для чего предназначены исполнительные механизмы

Исполнительный механизм

Исполнительный механизм — это устройство, преобразующее выходной сигнал регулятора в перемещение регулирующего органа. Исполнительные механизмы крайней распространены и используются повсеместно не только в промышленности, но и в быту.

Исполнительный механизм

Общий принцип действия исполнительных механизмов

Обычно исполнительные механизмы состоят из трех основных частей: привод, прибор для управления приводом и регулирующий орган — задвижки. Привод обеспечивает изменение положения задвижки, а задвижка корректирует величину переменной процесса.

За счет подвода энергии извне исполнительный механизм развивает усилие и мощность, достаточные для перемещения регулирующего органа в положение, соответствующее командному сигналу. Например, исполнительный механизм может использоваться, чтобы изменить степень открытия клапана для увеличения или уменьшения загрузки, или изменить положение заслонки или жалюзи.

Виды исполнительных механизмов

Существуют разные виды исполнительных механизмов, которые, в свою очередь, имеют подвиды. Их конструкция и принцип действия отличаются друг от друга. В зависимости от вида энергии, используемой для создания перестановочного усилия, исполнительные механизмы разделяют на пневматические, гидравлические и электрические.

Тип исполнительного механизма, который используется на конкретном производстве, зависит от многих факторов, включая особенности технологического процесса, действие, которое должно быть выполнено и требуемую скорость реагирования.

Источник

Исполнительные механизмы (Тема)

1. Пневматические исполнительные механизмы

2. Гидравлические исполнительные механизмы

3. Электрические исполнительные механизмы

4. Пьезокерамические исполнительные устройства

Исполнительный механизм (ИМ) предназначен для усиления мощности командного сигнала, получаемого от регулятора, и воздействия на регулирующий орган.

По виду используемой энергии ИМ делят на электрические, пневматические, гидравлические.

При выборе исполнительного механизма учитывают следующие требования:

1) ИМ должен развивать перестановочное усилие, достаточное для преодоления реакции рабочих частей регулирующих органов;

2) ИМ должен обладать детектирующим действием, т.е. передавать воздействие только от исполнительного устройства к объекту регулирования;

3) значения основных величин, характеризующих статические и динамические свойства ИМ (порог чувствительности, гистерезис, люфт и т.д.), должны быть соизмеримы со значениями аналогичных величин других элементов системы управления (регулирования);

4) в конструкции ИМ желательно иметь дополнительные устройства, такие как ручной привод местного управления регулирующим органом и т.д.

Важным параметром регулирующего органа, оказывающим влияние на выбор типа и размера ИМ, является реакция, возникающая при перемещении рабочих частей. При этом учитывается как величина реакции, так и ее постоянство во времени при различных нагрузках. По этому параметру РО подразделяются на разгруженные, частично разгруженные и перегруженные.

1. Пневматические исполнительные механизмы

Пневматические исполнительные механизмы просты, надежны и удобны в эксплуатации. Они взрыво- и пожаробезопасны, поэтому широко применяются в химической промышленности. Пневма тические ИМ обладают высоким быстродействием и точностью позиционирования при умеренном перестановочном усилии и неболь ших габаритах.

Рис. Внешний вид пневматического исполнительного механизма

Входным сигналом пневматических исполнительных механиз мов является давление сжатого воздуха (0,02. 0,1 МПа), соответ ствующее командному сигналу регулятора.

Пневматические ИМ можно использовать в комплекте не только с пневматическими регуляторами, но и с регуляторами, формирующими электрический командный сигнал. В последнем случае для преобразования элек трического сигнала в пневматический используется электропневмопреобразователь.

В зависимости от вида чувствительного элемента, воспринима ющего энергию сжатого воздуха и преобразующего ее в перестано вочное усилие выходного элемента, пневматические ИМ делятся на мембранные, поршневые, сильфонные и лопастные.

Наибольшее распространение получили мембранные исполнитель ные механизмы (МИМ). Прорезиненная мембрана 3 с жестким металлическим центром зажата между двумя фланцами, разделяя пространство МИМ на две полости. Жесткий центр мем браны связан со штоком /. Под мембраной расположена противодействующая пружина 2. Командный сигнал в виде давления сжатого воздуха подается в рабочую полость над мембраной, создавая усилие пропорциональное командному сигналу (А – эффективная площадь мембраны):

Под действием усилия F ₁ мембрана вместе со штоком перемеща ется вниз. Пружина сжимается, создавая уравновешивающее усилие пропорциональное перемещению штока ИМ (с – коэффициент жесткости пружины):

следует, что в статическом режиме перемещение штока ИМ пропорционально командному сигналу. Это позволяет использовать величину командного давления Pk в качестве сигнала, определяю щего положение регулирующего органа. Статическая характеристи ка, связывающая величину командного давления с положением штока во всем диапазоне его перемещения, называется ходовой характери стикой ИМ.

Рис. Исполнительные механизмы:

а – мембранный (1 – шток, 2 – пружина, 3 – мембрана);

б – порш невой (1 – поршень, 2 – пружина);

в – двухфазный асинхронный двигатель; г – электромагнитный

(1 – индукционная катушка, 2 – сер дечник, 3 – пружина)

Шток исполнительного механизма соединен со штоком регу лирующего органа. С уве личением давления воздуха в полости над мембраной 3 шток 1 вместе с затвором 4 движется вниз и уменьшает проходное сечение клапана, что снижает расход рабочей среды. При уменьшении дав ления воздуха затвор за счет упругих сил пружины 2 приподнима ется, и клапан открывается.

В зависимости от направления движения штока различают мем бранные исполнительные механизмы прямого действия (при повышении давления в рабочей полости шток удаляется от плоскости заделки мембраны) и обратного действия (шток приближается).

Для повышения точности и быстродействия пневматических ИУ при работе в тяжелых условиях (большое давление и повышенная вязкость регулируемой среды, большая длина пневматической со единительной линии и др.) их снабжают позиционерами.

4 – золотниковая камера;

7– пружина обратной связи;

Рис. Схема позиционера

В динамическом отношении МИМ в области частот 0. 0,3 рад/с рассматривают как последовательное соединение статического звена первого порядка с небольшой постоянной времени (порядка нескольких секунд) и усилительного звена (с зоной гистерезиса 2. 10 %). При длине пневмопровода более 100. 150 м МИМ снабжают усилителями мощности и охватывают жесткой отрицательной обратной связью по перемещению РО. При использовании таких позиционеров МИМ рассматривают как статическое звено нулевого порядка (усилительное), не влияющее на динамические характеристики пневматического регулятора и системы управления в целом.

Поршневые ИМ отличаются большим конструктивным разнообразием и применяются в тех случаях, когда требуются большой ход штока и большие перестановочные усилия. В поршневой исполнительный механизм управляющий сигнал в виде давления сжатого воздуха подается в цилиндр и перемещает поршень 1, шток которого соединен с РО.

2. Гидравлические исполнительные механизмы

Предназначены для преобразования сигнала (разности давления масла), поступающего от регулятора, в перемещение РО. Выпускаются два типа гидравлических исполнительных механизмов: прямого хода (с поступательным движением штока) и кривошипные (с поворотным устройством).

где А – площадь поперечного сечения цилиндра.

Таким образом, поршневой гидравлический ИМ является интегрирующим звеном.

При соединении штока с кривошипом получается кривошипный ИМ, управляющий поворотными (заслоночными) регулирующими органами.

Пневматические и гидравлические ИМ обладают рядом преимуществ перед электрическими ИМ: высокой надежностью, большим ресурсом работы, возможностью плавного изменения выходных параметров в широком диапазоне, простотой преобразования энергии потока жидкости или газа в механическую мощность на выходе ИМ, устойчивостью к вибрации.

3. Электрические исполнительные механизмы

Устройства данного типа создают большие перестановочные усилия, монтируются на большом расстоянии от пульта управления, обеспечивают практически любой ход плунжера. К недостаткам можно отнести энергоемкость, сложность обслуживания, высокую стоимость для ИМ во взрывозащищенном исполнении. Работают в комплекте с электрическими регуляторами. Различают следующие виды электрических ИМ: электродвигательные и электромагнитные.

Рис. Внешний вид электрических исполнительных механизмов

Электродвигательные ИМ состоят из электродвигателя (постоянной скорости, переменной скорости или шагового), редуктора с ручным дублером, контрольно-пусковой аппаратуры (указателя положения, датчика положения), приставки, формирующей перемещение выходного вала. В зависимости от типа ИМ те или иные блоки могут отсутствовать.

В электромагнитных ИМ усилие, необходимое для перестановки затвора РО, создается электромагнитом. Когда по катушке электромагнита / протекает ток, сердечник 2, соединенный с затвором РО, втягивается в электромагнит (индукционную катушку), открывая проход для рабочей среды. Если ток в катушке электромагнита отсутствует, пружина 3 выталкивает сердечник из электромагнита, и затвор РО перекрывает проход для рабочей среды. Электромагнитные ИМ применяются в основном в системах двухпозиционного регулирования и в системах защиты и блокировки, так как затвор регулирующего органа может занимать только два крайних положения (открыто-закрыто).

При установке электромагнитных ИМ на трубопроводах для жидкостей следует иметь в виду, что их практически мгновенное действие приводит к гидравлическим ударам.

Пневматические и гидравлические ИУ имеют более высокую удельную мощность (мощность на единицу массы) по сравнению с электрическими ИУ с электронными, магнитными усилителями. Так, например, для пневматических и гидравлических ИУ она в среднем равна 10 кВт/кг, а для электромеханических – 1 кВт/кг. Как следствие этого, динамические характеристики пневматических и гидравлических ИУ превосходят соответствующие характеристики электромеханических систем.

4. Пьезокерамические исполнительные устройства

Хотя пьезоэффект был открыт в XIX веке, потом во второй половине XX века развиты теория и технология пьезокерамических материалов, полагают, что пьезокерамика станет одним из перспективных материалов XXI века. Действие пьезокерамических ИУ основано на принципе обратного пьезоэффекта: электрическая величина (напря жения или заряда) преобразуется в механическое перемещение (сдвиг) рабочего тела (преобразование электрической энергии в механичес кую). Пьезокерамические ИУ подразделяются на три основные груп пы: осевые, поперечные и гибкие. Осевые и поперечные пьезокерамические ИУ объединены общим названием многослойные пакетные, поскольку представляют собой несколько пьезоэлементов (дисков, стержней, пластин или брусков), собранных в пакет. Для многослой ных пакетных ИМ характерно то, что они могут развивать значитель ное усилие (до 10 кН), при управляющем напряжении 1 кВ и очень малых отклонениях рабочей части (от единиц нанометров до сотен микрон). Многослойные пакетные ИУ относят к мощным.

Гибкие пьезокерамические ИУ (биморфы) развивают, как прави ло, незначительное усилие при малых (сотни микрон) отклонениях рабочей части, хотя известны пластинчатые биморфы (ленточные ИУ), обеспечивающие усилие до 0,25 кН при отклонении рабочей части до 3 мм. Гибкие ИУ относят к группе маломощных.

Перспективным направлением использования пакетных ИУ яв ляется управление гидравлическим клапанами.

Ленточные ИУ благодаря высокой чувствительности, относитель но большому усилию и величине отклонения используются в качестве сенсорных выключателей и контакторов, закрывающих и открывающих клапанов различного назначения, в том числе для про граммируемой дозированной подачи (например, лекарств).

Источник

Виды исполнительных механизмов

Краткое определение исполнительного механизма было дано в гл. 3, применительно к АСУ ТП его можно расширить.

Исполнительные механизмы — это устройства, осуществляющие перемещение или изменение состояния рабочих органов, воздей-

ствующих непосредственно на технологический процесс в соот­ветствии с управляющим сигналом.

Рабочими органами могут быть вентили, задвижки, заслонки, клапаны, суппорты, каретки, движки реостатов, нагреватели и т.д. Движение рабочих органов может быть поступательным, пово­ротным (угол поворота — до 360°) или вращательным (угол пово­рота — более 360°). Изменение состояния может заключаться в их включении или выключении, изменении коэффициента переда­чи, реверсировании (изменении направления на противополож­ное) и т.д.

В состав исполнительных механизмов может входить ряд эле­ментов и устройств, обеспечивающих нужные статические и ди­намические характеристики. Это, например, редуктор и распре­делительные устройства, управляющие потоком газа или жидко­сти; исполнительные устройства — электрические, пневматиче­ские или гидравлические усилители мощности; датчики состоя­ния, отображающие положение рабочих органов.

Статические и динамические характеристики ИМ определя­ются:

• величиной и скоростью линейного или углового перемеще­ния;

В общем случае исполнительные механизмы можно подразде­лить по виду используемой энергии на электрические, пневмати­ческие и гидравлические.

Источником энергии для электрических ИМ является, как пра­вило, электрическая сеть с напряжением 220 или 380 В. Однако многие ИМ работают и при напряжении 36 В переменного тока или 12, 24, 27 В постоянного тока (всевозможные электромагнит­ные реле, пускатели, электромагниты, электродвигатели и т.д.). Электрические ИМ преобразуют электроэнергию в механическую энергию перемещения рабочих органов или энергию их включе­ния-выключения.

Источником энергии пневматических ИМ обычно является за­водская сеть с давлением около 6 • 10 5 Па. Однако их питание мо­жет осуществляться и от автономных источников, в качестве ко­торых может выступать не только сжатый воздух, но и сжатый газ при самых различных давлениях, вплоть до 10 7 Па. Пневматиче­ские ИМ обычно преобразуют энергию сжатого газа в механиче­скую энергию перемещения рабочих органов.

Гидравлические ИМ используют энергию находящихся под дав­лением минеральных масел, спиртоглицериновой смеси или спе-, циальных жидкостей. При этом жидкость находится именно под

давлением, так как она не сжимаема в отличие от воздуха или газа, которые могут быть сжаты. Давление жидкости может дости­гать значительной величины, поэтому развиваются огромные уси­лия при малых габаритных размерах ИМ. Гидравлические ИМ пре­образуют энергию жидкости под давлением в энергию перемеще­ния рабочих органов.

По характеру воздействия на технологический процесс ИМ подразделяются на аналоговые (пропорциональные) и дискрет­ные (позиционные).

Аналоговые ИМ могут устанавливать рабочий орган в любое промежуточное состояние, пропорциональное величине управля­ющего сигнала (например, открыть вентиль на 22 % или повер­нуть заслонку на 73°).

Дискретные ИМ устанавливают рабочий орган только в опре­деленные фиксированные состояния. Например, дискретный сиг­нал, подаваемый на нагреватель, может включить его в первое, второе или третье состояние либо отключить. Клапан при подаче дискретного сигнала может либо открыть путь жидкости, либо закрыть.

Электромеханические исполнительные механизмы

Электродвигатели

Электродвигатель преобразует энергию электромагнитного поля в механическую энергию вращения ротора.

В АСУ ТП используют электродвигатели, выходные характери­стики которых определяются величиной управляющего сигнала. Они получили название исполнительных, или управляемых, элек­тродвигателей и могут быть постоянного тока, переменного тока и шаговыми.

Особенностью исполнительных двигателей в отличие от сило­вых является то, что они практически никогда не работают в но­минальном режиме. Для их работы характерны частые пуски, ос­тановки, реверсы.

Электродвигатели постоянного тока легче управляются, но дви­гатели переменного тока более надежны, просты и дешевы. Шаго-

вые электродвигатели обеспечивают пошаговое перемещение ре­гулирующих органов.

Основные требования, предъявляемые к; исполнительным элект­родвигателям:

• широкий диапазон регулирования скорости вращения;

• большой пусковой момент;

• отсутствие «самохода», т.е. способность двигателя останавли­ваться сразу же после снятия сигнала управления;

• большая мощность при малых габаритных размерах. Первыми появились двигатели постоянного тока. В 30-х гг. XIX в.

русский ученый Б. С.Якоби построил действующий электродви­гатель, основные элементы которого сохранились до настоящего времени. Он стал основным исполнительным двигателем приво­дов, требующих плавного регулирования скорости вращения в широком диапазоне. В конце XIX в. М.О.Доливо-Добровольский предложил конструкцию трехфазного асинхронного электродви­гателя переменного тока с короткозамкнутым ротором, ставшего основой асинхронных исполнительных приводов.

Электродвигатели постоянного тока.Электродвигатель посто­янного тока (рис. 6.1, а) состоит из статора с полюсами, на кото­рых размещена обмотка возбуждения, якоря с обмоткой и кол­лектора с щетками.

В качестве исполнительных электродвигателей малой мощнос­ти широкое применение нашли магнитоэлектрические двигате­ли, магнитное поле которых создается за счет постоянных магни­тов (двигатели серии ДПМ и ДПР) (рис. 6.1, б).

Обмотки полюсов двигателя служат для создания постоянного магнитного поля, в котором вращается якорь. Если к обмотке якоря приложить напряжение U, то в ней потечет ток /_я (рис. 6.2, а).

Взаимодействие тока и магнитного поля создаст электромагнит­ную силу, которая заставит якорь двигаться. Как только он начнет вращаться (пересекать магнитное поле), в его обмотках наведется ЭДС е_я, создающая ток, направленный навстречу току от прило­женного напряжения. В результате ток в якоре будет определяться разностью между напряжением питания и наведенной ЭДС:

где rk — сопротивление обмотки якоря.

Коллектор в электродвигателях постоянного тока служит для преобразования постоянного напряжения, подводимого к щет­кам, в переменное напряжение в обмотке якоря, что позволяет сохранить неизменным его направление вращения (рис. 6.2, б).

В момент пуска, когда е_я = О, ток якоря может достигать значи­тельной величины (см. формулу (6.1)), что требует применения в схеме пускового реостата (ПР), включаемого последовательно с якорной обмоткой Я1 — Я2 (рис. 6.2, в). По мере разгона двигателя сопротивление пускового реостата уменьшается до нуля (рис. 6.3, а). Ток /_в в обмотке возбуждения Ш1 —Ш2 остается неизменным;

при этом ток якоря /_я и частота вращения п достигают установив­шихся значений (рис. 6.3, б).

Двигатель постоянного тока обладает «жесткой» механической характеристикой (зависимостью частоты вращения от момента нагрузки), т.е. при увеличении нагрузки частота вращения умень­шается незначительно (рис. 6.4, а, прямая Л_д = 0).

Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока возможно за счет:

• изменения сопротивления R_a в цепи якоря — реостатное ре­гулирование (рис. 6.4, б). При этом частота вращения двигателя без нагрузки л₀ остается неизменной, а с появлением момента нагруз­ки Л/_н на валу изменяется в широком диапазоне (см. рис. 6.4, а);

• изменения тока в обмотках возбуждения — полюсное регулиро­вание (рис. 6.5, а) путем изменения сопротивления Л_вв цепи воз­буждения. При этом изменяется частота вращения как без нагруз­ки, так и с нагрузкой (рис. 6.5, б). Полюсное регулирование яв­ляется экономичным, поскольку управление магнитным потоком возбуждения осуществляется за счет изменения тока возбуждения /_в, величина которого невелика;

• изменения напряжения питания £/_я якорной обмотки — якор­ное регулирование (рис. 6.6, а). При этом поток возбуждения дол­жен оставаться неизменным. Это должны быть двигатели с неза­висимым, параллельным возбуждением или магнитоэлектрические двигатели. Частота вращения двигателя практически линейно за­висит от напряжения питания якорной обмотки £/„ (рис. 6.6, б).

Широкое применение в качестве исполнительных нашли дви­гатели постоянного тока с независимым возбуждением и возбуж­дением от постоянных магнитов.

При независимом возбуждении в качестве обмотки управления используется либо обмотка якоря — якорное регулирование (рис. 6.7, а), либо обмотка полюсов — полюсное регулирование (рис. 6.7, б).

ку постоянного чапряжения и является обмоткой возбуждения. На обмотку якор: сигнал с усилителя мощности подается лишь тогда, когда необходимовращение якоря. Во втором случае к ис­точнику постоянна о напряжения всегда подключена обмотка якоря, которая выполняет роль обмотки возбуждения. Управляю­щей обмоткой является обмотка полюсов. Для ограничения пус­ковых токов в якорной обмотке во время переходных режимов последовательно с ней включается балластное сопротивление rq.

В двигателях с возбуждением от постоянных магнитов управля­ющей обмоткой всегда является обмотка якоря, т.е. такие двига­тели всегда работают с якорным регулированием (рис. 6.7, в).

Основными преимуществами исполнительных двигателей по­стоянного тока являются возможность плавного регулирования их частоты вращения от нуля до максимального значения, высокий пусковой момент и высокое быстродействие.

Основными недостатками двигателей постоянного тока явля­ются невысокая надежность и недолговечность из-за наличия кол-

лектора и щеток, которые могут истираться, забиваться пылью и продуктами износа, а также искрить.

Электродвигатели переменного тока.Электродвигатели перемен­ного тока могут быть асинхронными и синхронными.

Асинхронные двигатели по сравнению с машинами постоянно­го тока более надежны и долговечны, просты конструктивно и в обслуживании, имеют более широкий диапазон мощностей.

Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя осно­ван на взаимодействии вращающегося магнитного поля с тока­ми, наводимыми в обмотках ротора этим полем. Помещенный во вращающееся магнитное поле ротор с обмоткой начинает вра­щаться в направлении магнитного поля.

Однако догнать поле ротор не может, так как в противном случае поток перестанет пересекать обмотку и в ней не будет на­водиться ЭДС, а следовательно, ток и электромагнитный момент будут равны нулю.

Таким образом, в асинхронной машине всегда частота враще­ния ротора п меньше частоты вращения магнитного поля п\.

Реверсирование в трехфазном асинхронном двигателе осуще­ствляется за счет изменения направления вращения магнитного поля, которое, в свою очередь, определяется порядком чередова­ния фаз: прямой (А, В, Q или обратный (А, С, В) (рис. 6.8, а).

В АСУ ТП широко применяются и двухфазные асинхронные двигатели. Они имеют на статоре две обмотки: обмотку управле-

ния (ОУ) и обмотку возбуждения (ОВ), сдвинутые в простран­стве на 90° и питаемые токами, сдвинутыми по фазе в идеальном случае также на 90°. Это позволяет получить вращающееся маг­нитное поле, поэтому принцип работы двухфазного асинхронно­го двигателя аналогичен принципу работы трехфазной машины. Обе обмотки статора могут питаться от одной и той же сети, но в одну из обмоток — обмотку возбуждения — включается конден­сатор С, что позволяет сдвинуть токи в обмотках по фазе. Такой двигатель называется конденсаторным (рис. 6.8, 6).

Ротор двухфазных машин, используемых в качестве исполни­тельных двигателей, чаще выполняется в виде полого алюминие­вого стаканчика.

Двигатель с полым ротором (рис. 6.9, а) имеет внутренний 5 и внешний 2 статоры из наборного железа, расположенные на кор­пусе /. На внешнем статоре размещаются две обмотки 3, сдвину­тые в пространстве на 90°. Внутренний статор служит для умень­шения сопротивления магнитному потоку. Между статорами на оси 4 вращается алюминиевый тонкостенный стаканчик — ротор 6 (толщина стенок — 0,1. 1,0 мм.)

Работа двигателя с полым ротором основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками стато­ра, с вихревыми токами, наводимыми этим полем в алюминие­вом стаканчике. Момент инерции полого ротора мал, поэтому бы­стродействие двигателя велико.

Большое активное сопротивление тонкостенного стаканчика и «мягкая» механическая характеристика п =/(М_н) двигателя с по­лым ротором позволяют уменьшать частоту вращения ротора за счет изменения подводимого напряжения <У_упр от максимальной (синхронной) почти до нуля. Такое управление называется ампли­тудным (рис. 6.9, б>.

Если напряжение питания обмоток оставить неизменным, а изменять угол сдвига фаз между токами в обмотках с помощью

фазосдвигающей цепочки, то частота вращения ротора тоже бу­дет изменяться; такое управление называется фазовым.

Можно изменять и амплитуду управляющего напряжения, и фазу — это амплитудно-фазовое управление.

Двухфазный двигатель с одним из рассмотренных способов управления частотой вращения может использоваться в качестве исполнительного, в то время как трехфазные асинхронные двига­тели применяют в качестве силовых.

На рис. 6.9, б приведена также схема пуска асинхронного дви­гателя. После срабатывания выключателя В нажимается кнопка «Пуск» и по обмотке контактора К течет ток. Контактор срабаты­вает и замыкает контакты цепи питания обмоток статора, а также контакты, блокирующие кнопку «Пуск». Для остановки двигателя необходимо нажать кнопку «Стоп», которая разрывает цепь пита­ния обмотки контактора, и тот разрывает цепь обмоток статора и разблокирует контакты, включенные параллельно кнопке «Пуск».

На рис. 6.10, а представлен двигатель с короткозамкнутым ро­тором, а на рис. 6.10, 6 — двигатель с полым ротором.

Так как частота вращения асинхронного двигателя определяет­ся частотой сети и обычно составляет около 3 000 об/мин, в кон­струкцию исполнительного механизма обычно вводится редуктор. Это позволяет получить приемлемые скорости перемещения ра­бочих органов.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и редук­тором, называемый также мотор-редуктором, представлен на рис. 6.11.

Синхронные двигатели — это электрические машины, частота вращения ротора п которых равна частоте вращения магнитного поля и,, создаваемого обмоткой статора.

В основе работы синхронного двигателя лежит взаимодействие вращающегося магнитного поля статора с постоянным магнит­ным полем ротора.

Статор / синхронного двигателя (рис. 6.12) ничем не отличает­ся от статора асинхронного и имеет обмотки 5, служащие для создания вращающегося магнитного поля. Ротор синхронной ма­шины 6 имеет обмотку 4, выполненную изолированным прово­дом и питаемую постоянным током через контактные кольца 2 и щетки 3. Основное назначение обмоток ротора — создание посто­янного магнитного поля.

В процессе работы происходит взаимодействие внешнего и внутреннего магнитных полей: вращающееся внешнее поле за счет «сцепления» магнитных полей увлекает за собой ротор, причем угловые скорости вращения внутреннего и внешнего полей ока­зываются одинаковыми.

Питание обмотки ротора постоянным током имеет два недо­статка: необходим источник постоянного напряжения; контакт­ное устройство (кольца со щетками) снижает надежность.

Этих недостатков лишены электродвигатели, в которых вместо электромагнита в роторе используется постоянный магнит с вы­сокой коэрцитивной силой. Такие двигатели называются гистере-зисными. В их роторах магниты заливаются алюминием, образуя сплошной цилиндр (рис. 6.13, а). Алюминий играет роль пусковой обмотки, в которой под действием вращающегося магнитного поля наводятся вихревые токи. Под действием этих токов ротор прихо­дит во вращение аналогично полому ротору асинхронного двига­теля. Мощность таких машин небольшая — до 300 Вт.

Широко применяются в качестве машин малой мощности так­же реактивные электродвигатели. В них источник постоянного маг­нитного поля на роторе отсутствует. Его вращение обеспечивается особой формой ротора (рис. 6.13, б, в) и «упругостью» магнитных силовых линий, которая заставляет ротор при отсутствии нагруз­ки располагаться по оси полюсов статора и вращаться синхронно с полем статора. При наличии нагрузки ротор отстает от оси по-

люсов на угол (3, но продолжает вращаться с синхронной скоро­стью (т.е. с той же скоростью, что и магнитное поле).

В роторе, представленном на рис. 6.13, б, стальные полосы / залиты алюминием 2, а на рис. 6.13, в ротор выполнен в виде ско­шенного по бокам цилиндра из ферромагнитного материала. В обоих случаях намагниченность по оси d—d обеспечивается значитель­но легче, чем по оси q—q.

Схемы включения обмоток статора синхронного и асинхрон­ного двигателей аналогичны, поскольку в обоих случаях статор служит для создания вращающегося магнитного поля.

Основное применение синхронные двигатели нашли в устрой­ствах, в которых необходимо поддерживать неизменной скорость вращения основных узлов: в лентопротяжных механизмах, самопи­шущих и регистрирующих приборах, электромагнитных муфтах.

Шаговые электродвигатели.Цифровая форма представления сигналов управления в ЭВМ привела к созданию нового типа дви­гателей — шаговых, которые непосредственно преобразуют уп­равляющий сигнал в виде последовательности импульсов в фик­сированный угол поворота вала или линейное перемещение.

В основе работы шаговых двигателей лежит стремление маг­нитного потока замыкаться по пути наименьшего сопротивления. В них статор и ротор, выполненные из ферромагнитного матери­ала, имеют направленные друг к другу прямоугольные выступы (полюсы), расположенные равномерно (рис. 6.14, а). Число полю­сов на статоре и роторе одинаково и достаточно велико — от де­сятков до 200 и более. Статор состоит из трех секций, располо­женных вплотную друг к другу, на которых размещены отдельные обмотки. Полюсы всех секций статора совмещены. Обмотки сек­ций включаются в систему управления независимо друг от друга. Ротор также состоит из трех секций, расположенных на одном валу, но полюсы второй секции смещены относительно полю-

сов первой секции на 1/3 шага полюсов, а третьей секции — на 2/3 шага.

Если выступ ротора находится под выступом статора (рис. 6.14, б, положение 1), то магнитное сопротивление цепи статор —ро­тор наименьшее. При подаче напряжения в обмотку статора этой секции ротор остается неподвижным. Если же напряжение подать в обмотку статора соседней секции, то ротор поворачивается на 1/3 шага полюсов (см. рис. 6.14, б, положение 2), т.е. до тех пор, пока полюс ротора не окажется под полюсом статора. Если подать напряжение в обмотку следующей секции, то произойдет пово­рот еще на 1/3 шага (см. рис. 6.14, б, положение 3) и т.д.

Таким образом, угол поворота ротора будет определяться ко­личеством последовательно подаваемых в обмотки импульсов, а скорость поворота — частотой этих импульсов. Точность углового перемещения в шаговых двигателях достигает 0,5°, а частота — более 1 000 шагов в секунду. Реверс обеспечивается за счет смены последовательности подачи импульсов в секции статора.

Широкое применение шаговые двигатели нашли в качестве ис­полнительных для перемещения рабочих органов в металлорежу­щих станках, причем их мощность может находиться в диапазоне от единиц до сотен ватт. Если же мощность недостаточная, то применяется агрегат из шагового двигателя с гидроусилителем.

Основными достоинствами шаговых двигателей являются ра­бота непосредственно от дискретных сигналов ЭВМ без их преоб­разования, высокая точность позиционирования, надежность, простота и долговечность; основными недостатками — невысо­кие КПД и мощность.

Источник