Синхронні мікромашини.

Синхронні мікромашини широко застосовують в автоматичних пристроях.

Характерна особливість синхронних двигунів в тому, що частота обертання валу жорстко пов'язана з частотою зміни напруги мережі або з частотою автономного джерела живлення змінного струму. Їх використовують в пристроях, де потрібна постійна частота обертання робочого органу: електричні годинникові механізми;стрічкопротяжні механізми самописних приладів і кіноустановок; програмування пристрою; системи синхронного зв'язку, де частоту обертання механізму змінюють шляхом регулювання частоти яке живить двигун напруги. В автономних установках застосовують синхронні генератори змінного струму підвищеної частоти, синхронні тахогенератори для вимірювання частоти обертання валу.

Залежно від особливостей електромагнітної системи синхронних микромашин і в зв'язку зі спеціальним призначенням їх поділяють на такі види:

- машини з електромагнітним збудженням і порушенням від постійних

магнітів (двигуни, генератори, тахогенератори);

- реактивні, гістерезисна і крокові синхронні мікродвигуни;

- з неявновираженнимі полюсами і явновираженнимі полюсами;

- тихохідні синхронні мікродвигуни з електромагнітної редукцією

(Індукторні), з хвильовим ротором.

Синхронні мікромашини електромагнітним збудженням в системах автоматики використовують рідко через складні конструкції і процесу пуску. Наявність постійних магнітів дозволяє виключити втрати потужності на електромагнітне збудження полюсів ротора, усунути контактні кільця і ​​щітки, виключити спеціальні джерела постійного струму для живлення обмотки збудження. Синхронні мікромашини з постійними магнітами використовують як двигуни, генератори, тахогенератори. На роторі розміщують блок постійних магнітів, виготовлених з магнітотверді матеріалу (кобальтова сталь, сплави з алюмінію, нікелю, заліза і кобальту), що володіє великою коерцитивної силою. Статор має конструкцію звичайних синхронних машин. У його пазах розміщують однофазную або трифазну обмотку.

А-при двох полюсах, б-при чотирьох полюсах

Рис. Ротор з постійними магнітами і пусковою обмоткою.

За способом пуску в хід двигуни умовно поділяють на три групи:

- самопускні;

- з асинхронним пуском;

- з гістерезисних пуском.

Першу групу мікродвигунів застосовують для приведення в рух часових

механізмів, механізмів різних реле в ланцюгах управління і схемах автоматики, програмних пристроїв. На статорі і роторі мають велике число полюсів (8-10пар), невелику частоту обертання ротора: 300 ... 375 хв-1. Обмотка статора підключається до однофазної мережі.

Друга група мікродвигунів відрізняється наявністю на двигуні пусковий короткозамкненою обмотки типу «білячої клітки». Вона забезпечує на валу крутний момент до тих пір, поки ротор не ввійде в синхронізм з обертовим полем статора. В робочих режимах ця обмотка працює як демпфер і стабілізує частоту обертання ротора. На роторі розміщені постійні магніти і стрижні короткозамкненою обмотки з розрізаними короткозамикающего кільцями з обох торців ротора.

Розглянуті вище двигуни мають високу вартість (дорогий матеріал для постійних магнітів) і високу кратність пускового струму (4 ... 7).

У індукторних (редукторних) синхронних двигунах як робочу силу магнітних полів використовують поля вищих гармонік. Їх підсилюють за рахунок розкриття пазів на статорі і роторі. Зовнішню поверхню ротора і внутрішня поверхня статора роблять гладкою, без пазів. Залежно від конструкції, особливостей електромагнітної системи машини і специфіки застосування індукторні двигуни підрозділяють на:

- Мікродвигуни з електромагнітної редукцією (тихохідні);

- З ротором кочення;

- З хвильовим ротором;

- Крокові імпульсні мікродвигуни.

Якщо зовнішня поверхня ротора і внутрішня поверхня статора гладкі, тобто НЕ мають пазів, то магнітна провідність зазору і магнітний опір для проходження магнітного потоку з статора в ротор через повітряний зазор залишаються незмінними. У гладкому роторі і статорі не виникають зубцеві гармоніки. Принцип дії індукторних двигунів укладений у використанні взаємодії між гармоніками статора і ротора одного і того ж порядку, між двома магнітними системами однаковою полюсності (рівного числа полюсів на статорі і роторі). При цьому повинні бути виконані умови взаємодії між собою гармонік статора і ротора:

- Рівність порядків цих гармонік;

- Рівність кутових швидкостей обертання гармонік поля статора і поля ротора в

просторі.

Редукторні синхронні мікродвигуни застосовують в системах автоматичногоуправління і регулювання (в техніці і побуті), коли виникає потреба в двигунах з низькими швидкостями обертання (до одиниць обороту в хвилину, годину) ротора і механізму. Використання при цьому механічного редуктора небажано, тому що значно зростають габарити установки, підвищується рівень шуму, знижується коефіцієнт корисної дії. Бувають однофазні (з двома обмотками на статорі) і трифазні тихохідні синхронні мікродвигуни. У них частота обертання поля статора залежить від кількості пар полюсів, а частота обертання ротора залежить від числа пазів: n1 = 60 · f1 / p, n2 = 60 · f1 / Ζ2. Ставлення n1 / n2 = Ζ2 / p = кр називають коефіцієнтом редукції. Коефіцієнт редукції показує, у скільки разів частота обертання ротора менше частоти обертання поля статора. Так як Ζ2> p, то частота обертання ротора буде низькою, а двигун називають редукторним (хоча редуктора як такого немає).

Редукторні двигуни випускають трьох типів: з електромагнітним збудженням (на статорі і роторі), без порушення на роторі (реактивні), з постійними магнітами на роторі.

Синхронний двигун з ротором кочення використовують як тихохідний двигун: частота обертання ротора і механізму становить від часток обороту в хвилину до десятків оборотів. Відмінною особливістю є ексцентричне розташування гладкого циліндричного ротора в расточке статора. Циліндр ротора з осьової довжиною може обкочуватись по внутрішній поверхні кола статора. Вісь ротора є в підшипниках і перекочування ротора не обмежене.

Принцип дії заснований на односторонньому дії сил магнітного тяжіння

ротора до полю статора. Ротор притягається до того місця розточення статора, де індукція магнітного поля статора в даний момент максимальна. Максимум індукції переміщається по колу статора, тому і ротор переміщається слідом, синхронно за полем. Іноді треться поверхню ротора прослизає щодо поверхні статора. Тоді машина переходить в асинхронний режим роботи. Тому перекочування ротора по поверхні статора здійснюється за спеціальними ковзанок - два кільця, покриті спеціальним матеріалом. Механічна характеристика двигуна залежить від пристрою ковзанок: якщо поверхні ковзанок статора і ротора зубчасті, то механічна характеристика жорстка; якщо поверхні гладкі, то мотор працює як синхронний з переходом в асинхронний режим, тобто менш жорстка.

Крокові мікродвигуни. Кроковий двигун перетворює сигнал керування в кутовий або лінійне переміщення ротора з його фіксацією в заданому положенні. В ньому відбувається перетворення електричного імпульсу в дискретне кутовий (або лінійне) переміщення ротора. Ротор при цьому переходить від одного стійкого стану до іншого теж стійкого положення. За статора - це багатофазна багатополюсна синхронна машина. Ротор може бути зьудженим (є обмотка збудження або полюса) і незбудженим (немає обмотки збудження або постійних магнітів).

Рис. Однофазний кроковий двигун

 Управління переміщеннями ротора виробляють через обмотки статора. Для цього до них підключають електронний напівпровідниковий блок управління - комутатор, він формує керуючі імпульси за формою і частоті і подає їх на обмотку управління статора. Під впливом кожного імпульсу ротор двигуна виконує певну кутове переміщення, яке називають кроком. Змінюючи за допомогою комутатора схему харчування обмоток статора, можна змінювати і величину кроку у одного і того ж двигуна.

Крок ротора визначає число стійких положень ротора по довжині окружності статора. Крок - це кут між двома сусідніми стійкими положеннями. серійно випускають крокові двигуни з активним ротором і з кроком від 15 до 90°. Ротор рухається за магнітним полем статора під дією сил магнітного тяжіння, робить кроки слідом за магнітним полем статора.

Недоліки крокових двигунів: неможливість реверса; низький коефіцієнт корисної дії; сила магнітного тяжіння не залежить від напрямку потоку і індукції.

Переваги однофазного крокової двигуна: простота конструкції і схеми управління; для фіксації ротора в стійкому положенні після зняття керуючого сигналу не потрібна додаткова енергія; при перервах в харчуванні схеми струмом ротор залишається в стійкому положенні.

Застосовують крокові двигуни для приводів механізмів, що мають старт – стопового рух: стрічкопротяжні пристрої для введення виведення інформації, лічильники, привід верстатів з ЧПУ, обчислювальна техніка, зв'язок.

Трифазні крокові двигуни мають на статорі три пари полюсів. На роторі -явновираженние полюси з постійних магнітів. Крок двигуна 0-60. Має 6 клем, тобто 6 стійких положень. Ротор синхронно слід за магнітним полем статора, але переміщається при цьому стрибками. Це багатофазна багатополюсна синхронна машина.

Для зміни напрямку переміщення ротора слід змінити послідовність подачі імпульсів на клеми обмотки управління. Основний режим роботи крокових двигунів - перехідний. Він включає в себе пуск, гальмування, реверс, перехід з однієї керуючої частоти на іншу.