Содержание
1. Введение
2. Основная часть
2.1 Характерные особенностибесконтактных двигателей
2.2 Конструкция бесконтактногодвигателя
2.3 Схема электромагнитной системылинейного бесконтактного двигателя
3. Заключение
4. Список использованной литературы
5. Приложения
1. Введение
Вначале 60-х г. были разработаны первые бесконтактные электродвигателипостоянного тока типа БП-203, БП-251 и БПС-202. В первом космическом скафандрев кислородном нагнетателе был установлен бесконтактный электродвигательБПК-401.
Запрошедшие 40 лет разработаны 4 поколения бесконтактных электродвигателей.Двигатели 4-го поколения серии БК-1 (20 модификаций), БК-2 (6 модификаций) и ДБ(5 модификаций) применяются в приводах вентиляторов и насосов системжизнеобеспечения, в системах терморегулирования КА и скафандрах космонавтов.Только на орбитальной станции «Мир» установлено более 100 такихэлектродвигателей.
Для обеспечения большогогарантийного ресурса двигателей в составе КА с длительным сроком активногосуществования НПП ВНИИЭМ ведет разработку бесконтактных электродвигателейпостоянного тока с гидростатическими опорами ротора для насосных агрегатов. НППВНИИЭМ также ведет постоянную работу по совершенствованию разработанныхизделий, дальнейшему повышению их надежности и долговечности, а также посозданию новых изделий, в наибольшей степени отвечающих требованиямпотребителя.
Техническоерешение для бесконтактного гидроподвеса вращающегося ротора обеспечиваетвозможность реализации электрической машины насосного исполнения с практическинеограниченным ресурсом, определяемым лишь сроком сохраняемостиэлектротехнических материалов и комплектующих элементов, способных обеспечитьгарантийный ресурс двигателя в составе элек-тронасосного агрегата более 100тыс. часов.
2. Основная часть
2.1 Характерныеособенности бесконтактных двигателей
Коллекторные двигателипостоянного тока обладают хорошими регулировочными свойствами и экономичны, ноналичие скользящего контакта коллектор – щетки ограничивает область ихприменения.
В настоящее время в связис развитием силовой полупроводниковой электроники появились и начали получатьвсе более широкое распространение бесконтактные двигатели постоянного тока. Призамене механического коммутатора – коллектора с щетками полупроводниковымкоммутатором двигатель постоянного тока становится более надежным идолговечным, создает меньше радиопомех, особенно при высоких частотах вращения,когда очень быстро изнашиваются щетки и значительно увеличиваются искрение ирадиопомехи.
В отличие от обычногоколлекторного двигателя бесконтактный двигатель постоянного тока обладает рядомхарактерных особенностей.
1. Силовая обмотка якорярасположена на статоре и состоит из нескольких катушек, сдвинутых относительнодруг друга в пространстве. Ротор выполняют в виде постоянного магнита.
2. Положение осимагнитного потока ротора по отношению к осям катушек силовой обмотки статораопределяется бесконтактными датчиками (трансформаторными, индукционными,магнитоэлектрическими, фотоэлектрическими).
3. Бесконтактныйполупроводниковый коммутатор осуществляет коммутацию катушек силовой обмоткистатора по сигналам датчиков положения. При мощности двигателей до 0,5 – 1 кВтв качестве коммутирующих элементов обычно используются транзисторы, при большеймощности – тиристоры.
Эти факторы позволяют приустранении скользящего контакта коллектор–щетки сохранить основную особенностьмашины постоянного тока, заключающуюся в том, что частота переключения катушекобмотки якоря определяется частотой вращения ротора. Благодаря этомубесконтактный двигатель постоянного тока в основном сохраняет характеристикиколлекторного двигателя с независимым возбуждением.
2.2 Конструкциябесконтактного двигателя
Рассмотрим простейшуюконструкцию бесконтактного двигателя (рис.1).
В корпусе 1 расположеныэлектромагнитные системы двигателя и датчика положения. Магнитопровод статорадвигателя 2 выполнен из электротехнической стали. В его пазах расположенаобмотка 3, состоящая из двух обмоток, сдвинутых в пространстве на 90°. Каждаяобмотка представляет собой сосредоточенную многовитковую катушку. Ротор 4 содной парой полюсов изготовлен из постоянного магнита. При подаче постоянногонапряжения на обмотку статора по ней проходит ток, который по взаимодействии смагнитным потоком ротора создает вращающий момент.
Роль датчика положенияротора относительно обмотки статора выполняют два магнитоуправляемых диода Д1 иД2, расположенных на дополнительном кольцевом магнитопроводе 5, и вращающийсяферромагнитный диск 6. Диск имеет немагнитную вставку 7, занимающую половинуего толщины на половине окружности. Магнитный поток датчика Фд создаетсяпостоянным магнитом 8 с радиальной намагниченностью. Каждый измагнитоуправляемых диодов одну половину оборота вала находится в зоне действиямагнитного потока Фд и открыт, а вторую — вне зоны действия магнитного потокаФд и закрыт.
Работа датчиков иполупроводникового коммутатора К (рис.2) согласована при расположении датчиковД1 и Д2 по осям обмоток статора 1 и 2 и линии симметрии диска ССперпендикулярно оси полюсов ротора. В положении, изображенном на рис.2, a, сигнал,управляющий коммутатором, снимается с датчика Д1, и коммутатор подает наобмотку 1 напряжение указанной на рисунке полярности.
Когда сигнал отсутствует,коммутатор К подает на обмотку 1 напряжение противоположной полярности (рис. 2,б). Аналогично со сдвигом на 90° подключается к коммутатору обмотка 2 посигналам датчика Д2. При этом изменение коммутатором полярности напряжения наобмотках статора осуществляется в момент перехода оси потока ротора через осьданной обмотки статора. Тем самым обеспечивается изменение направления тока вобмотке статора при подходе оси полюса ротора противоположного знака.Следовательно, сохраняется одно направление вращающего момента эм, создаваемогосилами Fэм, в пределах полного оборота ротора, т.е. выполняется роль коллектораэлектрической машины постоянного тока.
На рис.3 показана схемаподключения обмоток двигателя к транзисторам TI и Т8 коммутатора и таблица,определяющая порядок переключения транзисторов по сигналам датчиков Д1 и Д2.
Известно, чтоэлектромагнитный момент, действующий на виток с током, помещенный в магнитноеполе, пропорционален току витка и магнитному потоку и зависит от угла междуосями витка и поля. Зависимость электромагнитного момента от угла поворотаротора для двухобмоточного двигателя, включенного по схеме рис. 3, показана на рис.4.
На этом рисунке M1 и M2 –моменты взаимодействия раздельно с 1 и 2 обмотками, M1,2 — результирующиймомент.
Как видно из графиков M1и M2, при включении напряжения только на одну обмотку статора ротор двигателяне приходит во вращение, если начальное положение ротора соответствует углуΘ, при котором вращающий момент эм меньше момента сопротивления на валу.Кроме того, существенная пульсация вращающего момента в пределах оборота ротораприводит, соответственно, к нестабильности мгновенной угловой скорости ротора.
При наличии двух (иболее) обмоток на статоре уменьшение момента взаимодействия ротора с одной изобмоток компенсируется увеличением момента взаимодействия с другой.Соответственно, обеспечивается достаточно большой пусковой момент при любомугловом положении ротора, снижение пульсации вращающего момента в пределахоборота и нестабильности мгновенной угловой скорости ротора.
Характеристикибесконтактных микродвигателей тем ближе к характеристикам классическогодвигателя постоянного тока, чем больше число обмоток на статоре. Однакопропорционально числу обмоток увеличивается необходимое число чувствительныхэлементов датчиков положения и число транзисторов в коммутаторе. Поэтомупрактически число обмоток нецелесообразно более трех–четырех.
2.3 Схемаэлектромагнитной системы линейного бесконтактного двигателя
Для повышениястабильности момента и угловой скорости в пределах оборота применяютспециальные схемы модуляции тока в обмотках статора.
В настоящее времякрупными сериями выпускаются только бесконтактные микродвигатели. Однаконаблюдается тенденция роста выпуска бесконтактных двигателей малой мощности,которые могут составить конкуренцию высокомоментным двигателям, используемым впромышленных роботах, приводах подач обрабатывающих центров и т.д. Объясняетсяэто, в частности, тем что сами бесконтактные двигатели имеют меньшие габариты имассу, чем коллекторные, так как у них лучше условия охлаждения – источникитепла только на статоре, и отсутствует такой источник нагрева, как узел тренияколлектор–щетки. Правда, бесконтактный двигатель не может работать безполупроводникового коммутатора.
В ряде случаев двигателипостоянного тока целесообразно делать линейными.
На рис.5, а показанасхема электромагнитной системы линейного бесконтактного двигателя. Корпусиндуктора 1 выполнен из ферромагнитного материала и служит внешниммагнитопроводом. В корпусе расположены постоянные магниты 2, создающие потоквозбуждения Фв, индуктор является подвижной частью линейного двигателя. Якорь 3представляет собой диэлектрическую пластину, на поверхности которой методомфотолитографии выполнена печатная схема проводников 4. Якорь являетсянеподвижной частью двигателя. Длина якоря lя больше длины индуктора lи на длинухода индуктора. Проводники якоря объединены в катушки, оси которых сдвинуты подлине якоря. Выводы катушек подсоединены к полупроводниковому коммутатору. На рис.5, б показана схема кинематического звена поступательного перемещения слинейным двигателем. Якорь 3 прикреплен к неподвижной направляющей 5, аиндуктор 1 – к подвижной каретке 6. На направляющей по осям катушек якорярасположены сигнальные элементы, вызывающие срабатывание датчиков положения индуктораотносительно якоря, расположенных на каретке.
Работа линейногобесконтактного двигателя мало отличается от работы рассмотренного ранеевращающегося бесконтактного двигателя. Различие состоит в том, что силыэлектромагнитного взаимодействия тока якоря с полем возбуждения индукторасоздают тяговое электромагнитное усилие Fтяг в плоскости якоря, котороеприводит к поступательному перемещению индуктора.
3. Заключение
Бесконтактныеэлектродвигатели постоянного тока типа БК-1, БК-2, ДБ предназначены дляприменения в составе научной и служебной аппаратуры космических аппаратов,других технических средств с высокой надежностью и длительным сроком службы безрегламентного обслуживания. Основными узлами двигателей являются ротор спостоянными магнитами, статор с обмотками и датчиками положения ротора наэффекте Холла, полупроводниковый коммутатор (встроенный для двигателей БК-1 иБК-2, либо выполненный в виде отдельного конструктива для двигателей типа ДБ).Ротор двигателей БК-2 и ДБ отделен от статора герметичной гильзой, чтообеспечивает надежную изоляцию внутренней полости двигателей с вращающимсяротором от окружающей среды, дает возможность простыми средствами встроитьэлектродвигатель, например в насос гидросистемы, не заботясь об установке навал двигателя каких-либо уплотнителей.
Бесконтактныеэлектродвигатели типа БК-1, БК-2, ДБ различных модификаций успешно применяютсяв приводах вентиляторов и насосов систем жизнеобеспечения и терморегулированиякосмических аппаратов, пилотируемых кораблей, скафандров космонавтов. Онииспользуются для перекачки горячей щелочи в насосах электрохимическихисточников тока, обеспечивают функционирование компрессоров микрокриогенныхустановок, ряда приборов и систем, в том числе автоматизированныхтехнологических комплексов.
4. Списокиспользованной литературы
1. Учебное пособие «Электромеханическиеустройства автоматики». М. – 2002.
2. Стома С.А., РемизовВ.Е., Кузьмин В.Н., Медушев С.В., Михайлов Е.М., Тихомиров В.К. Изделия точнойэлектромеханики для космических аппаратов (опыт создания и эксплуатации). М.:МЭИ. 1999.
5. Приложения
бесконтактныйдвигатель ток аппаратура
Рисунок 1.
/>
Рисунок 2.
/>
Рисунок 3.
/>
Рисунок 4.
/>
Рисунок 5.
/>