Высокомоментные двигатели принцип работы

Существует три разновидности ДВС: поршневой, роторно-поршневой силовой агрегат системы Ванкеля и газотурбинный. За редким исключением на современные авто устанавливаются четырехтактные поршневые моторы. Причина кроется в низкой цене, компактности, малом весе, многотопливности и возможности установки практически на любые транспортные средства.

Сам по себе двигатель автомобиля – это механизм, преобразующий тепловую энергию горящего топлива в механическую, работу которого обеспечивает множество систем, узлов и агрегатов. Поршневые ДВС бывают двух- и четырехтактными. Понять принцип работы двигателя автомобиля проще всего на примере четырехтактного одноцилиндрового силового агрегата.

Четырехтактным мотор называется потому, что один рабочий цикл состоит из четырех движений поршня (тактов) или двух оборотов коленчатого вала:

• впуск;
• сжатие;
• рабочий ход;
• выпуск.

Использование [ править | править код ]

В машиностроении наибольшее распространение получили высокомоментные двухфазные гибридные шаговые электродвигатели с угловым перемещением 1,8°/шаг (200 шагов/оборот) или 0,9°/шаг (400 шаг/об). Точность выставления шага определяется качеством механической обработки ротора и статора электродвигателя. Производители современных шаговых электродвигателей гарантируют точность выставления шага без нагрузки до 5 % от величины шага.

Дискретность шага создаёт существенные вибрации, которые в ряде случаев могут приводить к снижению крутящего момента и возбуждению механических резонансов в системе. Уровень вибраций удаётся снижать при использовании режима дробления шага или при увеличении количества фаз.

Режим дробления шага (микрошаг) реализуется при независимом управлении током обмоток шагового электродвигателя. Управляя соотношением токов в обмотках, можно зафиксировать ротор в промежуточном положении между шагами. Таким образом можно повысить плавность вращения ротора и добиться высокой точности позиционирования. Качество изготовления современных шаговых двигателей позволяет повысить точность позиционирования в 10—20 раз.

Шаговые двигатели стандартизованы национальной ассоциацией производителей электрооборудования [en] (NEMA) по посадочным размерам и размеру фланца: NEMA 17, NEMA 23, NEMA 34 и др. — размер фланца 42, 57, 86 и 110 мм соответственно. Шаговые электродвигатели NEMA 23 могут создавать крутящий момент до 30 кгс⋅см, NEMA 34 — до 120 кгс⋅см и до 210 кгс⋅см для двигателей с фланцем 110 мм.

Шаговые двигатели создают сравнительно высокий момент при низких скоростях вращения. Момент существенно падает при увеличении скорости вращения. Однако, динамические характеристики двигателя могут быть существенно улучшены при использовании драйверов со стабилизацией тока на основе ШИМ.

Шаговые электродвигатели применяются в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме, или в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задаётся последовательностью электрических импульсов, например, в станках с ЧПУ. В отличие от сервоприводов, шаговые приводы позволяют получать точное позиционирование без использования обратной связи от датчиков углового положения.

Шаговые двигатели применяются в устройствах компьютерной памяти — НГМД, НЖМД, устройствах чтения оптических дисков.

Датчик поворота [ править | править код ]

Шаговые двигатели с постоянными магнитами могут использоваться в качестве датчиков угла поворота благодаря возникновению ЭДС на обмотках при вращении ротора. При этом, несмотря на удобство пользования и хорошую точность и повторяемость, необходимо учитывать, что:

• без вращения вала нет ЭДС; определить положение стоящего вала нельзя;
• возможна остановка вала в зоне неустойчивого равновесия (промежуточно между полюсами) ШД. Последующий пуск вала приведёт к тому, что, в зависимости от чувствительности компаратора, будет пропуск этого полюса, или два импульса вместо одного. В обоих случаях все дальнейшие отсчёты будут с ошибкой на один шаг. Для практически полного, но не 100%-го, устранения такого поведения необходимо применить муфту с соответствующим гистерезисом (угловым люфтом).

Примеры транспортных средств с мощными атмосферными двигателями

На современном авторынке представлены автомобили с атмосферниками, выпущенные под известными брендами:

• Mercedes C 63 FMG Coupe Edition 507.
• Chevrolet Corvette C 7 Stingray.
• Jeep Grand Cherokee SRT.
• Audi RS 5.
• Audi RS 4 Avant.
• Chevrolet Camaro.
• Mercedes SLK 55 AMG.
• Porsche Cayenne GTS.
• Infiniti QX 70.
• Lexus LS 460.
• Mercedes-Benz OM 602.
• OM 612.
• OM 647.
• BMW моторы серии М2х, М5х, М6х, N5х.

Атмосферный двигатель работает предсказуемо, что для многих автомобилистов является несомненным преимуществом. Решить для себя, какой из вариантов подойдёт больше, стоит исходя из собственных предпочтений. Если в приоритете надёжность, лёгкость в эксплуатации и обслуживании, лучше остановить свой взгляд на моторе атмосферного типа, но если на первом месте показатели динамики, то выбор очевиден. Кстати, усилиями умельцев, практикующих тюнинг, на атмосферные двигатели также устанавливаются турбины. Сделать это непросто и требует специальных навыков, но на практике вполне применимо. Поскольку устройство не лепится к мотору наобум, предполагаются расчёты скорости и объёма поступающего воздуха. Самостоятельно такие работы лучше не выполнять, потому что успешно справиться с задачей смогут только виртуозы своего дела.

Текст из документа «145884»

Электрические моментные двигатели постоянного тока широко используются в качестве исполнительных элементов в современных системах автоматики, телемеханики, измерительной техники.

Теория, разработка и применение этих двигателей в последние годы получили значительное развитие.

Разработчики различных систем управления при выборе исполнительного двигателя сталкиваются с рядом задач. Это –определение целесообразности применения моментных двигателей, которые наряду с крупными достоинствами нередко имеют значительно большие энергопотребление и массу, чем быстроходные двигатели с редуктором. Кроме того, это выбор структуры и значений параметров системы управления при условии сравнительно большой электромеханической постоянной времени. При проектировании моментных двигателей для конкретной системы необходимо выбирать технические данные на его разработку по известным характеристикам нагрузки и входного воздействия, а также, исходя из требований к системе, выбирать конструкцию двигателя, выполнять необходимые расчеты.

Целью настоящего проекта является разработка универсального лабораторного стенда для исследования высокомоментного двигателя.

1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Моментным двигателем (МД) называется электромеханический преобразователь, на вход которого подается электрический сигнал постоянного или переменного тока, а выходом является электромагнитный момент, при котором в рабочем режиме ротор либо неподвижен, либо вращается с весьма малой скоростью.

Область применения МД

В коррекционных устройствах гидросистем (для компенсации возмущающих моментов, вызывающих прецессию оси гироскопа).

В стабилизирующих устройствах (система управления положением разных более крупных объектов: антенна, прицел и т.п.).

В устройствах силовой компенсации (в системах с отрицательными о.с.).

Используются в качестве электрических пружин.

Используют в качестве натяжных устройств, чтобы регулировать или сохранять неизменной силу натяжения провода, ленты, цепи и т.п.

В качестве поворотных электромагнитов управляющих заслонками, клапанами, тормозными устройствами и т.п.

В тиристорных, транзисторных электроприводах (далее ЭП) и в приводах подач металлорежущих станков.

Основные требования к МДПМ

Заданный диапазон углов поворота ротора 1 .

Заданная зависимость момента от положения ротора 1 .

Заданная зависимость момента от сигнала, подаваемого в ОУ. В большинстве случаев эта зависимость линейная.

Отношение , что особенно важно при маломощных источниках питания. С увеличением M_эм и размеров МДПМ потребляемая мощность на единицу момента обычно уменьшается.

При отсутствии тока в ОУ, остаточный момент должен быть весьма мал (вообще отсутствовать).

T_эм, T_э должны быть как можно меньше. Большие постоянные времени снижают быстродействие и могут привести к неустойчивости следящей системы.

Чувствительность, определяемая наименьшей мощностью сигнала, на которую система начинает реагировать, должна быть высокой.

Масса и габариты  min.

Устойчивость по отношению к внешним воздействиям (температура, вибрация, удары, давление, влажность, ускорение, радиация и т.п.).

Достоинства высокомоментного двигателя

Благодаря отсутствию обмотки возбуждения (ОВ) и потерь в этих обмотках машины с постоянными магнитами имеют по сравнению с машинами электромагнитного возбуждения более высокий КПД, облегченные условия охлаждения.

Малые габариты и масса.

Более стабильное возбуждение (поток постоянных магнитов не зависит ни от частоты вращения ни от напряжения ни от температуры).

Простота конструктивного исполнения, когда магнитная система представляет собой намагниченное определенным образом кольцо из магнитотвердого материала.

Наличие постоянных магнитов (ПМ) обеспечивает высокие значения углового ускорения в переходных режимах работы.

Наличие ПМ обеспечивает равномерный ход при малых частотах вращения.

Наличие ПМ обеспечивает способность выдерживать большую перегрузку по току без размагничивания магнитной системы.

Недостатки высокомоментного двигателя

Напряжение генераторов и частоту вращения двигателей невозможно регулировать изменением поля возбуждения.

При мощности более десятков ватт они уступают по габаритным размерам, массе и стоимости машинам электромагнитного возбуждения.

Материалы, входящие в состав сплавов для ПМ дефицитны.

Технология изготовления и намагничивания ПМ отличается большой сложностью.

Существенное размагничивающее действие МДС якоря.

Запрещается в МДПМ вытаскивать ротор без замены его на какое-нибудь металлическое тело таких же размеров.

1.5 Конструктивные разновидности высокомоментного двиателя

Следует отметить, что у некоторых МД с неограниченным углом поворота ротора частота вращения в установившемся режиме может оказаться довольно значительной (в таких случаях нельзя провести четкую грань между МД и тихоходным двигателем). Однако если этот МД используется в следящей системе, и он, работая в режиме частых пусков и реверсов, в основном вращается с малой частотой; следовательно, и в этом случае также можно считать, что энергия, подводимая из сети, почти полностью выделяется в виде тепла в обмотках. МД постоянного тока широко применяются в качестве исполнительных элементов в современных системах автоматики, телемеханики, измерительной техники. Эти двигатели используются в гироскопах и акселерометрах, в приводах антенн, телескопов, фотоаппаратов, солнечных и звездных датчиков, роботов и манипуляторов; в автоматических построителях графиков; в качестве силовых компенсаторов в измерительных системах; в качестве элементов электрогидравлических и электропневматических приводов; в качестве электрических пружин поворотных электромагнитов и т. д. .

Если МД работает в режиме слежения, то его роль аналогична роли быстроходного исполнительного двигателя в сочетании с редуктором. Однако МД, нередко обладая большими, чем у редукторного привода, энергопотреблением, массой и электромеханической постоянной времени, имеет по сравнению с редукторным приводом весьма существенные преимущества. К ним относятся высокая разрешающая способность МД вследствие отсутствия неизбежных в редукторе МД постоянного тока широко применяются в качестве исполнительных элементов в современных системах автоматики, телемеханики, измерительной техники. Эти двигатели используются в гироскопах и акселерометрах, в приводах антенн, телескопов, фотоаппаратов, солнечных и звездных датчиков, роботов и манипуляторов; в автоматических построителях графиков; в качестве силовых компенсаторов в измерительных системах; в качестве элементов электрогидравлических и электропневматических приводов; в качестве электрических пружин поворотных электромагнитов и т. д. .

Если МД работает в режиме слежения, то его роль аналогична роли быстроходного исполнительного двигателя в сочетании с редуктором. Однако МД, нередко обладая большими, чем у редукторного привода, энергопотреблением, массой и электромеханической постоянной времени, имеет по сравнению с редукторным приводом весьма существенные преимущества. К ним относятся высокая разрешающая способность МД вследствие отсутствия неизбежных в редукторе люфтов и трений, стабильность механических свойств при изменении условии окружающей среды, высокая резонансная частота, возможность установки на одном валу и в общем корпусе с исполнительным механизмом, простота конструкции, более высокая надежность.

МД выпускаются на моменты от нескольких десятитысячных до нескольких тысяч ньютон-метров при потребляемой мощности от долей ватт до десятков киловатт, массе до сотен килограммов, длине до 0,3 м и выше и диаметре до 1,2 м.

Качество МД тем выше, чем больше отношения момента, развиваемого МД, к объему, массе, потребляемой мощности, мощности управления, чем меньше электромагнитная и электромеханическая постоянные времени, а также чем меньше остаточный момент (момент трогания) при нулевом сигнале, возникающий в МД вследствие трения, гистерезиса, неравномерности воздушного зазора, неоднородности магнитных материалов и несбалансированности ротора.

МД могут классифицироваться по их назначению, принципу действия, роду тока, а также по конструктивному выполнению: одноименнополюсные или разноименнополюсные, с радиальным воздушным зазором или торцевые, с неподвижной (барабанной, кольцевой) или подвижной обмоткой, с зубцовопазовой зоной или беспазовые (с гладким якорем), коллекторные или вентильные, с ограни­ченным или неограниченным углом поворота и т. д. .

Ниже приведены классификация МД в зависимости от их назначения и краткие сведения об областях их применения.

В гироскопах, акселерометрах и в других устройствах широко применяются коррекционные МД. В указанных устройствах, находящихся, например, на борту летательного аппарата (ЛА), ось ротора гироскопа под влиянием механических сопротивлений, изменения в процессе полета географических координат положения летательного аппарата и из-за вращения Земли может изменить свое положение относительно заданного. Задача коррекционного МД заключается в том, чтобы компенсировать соответствующие моменты, вызывая прецессию оси гироскопа, или создать прецессию оси, обеспечивающую неизменность положения оси гироскопа относительно неподвижной системы координат. Момент коррекционных МД невелик и обычно составляет от нескольких десятитысячных до нескольких тысячных, а иногда до нескольких сотых ньютон-метра. Для уменьшения компонента остаточного момента, вызванного гистерезисом, коррекционные МД постоянного тока с электромагнитным возбуждением в некоторых гироскопических системах снабжаются размагничивающими обмотками переменного тока.

В многочисленных системах управления положением различных более крупных объектов (антенны, телескопа, фотоаппарата, солнечного или звездного датчика, роботов, манипуляторов и т. д.) применяются стабилизирующие МД, развивающие значительно большие моменты. При отклонении объекта от заданного положения МД создает момент, воздействующий на какую-либо ось или платформу н возвращающий объект в нужное положение. Иногда такие МД одновременно выполняют функции поворотных элементов при переводе объекта из одного углового положения в другое.

Нередко МД используются в качестве силовых компенсаторов в измерительных системах с отрицательной обратной связью. Так, в некоторых манометрах изменение положения мембраны под влиянием повышения или понижения контролируемого давления преобразуется в электрический сигнал, который после усиления подается в обмотку управления (ОУ). При этом в МД возникает момент, удерживающий мембрану в нейтральном положении. По величине тока подаваемого в ОУ, можно судить о значении контролируемого давления.

В некоторых системах измерения и автоматики МД используются в качестве электрических пружин, заменяя собой механические. Нередко МД применяются в качестве натяжных устройств, позволяющих регулировать или сохранять неизменной силу натяжения ленты, пленки и т. д. Некоторые МД используются в автоматических построителях графиков.

МД широко применяются в различных пневмо- и гидросистемах, где oни обычно работают в пропорциональном режиме (на ротор МД помимо электромагнитной силы влияет противодействующая сила, создаваемая механической пружиной или электромагнитным способом, так что каждому значению сигнала, подаваемого в ОУ, соответствует определенное положение ротора).

Нередко МД используются в качестве поворотных (или линейных) электромагнитов, управляющих различными кранами, защелками и т. д. При подаче сигнала в ОУ такие МД обычно осуществляют перемещения, строго зафиксированные по значению.

Наконец, к МД относятся электромеханические узлы многих измерительных, оптических и других приборов, у которых момент, развиваемый двигателем, уравновешивается механической пружиной, а выходом прибора является угол поворота, зависящий от сигнала, подаваемого в ОУ.

В зависимости от принципа действия МД могут выполняться как момент двигатели с постоянными магнитами (магнитоэлектрические), как реактивные (с электромагнитным или комбинированным возбуждением) и как электродинамические. Принцип работы моментного двигателя с постоянными магнитами (МДПМ) основан на взаимодействии между током в ОУ и полем постоянного магнита (ПМ). Существенным достоинством МДПМ является сравнительно малое потребление мощности на единицу момента, так как основной магнитный поток этого двигателя обеспечивается с помощью ПМ. Зависимость электромагнитного момента МДПМ от сигнала, подаваемого в ОУ, близка к линейной. Обмотка управления МДПМ питается постоянным током; при изменении полярности питающего напряжения меняется знак момента. МДПМ без магнитно-мягких полюсных наконечников постоянных магнитов обладает малой электромагнитной постоянной времени, так как поток ОУ должен проходить через зоны большого магнитного сопротивления; в целях уменьшения электромагнитной постоянной времени (а также зубцовой пульсации момента) используют гладкий статор с беспазовой активной зоной. К недостаткам МДПМ следует отнести некоторую сложность конструкции.

Электромагнитный МД имеет явнополюсный ротор, выполненный из магнитно-мягкого материала, и по принципу действия является реактивным. При подаче тока в ОУ такого электродвигателя ротор начинает поворачиваться в сторону максимальной проводимости магнитному потоку. Принцип действия электромагнитного МД налагает ограничения на значение углового смещения ротора относительно статора, хотя при соответствующем конструктивном исполнении оно может достигать 150 градусов. Потребление мощности на единицу момента такого МД обычно больше, чем у МДПМ (за исключением электромагнитов с весьма малым углом поворота ротора). Конструктивно электромагнитный МД достаточно прост, однако обеспечить линейную зависимость его момента от сигнала, подаваемого в ОУ, невозможно. Нельзя осуществить и строгое постоянство момента по углу поворота ротора. Индуктивность ОУ велика, вследствие чего велика и электромагнитная постоянная времени. Знак момента не зависит от направления тока в ОУ, поэтому МД нередко нуждается в возвратной пружине или в сдвоенной конструкции. Питание ОУ может выполняться как постоянным, так н переменным током.

Принцип работы электродвигателя постоянного тока

Способ 1. Смена направления тока в рамке.

Этот способ используется в двигателях постоянного тока и его потомках.

Наблюдаем за картинками. Пусть наш двигатель обесточен и рамка с током ориентирована как-то хаотично, вот так например:

Рис. 4.1 Случайно расположенная рамка

На случайно расположенную рамку действует сила Ампера и она начинает вращаться.

Рис. 4.2

В процессе движения рамка достигает угла 90°. Момент (момент пары сил или вращательный момент) максимальный.

Рис. 4.3

И вот рамка достигает положения, когда момента вращения нет. И если сейчас не отключить ток, то сила Ампера будет уже тормозить рамку и в конце полуоборота рамка остановится и начнёт вращение в противоположном направлении. Но нам ведь этого не надо.

Поэтому мы на рис.3 делаем хитрый ход – меняем направление тока в рамке.

Рис. 4.4

И вот после пересечения этого положения, рамка с поменянным направлением тока уже не тормозится, а снова разгоняется.

Рис. 4.5

А когда рамка подходит к следующему положению равновесия, мы меняем ток ещё раз.

Рис. 4.6

И рамка опять продолжает ускоряться куда нам надо.

Вот так и получается постоянное вращение. Красиво? Красиво. Нужно только менять направление тока два раза за оборот и всего делов.

А делает это, т.е. обеспечивает смену тока специальный узел – щёточно-коллекторный узел. Принципиально он устроен так:

Рис. 5

Рисунок понятен и без пояснений. Рамка трётся то об один контакт, то об другой и так вот ток и меняется.

Очень важная особенность щёточно-коллекторного узла – его малый ресурс. Из-за трения. Например, вот движок ДПР-52-Н1 – минимальная наработка 1000 часов. В то же время срок службы современных бесколлекторных двигателей более 10000 часов, а двигателей переменного тока (там тоже нет ЩКУ) более 40000 часов.

Основное применение

Универсальный тип электродвигателя как мы выяснили это простой, недорогой и высокоскоростной мотор. Возможность работы на высоких оборотах подключаясь к однофазной сети переменного тока, сделало их очень популярными в бытовой технике. В промышленности этот тип также часто используется, однако его эффективность подходит далеко не всем.

Основные устройства применения универсального электромотора:

• Дрели и шуруповерты
• Миксеры и блендеры
• Вентиляторы
• Пылесосы
• Насосы
• Швейные машины
• Стеклоочистители

Такой мотор используется в первую очередь в оборудовании, где уровень шума некритичен и важны большие обороты вращения. На сайте eltaltd.com.ua вы сможете найти большой каталог в категории Электродвигатели. Там вы сможете найти товары таких известных брендов как Siemens, ABB, Lenze и много других

Подписывайтесь на наши обновления:

Будущее инновационного изобретения

Размышляя о будущем этих устройств, вырисовывается два разных направления:

1. Их будут использовать как двигатели для наноспутников.
2. Они найдут свое применение в области высокомощных двигателей для больших орбитальных маневров и полетов к иным телам Солнечной вселенной.

Сегодня есть множество крошечных спутников, которые выполняют достаточно серьезные задачи. Например, устройства CubeSat дистанционно зондируют Землю. Размер спутников ограничивает доступную электрическую мощность. Поэтому на данный момент для решения этой проблемы стал серьезно рассматриваться вопрос использования АИПД.

Также еще одна область фантазий – это строительство обитаемой станции или базы на Лунной орбите. В этом вопросе оснащении их двигателями такого устройства просто необходимо.

Отмечается, что плазменный двигатель для космических кораблей набирает скорость медленнее обычных. Но здесь кроется парадоксальная ситуация: наряду с низкой скорость на начальном этапе в последующем на далеких дистанциях движение происходит гораздо быстрее.