Гистерезисный электропривод

1. Определения

Гистерезисный электропривод – электропривод, в составе которого используется гистерезисный двигатель.

Гистерезисный двигатель (ГД) – это бесконтактный ЭД, в котором вращающий момент возникает за счет явления магнитного гистерезиса при перемагничивании ротора полем статора в процессе пуска и за счет взаимодействия поля статора с намагниченным ротором в синхронном режиме.

2. История ГД

Впервые предложение об использовании вращающего момента, обусловленного гистерезисом, было сделано ученым-электротехником Элихью Штейнметцем в 1900 году [2].

Первый гистерезисный двигатель был построен в 1911 году [2].

В 1918-1920 году появились однофазные гистерезисные двигатели мощностью на доли ватта – двигатели Уоррена, использовавшиеся для завода часовых пружин, привода часов, реле и т.д [2].

В 1936-1937 годах появились трехфазные ГД мощностью от нескольких Ватт до 100-200 Вт [2].

В 1937 впервые запатентован ГД с перевозбуждением [1].

3. Область применения.

Приборный маломощный управляемый электропривод, групповой привод механизмов, гироскопические системы.

4. Конструкция ГД

ГД имеет статор обычной электрической машины переменного тока (как у асинхронного двигателя) с распределенной в пазах обмоткой. Пазы статора, как правило, полузакрытые. Иногда для уменьшения потерь в роторе от зубцовых гармоник в двигателях с массивным цилиндром статор выполняют с закрытыми пазами [6].

Обмотка статора, как правило, трехфазная. Или двухфазная (у однофазных конденсаторных двигателей) [8].

Рис. 1. Конструкция ротора ГД и петля гистерезиса [4]

Ротор ГД не имеет явно выраженных полюсов и какой-либо обмотки и представляет собой цилиндр. Возможны два варианта. 1) Ротор полностью является активным. То есть цилиндр полностью выполнен из магнитотвердого материала с определенными свойствами. 2) Ротор состоит из двух частей: активной части - полого цилиндра (активный гистерезисный слой), и конструкционной части - цилиндрической втулки, на которую насаживается активная часть и которая закрепляется в подшипниках (рис. 1б).

Для снижения потерь на вихревые токи активная часть ГД, как правило, шихтуется, а конструкционная часть выполняется из немагнитных материалов [5] (сталь, алюминий, в ряде случаев теплостойкая и высокопрочная пластмасса).

Активный гистерезисный слой выполняется из магнитотвердого материала со следующими свойствами:

1) Относительно низкие (для магнитотвердого материала) значения коэрцитивной силы (2-30 кА/м [1]). Для сравнения, распространенные в МЭМ магнитотвердые материалы имеют следующие значения коэрцитивной силы: SmCo – 560 кА/м; NdFeB – 850 кА/м.

2) Петля гистерезиса близка к прямоугольной форме (рис. 1б). Для сравнения штриховой линией приведена петля гистерезиса обычной электротехнической стали.

Сущность этого гистерезиса заключается в отставании изменения магнитной индукции В_р в магнитотвердом материале ротора от изменения напряженности Н_р внешнего намагничивающего поля статора.

Материал ротора с такими свойствами в отличие от классических постоянных магнитов не является магнитом изначально. Он становится магнитом только после намагничивания током статора ГД, что происходит уже во время пуска двигателя.

Наибольшее применение в ГД нашел сплав викаллой (сплав кобальта, ванадия и железа), в достаточной степени отвечающий названным требованиям.

5. Принцип действия ГД

На трехфазную обмотку статора подается переменное напряжение и создается вращающееся магнитное поле (подобно тому, как это происходит в трехфазных АД). Будем характеризовать его вектором МДС F_s, совпадающим с вектором Ф₁.

Рис. 2. Пояснение принципа действия ГД [5]

Под действием внешнего поля ротор намагнитится по оси обмотки, т.е. его элементарные магнитики (домены, размер которых не превышает 0,01 мм) сориентируются по полю и займут положение, показанное на рис.2а [5]. Вектора F_s и B_р совпадут.

При повороте поля (вектора F_s) статора (рис.2б) вслед за ним будут стремиться повернуться домены ротора (то есть ось намагниченных элементарных магнитиков, формирующих полюса ротора ГД, то есть вектор В_р). Однако вследствие явления гистерезиса вектор В_р хоть и будет вращаться со скоростью вращения поля статора (вектора F_s), но будет отставать от него на некоторый угол . Силы магнитного притяжения в этом случае будут иметь тангенциальные составляющие, которые и создадут вращающий момент, стремящийся увлечь ротор за полем статора. Этот момент называется гистерезисным [5].

Выражение для гистерезисного момента:

М_г= kF_sB_рsin (1)

Значения F_s, B_р и  от угловой скорости ротора не зависят. Как следствие, не зависит от угловой скорости ротора и значение вращающего гистерезисного момента М_га.

Значение F_s определяется током статора и числом витков в обмотке.

Значение B_р определяется МДС статора F_s и толщиной активного слоя. При ограниченном значении F_s толщину слоя не следует брать большой, иначе снизится индукция B_р и развиваемый ГД момент. И расход дорогостоящего материала будет неоправданным [8].

Угол  определяется коэрцитивной силой материала ротора Н_с. Чем больше Н_с (то есть чем шире петля гистерезиса), тем сильнее должно изменяться внешнее поле, прежде чем начнет изменяться направление поля элементарных магнитиков [7]. У материала с прямоугольной петлей гистерезиса угол магнитного запаздывания =90 град. Материал с нулевой площадью петли имеет =0 град. Современные материалы активного слоя имеют =30-60 град [4], 30-50 град [2], микродвигатели 20÷25 град [5,7]. Отметим, что угол , с которым ГД работает в асинхронном режиме, равен _макс, с которым ГД может работать в синхронном режиме. О нем мы поговорим ниже.

Итак, первый режим работы ГД, с которым он работает при разгоне – это асинхронный режим. В этом режиме ротор вращается с меньшей скоростью, чем поле статора (Ω<Ω₀). Полюса намагниченности ротора двигателя в этом режиме скользят относительно ротора. Материал ротора перемагничивается и в нем выделяются потери, пропорциональные скольжению.

По мере разгона скорость вращения ротора увеличивается и приближается в синхронной. Если момент нагрузки (номинальный момент) М_с будет меньше максимального синхронного момента М_с.макс в момент достижения синхронной скорости вращения Ω₀ произойдет дальнейшее ускорение ротора. Угол  станет меньше _макс и электромагнитный момент, развиваемый двигателем, уменьшится до уровня момента сопротивления М_с. Двигатель будет вращаться с синхронной скоростью Ω₀=2πf₁/p.

Таким образом, второй режим работы ГД – это синхронный режим. Скорость вращения ротора равна скорости вращения поля Ω= Ω₀. Скольжение равно 0, перемагничивание гистерезисного слоя отсутствует.

В синхронном режиме ГД работает как обычный синхронный двигатель с постоянными магнитами на роторе. Отличие состоит в том, что угол  отставания оси потока ротора Ф₂, принимаемый за его продольную ось, от МДС статора F_s не может превысить угла гистерезисного запаздывания =_макс (у СД это угол составляет 90 град). Если это случится, ГД выпадет из синхронизма, перейдет в асинхронный режим и его ротор начнет перемагничиваться.

Наибольшее значение момента нагрузки М_с.макс, с которым может работать ГД в синхронном режиме, таким образом, равно

М_с.макс= kF_sB_рsin_макс

6. Механическая характеристика ГД

6.1 Характеристика

Рис. 3а. Механическая характеристика идеального ГД

Рис. 3б. Механическая характеристика реального ГД

Механическую характеристику ГД можно разделить на два участка: участок, относящийся к асинхронному режиму работы (вертикальный), и участок, относящийся к синхронному режиму работы (горизонтальный).

Для идеального ГД механическая характеристика представляет собой две прямые (рис.3а).

Идеальным называется ГД, в котором:

- отсутствуют поверхностные потери в роторе и влияние вихревых токов;

- воздушный зазор – постоянный;

- ток – синусоидальный.

В асинхронном режиме работы гистерезисный момент идеального ГД остается неизменным на всех скоростях вращения и равен максимальному вращающему моменту в синхронном режиме М=М_п=М_с.макс^ид.

В синхронном режиме работы постоянной остается частота вращения Ω=Ω₀.

У реальных ГД механическая характеристика на участке асинхронного режима работы отличается от идеальной и выглядит примерно так, как показано на рис. 3б.

Причины отличия:

1) Влияние вихревых токов в роторе. Появляется дополнительная составляющая момента в двигателе - асинхронный момент М_а, создаваемый при взаимодействии вихревых токов в роторе с потоком поля статора Ф₁ [7]. Величина вихревых токов зависит от частоты перемагничивания (скольжения) и их влияние в наибольшей степени проявляется в момент пуска и при малых скоростях, а в синхронном режиме, когда перемагничивания нет, это влияние отсутствует. А значит, равен нулю и асинхронный момент М_а.

У двигателей с шихтованным цилиндром из магнитотвердого материала асинхронный момент практически отсутствует [6].

2) Влияние высших гармоник поля статора на гистерезисный момент М_г.а [7]. Приведенная ранее формула для М_га (1) была справедлива для синусоидальных величин.

Суммарный момент с увеличением частоты вращения уменьшается: максимальный синхронный момент М_с.макс меньше пускового момента М_п.

Работа двигателя на механической характеристике в координатах Ω – M характеризуется точкой пересечения статической характеристикой нагрузки и механической характеристикой при заданном напряжении питания (т.1 рис.3а и рис.3б).

При М>М_с.макс ГД переходит в асинхронный режим (т.2 на рис.3б). Работа двигателя в этом режиме неэкономична, т.к. потери на перемагничивание возрастают с частотой скольжения [4].

7.6.2. Показатели механической характеристики

Механическая характеристика ГД характеризуется следующими коэффициентами:

- кратность пускового момента: k_м = М_п/М_ном.

Для большинства ГД колеблется от 1,5 до 4,0 [3]. Меньшее значение достаточно для уверенного запуска и надежной работы в синхронизме. Большее значение выбирается при необходимости существенно уменьшить время разгона двигателя.

- коэффициент перегрузки: k_п = М_с.макс/М_н.

- коэффициент формы механической характеристики ГД: С_м = М_п/М_с.макс.

Этот коэффициент является показателем совершенства характеристик ГД и степени влияния высших гармоник. В реальных ГД этот коэффициент равен от 1,1 до 1,5 [3]. Чем больше С_м, тем больше влияние высших гармоник и ниже КПД двигателя.