шаговые двигатели неработоспособны.

В начало

Описание коллекторного ДПТ

Схема электродвигателя с двумя обмотками электромагнита на якоре Схема электродвигателя с тремя обмотками электромагнита на якоре

Этот двигатель можно ещё назвать синхронной машиной постоянного тока с самосинхронизацией. Простейший двигатель, являющийся машиной постоянного тока, состоит из постоянного магнита на индукторе (статоре), одного электромагнита с явно выраженными полюсами на якоре (двухзубцового якоря с явно выраженными полюсами и с одной обмоткой), щёточноколлекторного узла с двумя пластинами (ламелями) и двумя щётками.

Простейший двигатель имеет два положения ротора (две «мёртвые точки»), из которых невозможен самозапуск, и неравномерный крутящий момент. В первом приближении магнитное поле полюсов статора равномерное (однородное). В этом случае крутящий момент равен:

M s = s ⋅ 2 ⋅ B ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ sin ⁡ ( w ⋅ t ) {\displaystyle M_{s}=s\cdot 2\cdot B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \sin(w\cdot t)} ,

где s {\displaystyle s} — число витков обмотки ротора,

B {\displaystyle B} — индукция магнитного поля полюсов статора,

I {\displaystyle I} — ток в обмотке ротора ,

L {\displaystyle L} — длина рабочей части витка обмотки ,

r {\displaystyle r} — расстояние от оси ротора до рабочей части витка обмотки ротора (радиус) ,

sin {\displaystyle \sin } — синус угла между направлением северный-южный полюс статора и аналогичным направлением в роторе ,

w {\displaystyle w} — угловая скорость ,

t {\displaystyle t} — время .

Из-за наличия угловой ширины щёток и углового зазора между пластинами (ламелями) коллектора в двигателе этой конструкции имеются динамически постоянно короткозамкнутые щётками части обмотки ротора. Число короткозамкнутых частей обмотки ротора равно числу щёток. Эти короткозамкнутые части обмотки ротора не участвуют в создании общего крутящего момента.

Суммарная короткозамкнутая часть ротора в двигателях с одним коллектором равна:

n ⋅ α / ( 2 ⋅ π ) {\displaystyle n\cdot \alpha /(2\cdot \pi )} ,

где n {\displaystyle n} — число щёток,

α {\displaystyle \alpha } — угловая ширина одной щётки .

Без учёта короткозамкнутых щётками частей крутящего момента средний крутящий момент s {\displaystyle s} рамок (витков) с током за один оборот равен площади под интегральной кривой крутящего момента, делённой на длину периода (1 оборот = 2 π {\displaystyle 2\pi } ):

M k r s r = ( 2 ⋅ ∫ 0 π s ⋅ 2 ⋅ B ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ sin ⁡ ( w ⋅ t ) d ( w ⋅ t ) ) / ( 2 ⋅ π ) = s ⋅ 2 ⋅ B ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ( ∫ 0 π sin ⁡ ( w ⋅ t ) d ( w ⋅ t ) ) / π {\displaystyle Mkrsr=\left(2\cdot \int \limits _{0}^{\pi }s\cdot 2\cdot B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \sin(w\cdot t)d(w\cdot t)\right)/(2\cdot \pi )=s\cdot 2\cdot B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \left(\int \limits _{0}^{\pi }\sin(w\cdot t)d(w\cdot t)\right)/\pi } . Рис. 2 Коллекторный двухполюсный двигатель постоянного тока с тремя зубцами на роторе

Двигатель, показанный на рис. 2, состоит из:
— одного электромагнита на статоре (двухполюсного статора) с явно выраженными полюсами и с одной обмоткой,
— ротора с тремя зубцами и, соответственно, с тремя обмотками (обмотки ротора при такой конструкции могут быть включены звездой (в столь маломощной машине условия коммутации допускают такое соединение) или треугольником),
— щёточноколлекторного узла с тремя пластинами (ламелями) и с двумя щётками.
Самозапуск возможен из любого положения ротора. Имеет меньшую неравномерность крутящего момента, чем двигатель с двухзубцовым ротором (рис. 1).

ДПТ являются обратимыми электрическими машинами, то есть в определённых условиях способны работать как генераторы постоянного тока.

Сокращение ДПТ (двигатель постоянного тока) является неудачным, так как название «двигатель переменного тока» имеет то же сокращение — ДПТ. Но так как двигатели переменного тока разделяются на асинхронные (АД) и синхронные (СД), сокращение ДПТ относят к двигателям постоянного тока.

Статор (индуктор)

Основная статья: Статор

На статоре ДПТ располагаются, в зависимости от конструкции, или постоянные магниты (микродвигатели), или электромагниты с обмотками возбуждения (катушками, наводящими магнитный поток возбуждения).

В простейшем случае статор имеет два полюса, то есть один магнит с одной парой полюсов. Но чаще ДПТ имеют две пары полюсов. Бывает и более. Помимо основных полюсов на статоре (индукторе) могут устанавливаться добавочные полюса, которые предназначены для улучшения коммутации на коллекторе.

Ротор (якорь)

Основная статья: Ротор (техника) Рис. 3 Ротор

Минимальное число зубцов ротора, при котором самозапуск возможен из любого положения ротора — три. Из трёх, кажущихся явно выраженными, полюсов, на самом деле один полюс всё время находится в зоне коммутации, то есть ротор имеет минимум одну пару полюсов (как и статор, так как в противном случае работа двигателя невозможна).

Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на часть которых подаётся питание, в зависимости от угла поворота ротора, относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек, необходимо для уменьшения неравномерности крутящего момента, для уменьшения коммутируемого (переключаемого) тока, и для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (то есть для создания максимального момента на роторе).

При вычислении момента инерции ротора его, в первом приближении, можно считать сплошным однородным цилиндром с моментом инерции, равным:

J a = ( 1 / 2 ) ⋅ m ⋅ R 2 {\displaystyle J_{a}=(1/2)\cdot m\cdot R^{2}} ,

где m {\displaystyle m} — масса цилиндра (ротора),

а R {\displaystyle R} — радиус цилиндра (ротора).

Коллектор

Основная статья: Щёточно-коллекторный узел

Коллектор (щёточно-коллекторный узел) выполняет одновременно две функции: является датчиком углового положения ротора и переключателем тока со скользящими контактами.

Конструкции коллекторов имеют множество разновидностей.

Выводы всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов (ламелей), расположенных по оси (вдоль оси) ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.

Рис. 4 Графитовые щётки

Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках ротора. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый).

Щётки с большой частотой размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора. Как следствие, при работе ДПТ происходят переходные процессы в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает надёжность ДПТ. Для уменьшения искрения применяются различные способы, основным из которых является установка добавочных полюсов.

При больших токах в роторе ДПТ возникают мощные переходные процессы, в результате чего искрение может постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора или «круговой огонь». Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора недопустим. При проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.

Принцип работы

Принципу работы электродвигателя постоянного тока может быть дано два описания:

1. подвижная рамка (два стержня с замкнутыми концами) с током в магнитном поле статора

или

2. взаимодействие магнитных полей статора и ротора.

Рамка с током, в однородном магнитном поле полюсов статора с индукцией B {\displaystyle B} , на два стержня рамки длиной L {\displaystyle L} , и с током I {\displaystyle I} , действует сила Ампера F {\displaystyle F} , постоянной величины, равные:

F = B ⋅ I ⋅ L {\displaystyle F=B\cdot I\cdot L} и направленные в противоположные стороны.

Эти силы прикладываются к плечам p {\displaystyle p} , равным:

p = r ⋅ sin ⁡ ( w ⋅ t ) {\displaystyle p=r\cdot \sin(w\cdot t)} , где r {\displaystyle r} — радиус рамки;

и создают крутящий момент M k {\displaystyle M_{k}} , равный:

M k = F ⋅ p = B ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ sin ⁡ ( w ⋅ t ) {\displaystyle M_{k}=F\cdot p=B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \sin(w\cdot t)} .

Для двух стержней рамки, суммарный крутящий момент равен:

M k s = 2 ⋅ M k = 2 ⋅ B ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ sin ⁡ ( w ⋅ t ) {\displaystyle M_{k}s=2\cdot M_{k}=2\cdot B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \sin(w\cdot t)} .

Практически (из-за того, что угловая ширина щётки α {\displaystyle \alpha } (в радианах) немного меньше угловой ширины зазора β {\displaystyle \beta } , между пластинами (ламелями) коллектора, чтобы источник питания не замыкался накоротко) четыре небольших части под кривой крутящего момента, равные:

2 ⋅ B ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ∫ 0 δ / 2 sin ⁡ ( w ⋅ t ) d ( w ⋅ t ) {\displaystyle 2\cdot B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \int \limits _{0}^{\delta /2}\sin(w\cdot t)d(w\cdot t)} , где δ = β − α {\displaystyle \delta =\beta -\alpha } ,

не участвуют в создании общего крутящего момента.

При числе витков в обмотке равном s {\displaystyle s} , крутящий момент будет равен:

M s = s ⋅ 2 ⋅ B ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ sin ⁡ ( w ⋅ t ) {\displaystyle M_{s}=s\cdot 2\cdot B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \sin(w\cdot t)} .

Наибольший крутящий момент будет при угле поворота рамки равном: π / 2 {\displaystyle \pi /2} , то есть при угле 90°.

При этом угле поворота рамки с током, вектора магнитных полей статора и ротора (рамки) будут перпендикулярны друг к другу, то есть под углом 90°. При угле поворота ротора (рамки) равном 180°, крутящий момент равен нулю (из-за нулевого плеча), но силы не равны нулю и это положение ротора (рамки), при отсутствии переключения тока, весьма устойчиво и подобно одному шагу в шаговом двигателе.

Без учёта короткозамкнутых щётками частей крутящего момента средний крутящий момент за один оборот (период) равен площади под интегральной кривой крутящего момента, делённой на длину периода ( 2 ⋅ π ) {\displaystyle (2\cdot \pi )} :

M k r s r = ( 2 ⋅ ∫ 0 π B ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ sin ⁡ ( w ⋅ t ) d ( w ⋅ t ) ) / ( 2 ⋅ π ) = B ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ( ∫ 0 π sin ⁡ ( w ⋅ t ) d ( w ⋅ t ) ) / π {\displaystyle Mkrsr=\left(2\cdot \int \limits _{0}^{\pi }B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \sin(w\cdot t)d(w\cdot t)\right)/(2\cdot \pi )=B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \left(\int \limits _{0}^{\pi }\sin(w\cdot t)d(w\cdot t)\right)/\pi } .

При s {\displaystyle s} витков в обмотке:

M k r s r = s ⋅ B ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ( ∫ 0 π sin ⁡ ( w ⋅ t ) d ( w ⋅ t ) ) / π {\displaystyle Mkrsr=s\cdot B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \left(\int \limits _{0}^{\pi }\sin(w\cdot t)d(w\cdot t)\right)/\pi } .

Две рамки с током в однородном магнитном поле полюсов статора

Если на роторе машины установить вторую рамку, сдвинутую относительно первой на угол π / 2 {\displaystyle \pi /2} , то получится четырёхполюсный ротор.

Момент второй рамки:

M c = 2 ⋅ B ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ sin ⁡ ( ω t + π / 2 ) = 2 ⋅ B ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ cos ⁡ ( ω t ) {\displaystyle M_{c}=2\cdot B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \sin(\omega t+\pi /2)=2\cdot B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \cos(\omega t)} .

Суммарный момент обеих рамок:

M k = M s + M c = 2 ⋅ B ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ( sin ⁡ ( ω t ) + cos ⁡ ( ω t ) ) {\displaystyle M_{k}=M_{s}+M_{c}=2\cdot B\cdot I\cdot L\cdot r\cdot (\sin(\omega t)+\cos(\omega t))} .

Таким образом получается, что крутящий момент зависит от угла поворота ротора, но неравномерность меньше, чем при одной рамке. Кроме этого добавляется самозапуск из любого положения ротора. При этом для второй рамки потребуется второй коллектор (щёточно-коллекторный узел). Оба узла соединяются параллельно, при этом переключение тока в рамках происходит в интервалах с наименьшим током в рамках, при последовательном соединении переключение тока в одной из рамок (разрыв цепи) происходит во время максимального тока в другой рамке. Практически, из-за того, что угловая ширина щётки α {\displaystyle \alpha } (в радианах) немного меньше угловой ширины зазора β {\displaystyle \beta } (в радианах) между пластинами коллектора (ламелями), восемь небольших частей под кривой крутящего момента, равных:

2 ⋅ B ⋅ I ⋅ L ⋅ r ∫ 0 Δ / 2 sin ⁡ ( ω t ) ⋅ d ( ω t ) {\displaystyle 2\cdot B\cdot I\cdot L\cdot r\int \limits _{0}^{\Delta /2}\sin(\omega t)\cdot d(\omega t)} , где Δ = β − α {\displaystyle \Delta =\beta -\alpha } ,

не участвуют в создании общего крутящего момента.

Рамка с током в неоднородном магнитном поле полюсов статора

Если магнитное поле полюсов статора неоднородное и изменяется по отношению к стержням рамки по закону:

B = B m ⋅ sin ⁡ ( ω ⋅ t ) {\displaystyle B=B_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)} ,

то крутящий момент для одного стержня будет равен:

M = B m ⋅ sin ⁡ ( ω ⋅ t ) ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ sin ⁡ ( ω ⋅ t ) = B m ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ( sin ⁡ ( ω ⋅ t ) ) 2 {\displaystyle M=B_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \sin(\omega \cdot t)=B_{m}\cdot I\cdot L\cdot r\cdot (\sin(\omega \cdot t))^{2}} ,

для двух стержней:

M s = 2 ⋅ B m ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ( sin ⁡ ( ω ⋅ t ) ) 2 {\displaystyle M_{s}=2\cdot B_{m}\cdot I\cdot L\cdot r\cdot (\sin(\omega \cdot t))^{2}} ,

для рамки из s {\displaystyle s} витков:

M s s = s ⋅ 2 ⋅ B m ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ( sin ⁡ ( ω ⋅ t ) ) 2 {\displaystyle M_{s}s=s\cdot 2\cdot B_{m}\cdot I\cdot L\cdot r\cdot (\sin(\omega \cdot t))^{2}} .

В создании крутящего момента не участвуют четыре части под кривой крутящего момента равные:

s ⋅ 2 ⋅ B m ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ∫ 0 δ / 2 ( sin ⁡ ( ω ⋅ t ) ) 2 d ( ω ⋅ t ) . {\displaystyle s\cdot 2\cdot B_{m}\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \int \limits _{0}^{\delta /2}(\sin(\omega \cdot t))^{2}d(\omega \cdot t).}

Без учёта короткозамкнутых щётками частей крутящего момента средний крутящий момент за один оборот (период) равен площади под интегральной кривой делённой на длину периода ( 2 ⋅ π ) {\displaystyle (2\cdot \pi )} :

M k r s r = 2 ⋅ ∫ 0 π B m ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ( sin ⁡ ( ω ⋅ t ) ) 2 d ( ω ⋅ t ) / ( 2 ⋅ π ) = B m ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ∫ 0 π ( sin ⁡ ( ω ⋅ t ) ) 2 d ( ω ⋅ t ) / π {\displaystyle Mkrsr=2\cdot \int \limits _{0}^{\pi }B_{m}\cdot I\cdot L\cdot r\cdot (\sin(\omega \cdot t))^{2}d(\omega \cdot t)/(2\cdot \pi )=B_{m}\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \int \limits _{0}^{\pi }(\sin(\omega \cdot t))^{2}d(\omega \cdot t)/\pi } .

При s {\displaystyle s} витках в обмотке:

M k r s r = ( s ⋅ B m ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ∫ 0 π ( sin ⁡ ( ω ⋅ t ) ) 2 d ( ω ⋅ t ) ) / π {\displaystyle Mkrsr=(s\cdot B_{m}\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \int \limits _{0}^{\pi }(\sin(\omega \cdot t))^{2}d(\omega \cdot t))/\pi } .

Две рамки с током в неоднородном магнитном поле полюсов статора

Для второй (косинусной) рамки:

sin ⁡ ( w ⋅ t + π / 2 ) = cos ⁡ ( w ⋅ t ) {\displaystyle \sin(w\cdot t+\pi /2)=\cos(w\cdot t)} ;

крутящий момент от второй (косинусной) рамки будет равен:

M c = 2 ⋅ B m ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ( cos ⁡ ( w ⋅ t ) ) 2 {\displaystyle M_{c}=2\cdot B_{m}\cdot I\cdot L\cdot r\cdot (\cos(w\cdot t))^{2}} ,

суммарный крутящий момент от обеих рамок равен:

M k = M s + M c = 2 ⋅ B m ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ( ( sin ⁡ ( w ⋅ t ) ) 2 + ( cos ⁡ ( w ⋅ t ) ) 2 ) = 2 ⋅ B m ⋅ I ⋅ L ⋅ r {\displaystyle M_{k}=M_{s}+M_{c}=2\cdot B_{m}\cdot I\cdot L\cdot r\cdot ((\sin(w\cdot t))^{2}+(\cos(w\cdot t))^{2})=2\cdot B_{m}\cdot I\cdot L\cdot r} ,

то есть постоянен, и от угла поворота ротора не зависит.

Практически из-за наличия зазора восемь небольших частей, под кривой крутящего момента, равные:

2 ⋅ B m ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ∫ 0 δ / 2 ( sin ⁡ ( w ⋅ t ) ) 2 d ( w ⋅ t ) {\displaystyle 2\cdot B_{m}\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \int \limits _{0}^{\delta /2}(\sin(w\cdot t))^{2}d(w\cdot t)} каждая,

в создании крутящего момента не участвуют.

Для вычисления момента инерции ротора его можно считать, в первом приближении, сплошным однородным цилиндром с моментом инерции:

J a = ( 1 / 2 ) ⋅ m ⋅ R 2 {\displaystyle J_{a}=(1/2)\cdot m\cdot R^{2}} , где m {\displaystyle m} — масса цилиндра (ротора), R {\displaystyle R} — радиус цилиндра (ротора).

Взаимодействие магнитных полей

Необходимо отметить, что работа по вращению ротора (рамки с током) совершается не за счет энергии внешнего магнитного поля (поля статора), а за счет источника тока, поддерживающего неизменным ток в контуре рамки. При изменениях магнитного потока, пронизывающего контур (рамку с током) при вращении, в этом контуре возникает э.д.с. индукции, направленная противоположно э.д.с. источника тока. Следовательно, источник тока, кроме работы, затрачиваемой на выделение ленц-джоулева тепла, должен совершать дополнительную работу против э.д.с. индукции. Сам же процесс вращения происходит за счет силы Ампера, действующей на проводник с электрическим током, находящийся в магнитном поле. Правильное мнение, что ротор (рамка с током) приходит в движение за счет того, что его магнитное поле отталкивается от магнитного поля статора.

Разновидности

Коллекторные, с щёточноколлекторным переключателем тока

С одним коллектором (щёточноколлекторным узлом) и 2 ⋅ n {\displaystyle 2\cdot n} обмотками, где n {\displaystyle n} — число пар полюсов ротора, с соединением обмоток ротора в кольцо (по этой классификации двигатель на рис. 2 является полуторным, имеет полторы пары полюсов и 2 ⋅ 1 , 5 = 3 {\displaystyle 2\cdot 1{,}5=3} обмотки ротора). Имеют большую, короткозамкнутую щётками, часть обмотки ротора, равную:

k ⋅ α / ( 2 ⋅ π ) {\displaystyle k\cdot \alpha /(2\cdot \pi )} , где k {\displaystyle k} — число щёток, α {\displaystyle \alpha } — угловая ширина одной щётки (рад), π {\displaystyle \pi } — число пи (3,14…).

С двумя коллекторами (щёточноколлекторными узлами, в бесколлекторных — с инвертором на двух параллельных мостах) и двумя обмотками синусной и косинусной (синусно-косинусный, двухфазный) с неоднородным (синусообразным) магнитным полем полюсов статора. Имеют малую нерабочую часть под кривой крутящего момента, равную:

8 ⋅ 2 ⋅ B m ⋅ I ⋅ L ⋅ r ⋅ ∫ 0 δ / 2 ( sin ⁡ ( w ⋅ t ) ) 2 d ( w ⋅ t ) {\displaystyle 8\cdot 2\cdot B_{m}\cdot I\cdot L\cdot r\cdot \int \limits _{0}^{\delta /2}(\sin(w\cdot t))^{2}d(w\cdot t)} , где δ = β − α {\displaystyle \delta =\beta -\alpha } , a β {\displaystyle \beta } — угловая ширина зазора между пластинами коллектора (ламелями).

Подобен двухфазному бесколлекторному.

С тремя коллекторами и тремя обмотками (в бесколлекторных с инвертором на трёх параллельных мостах, трёхфазный).

С четырьмя коллекторами (щёточноколлекторными узлами) и двумя обмотками синусной и косинусной (синусно-косинусные), специальные. Специальная конструкция коллектора с четырьмя коллекторами (один коллектор на одну щётку) позволяет почти до нуля уменьшить нерабочую часть крутящего момента (нерабочая часть крутящего момента в этом двигателе зависит от точности изготовления деталей) и сделать используемую часть крутящего момента независимой от угловой ширины щётки. При этом угловая ширина одной пластины коллектора равна:

γ = π − α {\displaystyle \gamma =\pi -\alpha } , где α {\displaystyle \alpha } — угловая ширина одной щётки.

С четырьмя коллекторами и четырьмя обмотками (в бесколлекторных — с инвертором на четырёх параллельных мостах, четырёхфазный).

С восемью коллекторами (щёточноколлекторными узлами). В этом двигателе уже нет рамок, а ток подаётся через коллекторы в отдельные стержни ротора.

И др.

Бесколлекторные, с электронным переключателем тока

Электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР) (вентильный электродвигатель).

Ротор является постоянным магнитом, а обмотки статора переключаются электронными схемами — инверторами.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока с выпрямителем (мостом) может заменить универсальный коллекторный двигатель (УКД).

Другие виды электродвигателей постоянного тока

  • Униполярный электродвигатель (униполярный генератор)
  • Универсальный коллекторный двигатель, — работает и на постоянном токе, и на переменном. Применяется в ручных электроинструментах (электродрели, электролобзики, электропилы, электрорубанки и др.), пылесосах, кофемолках, блендерах и др.

Управление

Основные формулы, используемые при управлении ДПТ:

  • Скорость двигателя:

ω = U − I R C Φ {\displaystyle \omega ={\frac {U-IR}{C\Phi }}}

где U {\displaystyle U} — подводимое к обмотке якоря напряжение,

I {\displaystyle I} — ток обмотки якоря,

R {\displaystyle R} — сопротивление цепи якоря,

C {\displaystyle C} — конструктивная постоянная,

Φ {\displaystyle \Phi } — поток, создаваемый обмоткой возбуждения.

  • Крутящий момент, развиваемый двигателем с независимым (параллельным) возбуждением, пропорционален току в обмотке якоря (ротора) (для двигателей последовательного возбуждения — момент приближённо пропорционален квадрату тока, так как поток пропорционален почти току):

M = C m Φ I {\displaystyle M=C_{m}\Phi I}

  • ПротивоЭДС в обмотках якоря пропорциональна угловой частоте вращения ротора b при постоянном потоке возбуждения Φ :

E = k e ⋅ ω {\displaystyle E=k_{e}\cdot \omega } , где k e {\displaystyle k_{e}} — коэффициент ЭДС двигателя, ω {\displaystyle \omega } — угловая скорость вращения ротора.

Общие способы управления ДПТ:

  • изменение напряжения, подводимого к обмотке якоря;
  • введение добавочного сопротивления в цепь якоря;
  • изменение потока (регулирование возбуждения).

Механическая характеристика

Зависимость частоты от момента на валу ДПТ отображается в виде графика. Горизонтальная ось (абсцисс) — момент на валу ротора, вертикальная ось (ординат) — частота вращения ротора. Механическая характеристика ДПТ есть прямая, идущая с отрицательным наклоном.

Механическая характеристика ДПТ строится при определённом напряжении питания обмоток ротора. В случае построения характеристик для нескольких значений напряжения питания говорят о семействе механических характеристик ДПТ.

Регулировочная характеристика

Зависимость частоты вращения ротора от напряжения питания обмоток ротора ДПТ, отображается в виде графика. Горизонтальная ось (абсцисс) — напряжение питания обмоток ротора, вертикальная ось (ординат) — частота вращения ротора. Регулировочная характеристика ДПТ есть прямая, идущая с положительным наклоном.

Регулировочная характеристика ДПТ строится при определённом моменте, развиваемом двигателем. В случае построения регулировочных характеристик для нескольких значений момента на валу ротора, говорят о семействе регулировочных характеристик ДПТ.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *