Глава одиннадцатая
СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
11.13. СИНХРОННЫЕ МИКРОДВИГАТЕЛИ
Синхронные микродвигатели — электрические машины малой мощности от десятых долей ватта до сотен ватт. Частота вращения роторов микродвигателей, как и обычных синхронных двигателей, не зависит от нагрузки и равна частоте вращающегося магнитного поля n= 60f/р. По этой причине синхронные микродвигатели используются для привода различных устройств, частота вращения которых должна сохраняться неизменной и пропорциональной частоте питающей сети. К таким устройствам относятся самопишущие приборы, электрические часы, киноустановки и т. п. Существуют как трехфазные, так и однофазные синхронные микродвигатели. Вращающееся магнитное поле трехфазных и однофазных двигателей создается с помощью обмоток статора, которые не отличаются от обмоток статора соответствующих трехфазных и однофазных асинхронных двигателей.
 |
| Рис. 11.16. Конструкция ротора синхронного микродвигателя с постоянными магнитами |
 |
| Рис. 11.17. Пусковые и механическая характеристики синхронного микродвигателя с постоянными магнитами |
Роторы синхронных микродвигателей не имеют обмоток возбуждения, а следовательно, и скользящих электрических контактов, что значительно упрощает их конструкцию и повышает надежность эксплуатации. Отпадает необходимость в источнике постоянного тока.
По конструктивному исполнению ротора микродвигатели подразделяются на двигатели с постоянными магнитами, гистерезисные и реактивные.
11.13.1. Микродвигатель с постоянными магнитами. По существу такой микродвигатель отличается от обычного синхронного двигателя только тем, что магнитное поле его ротора создается постоянными магнитами 1, расположенными на валу (рис 11.16). Для получения пускового момента в пазах полюсных наконечников уложена пусковая обмотка 2, как и у обычного синхронного двигателя.
В период пуска двигатель работает как асинхронный и развивает момент Ма , обусловленный взаимодействием вращающегося магнитного поля с током пусковой обмотки ротора, вызванным ЭДС от вращающегося магнитного поля. Однако при пуске создается и тормозной момент Мт , возникновение которого можно объяснить следующим образом. Магнитный поток постоянного магнита ротора при вращении пересекает проводники обмотки статора и наводит в них ЭДС, пропорциональную частоте вращения ротора. ЭДС вызывает в обмотке статора ток той же частоты. Взаимодействие этого тока с магнитным полем постоянного магнита ротора и создает тормозной момент.
Результирующий момент, развиваемый двигателем при пуске, равен Мр = Ма + Мт . Графики моментов Ма , Мт и Мр двигателя представлены на рис. 11.17. Характеристика результирующего момента имеет провал в области малых частот вращения, что необходимо иметь в виду при выборе двигателя по пусковым свойствам.
При достижении ротором частоты вращения, близкой к синхронной, ротор входит в синхронизм и двигатель начинает работать как синхронный, т. е. имеет частоту вращения, не зависящую от его нагрузки. В этом случае развиваемый двигателем момент Мс обусловлен взаимодействием магнитных полей постоянных магнитов ротора и вращающегося поля статора.
 |
| Рис. 11.18. Конструкция ротора синхронного гистерезисного микродвигателя |
 |
| Рис. 11.19. Модель синхронного гистерезисного микродвигателя для пояснения возникновения вращающего момента |
Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами по сравнению с гистерезисными и реактивными имеют более высокий КПД, cos φ и значительно устойчивее в работе. Однако они более дорогие и имеют относительно большой пусковой ток.
11.13.2. Гистерезисиый микродвигатель. Гистерезисный микродвигатель представляет собой синхронный двигатель с цилиндрическим ротором без обмотки, с постоянным остаточным магнитным потоком и асинхронным пуском.
Ротор гистерезисного микродвигателя (рис. 11.18) состоит из массивного кольца 1, изготовленного из магнитно-твердого материала и алюминиевой или стальной втулки 2. При пуске вращающий момент микродвигателя обусловлен как явлением гистерезиса при перемагничивании ферромагнитного материала ротора, так и асинхронным моментом. Возникновение гистерезисного момента микродвигателя можно пояснить с помощью его модели, приведенной на рис. 11.19, где вращающееся магнитное поле статора условно заменено кольцевым вращающимся магнитом 2. Ротор двигателя при намагничивании кольца 1 представляет собой постоянный магнит, в котором ось намагничивания из-за явления гистерезиса отстает от оси вращающегося магнитного поля статора. Отставание характеризуется углом гистерезисного сдвига θг и обусловливает возникновение тангенциальных гистерезисных сил Fг, а следовательно, и гистерезисного момента Мг. Так как значение угла θг связано только со свойствами материала ротора, то Мг является постоянным по значению для конкретного двигателя и тем больше, чем шире петля гистерезиса магнитно-твердого материала ротора.
Кроме момента Мг в двигателе, как и в асинхронном, возникает асинхронный момент Ма, что можно объяснить следующим образом. Так как ротор представляет собой как бы короткозамкнутую обмотку со значительным активным сопротивлением, то в нем возникает ЭДС Е2 = Е2кs от вращающегося магнитного поля статора, которая вызывает ток в роторе. В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем возникает момент Ма. Результирующий момент двигателя Мр = Мг + Ма (рис. 11.20).
 |
| Рис. 11.20. Пусковые и механическая характеристики синхронного гистерезисного микродвигателя |
 |
| Рис. 11.21. Модель синхронного реактивного микродвигателя для пояснения возникновения вращающего момента |
Когда частота вращения ротора окажется близкой к частоте вращения магнитного поля статора, ротор войдет в синхронизм и двигатель будет работать как синхронный. Момент, развиваемый двигателем при синхронной частоте вращения ротора Мс , обусловлен взаимодействием магнитного потока остаточного намагничивания ротора и вращающегося магнитного потока статора. Гистерезисные микродвигатели в зависимости от нагрузки на валу могут работать как в синхронном, так и в асинхронном режиме. Если нагрузка характеризуется кривой А (рис. 11.20), двигатель будет работать в синхронном режиме. При этом синхронный режим работы двигателя будет получаться автоматически, если противодействующий момент Мпр на валу двигателя не превышает его гистерезисного момента, т. е. Мпр ≤ Мг . При нагрузке в виде кривой Б(Мпр > Мг) двигатель будет работать в асинхронном режиме. При этом возникают значительные потери энергии на перемагничивание ротора и КПД двигателя резко снижается.
Гистерезисные синхронные микродвигатели надежны в работе, имеют большой пусковой момент и малый пусковой ток, высокий КПД (η = 0,5 ÷ 0,6), плавно входят в синхронизм. К недостаткам можно отнести низкий cos φ ≈ 0,4 • 0,5 и трудоемкость обработки магнитно-твердых материалов, из которых выполнено кольцо двигателей.
11.13.3. Реактивный микродвигатель. В реактивном микродвигателе рабочий момент возникает благодаря различию магнитных проводимостей ротора по его поперечной и продольной осям. На рис. 11.21 показана модель реактивного двигателя, причем вращающееся поле статора условно заменено кольцевым вращающимся магнитом 1. Так как ротор 2 стремится занять положение, при котором магнитная цепь имеет наименьшее магнитное сопротивление, появляются тангенциальные силы Fт , а следовательно, и вращающий момент М, направленный в сторону вращения магнитного поля статора.
Основные конструкции роторов микродвигателей приведены на рис. 11.22. Ротор со впадинами (рис. 11.22, а) собирается из отдельных листов электротехнической стали. Для пуска двигателя ротор имеет короткозамкнутую обмотку типа беличьей клетки. Ротор из сплошного ферромагнитного материала (рис. 11.22, б) пусковой обмотки не имеет. Пусковой момент создается в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с вихревыми токами, индуктированными в роторе. Реактивные микродвигатели имеют достаточно простую конструкцию, надежны в работе.
 |
Рис. 11.22. Конструкция роторов синхронных реактивных микродвигателей |
 |
|
 |
Рис. 11.23. К пояснению принципа действия шагового микродвигателя с постоянными магнитами |
К их недостаткам можно отнести: небольшой максимальный момент, низкий cos φ (менее 0,5), значительные габаритные размеры, что объясняется большим сопротивлением магнитной цепи двигателя. Кроме того, микродвигатели весьма чувствительны к колебаниям напряжения сети.
11.13.4. Шаговые микродвигатели. В шаговых микродвигателях питание обмоток статора может осуществляться как однополярными, так и разнополярными прямоугольными импульсами напряжения. Данные микродвигатели могут быть названы импульсными. Они широко применяются в приводах механизмов, в которых необходимо осуществлять старт-стопное или непрерывное движение, например в лентопротяжных устройствах с целью ввода и вывода информации, приводах различных станков с программным управлением, счетчиках и т. д.
Рассмотрим принцип работы двигателя на примере работы шагового микродвигателя с постоянными магнитами, которые называются также магнитоэлектрическими (рис. 11.23). Статор двигателя имеет явновыраженные полюсы с обмотками возбуждения 1 и 2 (рис. 11.23, а). Обмотка возбуждения может быть выполнена двух-, четырех- и т. д. полюсной. В рассматриваемом двигателе она четырехполюсная. Ротор — постоянный магнит. При подаче прямоугольных импульсов напряжения заданной последовательности на обмотки возбуждения и изменении в них токов Iв1 и Iв2, как показано на рис. 11.23, г, ось основного магнитного потока скачкообразно поворачивается на 90° (рис. 11.23, а-в). Под действием момента, который возникает в результате взаимодействия магнитных полей статора, создаваемого обмоткой возбуждения и ротора как постоянного магнита, ротор поворачивается также на 90°, т. е. на одно полюсное деление. Рассмотренная схема переключения двух обмоток возбуждения называется схемой четырехтактной разнополярной коммутации. Если обмотки возбуждения создают полярность полюсов, чередующихся в соответствии с рис. 11.23, а — в, вращение ротора будет осуществляться против часовой стрелки. Для уменьшения шага или полюсного деления шаговые микродвигатели выполняются многополюсными, причем число полюсов ротора равно числу полюсов статора. Шаг двигателя, т. е. угол поворота ротора за один такт, может быть определен как
| αш = | 360 | , |
| kp |
Частота вращения ротора, об/мин, с учетом частоты подачи импульсов
| п = | 60f | , |
| kp |