Проектирование мехатронных узлов Божко

В конструкцию каждого сельсина входит статор и ротор с обмотками переменного тока. В соответствии со своими особенностями, эти устройства конструктивно могут состоять из следующих элементов:

•Обмотка с одной катушкой на статоре и с тремя – на роторе.

•Обмотка с тремя катушками на статоре и с одной – на роторе.

•Обмотка с тремя катушками на статоре и с тремя – на роторе.

Сельсины, задействованные в схемах автоматических регулировок, разделяются на следующие категории:

•Сельсин-датчики.

•Сельсин-приемники.

•Дифференциальные сельсины.

Основной функцией этих устройств является синхронный поворот или вращение двух или нескольких осей, не имеющих между собой механической связи. Сельсин, механически связанный с ведущей осью, считается датчиком, а другой такой же прибор, соединенный с ведомой осью называется приемником. Когда ротор датчика поворачивается на какой-то угол, то ротор приемника синхронно выполняет поворот на такой же угол.

Каждый сельсин имеет обмотки, разделяющиеся на первичную – обмотку возбуждения и вторичную – обмотку синхронизации. В зависимости от количества фаз первичной обмотки, устройства могут быть одноили трехфазными. Вторичная обмотка практически всегда выполняется в трехфазном варианте.

Расположение первичной и вторичной обмотки не влияет на принцип работы сельсинустройств. Однако, обмотку синхронизации принято устанавливать на статоре, а обмотку возбуждения на роторе. Такое размещение позволяет снизить количество контактных колец и повысить общую надежность устройства.

Принцип работы.

У однофазных сельсинов обмотку синхронизации выполняют по типу трехфазной, т.е. три отдельных обмотки смещены в пространстве на 120° и соединены в звезду, а наводимые в ней ЭДС и токи, проходящие по ее отдельным обмоткам, имеют одну и ту же временную фазу. Обмотку синхронизации всегда выполняют распределенной. Обмотку возбуждения можно сделать и распределенной, и сосредоточенной. Так как в случае распределенной обмотки характеристика момента имеет меньшую крутизну, то в сельсинах, предназначенных для индикаторного режима, предпочтительнее применять сосредоточенную обмотку возбуждения.

Число пар полюсов в сельсине выбирают равным единице (р – 1), чтобы получить самосинхронизацию в пределах одного оборота.

Обмотка возбуждения сельсина создает пульсирующий магнитный поток. Этот поток, проходя по магнитопроводу сельсина, пересекает витки обмотки синхронизации и наводит в них трансформаторные ЭДС, зависящие от угла поворота ротора. Так как при повороте ротора взаимоиндуктивность между обмотками возбуждения и синхронизации плавно изменяется по закону косинуса, то в обмотке синхронизации наводятся фазные ЭДС, пропорциональные косинусу угла поворота ротора:

Е1= Еmax cos θ

Е2= Еmax cos (θ -120°) Е3= Еmax cos (θ -240°) ,

где θ - угол поворота ротора сельсина от исходного положения (за исходное положение принимается такое, когда обмотка, образующая первую фазу обмотки синхронизации, соосна с потоком возбуждения); Еmax– наибольшее действующее значение фазной ЭДС обмотки синхронизации, соответствующее совпадению оси фазы и потока возбуждения. Сдвиг по фазе этих трех ЭДС либо 0, либо 180°.

Рис. 3. Магнитные системы однофазных контактных сельсинов: с явнополюсным статором (а), с явнополюсным ротором (б),

неявнополюсная (в). ДО демпферная обмотка в виде короткозамкнутого витка, ось которого перпендикулярна оси полюсов.

В явнополюсных сельсинах один из элементов магнитопровода (статор или ротор) имеет два явно выраженных полюса с полюсными катушками обмотки возбуждения ОВ. Тогда другой элемент (ротор или статор) делают неявнополюсным с распределенной обмоткой синхронизации ОС, состоящей из трех обмоток фаз, сдвинутых в пространстве относительно друг друга на 120°.

Однофазные сельсины могут работать в двух основных режимах:

–индикаторном, когда датчик поворачивается принудительно, а приемник устанавливается в согласованное с датчиком положение под воздействием собственного синхронизирующего момента;

–трансформаторном, когда датчик поворачивается принудительно, а приемник вырабатывает напряжение, являющееся функцией угла рассогласования. При этом вал приёмника фиксируется, а сигнал рассогласования снимается с обмотки возбуждения.

Для обоих режимов возможны следующие схемы: а) парная: датчик – приемник; б) многократная: датчик – несколько приемников;

в) дифференциальная: два датчика – приемник.

При одинаковом расположении роторов сельсинов по отношению к магнитной оси обмотки возбуждения, то есть при α = β, ЭДС в соответствующих фазах обмоток будут одинаковы: Е1 = Е1´, Е2 = Е2´, Е3 = Е3´. Поскольку обмотки синхронизации включены встречно, то рассматриваемые ЭДС находятся в противофазах. Поэтому токи в соединительных проводах обмоток синхронизации отсутствуют, так как они определяются разностью соответствующих ЭДС.

Если же ротор СД повернуть на некоторый угол относительно ротора СП (α ≠ β), то величины ЭДС в обмотках синхронизации будут различными. Разность этих ЭДС будет определять величину токов, протекающих по соединительным проводам:

I1 =( Е1 - Е1´)/2Z, аналогично I2 и I3

где 2Z – полное сопротивление двух фаз обмоток синхронизации СД и СП и соединительных проводов.

Эти токи создадут в обмотках синхронизации СД и СП магнитные потоки. В результате взаимодействия магнитных потоков обмоток возбуждения и синхронизации на валах сельсинов возникнут вращающие моменты, которые будут стремиться уравнять величины углов α и β.

Если ротор СД после разворота на заданный угол закрепить, то ротор СП под действием вращающего момента будет вращаться до тех пор, пока не станет в положение, при котором a = b. Токи I1, I2, I3 называют уравнительными, поскольку посредством их происходит выравнивание положения двух осей, а после этого токи будут равны нулю.

В трансформаторном режиме обмотка возбуждения сельсина - датчика подключается к источнику однофазного тока. Катушки синхронизации датчика соединены с катушками синхронизации приемника, который работает как сельсин - трансформатор. Катушки синхронизации СП являются первичной обмоткой, а статорная обмотка ОВП - вторичной (выходной) обмоткой. Она через усилитель у cоединяется с исполнительным двигателем. Исполнительный двигатель через редуктор связан с валом сельсина - приемника.

Если ротор сельсина - датчика повернуть на угол θ , то результирующий магнитный поток в роторе сельсина - приемника повернется тоже на угол θ , а на зажимах обмотки ОВП появится напряжение, зависящее от угла θ . Это напряжение подается на вход усилителя, а затем на исполнительный двигатель. Двигатель вращается, поворачивая обмотки управления. Вал ротора сельсина - приемника через редуктор связан с валом объекта управления. Когда вал объекта управления повернется на нужный угол, одновременно с ним повернется на угол θ вал сельсина - приемника. Возникнет новый согласованный режим, и движение прекращается.

Электрические системы дистанционной передачи угла поворота или вращения механизмов используются в радиолокаторах, радиопеленгаторах, как датчики промышленных роботов, в авиационной и другой специальной технике.

Бесконтактные сельсины

Рис. 6. Конструктивная схема и магнитная цепь бесконтактного сельсина

Ротор - Р бесконтактного сельсина (рис.6) имеет два стальных пакета, разделенных немагнитным материалом - НМ (обычно сплавом алюминия). Пакеты ротора шихтованы в продольном направлении. Статор состоит из сердечника - С и двух колец - К. В пазах статора уложена обмотка синхронизации - ОС, выполненная по типу трехфазной. К кольцам примыкают пакеты внешнего магнитопровода - ВМ, то же шихтованных в продольном направлении. Обмотка возбуждения - ОВ выполнена в виде двух кольцевых катушек.