Синхронные гистерезисные двигатели

В настоящее время в схемах автоматики получили весьма широкое распространение синхронные гистерезисные микродвигатели. Статор обычного гистерезисного двигателя ничем не отличается от статоров синхронных и асинхронных машин. Пакет статора набирается из изолированных листов электротехнической стали. В полузакрытых (с неширокой прорезью) пазах располагается обычная трехфазная или двухфазная (в конденсаторных двигателях) обмотка, которая при подключении к сети переменного тока создает вращающееся магнитное поле. Ротор большинства гистерезисных двигателей представляет собой сплошной или шихтованный полый цилиндр из магнитотвердого материала, имеющего широкую петлю гистерезиса (обладающего большой остаточной намагниченностью), и располагается на магнитной или немагнитной втулке. Магнитные схемы гистерезисных двигателей с различными роторами представлены на рис.38.

Принцип действия гистерезисного двигателя рассмотрим на примере двигателя со сплошным массивным ротором (рис.39). Вращающий момент такого двигателя можно представить как сумму двух моментов: основного гистерезисного Мг, обусловленного наличием большой остаточной намагниченности, и момента от вихревых токов М_в:

М= М_г + М_в.

Рис.38. Магнитные схемы гистерезисных двигателей с различными роторами:

а — с ротором из магнитотвердого материала; б — с составным ротором с ферромагнитной втулкой; в — с составным ротором с немагнитной втулкой; г — двигателя с ферромагнитной втулкой; 1 — ротор; 2 — статор; 3 — магнитотвердый материал; 4 — втулка; 5 — запорное кольцо

Момент от вихревых токов возникает в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля двигателя с вихревыми токами ротора. По своей природе это асинхронный момент. Он равен нулю при синхронизме и вследствие большого активного сопротивления массивного ротора максимален при пуске

(n = 0). Если бы двигатель обладал только моментом от вихревых токов, то его механическая характеристика не отличалась бы ничем от механической характеристики обычного асинхронного двигателя с повышенным активным сопротивлением ротора, имеющего s_к > 1.

Рис.39. Принцип действия гистерезисного двигателя:

а — схема сил при невращающемся магнитном поле; б — схема сил при вращающемся магнитном поле

Возникновение гистерезисного момента объясняется наличием у материала ротора широкой петли гистерезиса. При асинхронной скорости вращения ротор, находясь в магнитном поле, все время перемагничивается. При этом ось поля ротора, изготовленного из магнитотвердого материала, при наличии момента сопротивления на валу отстает от оси вращающегося магнитного поля на некоторый угол 9. В результате взаимодействия поля ротора с опережающим его вращающимся магнитным полем статора возникает вращающий гистерезисный момент М_г.

Если ротор гистерезисного двигателя поместить в магнитное поле, то он намагнитится, его области спонтанной намагниченности — элементарные магнитики будут ориентированы по силовым линиям магнитного поля. На рис.39 схематично показаны два элементарных магнитика. В результате взаимодействия внешнего поля, которое для наглядности представлено в виде двух полюсов магнита, с элементарными магнитиками ротора возникнут силы F = F_n, которые в положении ротора, соответствующем, показанному на рис.38, а, будут направлены радиально. Момент, действующий на ротор в этом случае, будет равен нулю.

Если полюсы магнита, а следовательно, внешнее магнитное поле вращать относительно ротора, то элементарные магнитики будут поворачиваться вслед за полем полюсов, однако вследствие молекулярного трения, которое у магнитотвердых материалов весьма значительно, они будут отставать от поля полюсов на некоторый угол 6. Силы взаимодействия F между элементарными магнитиками и полем полюсов магнита в этом случае (см.39, б) кроме радиальных составляющих F_n будут иметь еще тангенциальные составляющие F_t которые и создадут вращающий гистерезисный момент.

Рис.40. Механические характеристики гистерезисного двигателя

На рис.40 представлены механические характеристики гистерезисного двигателя — зависимости гистерезисного момента M_г, момента от вихревых токов М_в и суммарного момента М= М_г + М_в от частоты вращения n при круговом поле, синусоидально распределенном в пространстве. У гистерезисных двигателей с шихтованным ротором вихревые токи практически отсутствуют, поэтому М_в = 0 и механическая характеристика М = Mг = f(n) имеет вид прямой линии.

Роторы гистерезисных двигателей по конструктивному исполнению можно разделить на три группы.

1. Роторы (сплошные или шихтованные), целиком изготовленные из магнитотвердого материала (см. рис.38, а).

2. Сборные роторы, состоящие из полого цилиндра (сплошного или шихтованного), изготовленного из магнитотвердого материала и ферромагнитной втулки (см. рис.38, б). Такие роторы обычно применяются в случае, если магнитотвердый материал имеет малую магнитную проницаемость μ (сравнительно небольшую индукцию насыщения В_m при большой коэрцитивной силе Н_с).

3. Сборные роторы, состоящие из активной части — полого (сплошного или шихтованного) цилиндра из магнитотвердого материала — и немагнитной (μ = 1) втулки из алюминия или пластмассы (см. рис.38, в). Такие роторы применяются в том случае, когда магнитотвердый материал имеет сравнительно большую магнитную проницаемость μ (большую В_m при сравнительно небольшой Н_с).

Наибольшее распространение в настоящее время получили роторы второй и третьей групп. В некоторых двигателях активная часть ротора изготовляется не из листов, а из проволоки, полос или пресс-порошка.

Положительные качества синхронных гистерезисных двигателей следующие:

большие пусковой момент и момент входа в синхронизм;

независимость момента входа в синхронизм от момента инерции;

плавность входа в синхронизм — отсутствие рывка;

незначительное изменение тока — на 20...30 % от пуска (n = 0) до холостого хода (n = n_с) и на 1... 3 % от холостого хода до номинальной нагрузки;

сравнительно высокий КПД, достигающий в некоторых двигателях 60 %;

малое время разгона;

большая механическая прочность и симметрия ротора, что позволяет создавать высокоскоростные двигатели, в том числе гидродвигатели;

способность одного и того же ротора работать в магнитных полях различной полюсности — полисинхронизм ротора, позволяющий создавать многоскоростные синхронные двигатели, хотя и неравноценные по качеству на различных скоростях из-за различного намагничивания активного материала ротора;

высокая температурная стабильность пусковых и рабочих характеристик, обусловленная тем, что изменение температуры влияет лишь на значение активного сопротивления обмотки статора;

высокая надежность, малый уровень шума и сравнительно небольшие габариты и масса.

Недостатки синхронных гистерезисных двигателей, ограничивающие области их применения, сводятся к следующим:

низкий коэффициент мощности (cosφ), не превосходящий 0,3...0,45;

малая стабильность мгновенной скорости вращения — качание ротора при резко изменяющихся нагрузках;

большой технологический разброс характеристик двигателя, объясняющийся тем, что даже незначительные отклонения от установленного режима термической обработки ведут к значительным изменениям свойств магнитотвердых материалов;

высокая стоимость магнитотвердых материалов и сложность их механической обработки.