150
5.5 Электродвигатели мехатронных модулей
Применение в мехатронных системах электродвигателей посто-
янного тока обусловлено такими их преимуществами как: линей-
ность характеристик, широкий диапазон регулирования скорости,
достаточная перегрузочная способность, равномерное вращение на
низких скоростях.
В свою очередь двигатели постоянного тока с постоянными
магнитами, которые по принципу действия не отличается от двига-
телей с электромагнитным возбуждением, позволяют получить более
высокий КПД, меньшие весогабаритные показатели (в области
малых мощностей), имеют облегченные условия охлаждения. Посто-
янный магнит изготавливают из магнитотвердых материалов, кото-
рые имеют широкую петлю гистерезиса. Для получения постоянных
магнитов используют различные сплавы на основе железа, алюми-
ния, цинка, кобальта и некоторых редкоземельных металлов. Наилуч-
шими свойствами обладает сплав самария с кобальтом и празеоди-
мом. Регулирование скорости двигателя осуществляется путем изме-
нения якорного напряжения. Семейство механических характеристик
для различных значений якорного напряжения представлено на
рис. 5.17.
Рис. 5.17. Механические характеристики
Наличие в двигателях постоянного тока коллекторно-щеточного
узла, снижающего надежность систем и увеличивающего затраты на
обслуживание, привели к разработке вентильных двигателей.
151
Вентильный двигатель (ВД) содержит электронный коммутатор
(К), который по своим функциям заменяет коллектор и щетки двига-
теля. На статоре вентильного двигателя располагается трехфазная
обмотка переменного тока, питаемая через коммутатор. Ротор обе-
спечивает возбуждение двигателя с помощью постоянного магнита
(мощности до 30 кВт).
Коммутатор по принципу действия представляет собой управ-
ляемый инвертор (УИ), который может питаться непосредственно от
источника постоянного тока (аккумуляторная батарея, сеть посто-
янного тока) или от управляемого выпрямителя (УВ), если двигатель
подключен к сети переменного тока. Во втором случае коммутатор
представляет собой преобразователь частоты со звеном постоянного
тока.
Управление коммутатором производится с помощью датчика
положения ротора (ДП), устанавливаемого на валу двигателя. ДП
формирует сигналы, поступающие на систему управления (СУ). В
результате чего с помощью статорных обмоток создается вращаю-
щееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем ротора и в
результате возникает синхронизирующий момент. Функциональная
схема включения ВД показана на рис. 5.18.
Рис. 5.18. Функциональная схема вентильного двигателя
Регулирование скорости вентильного двигателя производится
путем изменения задающего сигнала
U
зс
, вследствие чего изменяется
выходное напряжение УВП и частота тока УИ.
Вентильные двигатели по сравнению с коллекторными обла-
дают рядом преимуществ: более высокая надежность и срок службы;
улучшение тепловой характеристики из-за отсутствия тепло-
152
элементов в роторе; более высокое быстродействие за счет меньшего
момента инерции ротора, большая перегрузочная способность. Такая
электрическая машина с
n-фазной обмоткой на статоре и ротором в
виде постоянного магнита представляет собой по сути синхронный
двигатель.
Известно, что разновидностью синхронного двигателя является
шаговый двигатель, у которого питание статорных обмоток осу-
ществляется путем подачи импульсов напряжения от источника
постоянного тока с помощью электронного коммутатора. При этом
ротор, выполненный в виде постоянного магнита, под воздействием
каждого импульса совершает определенное угловое перемещение,
называемое шагом.
Шаговые двигатели применяется в том случае, если управля-
ющий сигнал задан в виде последовательности импульсов. Это имеет
место в приводах роботов, манипуляторов, станков ЧПУ.
Простейшая двухфазная модель, поясняющая принцип работы
шагового двигателя показана на рис. 5.19.
Рис. 5.19. Двухфазная модель шагового двигателя
Если обмотка статора по оси α подключена к источнику с
напряжением
U
1α
и в ней протекает постоянный ток, а обмотка по оси
β отключена, то создаваемое обмоткой α поле статора будет взаи-
модействовать с полем ротора, вследствие чего возникает синхро-
низирующий момент. Ротор двигателя фиксируется в положении,
153
определяемом вектором поля статора с точностью, зависящей от
нагрузки и жесткости электромагнитной угловой характеристики.
Переключение обмоток вызывает поворот ротора на один шаг,
которому соответствует угол ∆φ
ш
. Средняя угловая скорость ротора
определяется как
ш
ср
ш
ш
∆φ
∆φ ,
f
t
ω =
=
∆
где f – частота следования импульсов напряжения, поступающих на
статорные обмотки.
В мехатронных модулях линейного движения, которые приме-
няются в многоцелевых станках, комплексах лазерной резки, некото-
рых видах транспорта, используется линейный двигатель. Основны-
ми преимуществами линейного двигателя по сравнению с традици-
онным двигателем и передачей типа зубчатой рейки либо винтовой
передачи, есть в несколько раз большая скорость движения и
ускорение, высокая точность движения, жесткость характеристик.
Линейные двигатели могут быть асинхронными, синхронными и
постоянного тока. Наибольшее распространение получили асинхрон-
ные двигатели.
Представление об устройстве линейного асинхронного двига-
теля (ЛАД) можно получить, если мысленно разрезать вдоль по
образующей статор и ротор асинхронного двигателя вращательного
движения и развернуть их в плоскости, как показано на рис. 5.20.
Рис. 5.20. К принципу действия ЛАД
Принцип действия ЛАД аналогичен вращающемуся асинхрон-
ному двигателю. При подключении обмотки 4 статора 3 к сети
переменного тока она создает движущееся магнитное поле с линей-
ной скоростью
154
v = 2τ f
1
,
где f
1
– частота питающего напряжения,
τ – длина полюсного деле-
ния статора.
Линейно перемещающееся магнитное поле наводит в обмотке
1 ротора 2 ЭДС, под действием которой в ней протекает ток.
Взаимодействие этого тока с магнитным полем создает на
роторе (его называют вторичным элементом) тяговое усилие, под
действием которого и будет происходить движение.
ЛАД могут работать и в обращенном режиме, когда вторичный
элемент неподвижен, а перемещается статор. Такие ЛАД обычно
применяются на транспортных средствах, когда в качестве вторич-
ного элемента используется рельс или специальная полоса, статор
расположен на подвижном средстве.
Для ЛАД, как и обычного вращающегося асинхронного двига-
теля, регулирование скорости осуществляется путем изменения
частоты питающего напряжения, а торможение – динамическое или
противовключением.
Достарыңызбен бөлісу: |