11.1. Принцип дії двофазного виконавчого асинхронного мікродвигуна

В якості виконавчих досить часто використовують двофазні асинхронні двигуни. Вони мають на статорі дві обмотки, зсунуті у просторі: збудження З, яка знаходиться постійно під напругою, та керування К. Ротор порожнистий або короткозамкнений ( рис. 11.1, а).

а)

б)

Рис. 11.1. Схема вмикання (а) та магнітні поля (б) двофазного асинхронного двигуна

Обертове магнітне поле створюється взаємодією МРС та за наявністю просторового та часового зсуву між ними й рівності їх амплітудних значень. Порушення будь-якої з цих умов призводить до еліптичного поля, тобто, кінець вектора магнітного потоку Ф при обертанні описує не коло, а еліпс (рис.11.1, б). При цьому потік та обертаючий момент змінні. Тому еліптичне поле створює менший середній за оберт момент , ніж колове.

Розкладаючи еліптичне поле на пряму та зворотну складові, приходимо до висновку, що пряме поле створює обертовий момент , а зворотне – гальмівний . Зі збільшенням еліптичності зростає магнітний потік та момент . Зменшення результуючого моменту призводить до зменшення швидкості обертання ротора.

Рис. 11.2. Застосування методу симетричних складових при регулюванні кута між векторами напруг

Якщо кут між векторами ЕРС β=0 ( рис.11.2), або просторовий кут γ=0 (рис. 11.1), або =0 чи =0, поле стає пульсуючим, =0, кутова швидкість обертання ротора ω=0. Для пульсуючого поля .

Якщо поле колове, то напруга керування, зведена до обмотки збудження:

,

де коефіцієнт трансформації

(11.1)

- числа витків збудження та керування відповідно

- обмоткові коефіцієнти обмоток збудження та керування.

При γ=90º від асиметрії МРС можливо перейти до асиметрії напруг та . Якщо поле еліптичне, то при складанні рівняння для електромагнітного моменту можливо скористатись методом симетричних складових стосовно двофазних систем. В цьому випадку можна використати метод розрахунку асинхронних двигунів, розроблений у загальному курсі електричних машин.

За цим методом несиметрична двофазна система векторів та (рис. 11.2) розкладається на дві симетричні системи, кожна з яких складається з векторів, однакових за величиною та зсунутих між собою на кут 90 º. Система векторів прямої послідовності має таке ж чергування фаз, що й початкова система. Вектори зворотної послідовності мають протилежне чергування фаз. Цьому відповідає система рівнянь

(11.2)

З системи рівнянь (11.2) визначаємо:

(11.3)

(11.4)

11.2. Конструктивна будова асинхронних виконавчих двигунів

З вимог, яким повинен відповідати виконавчий двигун, витікає, що, стосовно асинхронних виконавчих двигунів, не тільки відсутність самоходу, але й забезпечення широкого стійкого регулювання швидкості й лінійності механічних характеристик, пов'язані зі збільшенням активного опору ротора. Ця вимога може бути здійснена двома шляхами. По-перше, можливо застосувати звичайний короткозамкнений ротор, складений з листової сталі, який має обмотку у вигляді білячої клітки, якщо стрижні й кільця клітки виконати з матеріалу з підвищеним активним опором (латунь, бронза). Конструкція такого двигуна не відрізняється від конструкції нормальної асинхронної машини.

У зв'язку з підвищеним активним опором ротора значно збільшуються електричні втрати й зменшується корисна електрична потужність двигуна. Тому номінальна потужність асинхронних виконавчих двигунів у 2-3 рази менша, ніж звичайних короткозамкнених двигунів з такими ж габаритами.

Недоліком виконавчих двигунів з ротором у вигляді білячої клітки є порівняно велика електромеханічна стала часу у зв'язку з великим моментом інерції ротора. Це зменшує швидкість виконавчого двигуна.

Іншим рішенням задачі є виконання ротора 1 у вигляді тонкостінного порожнистого циліндра (стакана) (рис. 11.3), виготовленого з немагнітного матеріалу, звичайно – алюмінію або бронзи.

Рис. 11.3. Конструктивна схема виконавчого асинхронного двигуна з порожнистим ротором

Звичайно товщина стінок стакана Δ=0.3 – 0.8мм, а дна мм. Повітряні зазори між циліндром та двома статорами 2;3 становлять мм , тому загальний немагнітний зазор у двигуні

мм.

Порожнистий ротор має малий момент інерції, що забезпечує велику швидкодію двигуна.

При протіканні струму по двофазній обмотці статора створюється обертове магнітне поле, і в роторі наводяться вихрові струми, які взаємодіють з обертовим полем і створюють обертаючий момент.

У двигунах з потужністю меншою, ніж 1.5 Вт, обмотки керування і збудження досить часто розміщують у пазах внутрішнього статора 3. Тоді зовнішній статор без пазів і слугує лише для зменшення магнітного опору. Цим полегшується процес вкладання обмоток в пази і дещо збільшується обертаючий момент, але зростає діаметр ротора, що призводить до зростання моменту інерції. Для усунення цього недоліку одну обмотку розташовують на внутрішньому, а іншу – на зовнішньому статорі.

У зв'язку з великим немагнітним зазором ці двигуни мають значний намагнічуючий струм (0.8-0.9від ) та cos φ = 0.4-0.5. cos φ дещо підвищується при наявності конденсатора в обмотці збудження, але великий намагнічуючий струм зменшує ККД до 10-40%. Це призводить до збільшення габаритів та маси двигунів з порожнистим немагнітним ротором у 2-4 рази в порівнянні з асинхронним двигуном звичайного виконання. Для зменшення габаритів і маси їх проектують на робочі частоти 330-1000 Гц . Порожнистий немагнітний ротор виконавчого асинхронного двигуна має малий індуктивний опір . Це значно підвищує лінійність механічних та регулювальних характеристик двигуна.

Перевагою цих двигунів є плавність та безшумність ходу у зв'язку з відсутністю пазів на роторі.

Конструкція двигуна з порожнистим ротором може бути ще більше спрощена, якщо виконати ротор з феромагнітного матеріалу. Такий двигун не має внутрішнього статора. Тому повітряний зазор буде таким, як у двигунів зі звичайним ротором. При високих частотах живлячої напруги проникнення електромагнітного поля в глибину ротора мале, внаслідок чого опір ротора буде значним і характеристики двигуна наближаються до лінійних. Щоб матеріал ротора не насичувався й активний опір його не був дуже великий, порожнистий стакан виконують зі стінками більшої товщини. Це призводить до збільшення моменту інерції і зменшення пускового моменту у порівнянні з порожнистим немагнітним ротором, тобто значно зменшується швидкодія (у 10-20 разів).

Заходом до деякого збільшення пускового моменту є обміднення сталевого ротора шаром у 0,05-0,1мм. В цьому разі до контурів по сталі ротора додаються контури по мідному покриттю. Активний опір ротора зменшується, а потужність і момент зростають. При покритті шаром міді бічної поверхні ротора погіршується лінійність характеристик і виникають великі поверхневі втрати, викликані зубцевими пульсаціями магнітного потоку, що призводить до різкого перегріву машини. Тому іноді обміднюють тільки торці ротора. При нерівномірному повітряному зазорі (осідання підшипників в процесі експлуатації) двигуна з порожнистим сталевим ротором виникає однобічне магнітне притягання, а іноді – залипання. У двигунів з порожнистим немагнітним ротором цього недоліку немає.

Асинхронні двигуни з порожнистим ротором виготовляються з потужностями у межах від часток вата до кількох сотень ват. Двигуни з порожнистим сталевим ротором менше розповсюджені, ніж з короткозамкненим немагнітним.

Для машин малих габаритів (менше від 6см) керовані двигуни з ротором у вигляді білячої клітки зі своїми робочими характеристиками кращі від двигунів з порожнистим немагнітним ротором. Тому ці двигуни широко розповсюджені в малопотужному електроприводі.

Двофазні керовані двигуни з ротором у вигляді білячої клітки виконують у таких модифікаціях: звичайне виконання, з електромагнітним або інерційним демпфером, з демпфуючим тахогенератором. Всі ці машини виконуються з убудованими механічними редукторами.

На статорі двофазного двигуна розташовується обмотка. У практиці застосовують два типи обмоток: розділену та місткову. У першому випадку ланцюги збудження та керування електрично не пов'язані й на статорі розташовані дві незалежні одна від одної обмотки, які мають у загальному випадку різні числа витків та різні струми, які через них проходять. Кожна з обмоток займає половину всіх пазів статора. В машинах самої малої потужності одна з обмоток розташована в 1/3 пазів. Обмотка може бути двошаровою ( Вт) або двошаровою зі скороченим кроком ( Вт). В останньому випадку зменшується вміст вищих гармонічних у кривій магнітного поля.

Великою перевагою розділеної обмотки є можливість здійснення будь-якого коефіцієнта трансформації.

Рис. 11.4. Місткова обмотка двофазного виконавчого двигуна

Рідше застосовується інший тип обмотки – місткова (рис. 11.4), у якої обидва ланцюги електрично пов'язані між собою. Таким чином, по тих самих провідниках проходять обидва струми одночасно: збудження й керування.