5.5 Электродвигатели мехатронных модулей

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 = 2τf
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. 

жүктеу/скачать 23,07 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: