§ 7.4. Електричні машини малої потужності
Електричні машини потужністю до 500—600 Вт належать до групи електричних машин малої потужності. Серед них вирізняють електричні машини, потужність яких не перевищує 10 Вт, а габаритні розміри — 6—8 см. Машини такого типу називаються електричними мікромашинами.
За призначенням та особливостями роботи електричні машини малої потужності поділяються на електричні машини малої потужності загального застосування, електричні машини автоматичного устаткування та інші. До підгрупи машин малої потужності загального застосування входять різні типи двигунів: асинхронні,
Рис. 7.25. Асинхронний двигун із немагнітним ротором:
1 — зовнішня частина статора;
2 — обмотка; 3 — внутрішня частина статора; 4 — порожнистий ротор; 5 — вал.
синхронні и колекторні постійного струму, призначені в основному для індивідуального приводу механізмів.
Асинхронні мікродвигуни — це двигуни з короткозамкненим ротором, мають на статорі дві обмотки (збудження й керування), які зсунуті в просторі на кут 90 ел. град. Залежно від конструкції короткозамкненого ротора їх поділяють на двигуни із звичайним короткозамкненим ротором у вигляді білячого колеса, з порожнистим немагнітним ротором, з порожнистим феромагнітним ротором. Статор асинхронного двигуна з
порожнистим немагнітним ротором (рис. 7.25) нічим не відрізняється від статора звичайного асинхронного двигуна. Він набирається із листів електротехнічної сталі, у його пази укладено обидві обмотки змінного струму. Ротор двигуна являє собою тонкостінний немагнітний стакан із сплаву алюмінію. Ротор кріпиться до вала двигуна, що обертається у підшипниках. У середині ротора є нерухомий магнітопровід, який часто називають внутрішнім статором. Цей магнітопровід є частиною магнітної системи двигуна і служить для зменшення магнітного потоку двигуна.
Асинхронні двигуни, які працюють від мережі як трифазного, так і однофазного змінного струму, називаються універсальними асинхронними двигунами (УАД). Вони мають симетричну трифазну обмотку на статорі і короткозамкнений ротор типу біляче колесо. Обмотка статора має шість вивідних кінців. Під час роботи двигуна від трифазної мережі його обмотка статора з'єднується зіркою, у цьому разі двигун працює в симетричному режимі (відповідає круговому обертовому полю). В однофазну мережу двигун вмикається за схемами (рис. 7.26).
Синхронні двигуни. Залежно від конструкції ротора синхронні двигуни поділяються на двигуни з постійними магнітами, реактивні та гістерезисні. Крім того, є ще тихохідні двигуни з електромагнітною редукцією та крокові.
Принцип роботи синхронного двигуна з постійними магнітами полягає у взаємодії обертового магнітного поля обмотки статора з полем постійних магнітів, розміщених на роторі. Ці двигуни випускають як у трифазному, так і в однофазному (конденсаторному) варіантах.
Найпоширеніші реактивні синхронні двигуни. Це зумовлено простотою конструкції, порівняно невисокою ціною та необхідністю мати лише одне джерело живлення.
Конструктивно реактивний синхронний двигун мало чим відрізняється від асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором. Його статор подібний до статора звичайного асинхронного дви-
Рис. 7.26. Схема універсального асинхронного двигуна:
а — загальний вид; 6 — схеми вмикання.
гуна. Пакет статора набирається з листів електротехнічної сталі. У його пазах розміщується трифазна або двофазна обмотка. Ротори синхронних реактивних двигунів можуть бути конструктивно різними. Впадини і вирізи на циліндричній поверхні ротора утворюють полюсну систему, необхідну для роботи реактивного двигуна в синхронному режимі. Під час вмикання реактивного синхронного двигуна до мережі струму обмотки статора утворюють обертове магнітне поле, яке індукує в роторі вихрові струми. Утворюється обертальний момент як сума електромагнітного Мем (подібно до моменту асинхронного двигуна) і реактивного Мр (зумовленого нерівністю магнітних провідностей двигуна) моментів. Спочатку ротор розганяється до підсинхронної частоти обертання під час дії асинхронного моменту, а потім входить у синхронізм під дією синхронізуючого реактивного моменту.
Недоліками реактивних синхронних двигунів є низькі коефіцієнти потужності та корисної дії, погані масогабаритні показники.
Ротор гістерезисного двигуна являє собою циліндр із магнітотвердого матеріалу, розміщений на втулці. Обертове магнітне поле, утворене струмами обмотки статора, зумовлює появу в роторі вихрових струмів та намагнічування циліндра. Обертовий момент М гістерезисного двигуна можна розглядати як суму двох моментів: моменту від вихрових струмів Mв тобто моменту від
взаємодії обертового магнітного поля з вихровими струмами ротора, та гістерезисного моменту Мг, який виникає внаслідок гістерезису при перемагнічуванні сталі ротора. Гістерезисний момент буде тим більший, чим більша площа петлі гістерезису магнітотвердого матеріалу ротора.
Недоліками гістерезисних двигунів є низький коефіцієнт потужності (не перевищує 0,3—0,45) та значні коливання ротора машини.
Колекторні двигуни постійного та змінного струму. Електродвигуни постійного струму в багатьох відношеннях кращі за двигуни змінного струму. Однак їхнє використання обмежене. Основні недоліки електродвигунів постійного струму — наявність ковзних контактів (щіток та колектора), іскріння під щітками, неможливість використання двигунів у вибухонебезпечних приміщеннях тощо.
Однофазні колекторні двигуни змінного струму використовуються в побутових приладах і в схемах автоматичного устаткування. За будовою вони майже не відрізняються від двигунів постійного струму. Обмотка збудження однофазних колекторних двигунів змінного струму вмикається послідовно з якорем. їхня механічна характеристика має різко падаючий характер. Ці двигуни є джерелом радіоперешкод і шумів.
Поряд з двигунами постійного струму і колекторними двигунами змінного струму застосовуються універсальні колекторні двигуни (рис. 7.27). Вони малої потужності, з послідовним збудженням, можуть працювати як від мережі змінного струму, так і від мережі постійного струму. Під час роботи від мережі змінного струму тієї самої напруги, що і постійного струму, обмотка збудження повинна мати менше число витків. Тому для вмикання двигуна в мережу змінного струму використовується тільки частина обмотки збудження.
Будова універсального колекторного двигуна подібна до будови двигуна постійного струму з послідовним збудженням. Для зменшення втрат на вихрові струми під час роботи від мережі змінного струму магнітна система універсального колекторного двигуна виконується шихтованою з листової електротехнічної сталі. Швидкість обертання двигуна регулюється зміною напруги на якорі, внаслідок шунтування якоря або обмотки збудження.
Крокові двигуни використовуються в робочих органах механізмів при виконанні ними дискретних (крокових) переміщень. До таких механізмів належать кінознімальна й проекційна апаратура, прилади часу тощо. Для приводу таких робочих органів використовують крокові двигуни, ротори яких виконують крокові переміщення визначеної
Рис. 7.27. Електрична схема універсального колекторного двигуна.
величини з фіксацією положення ротора у кінці кожного кроку.
За принципом дії кроковий двигун є синхронним, магнітне поле його переміщується (обертається) у повітряному зазорі дискретно, кроками. Це досягається внаслідок того, що обмотки статора живляться від спеціального джерела імпульсів напруги, які подаються на обмотки статора у визначеній послідовності.
Кроковий двигун може легко змінювати напрямок свого руху. Для його реверсування потрібно ввімкнути на зворотну полярність напруги обмотку, яка була вимкнена на даному такті комутації.
Максимальна швидкість крокового двигуна з ротором на постійних магнітах 208—314 рад/с.