Исполнительные механизмы автоматических систем

Двигатели с ротором типа "беличья клетка".

Широкое применение в схемах автоматики нашли и исполнительные двигатели с ротором, имеющим обычную обмотку типа беличья клетка. Достоинства и недостатки исполнительных двигателей этого типа в сравнении с исполнительные двигатели с полым немагнитным ротором определяются двумя обстоятельствами.

Первое - момент инерции ротора обычного типа во много раз больше момента инерции полого немагнитного ротора, что при прочих равных условиях определяет его меньшее быстродействие.

Второе обстоятельство - возможность получить рабочий зазор в исполнительных двигателях с ротором обычного типа меньше, чем в исполнительных двигателях с полым немагнитным ротором, позволяет снизить намагничивающий ток, электрические потери в обмотках управления и возбуждения и тем самым повысить cosц и КПД.

Однако при воздушных зазорах 0,15 - 0,25 мм, что имеет место в исполнительных двигателях традиционной конструкции, выигрыш в КПД оказывается небольшим. Это объясняется тем, что индуктивное сопротивление рассеяния роторной обмотки типа "беличья клетка", стержни которой окружены сталью, много больше индуктивного сопротивления рассеяния полого немагнитного ротора, находящегося в воздухе. Поэтому для обеспечения критического скольжения Sкр > 1. которое уменьшается с ростом индуктивного сопротивления и увеличивается с ростом активного сопротивления ротора, приходится идти на значительное увеличение последнего по сравнению с исполнительным двигателем с полым немагнитным ротором. Рост же активного сопротивления ротора приводит к увеличению электрических потерь в роторной обмотке, что определяет малое увеличение КПД при указанных выше рабочих зазорах.

Уменьшение воздушного зазора до 0,03 - 0,05 мм стало возможным при появлении двигателей "сквозной" конструкции. Их особенностью является равенство внутреннего диаметра статора и диаметра расточки под подшипники в подшипниковых щитах. Поэтому шлифовка этих размеров может производиться в двигателе с установленными подшипниковыми щитами, что существенно уменьшает воздушный зазор. При зазоре же 0,03 - 0,05 мм КПД двигателя с ротором обычного типа уже заметно выше, чем двигателя с полым немагнитным ротором.

К недостаткам исполнительных двигателей с ротором обычного типа следует отнести сравнительно большой сигнал трогания, что объясняется силами одностороннего магнитного притяжения ротора к статору из-за наличия на роторе ферромагнитных масс.

Давая сравнительную оценку двух типов по быстродействию, следует отметить, что у двигателей "сквозной" конструкции за счет уменьшения диаметра ротора при одновременном увеличении его длины удалось получить для малых номинальных мощностей постоянную времени Тм даже меньше, чем у исполнительных двигателях с полым немагнитным ротором. Исследования показывают, что при диаметре корпуса Dк < 40ч60 мм исполнительные двигатели с ротором типа "беличья клетка" превосходят исполнительные двигатели с полым немагнитным ротором. При Dк > 60ч80 мм быстродействие выше у исполнительных двигателей с полым немагнитным ротором.

Основные технические данные даны в таблице 6.

Таблица 6 - Исполнительные двигатели с ротором типа "беличья клетка"

Тип ИД	f, Гц	Uf, В	Uy, ном, В	nном, об/мин	Тм, мс	з%	Uтр/Uу, ном	Mк/Mном	g* r/Вт	Рр, ном, Вт
ДКМ 1-6 ДКМ2,5-6 ДКМ6-6 ДКМ16-6 ДКМ40-6 ДКМ1,6-8 ДКМ4-8 ДКМ10-8 ДКМ25-8 ДКМ60-8 ДКМ0,16-12 ДКМ0,4-12 ДКМ1-12 ДКМ2,5-12 ДКМ6-12 ДКМ16-12 ДКМ100-12 ДКМ0,25-24 ДКМ0,6-24 ДКМ1,6-24 ДКМ4-24 ДКМ10-24 ДКМ25-24 ДКМ60-24 АДИ-20 АДИ-25 АДИ-32 АДИ40 АДИ50 АД-20 АД-25 АД-32 АД-40 АД-50	400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400	- 35 35 115 115 115 115 115 24 40 40 40 40 40 40 40 40 40	- 35 36 36 36 36 80 80 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24	3300 3000 3000 3600 4200 4400 4000 4000 4800 5400 9600 9600 9600 10800 12000 14000 19000 2400 3800 4200 2850 2700	25 44 41 100 190 23 44 53 140 230 15 20 25 30 40 50 350 49 66 72 100 175 270 660 13 30 20 20 20 7 18 22 20 20	- 7 16 20 20 20 7 18 22 20 20	- 0,084 0,084 0,084 0,084 0,084 0,037 0,037 0,042 0,042 0,042 0,042 0,042 0,025 0,042 0,042 0,042 0,042	2,0 2,0 2,0 1,65 1,4 2,0 2,0 2,0 1.52 1,42 1,4 1,36 1,8 1,61 1,48 1,5 1,17 1,8 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 1,41 2,17 1,6 1,92 1,88 1,74	250 188 146 125 100 156 177 88 84 67 250 200 130 100 78 55 40 160 133 81 62 47 35 35 200 162 123 191 191 100 82 76 96 128	1,0 2,5 6 16 40 1,6 4 10 25 60 0,16 0,4 1,0 2,5 6 16 100 0,25 0,6 1,6 4 10 25 60 0,3 0,8 1,7 2,2 3,3 0,3 0,9 1,7 2,5 3,5

Двигатели с ферромагнитными роторами.

В некоторых схемах автоматики находят применение двигатели с ферромагнитными роторами. Их статоры не отличаются от статоров двухфазных асинхронных машин, а роторы представляют собой ферромагнитные полые цилиндры. Достоинством таких двигателей является высокая линейность его механических и регулировочных характеристик. Однако низкие энергетические показатели и относительно большие постоянные времени Тм существенно ограничивают область применения исполнительные двигатели с ферромагнитным ротором.

Электромагнитные исполнительные механизмы.

Исполнительные механизмы с электромагнитным приводом представляет собой совокупность электромагнита и перемещаемой им механической нагрузки (заслонки, задвижки, клапана, вентиля и т.д.). Они делятся на две группы.

В устройствах первой группы электромагнит рассчитан на длительное пропускание рабочего тока. Такие устройства состоят из электромагнита, который при срабатывании втягивает шток органа управления и возвратной пружины. Отпускание происходит под действием возвратной пружины при отключении электромагнита.

В устройствах второй группы магнит не рассчитан на длительное пропускание рабочего тока. В этом случае кроме основного электромагнита имеется вспомогательный электромагнит, с помощью которого осуществляется управление основным электромагнитом.

Такая конструкция позволяет резко уменьшить габариты электромагнитов, так как они работают в кратковременном режиме и, следовательно, плотность тока может быть резко увеличена. Таким образом, для создания одной и той же МДС у катушки, работающей в кратковременном режиме, число витков значительно меньше, чем у катушки, работающей в длительном режиме.

Электромагниты могут быть подразделены:

по роду тока - на электромагниты постоянного и переменного тока. Электромагниты постоянного тока применяются для быстрого перемещения подвижных элементов станков, грузозахватных приспособлений, размыкания тормозов механизмов и т.д. Они предназначаются для кратковременной работы и способны развивать значительные усилия. Электромагниты переменного тока, как правило, развивают меньшие мощности, поэтому они используются в маломощных цепях;

по способу действия - на удерживающие и притягивающие. К удерживающим магнитам относятся, например, электромагнитные плиты плоскошлифовальных станков, служащие для магнитного закрепления обрабатываемых деталей. Притягивающие электромагниты служат для сообщения определенного движения подвижным частям;

по значению хода якоря - на длинноходовые и короткоходовые. У длинноходовых магнитов ход якоря достигает150 мм, а у короткоходовых - 2 - 4,5 мм;

по характеру движения якоря - на электромагниты с поступательным движением якоря и с поворотным якорем;

по способу включения - на электромагниты с параллельным и последовательным включением обмотки в питающую сеть.

Конструкции электромагнитов весьма разнообразны, но всегда основными частями электромагнита являются неподвижный стальной магнитопровод с расположенной на нем обмоткой и подвижный якорь. При подключении катушки электромагнита к источнику питания возникает магнитный поток, который создает электромагнитное усилие, вызывающее притяжение или поворот якоря.

В качестве электромагнитов с плавным перемещением подвижной части обычно применяются электромагниты с поворотным якорем. Эти электромагниты по своему устройству близки к электромагнитному реле.

Электромагниты широко применяются в электропневматических и электрогидравлических исполнительных устройствах, в которых электромагнит перемещает распределительный золотник, подключая ту или иную полость рабочего цилиндра к источнику высокого давления, либо открывает вспомогательные клапаны с той же целью.

Электромагнитные муфты.

Как было указано выше, в некоторых автоматических системах применяются электромагнитные муфты. Последние, являясь промежуточными элементами между приводным двигателем и ведомым валом и обладая переменным скольжением, позволяют регулировать частоту вращения выходного вала системы. Значение скольжения зависит от управляющего напряжения, поступающего на вход электромагнитной муфты с предыдущего элемента системы. Следует отметить, что энергия, затрачиваемая в цепи управления муфты, незначительна по сравнению с энергией, передаваемой ведомому валу от двигателя.

Небольшие массы муфты не требуют большого по мощности управляющего сигнала, вследствие чего их быстродействие значительно выше, чем у реверсивных двигателей.

В зависимости от способа создания переменного скольжения электромагнитные муфты можно разделить на два основных типа: муфты трения и муфты скольжения.

У муфт первого типа вращающий момент на выходном валу создается путем трения, а у муфт второго типа вращающий момент возникает в результате взаимодействия токов, возникающих в якоре, с вращающимся магнитным потоком индуктора.

В свою очередь муфты трения бывают двух видов: муфты сухого трения и муфты вязкого трения.

Электромагнитные муфты сухого трения (фрикционные)

Муфта сухого трения представляет собой устройство, которое связывает ведомый вал с валом приводного двигателя за счет поджатия электромагнитом фрикционного элемента. При выключении электромагнита ведомый вал и вал приводного двигателя разобщаются. В качестве примера представлена схема реверсивной муфты сухого трения (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 - Муфта сухого трения

Шестерни 2 и 3 вращаются с постоянной скоростью от приводного электродвигателя 1. Управление осуществляется при помощи электромагнитов 6 и 13, на обмотки 5 и 12 которых поступают сигналы от управляющего устройства. При включении электромагнита 13 его якорь 11 поджимает фрикционный диск 15 к торцу шестерни 2. Шестерня 10 жестко связана с якорем 1 электромагнита и фрикционным диском 15, поэтому вращение ведущего вала 16 приводного двигателя 1 через шестерню 2, фрикционный диск 5 и шестерню 0 передается к выходному (ведомому) валу 9. При отключении электромагнита 13 диск 15 отводится от шестерни 2 пружиной 14. Для вращения ведомого вала 9 в обратную сторону необходимо подать управляющий сигнал на обмотку 5 электромагнита 6. Под действием магнитного потока, создаваемого обмоткой 5, якорь втягивается и фрикционный диск 4 поджимается к торцу шестерни 3. В этом случае вращение шестерни 3 через фрикционный диск 4 и шестерню 8 передается на выходной вал 9, который будет вращаться в обратную сторону. Фрикционные диски 4 и 15 изготавливаются из стали, чугуна, бронзы, пластмассы, фибры и других материалов.

Достоинством электромагнитных муфт сухого трения является малая мощность управления, а основным недостатком - неплавный характер изменения частоты вращения ведомого вала.

Муфты вязкого трения.

Принцип действия муфт вязкого трения (иначе называемых порошковыми или магнитно - эмульсионными) основан на эффекте сцепления двух поверхностей, разделенных зазором с ферромагнитным наполнителем, который изменяет свою вязкость под действием магнитного потока. Если ферромагнитный наполнитель поместить в магнитное поле, то сцепление между частицами увеличивается и они лишаются относительной подвижности. Наполнитель, помещенный между поверхностями ведущей и ведомой частей муфты, может осуществлять между ними связь при создании магнитного поля путем пропускания электрического тока через обмотку электромагнита, расположенного соответствующим образом.

Ферромагнитный наполнитель представляет собой смесь ферромагнитного материала и смазывающей среды и обычно называется ферромагнитной суспензией. Последние могут быть выполнены на твердой и жидкой основе. В качестве ферромагнитного материала, который является основным элементом суспензии, применяется карбонильное железо с размерами частиц от 0,5 до 50 мкм. Суспензии на твердой основе выполняют в виде смеси порошка карбонильного железа с тальком, графитом, окисью цинка. Для суспензий на жидкой основе применяется жидкость, имеющая малую вязкость и химически стойкая относительно железа (керосин, машинное масло, хлористый бензол, специальные масла). Упрощенная схема порошковой муфты изображена на рис.7.

Рисунок 2.13 - Порошковая муфта сухого трения

Ведущая 2 и ведомая 4 части представляют собой стальные диски, насаженные на ведущий и ведомый валы. Управляющая обмотка 3 уложена в корпусе 1. Промежуток между ведущим 2 и ведомым 4 дисками заполнен ферромагнитной массой 6. Для предотвращения вытекания ферромагнитной массы муфта имеет уплотнения 5 и 7. При отсутствии тока в обмотке управления 3 передаваемый момент от ведущего вала к ведомому очень мал и определяется вязким трением ферромагнитной массы. При протекании тока по обмотке управления возникает магнитное поле. В результате этого частицы железа намагничиваются и появляются силы сцепления между частицами и поверхностями дисков 2 и 4. В этом случае от ведущего вала к ведомому передается значительный момент. Изменением тока в обмотке 3 можно управлять силами сцепления, а следовательно, можно регулировать частоту вращения ведомого вала. Существует много разновидностей конструкций порошковых муфт, и все они, как правило, имеют плавную зависимость передаваемого момента от тока в управляющей обмотке. Это свойство делает удобным применением таких муфт в автоматических системах регулирования.

Основными достоинствами порошковых муфт являются: малая потребляемая мощность сигнала управления, хорошие динамические свойства, проявляющиеся при большом значении максимального ускорения ведомого вала, отсутствие толчков при плавном изменении управляющего сигнала.

К основным недостаткам можно отнести возможность оседания ферромагнитных частиц и значительная масса, приходящаяся на единицу мощности.

Муфты скольжения.

В муфтах скольжения так же, как и в муфтах трения, магнитное поле создается постоянным током. Однако по принципу действия эти муфты ближе к асинхронным двигателям. Схема муфты скольжения приведена на рис.8.

Рисунок 2.14 - Схема муфты скольжения

Муфта скольжения представляет собой две несвязанные между собой механически вращающиеся части - индуктор и якорь 4. Индуктор 2 закрепляется на ведущем валу 1 приводного двигателя и выполняется в виде системы полюсов, на которых расположена обмотка 3. Она питается от источника постоянного тока через контактные кольца 6. Якорь 4 муфты может быть выполнен в виде короткозамкнутой обмотки ("беличьего колеса"), полого стакана или в форме массивного ротора. При вращении индуктора 2 его магнитного поле пересекает якорь 4 и индуктирует в нем токи, взаимодействие которых с магнитным полем индуктора создает вращающий момент, передаваемый на ведомый вал 5. Таким образом, за счет магнитной связи ведущая часть (индуктор) муфты увлекает за собой ведомую (якорь). Частота вращения ведомой части муфты обычно меньше, чем частота вращения ведомой части муфты обычно меньше, чем частота магнитного поля. Если скорости якоря и индуктора равны, то вращающий момент, передаваемый муфтой от ведущего вала 1 к ведомому 5, равен нулю. От асинхронного двигателя, а также от муфт трения муфты скольжения выгодно отличаются тем, что их вращающие моменты и частота вращения легко поддаются регулированию путем изменения тока возбуждения индуктора.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7