12.2. Синхронні виконавчі двигуни з постійними магнітами

В цих двигунах для створення основного магнітного потоку застосовують постійні магніти, які виготовляються з магнітотвердого матеріалу (стопи алні, алніко, магніко й інші з великою коерцитивною силою) й розташовуються на роторі (рис.14.3).

а) б)

в) г)

д)

Рис. 12.3. Різновиди конструкцій роторів синхронних виконавчих двигунів з постійними магнітами

Статор такий же, як у виконавчих асинхронних двигунів. Найбільш розповсюджені двигуни з аксіальним (рис.12.3, а) та радіальним (рис.12.3, б) розташуванням постійних магнітів.

За способом виготовлення й конструкцією ротора їх можна поділити на суцільно литі (рис.12.3, в), складені (рис.12.3, г) й кігтеподібні (рис.12.3, д). У складених роторах при аксіальному або радіальному розташуванні постійних магнітів пакет заліза ротора, необхідний для розташування пускової білячої клітки, оскільки постійні магніти складно механічно обробляти. Біляча клітка після закінчення пуску демпфує коливання ротора.

Синхронні двигуни з постійними магнітами мають переваги у порівнянні з іншими двигунами. Вони прості за конструкцією, надійні в роботі, мають високі ККД й cosφ, в них краще використовуються активні матеріали. Завдяки меншій схильності до автоколивань вони переважають за стійкістю в роботі звичайні синхронні двигуни. Їхня швидкість обертання стабільна.

Недоліками таких двигунів є деяка складність у виготовленні ротора; порівняно велика вартість у зв'язку з дорожнечею матеріалу, з якого виготовляються постійні магніти; велика кратність пускового струму, що погіршує роботу цих двигунів при їхньому живленні від напівпровідникових перетворювачів.

Рис. 12.4. Моменти виконавчого синхронного двигуна з постійними магнітами

Для синхронних двигунів з магнітоелектричним збудженням звичайно застосовується асинхронний пуск. Виникаючий при цьому результуючий момент

(12.4)

де - відповідно асинхронний та гальмівний момент.

Асинхронний момент, як і в звичайному асинхронному двигуні, є результатом взаємодії обертового магнітного поля статора й активної складової струму білячої клітки. Максимальний момент , як і звичайно, знаходиться в області малих ковзань (рис.12.4).

Виникнення моменту пояснюється так. Пуск двигуна, на відміну від пуску двигунів з електромагнітним збудженням, здійснюється з повним потоком збудження. При розгоні потік постійних магнітів індукує в статорній обмотці ЕРС, яка має змінну частоту ковзання ротора S відносно обертового магнітного поля.

(12.5)

Струм, який викликається цією ЕРС, замикається через мережу, створюючи додаткові втрати та, відповідно, . Таким чином, за своєю природою є генераторним моментом. Він має максимум при ковзанні S=0.9 – 0.6 (рис.12.4).

Отже, корисний пусковий момент визначається формулою (12.4).

Він має провал в зоні ковзань, близьких до 1 (рис.12.4).

Вхід в синхронізм здійснюється при вхідних ковзанні та моменті . Щоб двигун не застряв у провалі (рис.12.4) та входив у синхронізм, необхідно, щоб

,

де - момент навантаження на валу двигуна.

Це досягається відповідним розрахунком параметрів білячої клітки.

Вплив гальмівного моменту можливо виключити, якщо під час пуску перемикати число пар полюсів. Спочатку вмикають на статорі де р – число полюсів ротора, а потім, після розвороту ротора, вмикається повне число полюсів, після чого двигун входить у синхронізм.

Якщо числа полюсів ротора й статора різні, результуюча ЕРС, яка створює гальмівний струм, і, відповідно, - гальмівний момент , дорівнюють нулеві. Але такий спосіб ускладнює як конструкцію машини, так і операцію пуску.

Внаслідок того, що ротори синхронних машин з постійними магнітами явнополюсні, тобто індуктивні опори по поздовжній осі машини та поперечній співвідносяться, як > , виникає третя складова моменту машини – реактивний момент . Він зменшує при 0<θ<90º й збільшує при 90º<θ<180º. При роботі синхронної машини звичайно θ<90º, тому реактивний момент зменшує результуючий момент .

Робочі характеристики двигунів з постійними магнітами майже такі ж, як у двигунів з електромагнітним збудженням.

Електромагнітні процеси в синхронних машинах з постійними магнітами проходять в основному так, як і в машинах з електромагнітним збудженням. Але на величину основного магнітного потоку сильно впливає МРС якоря. Значна реакція якоря при пуску або короткому замиканні може викликати не відновлюване розмагнічування постійних магнітів. Тому після зникнення реакції якоря властивості постійних магнітів не будуть повністю відновлені.

В машинах з радіальним розташуванням постійних магнітів під час асинхронного пуску при великих ковзаннях постійні магніти досить ефективно екрануються білячою кліткою. Але при малих ковзаннях екранування майже відсутнє.

Особливо сильна розмагнічуюча дія виникає при швидкості, близькій до синхронної, в режимі противлкючення, коли ротор проходить таке положення, при якому вектори МРС ротора й статора розташовані під кутом 180º. В цей момент результуюча різниця потенціалів, яка діє в контурі обмоток статора, дорівнює сумі напруг мережі U та ЕРС Е якоря. В машинах з електромагнітним збудженням Е визначається лише залишковим магнітним потоком і становить кілька відсотків від U. В машині з постійними магнітами Е визначається основним магнітним потоком. Тому розмагнічуючий пусковий струм статора дорівнює:

(12.6)

Тобто він великий і викликає сильний потік реакції якоря. Для зменшення дії реакції якоря на постійні магніти відстань між полюсними наконечниками сусідніх полюсів роблять значно меншою, ніж в машинах з електромагнітним збудженням. В цьому випадку потік поперечної складової реакції якоря в основному проходить через полюсні наконечники не піддаючи не оборотному розмагнічуванню постійні магніти.