Микродвигатели. Универсальные коллекторные микродвигатели

1. Микродвигатели

2. Микродвигатели

3. Универсальные коллекторные микродвигатели

• Универсальными коллекторными микродвигателями называют микродвигатели, которые
могут работать как от сети постоянного тока, так и от однофазной сети переменного тока. В
настоящее время универсальные коллекторные микродвигатели выполняют только с
последовательным возбуждением.
1. При питании двигателя от сети переменного напряжения ток якоря и поток возбуждения
изменяются по синусоидальному закону:
где i и Im– мгновенное и амплитудное значения тока;β– сдвиг по фазе между потоком возбуждения и
током в якоре; φи Фm– мгновенное и амплитудное значения потока;ω1– угловая частота тока.

4.

• 2. Характеристики универсального коллекторного микродвигателя при питании от сети
переменного тока несколько хуже, чем при питании от сети постоянного тока. Причина
расхождения характеристик состоит в том, что при переменном токе на ток и его фазу
существенное влияние оказывают индуктивные сопротивления обмоток якоря и
возбуждения.
3. При работе универсального коллекторного микродвигателя от сети переменного тока
существенно ухудшается коммутация и усиливается искрение под щетками. Это объясняется
тем, что коммутирующая катушка в данном случае пронизывается пульсирующим
магнитным потоком возбуждения и в ней наводится трансформаторная эдс.
Универсальные коллекторные микродвигатели довольно широко распространены
благодаря тому, что они:
• 1) работают от источников как постоянного, так и переменного тока;
• 2) при работе от любого из источников позволяют просто, плавно и широко регулировать
угловую скорость ротора изменением подводимого к двигателю напряжения и
шунтированием якоря или обмотки возбуждения активным сопротивлением;
• 3) позволяют получать на промышленной частоте весьма высокую угловую скорость ротора
(до 2000 рад/с), недостижимую при применении синхронных и асинхронных двигателей
промышленной частоты без повышающего редуктора.

5. Двухфазные асинхронные микродвигатели

По сравнению с асинхронными микродвигателями общего применения исполнительные
микродвигатели имеют повышенное активное сопротивление ротора. Это связано с
требованиями обеспечения устойчивой работы исполнительных микродвигателей во всем рабочем диапазоне угловых скоростей (скольжение s= 0÷1) и исключения параметрического
самохода.
В зависимости от конструкции ротора различают три основных типа исполнительных
асинхронных микродвигателей: с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка», с полым
немагнитным и полым ферромагнитным роторами.
Исполнительные асинхронные микродвигатели с ротором типа «беличья клетка» имеют такое
же устройство, как и трехфазный асинхронный двигатель с аналогичным ротором. Отличие
состоит только в том, что в настоящее время их выпускают в основном так называемой
сквозной конструкции.

6.

В системах автоматики широко применяются исполнительные микродвигатели с полым
немагнитным ротором.
Исполнительный микродвигатель АДП-123 с полым немагнитным ротором 3 и обмотками
возбуждения на внешнем статоре 1. Внутренний статор 2 – безобмоточный. Полый
немагнитный ротор исполнительного асинхронного микродвигателя в отличие от роторов
других типов обладает незначительным индуктивным сопротивлением, что повышает
линейность механических и регулировочных характеристик двигателя.

7.

• Гладкая цилиндрическая поверхность полого немагнитного ротора способствует снижению
уровня шумов, создаваемых двигателем. Отсутствие радиальных сил притяжения полого
немагнитного ротора к статору, уменьшение массы ротора и соответственно момента
трения в подшипниках обеспечивают уменьшение напряжения трогания.
• Недостатком микродвигателя с полым немагнитным ротором является большой
немагнитный зазор. Из-за большого немагнитного зазора между внешним и внутренним
статорами, составляющего 0,5 – 1,5 мм, эти двигатели имеют значительный
намагничивающий ток (0,8 – 0,9 от номинального) и низкий коэффициент мощности.
Микродвигатели с полым немагнитным ротором менее надежны при высоких
температурах, вибрации и ударах, так как вероятность деформации полого немагнитного
ротора в указанных условиях выше, чем ротора типа «беличья клетка».

8. Микродвигатели с расщепленными экранированными полюсами

• Наиболее простыми однофазными двигателями переменного тока являются микродвигатели с
расщепленными экранированными полюсами (рис. 2.19, а) в асинхронном и синхронном исполнении.
Статор 1 такого двигателя явнополюсный и состоит из двух пакетов электротехнической стали. На
статоре имеется однофазная обмотка возбуждения 2. На каждом из полюсов 3 находится продольный
паз, в котором размещается одна из сторон короткозамкнутых витков 4, охватывающих и
экранирующих часть (от 1/5до1/2полюсной дуги) полюса. В расточке полюсов помещается ротор 5
двигателя.
Векторная диаграмма микродвигателя.
Конструкция ротора зависит от типа микродвигателя. В двигателях асинхронного исполнения ротор
типа «беличья клетка», полый немагнитный или ферромагнитный. При синхронном варианте ротор
может быть с постоянным магнитным (активный), из магнитотвердого материала (гистерезисный) или
с переменным вдоль окружности магнитным сопротивлением (реактивный).

9.

• Существенным преимуществом однофазных микродвигателей с расщепленными полюсами кроме
простоты конструкции и небольшой стоимости является их надежная работа при частых пусках и
остановах под напряжением. Это объясняется тем, что основными потерями в двигателе являются
электрические потери в короткозамкнутых витках. Следовательно, полные потери в двигателе
практически не меняются от режима холостого хода до короткого замыкания (остановки ротора при
напряжении на зажимах обмотки возбуждения) и не происходит недопустимого перегрева обмотки
возбуждения.
• Один из основных недостатков описываемых микродвигателей состоит в том, что вследствие
существенной эллиптичности магнитного поля они развивают незначительный пусковой момент.

10. Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами на роторе

• В синхронных микродвигателях с постоянными магнитами наиболее распространенными являются
роторы с радиальным (а) и аксиальным (б) расположением постоянных магнитов и короткозамкнутой
обмотки.
Ротор состоит из двух основных частей:
• а) постоянных магнитов 1, создающих магнитный поток возбуждения ротора и обеспечивающих
возникновение электромагнитного момента в синхронном режиме;
• б) короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» 3, уложенной в сердечник 2 из
электротехнической стали и обеспечивающей возникновение электромагнитного момента в процессе
асинхронного пуска.
Электромагнитный момент создается в результате взаимодействия вращающегося поля статора с полем
возбуждения ротора, которые вращаются с одинаковой угловой скоростью, равной угловой скорости
ротора.

11.

Принцип работы синхронного микродвигателя основан на способности обмотки статора создавать
вращающееся магнитное поле.
У синхронных микродвигателей с постоянными магнитами применяют асинхронный метод пуска, т.е. в
процессе разгона ротора до угловой скорости, близкой к синхронной, двигатель работает как
асинхронный. Вращающееся магнитное поле статора во взаимодействии с токами, наведенными этим
полем в короткозамкнутой обмотке ротора, создает асинхронный момент Ма.
Особенность пуска таких микродвигателей по сравнению с двигателями с электромагнитным
возбуждением заключается в том, что он происходит при наличии потока возбуждения ротора. Этот
поток при вращении ротора наводит в обмотках статора э.д.с., частота которой не равна частоте
напряжения питания. Под действием э.д.с. в цепи обмоток статора проходят токи, которые во
взаимодействии с вызвавшим их потоком ротора создают тормозной момент Μт, направленный
встречно к асинхронному вращающему моменту Ma.

12. Гистерезисные микродвигатели

Синхронным гистерезисным называют микродвигатель, вращающий момент которого возникает за счет
гистерезиса при перемагничивании ротора.
Силы взаимодействия элементарных магнитиков, например M1иM2, с потоком статора Fэм направлены
вдоль этого потока и вращающего момента не создают. При перемещении потока статора в положение Б
в том же направлении будут поворачиваться и элементарные магнитики (рис. 2.35, б). Однако
вследствие явления гистерезисного запаздывания магнитикиM1иM2не повернутся на тот же угол, что и
поток Ф1и между ними образуется угол гистерезисного запаздывания γг. После этого силы
взаимодействия Fэм будут иметь тангенциальные составляющие Ft, которые и создадут гистерезисный
момент асинхронного режима Mг.а.

13. Возникающий гистерезисный момент пропорци­онален модулю векторного произведения пространственных векторов магнитного потока

Возникающий гистерезисный момент пропорционален модулю векторного произведения
пространственных векторов магнитного потока ротора Ф2, образованного элементарными магнитиками,
и м.д.с. статора F1, которые вращаются с одинаковой угловой скоростью со сдвигом на угол γг:

14. Шаговые (импульсные) микродвигатели

Шаговые (импульсные) двигатели представляют собой синхронные микродвигатели, у которых питание
фаз обмотки якоря осуществляется путем подачи импульсов напряжения от какого-либо (например,
электронного) коммутатора.

15.

Принцип действия: под воздействием каждого импульса ротор двигателя совершает определенное
угловое перемещение, называемое шагом. Коммутатор преобразует заданную последовательность
управляющих импульсов в m-фазную систему одно- и двухполярных прямоугольных импульсов
напряжения.
Схемы работы шагового двигателя при питании различных фаз обмотки якоря (а – в)

16. Лазерный микродвигатель

Для прецизионного управления малыми космическими аппаратами массой около 1 кг требуется
создать микродвигатели, производящие импульсы тяги на уровне 10 -9 Н·с.
Задача по разработке микродвигателя для наноспутников может быть успешно решена с
использованием явления лазерной абляции (испарения под действием излучения) благодаря высокой
стабильности и эффективности современных импульсных твердотельных лазеров. Короткая
длительность лазерного импульса в сочетании с высокой плотностью энерговыделения на поверхности
мишени позволяют генерировать плазменный сгусток микроскопического размера с высокой скоростью
истечения плазмы и практически полным отсутствием капельной фракции.
В основе лазерно-плазменного двигателя лежит явление светоабляционного давления. Давление в
плазме, создаваемой при лазерной абляции, приводит к высоким скоростям истечения вещества.

17.

Динамика истечения плазменного факела из зоны абляции, зафиксированная благодаря
использованию сверхскоростной регистрации изображений (длительность экспозиции камеры – 3
нс). Вписанные в прямоугольники цифры (в наносекундах) соответствуют времени, прошедшему
по окончании воздействия лазерного импульса длительностью 5 нс

18. Лазерное зажигание

Использование лазерно-плазменного двигателя особенно привлекательно в качестве системы
управления ориентацией малых (размером с яблоко и меньше) космических аппаратов. При этом для
работы микродвигателя достаточно единственного лазера с разводкой лазерного излучения к мишенносопловым узлам с помощью элементов волоконной оптики. Такая конструкция позволяет существенно
снизить весогабаритные и энергетические характеристики двигательной установки спутника.