14.1. Конструкція, принцип дії, переваги й недоліки синхронних двигунів з ротором, який котиться

Уперше запропоновані в СРСР у 1944 р. А.І. Москвітіним електричні машини з ротором, який котиться, застосовуються як безредукторні тихохідні малоінерційні виконавчі двигуни. Вони можуть використовуватись в режимі генераторів, муфт, хвильових двигунів, електромеханічних насосів і т. д.

Принциповою особливістю електричних машин з ротором, який котиться, (ЕМКР) є ексцентричне положення ротора в розточці статора. Тому ЕМКР мають деякі переваги над електричними машинами класичного виконання.

Сучасні електродвигуни цього типу випускаються серійно у Франції, Англії, США, Японії, Канаді, Іспанії та інших країнах. ЕМКР все більше застосовуються в електроприводі, слідкуючих, автоматичних і телемеханічних системах.

Розглянемо конструкцію й принцип дії синхронного двигуна з ротором, який котиться (ДКР) [42].

а) б)

Рис. 14.1. Будова ДКР

В пазах статора 1 (рис. 14.1.а) розташована двополюсна m-фазна розподілена обмотка 2, яка живиться змінним струмом. Пакет ротора 8 насаджений на осердя 4 з магнітом'якого матеріалу. На роторі обмотки немає. Осі ротора й статора не співпадають. По торцях статора розташовані дві тороїдні котушки 3, які створюють уніполярний магнітний потік, який проходить через шихтовані пакети 5, 6, осердя, пакети ротора 8 і статора 1, корпус 7. При вмиканні уніполярного поля внаслідок наявності ексцентриситету е (рис. 14.1,б) виникає сила однобічного магнітного притягання, спрямована в бік мінімального зазору, яка притисне ротор до статора (рис. 14.2.).

Рис. 14.2. Магнітні потоки в ДКР

Якщо після цього увімкнути двополюсну m-фазну обмотку статора, то в зазорі відбудеться складання полів, внаслідок чого з'являється максимальний _mах та мінімальний _min магнітні потоки. Крива розподілу постійної складової потоку ₌ переміщується по розточці статора зі швидкістю переміщення точки дотику ротора, а крива змінної складової _~ – з синхронною швидкістю. Коли двигун увійде в синхронізм, максимуми ₌ та _~ майже співпадають, внаслідок чого потік _mах стає найбільшої величини й сила магнітного однобічного притягання зростає. Вектор цієї сили буде обертатись синхронно з вектором _mах. Під дією цієї сили ротор почне обкочувати поверхню розточки статора. При цьому швидкість обкочування (переміщення точки дотику ротора зі статором) дорівнює синхронній швидкості поля ₁. Синхронно з полем буде обертатись вісь ротора навколо осі симетрії статора. При цьому ротор виконує складний рух: одночасно з обертанням його осі навколо осі симетрії статора він буде повільно обертатись навколо своєї осі у зворотному напрямку. При повороті поля на 360⁰ точка стикання ротора зі статором оббігає розточку статора, а ротор повернеться на кут

. (14.1)

Тоді швидкість обертання ротора:

_. (14.2)

Вектор результуючої сили однобічно магнітного притягання P^’ для одного з моментів часу подано на рис. 14.1.б. Ця сила розкладається за осями на Р_х та Р_у. Сила Р_х створює електромагнітний момент. Миттєвим центром обертання є точка дотику А.

В бік мінімального зазору, крім сили Р_х, діє відцентрова сила , де r=е, та сила ваги , яка періодично змінюється. Тому по осі x діє сила:

. (14.3)

Умовою обкочування ротором поверхні статора без прослизання є:

_, (14.4)

де К_тр- коефіцієнт тертя.

В іншому випадку для кутової швидкості справедлива нерівність:

_, (14.5)

оскільки ротор під дією моменту

(14.6)

намагається прослизати у напрямі обертання своєї осі тобто у напрямі швидкості ₁.

Електромагнітний момент обертання на валу двигуна

. (14.7)

При відсутності уніполярного підмагнічування Р_у=0, тому М₂=0 й обертання ротора не буде. При цьому виникає лише невеликий реактивний обертаючий момент у зв’язку з нерівністю магнітних провідностей λ_q≠λ_d, але його величина мала у порівнянні з синхронним моментом.

Магнітне поле переміщується відносно ротора зі швидкістю:

. (14.8)

Якщо ротор масивний, то в ньому виникають вихрові струми, які створюють гальмівний асинхронний момент. В двигуні з шихтованим ротором цей момент практично нульовий.

Крім синхронного режиму, двигун може мати асинхронний режим, коли М>М_кр тобто Р_у>К_трР^/_х

Регулюючи струм в обмотках двигуна при моменті навантаження М_с=const, можливо змінювати величину прослизання при обкочуванні і, відповідно, – _2. Але прослизання може призвести до неприпустимого зносу поверхонь обкочування. Якщо ці поверхні виконати еластичними, то регулювання ₂ може відбуватись без прослизання в межах пружних деформацій.

Для усунення стикання та зносу поверхонь статора й ротора обкочування відбувається за спеціальними напрямними за допомогою котків, які жорстко пов’язані з ротором. При цьому:

_, (14.9)

де

D_к – діаметр кола, на якому розташовані центри котків;

D_н – діаметр напрямної поверхні.

Якщо D_к>D_н (зовнішнє обкочування), то ротор обертається в бік поля. При D_к<D_н (внутрішнє обкочування) – проти поля.

Механічна характеристика ДКР має вигляд, наведений на рис. 14.3. Для усунення "геометричного ковзання" поверхні обкочування виконуються зі схилом порядка 0,01 й передбачається невелике осьове зміщення ротора.

Рис. 14.3. Механічна характеристика ДКР

Іноді для усунення можливості прослизання поверхні обкочування виконують зубчастими.

Для передачі моменту, відповідного повільному обертанню ротора навколо своєї осі, використовуються різні кінематичні передачі, ланки, муфти. Для передачі не співвісного обертання застосовують передачі Сешерона, Альстона, Кардана.

Ексцентричне обертання ротора ДКР викликає вібрації системи. Зменшення їх виконується різними способами:

а) еластичне підвішування статора;

б) застосування балансуючої противаги;

в) розташування збалансованого ротора двигуна на колінчастому валу;

г) застосування динамічного балансира.

Перевагами двигунів з ротором, який котиться, є такі:

1. Можливість застосування в якості безредукторного тихохідного двигуна (при частоті живлячої напруги 50 Гц швидкість обертання може бути в межах 2÷200 об/хв..

2. Великий обертаючий момент при відносно малій масі.

3. Мала електромеханічна стала часу при пуску практично в усьому діапазоні потужності, що дає можливість виконувати відносно потужний малоінерційний привод. Це пояснюється дуже малим зведеним моментом інерції ротора. Час розгону ДКР не перевищую 0,01 с при частоті живлячої мережі 50 Гц. Принципово ДКР може виконуватись на будь-яку потужність, тоді як двигуни з порожнистим ротором виконуються не більше, ніж на 30÷50 Вт. ДКР можуть працювати при високій температурі оточуючого середовища, на відміну від двигунів з порожнистим ротором, які в цих умовах стають не надійними. Для реверса ДКР досить змінити чергування фаз статора. При цьому час реверсу дорівнює 0,015÷0,025 с.

4. Великий гальмівний момент, тому двигун може використовуватись, як електромагнітне гальмо. Час гальмування малий. Відсутні самохід на вибіг. ДКР при вимкненні живлення змінним струмом створює великий гальмівний момент, який іноді перевищує номінальний. Застосування ДКР в системах автоматизованого електропривода виключає необхідність використання гальмівних муфт та самогальмуючих кінематичних ланок, які зменшують ККД електропривода.

5. Відносно високі енергетичні показники. сosφ ДКР може бути й випереджаючим. ККД при n₂=2÷200 об/хв й ƒ=50 Гц знаходиться в межах 0,7÷36%. При великих швидкостях створюється більший ККД. Зі зростанням потужності ККД зростає.

6. Відсутність високошвидкісних підшипників. Лінія безпосереднього контакту ротора зі статором вибирається на спеціальних спрямовуючих поверхнях. Тому двигун може працювати у вакуумі, при високих температурах (не потребує змащування), в умовах радіації і т. д. Знос спрямовуючих поверхонь призводить лише до незначної зміни синхронної швидкості, яке може практично звестись до нуля відповідним вибором матеріалів та обробкою пар, які стикаються.

7. Можливість використання у кроковому режимі з великою точністю відпрацювання кроків (до 1000 й більше за один оберт) при великих обертаючих моментах.

8. Виключається необхідність застосування обмежуючих пристроїв та кінцевих вимикачів, оскільки при перевантаженнях та заклинюванні привода практично відсутня можливість ушкодження двигуна.

9. Можливість плавного регулювання швидкості зміною напруги живлення або за допомогою додаткового гальмівного пристрою.

10. Великий пусковий момент та відносно мала кратність пускового струму (2÷3).

11. Відсутність ковзних контактів.

12. Можливість одержання синхронної (жорсткої) механічної характеристики.

13. Можливість використання в системах синхронного й синфазного валу.

Недоліками ДКР є такі:

1. Відносна складність конструкції й технології виготовлення у зв’язку зі складним рухом ротора (обкочування та обертання).

2. Необхідність усунення вібрацій, які викликаються відцентровими силами.

3. Необхідність спеціальних пристроїв для передачі обертаючого моменту на механізм.

4. Необхідність живлення постійним та змінним струмами, яка усувається застосуванням постійних магнітів.