6.5. Электропривод с двигателями повышенного быстродействия

При выполнении многих производственных операций требуется высокое быстродействие исполнительных органов рабочих машин. Для этого приводные двигатели должны обладать небольшой механической и электромагнитной инерцией и развивать значительный вращающий момент. К таким двигателям относятся ДПТ с гладким якорем и двигатели постоянного и переменного тока с малоинерционными якорями (роторами). По принципу своего действия и характеристикам они не отличаются от двигателей обычного исполнения, однако специальная конструкция их движущейся части (якоря или ротора) обеспечивает высокое быстродействие, позволяющее повысить производительность рабочих машин и качество выполнения технологических и производственных операций.

а) Двигатели с гладким якорем

Двигатели с гладким якорем по принципу действия аналогичны обычным ДПТ, но имеют следующую конструктивную особенность: проводники якорной обмотки не располагаются в пазах магнитопровода (сердечника) якоря, как у обычных двигателей, а крепятся непосредственно на поверхности гладкого (без пазов) якоря, откуда и произошло их название. Расположение проводников якорной обмотки в воздушном зазоре двигателя позволяет увеличить ток в обмотке якоря и вращающийся момент двигателя, что объясняется следующим.

Для обычного ДПТ ток в проводниках якорной обмотки не может даже кратковременно превышать номинальный более чем в 2–2,5 раза. Ограничение связано главным образом с условием нормальной работы коллектора ДПТ, при нарушении которого начинается сильное искренне на коллекторе, быстрое его обгорание, в результате чего ДПТ выходит из строя. При расположении проводников обмотки на поверхности якоря условия коммутации тока коллектором улучшаются из-за снижения индуктивности якорной обмотки, вследствие чего можно увеличить ток в обмотке, а также вращающий момент двигателя.

Еще одно ограничение для тока в обмотке якоря вызвано условиями ее нагрева и охлаждения. Если сопоставить их для проводников, находящихся в пазах и на поверхности якоря, то оказывается, что проводники на поверхности якоря охлаждаются более интенсивно. Это дает возможность повысить ток в двигателе с гладким якорем.

Таким образом, улучшение условий работы коллектора и охлаждения обмотки двигателя с гладким якорем позволяет значительно увеличить ток, вращающий момент и быстродействие электропривода в переходных режимах. Так, допустимые пусковые токи этих двигателей в 8–10 раз превышают номинальные, а пусковые моменты – в 6,5–7 раз, что в 3–4 раза больше допустимых значений тока и момента обычных ДПТ.

Дополнительное повышение быстродействия двигателей е гладким якорем достигается благодаря использованию удлиненного якоря с уменьшенным внешним диаметром, что снижает его момент инерции.

Вследствие всех указанных особенностей конструкции быстродействие двигателей с гладким якорем значительно выше быстродействия обычных ДПТ. Например, если время разбега двигателя е гладким якорем не превышает нескольких сотых долей секунды (до 0,04 с для двигателя мощностью 9 кВт), то для обычных ДПТ той же мощности и скорости оно более чем на порядок выше.

В настоящее время разработано несколько серий двигателей постоянного тока с гладким якорем. Двигатели серии ПГ (Т) выпускаются на мощности от 0,25 до 12 кВт с номинальной скоростью 314 рад/с. Двигатели мощностью от 1 кВт и выше выпускаются с обмоткой возбуждения и имеют независимое охлаждение с помощью внешнего вентилятора–наездника. Они также имеют встроенный датчик скорости (тахогенератор) мощностью 36 Вт, что облегчает создание замкнутых систем электропривода.

Двигатели серди МИГ имеют возбуждение от постоянных магнитов и выпускаются на номинальные мощности от 10 до 4000 Вт и скорости от 43,7 до 628 рад/с.

б) Двигатели с малоинерционным якорем (ротором)

Повышение быстродействия двигателя может быть достигнуто за счет уменьшения массы их вращающейся части – якоря или ротора. Эта возможность реализуется на основании того, что момент двигателя создается за счет взаимодействия его магнитного поля и проводников с током, находящихся в пазах или на поверхности якоря (ротора). Сердечник же якоря (ротора), который и составляет основную инерционную массу вращающейся части двигателя, не участвует в создании момента, а служит только для размещения (крепления) обмотки и проведения магнитного потока. Поэтому можно оставить во вращении только обмотку якоря (ротора) и вал двигателя, а сердечник сделать неподвижным. Это и отражено в конструкции двигателей с малоинерционным якорем или ротором.

Малоинерционные двигатели постоянного тока выпускают с цилиндрическим полым или дисковым якорем.

Двигатели с полым цилиндрическим якорем могут иметь возбуждение от постоянных магнитов или обычную обмотку возбуждения. В первом случае постоянные магниты располагаются на статоре двигателя или неподвижном сердечнике внутри якоря. Якорь в обоих случаях выполняют в виде тонкостенного стакана из немагнитного материала, на поверхности которого размещена обмотка.

В современных конструкциях двигателей этого типа можно изготовлять якоря с печатной обмоткой, которая представляет собой систему из плоских медных проводников небольшой толщины, расположенных на поверхности полого цилиндра, выполненного из изоляционного материала. Проводники наносятся на поверхность якоря специальным фотохимическим способом, отсюда и произошло название печатной обмотки. Изоляцией между проводниками обмотки служат воздух и материал якоря. Концы обмотки подводятся к коллектору, как и в обычном ДПТ. Иногда в качестве коллектора используют неизолированный участок обмотки.

Особенностью двигателя с малоинерционным дисковым якорем является исполнение его якоря в виде плоского немагнитного диска, на котором располагается обмотка. Якорь помещен в зазор магнитной системы двигателя, образованной полюсами электромагнита (или постоянного магнита) и ферромагнитными кольцами. Диск с обмоткой укреплен на валу, который вращается в подшипниках двигателя. Дисковый якорь обычно выполняют из текстолита, алюминия или керамики с печатной обмоткой, наносимой на диск фотохимическим способом. Проводники обмотки якоря располагаются радиально по обе стороны диска и соединяются через его отверстия.

Коллектором в таких двигателях чаще всего служат неизолированные участки проводников обмотки якоря, по которым скользят щетки. Иногда применяется и обычный коллектор. Для увеличения мощности двигателей разработана конструкция многодискового якоря.

В электроприводе наряду с малоинерционными ДПТ распространение получили и малоинерционные АД, которые также могут иметь полый цилиндрический или дисковый ротор. Последний тип двигателя применяется пока редко.

Асинхронные двигатели с полым цилиндрическим ротором могут иметь немагнитный или ферромагнитный ротор. Чаще используются АД с полым немагнитным ротором, устройство которого аналогично устройству полого якоря малоинерционного двигателя постоянного тока.

Основная особенность АД с ферромагнитным ротором заключается в исполнении его ротора, представляющего собой полый ферромагнитный цилиндр с толщиной стенок от 0,5 до 3 мм, который крепится на валу АД с помощью одной или двух специальных шайб (пробок). Внутренний сердечник в таких АД отсутствует, так как магнитный по ток, пройдя через воздушный зазор, замыкается по ферромагнитному ротору, играющему роль части магнитопровода.

Двигатели с малоинерционным якорем или ротором в настоящее время выпускаются на мощности от долей ватта до нескольких киловатт и применяются в маломощных электроприводах станков, различных автоматических устройств, испытательных установках и т. д. Конструкции малоинерционных двигателей рассмотрены в [1, 14, 40].