§ 9.2. МИКРОДВИГАТЕЛИ

Типы микродвигателей. Микродвигатели постоянного тока, применяемые в автоматических устройствах, используют для вращения различных механизмов и преобразования электрического сигнала в механическое перемещение вала. В последнем случае их называют исполнительными двигателями постоянного тока.

В зависимости от конструкции якоря микродвигатели постоянного тока подразделяют на микродвигатели с якорем обычного исполнения, полым якорем, беспазовым (гладким) якорем, а также с дисковым и цилиндрическим якорем с печатной обмоткой.

Микродвигатели с якорем обычного исполнения. В таких микродвигателях магнитный поток создается обмоткой возбуждения, расположенной на полюсах (рис. 9.3), или постоянными магнитами. В первом случае магнитную систему выполняют, как правило, полностью шихтованной, причем корпус и полюсы изготовляют в виде одного общего пакета, собранного из штампованных листов требуемого профиля. Это необходимо, потому что микродвигатели работают обычно в переходных режимах. Во втором случае на статоре располагают

Рис. 9.3. Устройство микродвигателей постоянного тока с якорем обычного исполнения: 1 - корпус (станина); 2 — обмотка возбуждения; 3 — полюс; 4 — якорь; 5 — обмотка якоря; 6 — подшипниковый щит; 7 — коллектор

массивный постоянный магнит цилиндрической формы или несколько магнитов, выполненных в виде полюсных сердечников, скоб и др. В исполнительных микродвигателях магнитную систему обычно делают ненасыщенной, чтобы реакция якоря не оказывала влияния на его магнитный поток, а следовательно, и на частоту вращения. Обмотку якоря укладывают в пазах сердечника якоря и присоединяют к коллектору, так же как и в машинах постоянного тока нормального исполнения.

Микродвигатели с полым якорем. Магнитный поток в них создается обмоткой возбуждения (рис. 9.4,а) или постоянными магнитами (рис. 9.4,б). Якорь представляет собой полый стакан, расположенный между полюсами и неподвижным ферромагнитным сердечником, который насаживают на втулку подшипникового щита. Вместо сердечника внутри якоря может быть неподвижно установлен комплект постоянных магнитов цилиндрической формы. Обмотку якоря укладывают на цилиндрический каркас и заливают эпоксидной смолой; концы секций обмотки соединяют с пластинами коллектора. После полимеризации эпоксидной смолы якорь с коллектором представляет собой монолитную конструкцию.

Рис. 9.4. Устройство микродвигателей постоянного тока с полым якорем: 1 — корпус; 2 — об-мотка возбуждения; 3 — полюс; 4 — полый якорь; 5 — ферромагнитный сердечник; 6 — подшипниковый щит; 7 — коллектор; 8 — постоянные магниты

Момент инерции полого якоря невелик, благодаря чему существенно повышается быстродействие двигателя. Отсутствие насыщения в зубцах позволяет значительно увеличить индукцию в воздушном зазоре микродви- гателя, т. е. его магнитный поток и номинальный вращающий момент по сравнению с микродвигате- лями, имеющими якорь обычного исполнения, что также способствует повыше- нию быстродействия двигателя.

Недостатком микродвига- телей с полым якорем является необходимость значительного увеличения МДС обмотки возбуждения, так как воздушный зазор у них гораздо больше, чем в двигателях обычного исполнения. Последнее приводит к некоторому увеличению массы, габарит- ных размеров машины и потерь мощности в обмотке возбуждения. Однако КПД рассматриваемых микродвигателей из-за отсутствия потерь в стали имеет примерно такую же величину, как и у микродвигателей с якорем обычного исполнения (η = 0,3 ÷ 0,45 в двигателях мощностью 1 — 15 Вт).

Микродвигатели с печатной обмоткой якоря. Их выполняют с дисковым и цилиндрическим якорем.

Микродвигатели с дисковым якорем (рис. 9.5) имеют плоскую печатную обмотку якоря, нанесенную на тонкий диск из немагнитного материала (керамики, текстолита и т. п.). Возбуждение осуществляется постоянными магнитами с полюсными наконечниками, выполненными в виде кольцевых сегментов. Создаваемый ими магнитный поток проходит в аксиальном направлении через два воздушных зазора и дисковый якорь с печатной обмоткой и замыкается по двум кольцам, изготовленным из магнитномягкой стали; кольца служат боковыми ярмами. Постоянные магниты или электромагниты могут быть расположены по одну сторону диска или симметрично с обеих сторон, как показано на рис. 9.5, а.

Печатную обмотку наносят на дисковый якорь (рис. 9.5,6) электрохимическим способом: ее проводники располагают радиально по обе стороны диска и соединяют между собой гальваническими соединениями через сквозные отверстия в диске; изоляцией между отдельными проводниками служит воздух и материал диска. Все процессы нанесения проводников

Рис. 9.5. Устройство микродвигателя с печатным дисковым якорем: 1 — постоянные магниты; 2 — полюсные наконечники; 3, 8 — стальные кольца (ярма); 4 — диск якоря; 5 — щеткодержатель; 6 — подшипниковый щит; 7 — корпус

на диск и их соединения в обмотку полностью механизи- рованы.

Каждая секция печатной обмотки состоит из двух провод- ников, расположенных на различных сторонах диска. Поскольку число активных проводников ограничено размерами диска, для увеличения напряжения применяют простую волновую обмотку. Чтобы уменьшить длины лобовых соединений, эти микродвигатели выполняют многополюсными (2р = 6 ÷ 8). В некоторых случаях применяют полюсные наконечники, выступающие за внешние лобовые соединения, которые при этом становятся активными частями обмотки (в них индуцируется ЭДС). Обычно микродвигатели с печатной обмоткой якоря не имеют коллектора; роль его выполняют части проводников, расположенные на одной из сторон дискового якоря, по которым скользят щетки. Однако в некоторых конструкциях для повышения срока службы печатной обмотки на валу якоря устанавливают коллектор, к которому выводят концы секций. В исполнительных микродвигателях для ускорения торможения после снятия управляющего сигнала диск иногда изготовляют не из изоляционного материала, а из алюминия. При вращении в диске возникают вихревые токи, создающие тормозной момент, пропорциональный частоте вращения. Тормозной момент значительно уменьшает установившуюся частоту вращения микродвигателя.

Преимуществами микродвигателей с печатными обмотками якоря являются: 1) малый момент инерции якоря, что обеспечивает высокое быстродействие исполнительных микродвигателей; 2) хорошие условия коммутации из-за малой индуктивности секций, что повышает срок службы щеток и позволяет значительно увеличить перегрузочную способность микродвигателя; 3) лучшие условия охлаждения печатной обмотки по сравнению с обмоткой, уложенной в пазах якоря; это дает возможность значительно повысить плотность тока в проводниках обмотки якоря и уменьшить благодаря этому массу и габаритные размеры микродвигателей; 4) незначительное влияние реакции якоря, так как в якоре отсутствуют ферромагнитные элементы и его поток замыкается в основном по воздуху.

Недостатками микродвигателей с печатными обмотками якоря по сравнению с микродвигателями обычного исполнения являются: 1) большая МДС возбуждения из-за увеличения воздушного зазора; 2) увеличенные потери вследствие повышенной плотности тока в обмотке якоря, а при электромагнитном возбуждении также вследствие увеличенных потерь мощности в обмотке возбуждения; 3) меньший срок службы из-за износа проводников печатной обмотки, возникающего от трения щеток. Однако в микродвигателях с печатными обмотками практически отсутствуют магнитные потери в стали, поэтому при их возбуждении от постоянных магнитов КПД имеет приблизительно то же значение, что и в машинах обычного исполнения.

Применяются и микродвигатели с цилиндрическим якорем. Они выполнены принципиально так же, как и микродвигатель с полым якорем, и отличается от него лишь способом выполнения обмотки якоря. На обе стороны полого якоря электро­механическим способом наносят печатную обмотку, концы которой выводят к коллектору. По своим свойствам микродвигатели с цилиндрическим печатным якорем аналогичны микродвигателям с полым якорем.