12.4. Гістерезисні двигуни

Конструктивно гістерезисний двигун побудований таким чином. Статор, як і у виконавчому асинхронному двигуні, може бути двофазним або трифазним з розподіленою обмоткою або однофазним із зосередженою обмоткою та явнополюсними екранованими полюсами.

Ротор виконується у вигляді циліндра або диску без обмотки з великим залишковим магнітним полем.

Для того, щоб це поле було достатньої величини, ротор виготовляється з магнітотвердого (з широкою петлею гістерезису) матеріалу (вікаллой, альні і т. і.).

Рис. 12.12. Складений ротор гістерезисного двигуна

Для економії вартісного магнітотвердого матеріалу ротор виконується складеним (рис.12.12).

Циліндр 1 з магнітотвердого матеріалу насаджують на феромагнітну або не магнітну втулку 2, яка сидить на валу 3. Циліндр може бути суцільним або шихтованим з окремих ізольованих пластин.

Іноді однофазні синхронні гістерезисні двигуни виконують оберненої конструкції, тобто із зовнішнім ротором та внутрішнім статором. Така конструкція застосовується в гіроскопічних пристроях, електропрогравачах, радіолах і т. д. Гістерезисні двигуни гіроскопічних пристроїв будуються з потужностями у кілька десятків ват з підвищеними частотами мережі й швидкостями обертання n=24000-30000 об/хв й більше.

Крім того, ці двигуни застосовуються в пристроях звукозапису, самописних приладах, електричних годинниках і т. д. Вони мають потужність від кількох одиниць до 2000 Вт при напругах 115-127 В та частотах мережі 50-500 Гц.

Розглянемо принцип дії двигуна. Якщо двигун увімкнути до мережі, то він створює результуючий обертаючий момент

(12.31)

Природа вихрового моменту така ж, як у розглянутих виконавчих асинхронних двигунів з порожнистим ротором. При ковзанні S=1 момент максимальний, а при S=0 =0. Якщо знехтувати опором статора й індуктивним – ротора, то (S) відобразиться графіком рис.12.13.

Рис. 12.13. Залежність вихрового моменту від ковзання

З цього графіка:

(12.32)

де - момент при короткому замкненні (пусковий).

У двигунів з шихтованим ротором практично . При ковзанні машина переходить в режим генератора.

Природу гістерезисного моменту можливо пояснити таким чином. Причиною його виникнення є обертове перемагнічування й молекулярне тертя, яке створює широку петлю гістерезису. При обертовому перемагнічуванні відбувається поворот (обертання) основного поля (полюси на рис.12.14).

Рис. 12.14. Принцип виникнення гістерезисного моменту

Елементарні магнітики N – S у зв'язку з молекулярним тертям в матеріалі ротора не встигають повертатись за . Вони відстають на деякий кут . Чим більше молекулярне тертя (ширша петля гістерезису), тим більше . Внаслідок виникнення кута виникає тангенціальна складова магнітного зусилля притягання

яка й створює обертаючий момент. Кут є найбільшим кутом непогодженості між осями полюсів й виникає при максимальному допустимому навантаженні

,

де - статичний момент навантаження на валу,

- гістерезисний момент.

Якщо навантаження зменшити, то стане . При ідеальному холостому ході =0. При навантаженні

двигун зупиниться. Зміна під навантаженням та досягнення нового рівноважного стану

пояснюється зміною ширини робочої петлі гістерезису, тобто переходом процесу обертового перемагнічування на вужчу петлю.

За своєю природою кут не залежить від швидкості обертання. Тому

(12.33)

, (12.34)

де С – конструктивна стала машини;

- магнітний потік, створюваний ротором;

- МРС статора.

Кут , тому

Зі співвідношень (12.33), (12.34):

(12.35)

Рис. 12.15. Залежність гістерезисного моменту від ковзання

Чим ширша петля гістерезису, тим більші , . Тому в якості матеріалу ротора й застосовують магнітожорсткі матеріали.

Залежність наведена на рис. 12.15. При й і машина переходить в режим генератора.

Результуюча крива наведена на рис.12.16.

Рис. 12.16. Залежність результуючого моменту від ковзання

Якщо змінюється за характеристикою 1, тобто завжди в діапазоні , то двигун розганяється і в усталеному режимі при S=0 обертається з синхронною швидкістю. Якщо ж змінюється за характеристикою 2, то до того моменту часу, поки буде двигун розганяється, а в точці g двигун може працювати з усталеною асинхронною швидкістю. При подальшому збільшенні двигун зупиниться. Отже, при двигун може працювати тільки як синхронний.

Розглянемо, як змінюються потужності в процесі розгону (рис.12.17). Оскільки не залежить від , то й електромагнітна потужність не залежить від швидкості :

(12.36)

(12.37)

. (12.38)

Рис. 12.17. Залежність потужності від ковзання при розгоні двигуна

Але від й S залежить розподіл на корисну потужність (в тому числі й механічні втрати) та втрати на гістерезис, які переходять в тепло :

; (12.39)

; (12.40)

; (12.41)

. (12.42)

З виразу (12.41) видно, що з переходом двигуна в асинхронний режим ( ) втрати в ньому різко зростають.

Рис. 12.18. Петля гістерезису

Знаючи , можливо визначити . Втрати на гістерезис за один цикл перемагнічування в одиночному об'ємі визначаються площею петлі гістерезису (рис. 12.18):

. (12.43)

Оскільки залежність Н від В нелінійна, вирішення інтегралу (12.43) суттєво ускладнюється. Тому для визначення й застосовують відомі із загального курсу машин напівемпіричні формули. Тоді:

(12.44)

(12.45)

Наявність у кривій розподілу вищих гармонічних (від зубцевих гармонік) погіршує характеристики двигуна. Тому застосовують двошарові статорні обмотки зі скороченим кроком, пази виконують закритими.

Синхронні гістерезисні двигуни мають позитивні якості. Вони створюють великі пускові моменти й момент входу в синхронізм , оскільки в межах . Споживаний струм незначно змінюється (на 20-50 %) при зміні режиму роботи двигуна від короткого замикання до ідеального холостого ходу, тому створюються сприятливі умови для застосування робочої ємності при майже коловому полі в усьому робочому діапазоні ковзань .

Тому ці двигуни можуть ефективно використовуватись у повторно-короткочасному режимі. Вони прості за конструкцією, надійні в експлуатації, працюють безшумно у зв'язку з гладким ротором; мають властивість полісинхронізму, тобто здатність зберігати робочі й пускові характеристики при різних синхронних швидкостях ( ). Тому можливо створювати якісні багатошвидкісні гістерезисні двигуни. У них ККД досягає 60%, а . Ці характеристики можуть бути покращені підмагнічуванням ротора за допомогою короткочасного (2-3 періоди) підвищення мережевої напруги . В цьому випадку ротор більше намагнічується та, як і звичайна синхронна машина, двигун споживає менший реактивний струм з мережі. Тому підвищується ККД й . Причому в деяких випадках може стати навіть випереджуючим.

До недоліків цих двигунів належать підвищена схильність до коливань ротора, особливо, якщо він шихтований, та висока вартість і дефіцитність магнітотвердих матеріалів.