книги из ГПНТБ / Мещеряков, В. В. Микроэлектродвигатели электронных устройств учеб. пособие

намагничиваний (рис. 30). Магнитная индукция Ви выбирается из условия макс учетом качества материала. Такимобразом, только при тангенциальном намагничивании можно осущест­

мощностях, когда обычно магнитная индукция в воздушном заборе В, мала, лучше применять ротор с немагнитной втулкой.

Синхронные гистерезисные микроэлектродвигатели также мо­ гут иметь обращенную конструктивную форму, т. е. обращен­ ный цилиндрический ротор, внутри которого помещается непод­ вижный статор с наружными пазами, вмещающими в себе об­ мотку (рис. 31 и рис. П-2 приложения). Такая конструкция обра­ щенного гистерезисного микроэлектродвигателя применяется в гироскопических устройствах (гироскопические гистерезисные электродвигатели), в электропроигрывателях, в радиолах и дру­ гих. Гистерезисные гироэлектродвигатели строятся мощностью в несколько десятков ватт при повышенных частотах и скоростях вращения до 24000 -г 30000 об/мин.

ІА

Рис. 31. Схема синхронного гис­ терезисного электродвигателя (т1 = 3; 2р = 2) обращенного ис­ полнения

1 — цнлаядр ротор» (латунь): 2 — активная часть ротора (гистерезисный цилиндр):

3 — статор с обмоткой: 4 — вал

Синхронные гистерезисные микроэлектродвигатели могут быть как горизонтального,, так и вертикального конструктивного ис­ полнения. Все гистерезисные электродвигатели выполняются и закрытыми невентилируемыми я закрытыми с внешним обдувом.

В обычных асинхронных и синхронных микроэлектромаши­ нах закрытие пазов вредно отражается на энергетических харак­ теристиках; вызывая уменьшение коэффициента' мощности cos <Рі и к. п. д. ц вследствие увеличение поток«» рассеяния.

70

Однако в гистерезисных микроэлектродвигателях закрытые пазы дают возможность увеличить электромагнитный момент вращения примерно на 73%.

Высшие гармоники в кривой магнитной индукции вызывают дополнительные пульсационные потери в активном слое ротора и тормозные моменты в асинхронном режиме, приводящие к про­ валам в кривой момента и нарушению устойчивой работы микро­ двигателя в асинхронном режиме. Вследствие больших удельных гистерезисных потерь активного слоя и большой частоты перемагничивания дополнительные потери от высших гармонии заметно снижают к. п. д. (полезную мощность) электромашины и повышают ее нагрев.

Применяя более магнитно-твердые материалы ротора, выс­ шие гармоники проявляются значительно сильнее, чем при ис­ пользовании более мягких материалов. Для электродвигателей с магнитной втулкой, у которых пространственное распределение индукции в роторе имеет такой же характер, как и в зазоре Вв, влияние высших гармоник больше. Для электродвигателей с не­ магнитной втулкой на относительно большом пути индукция в роторе выравнивается, и пульсация ее меньше. По этой же при­ чине влияние высших гармоник в многополюсных гистерезисных двигателях больше. Влияние высших гармоник наиболее зна­ чительно проявляется при относительно малых воздушных за­ зорах. Для снижения высших гармоник в кривой индукции сле­ дует увеличить число пазов на полюс и фазу, применить двух­ слойную секционную обмотку с укороченным шагом и полу­ закрытые, или закрытые пазы. При выборе величины воздушного зазора 5 учитывается не только стремление уменьшить реактив­ ный ток и повысить cos (jОу, но и ограничение дополнительных потерь в активном слое, которые возрастают с уменьшением воздушного зазора.

Для каждого электродвигателя имеется оптимальный воздуш­ ный зазор, при котором мощность двигателя при заданном нагреве и заданных потерях максимальна.

Принцип действии синхронного гистерезисного микроэлектро­ двигателя состоит в следующем. В асинхронном режиме микро­ электродвигателя при нахождении ротора во вращающемся магнитном поле статора в нем происходит процесс вращательного перемагцичивания активного магнитного материала. При этом ось поля ротора, выполненного из магнитно-твердого материала, несколько отстает от оси вращающего магнитного поля, т. е. на некоторый пространственный угол сдвига уг (рис. 32). В резуль­ тате взаимодействия поля ротора с опережающем его вращаю­

71

щимся полем статора возникает вращающий гистерезисный мо­ мент в асинхронном режиме. Вращательное перемагничивание активного материала ротора сопровождается затратой энергии на преодоление сил внутреннего молекулярного трения, т. е. явлением гистерезиса.

Явление гистерезиса проявляется в отставании вектора маг­ нитной индукции ротора от вектора напряженности магнитного поля в какой либо точке материала на некоторый пространствен­ ный угол уг (гистерезисный угол). Синхронный режим работы это­ го микроэлектродвигателя будет получаться автоматически при всех условиях, когда нагрузочный момент на валу электродви­ гателя не превышает его гистерезисного момента (Мс < Mre). В синхронном режиме магнитное поле статора электродвигателя и ротор вращаются с одинаковой скоростью (синхронно). Ро­ тор при этом не перемагничивается. Магнитное поле ротора вслед­ ствие его остаточного магнетизма постоянно и гистерезис­ ный электродвигатель работает, как обычный синхронный элек­ тродвигатель с постоянными магнитами. Намагничивание ро­ тора осуществляется полем статора и сохраняется при работе вследствие большого остаточного магнетизма.

При втсутствии момента сопротивления Мс на валу микро­ двигателя *сь неявно выраженных полюсов намагниченного ротора совпадает с осью вращающегося магнитного поля. При возникновении момента сопротивления на валу ось полюсов ро­ тора начинает отставать от оси поля статора. Величина вращаю­ щего электромагнитного момента Мэ гистерезисного электро­ двигателя зависит от угла уг между этими осями, т. е. от пары

Рис. 32. К принципу действия синхронного гистерезисного. микроэлектродвигателя (F, —. пара тангенциальных состав­ ляющих сил взаимодействия между ротором и статором; F„ — радиальная составляю­

щая сил)

72

ном, кроме того, малая намагниченность ротора вследствие сравнительно малой м. д. с. статора. Весьма существенным не­ достатком синхронного гистерезисного электродвигателя — про­ явление при работе значительных колебаний (качаний) ротора. Причиной колебаний ротора является непостоянство момента сопротивления на валу и отсутствие успокаивающих (демпферных) обмоток.

В гистерезисных двигателях с шихтованными роторами, в которых практически отсутствуют вихревые токи, процесс качания появляется наиболее резко. Качания ротора препят­ ствуют применению гистерезисных двигателей в целом ряде схем, особенно гам, где одним из требований к электродвига­ телю является равномерность хода (например, в звукозаписи).

Синхронные гистерезисные микроэлектродвигатели приме­ няются в качестве вспомогательных электродвигателей в схемах автоматики, электроники, телемеханики, в устройствах для зву­ козаписи (многоскоростные двигатели), самопишущих приборах, электрических часах, в гироскопических устройствах (обращенный двигатель), электропроигрывателях, радиолах, а также в качестве тахогенераторов и других. В настоящее время гистерезисные электродвигатели изготавливаются мощностью (полезной) до 200 вт. Кроме того, большое количество гистерезисных микро­ электродвигателей выпускается для привода различных неболь­ ших механизмов и приборов. В этом случае их полезная номи­ нальная мощность составляет всего 5 Ч- 10 мет при потребле­ нии 2 ч- 3 вт, т. е. к. п. д. равен г]н% — 0,50 Ч- 0,15%. Синхрон­ ные гистерезисные микродвигатели однофазного и трехфазного тока работают в системах с постоянной частотой питающей сети /х (50,400,500 и 1000 гц). На частотах 50 и 400 гц электродви­ гатели используются как трехфазные и однофазные-конденсатор- ные, а на частоты 500 и 1000 гц — только трехфазные (гистере­ зисные гиродвигатели).

Использование переменного тока и отсутствие скользящих контактов дают возможность применять эти электродвигатели в тех случаях, когда необходима синхронная скорость вращения при относительно небольшом моменте сопротивления на валу.

Увеличение энергетических характеристик (cos <ри ц, Р2) может'быть достигнуто в синхронном режиме путем кратковре­ менного (на несколько периодов пуска) повышения намагничи­ вания ротора посредством увеліг гні;« напряжения на зажимах статора. Влияние поДмагничиваикя ротора на характеристики электродвигателя зависит от маю риала ротора и конструкции двигателя. Чем больше коэрцитивная сила активного материала

74

ротора и средняя длина магнитных силовых линий в нем, тем более эффективно подмагничивание..

Большие значения cos <рх можно получить включением кон­ денсатора в обмотку , статора гистерезисного электродвигателя

заменяют кроме синхронных реактивных также и нерегулируемые асинхронные микроэлектродвигатели. Их преимущество над асинхронным особенно заметно при мощностях до 200 вт и больших частотах (до 1000 гц и более) вследствие весьма малых значений к. п. д. и коэффициента мощности асинхронных микро­ двигателей.

К электронным устройствам, где широко применяется син­ хронный гистерезисный микроэлектродвигатель, может служить схема, в которой необходимо иметь абсолютно постоянное сверх­ высокоскоростное вращение вала механизма (от 6000 об/мин

ивыше).

§3,2. Механические и рабочие характеристики синхронного гистерезисного мнкроэлектродвигателя

При включении обмотки статора синхронного гистерезисного микроэлектродвигателя в сеть его ротор придет во вращение и сможет преодолевать момент сопротивления со стороны при­ вода. Электромагнитный вращающий момент электродвигателя можно в этом случае рассматривать как сумму двух моментов вращения: гистерезисного момента и момента от вихревых токов.

Уравнение равновесия моментов при установившемся ре­

75

М0 т — момент, создаваемый взаимодействием вращающе­ гося магнитного поля электродвигателя с вихревыми токами ротора, нм.

Автоматический пуск во вращение ротора синхронного гис­ терезисного микродвигателя происходит при наличии вращаю­ щегося" магнитного поля. Ротор, имеющий активный слой из магнитно-твердого материала, приходит во вращение под дейст­ вием в основном гистерезисного момента, так как Мгс » Мѣ.т.. Природа гистерезисного момента состоит в наличии у ротора широкой петли гистерезиса (большого остаточного магнетизма). Для увеличения гистерезисного момента необходимо приме­ нять магнитно-твердые материалы с широкой петлей гистерези­ са. Современный материал типа викаллой приближается к пря­ моугольной (идеальней) форме петли гистерезиса (рис. 33).

Рис. 33. Петля гистерезиса ротора синхронного гис­ терезисного электродви­ гателя

I — идеальная (прямоугольная) пет­ ля гистерезиса; 2 — п'етля: гистере­ зиса внкаллоя; 2 — петля достере* знса мягкого магнитного' мате­ риала

Моменты от гистерезиса и вихревых токов соответственно опре­ деляются аналитическими выражениями при, асинхронном ре­

76

При вращении ротора потери на гистерезис и на вихревые токи (в асинхронном режиме) пропорциональны соотношениям:

и момент от вихревых токов равен:

Итак, гистерезисный момент не зависит от скольжения s электро­ двигателя, а момент от вихревых токов прямо пропорционален скольжению s. У гистерезисного микроэлектродвигателя с ших­ тованным ротором момент от вихревых токов практически равен нулю и ротор электродвигателя разгоняется и работает только за счет гистерезисного момента.

Гистерезисный электродвигатель с массивным ротором имеет относительно больщой момент от вихревых токов. Поэтому синхронный гистерезисный микродвигатель с массивным ротором работает как в синхронном, так и в асинхронном режимах. Для работы в асинхронном режиме он используется сравнительно редко вследствие возникающих в роторе больших потерь, вы­ зываемых перемагничиванием ферромагнетика ротора. Работа гистерезисного электродвигателя с массивным ротором в асин­ хронном режиме неэкономична при больших скольжениях (ма­ лых скоростях) и тем более при неподвижном роторе (s = + 1). Если скольжение изменяется от s = + 1 до s = 0 при Мс < Мп, электродвигатель устойчиво работает при синхронной скорости вращения. При Мс < и постоянном моменте сопротивле­ ния Мс = const двигатель может работать только как синхрон­ ный. Если Мс > Мп ротор синхронного гистерезисного электро­ двигателя остановится. Таким образом, гистерезисный момент, действующий на ротор, не зависит от скорости вращения ротора относительно вращающегося магнитного поля статора. На про­ тяжении всего пускового периода электродвигателя от неподвиж­ ного состояния до синхронизма вращающееся магнитное поле

77

Различие реальной механической характеристики электро­ двигателя по сравнению с идеальной можно объяснить в основ­ ном двумя причинами: влиянием вихревых токов и влиянием высших гармоник поля. На форму механической характеристики оказывает небольшое влияние изменение момента трения от скорости ротора двигателя.

Вихревые токи возникают в конструктивных деталях и в ак­ тивной части ротора. В конструктивных деталях вихревые токи могут быть значительными, особенно в магнитной втулке ротора. Влияние вихревых токов на форму механической характеристики

Рис, 3S. Универсальная механическая характеристика синхронного гисте­

J — гистерезисный момент Мк — /(s); 2 — момент от вихревых токов М„' = /($): і — резуль­ тирующий электромагнитный момент вращения идеального микродвигателя Af, (s); 4 — резуль­ тирующий электромагнитный момент вращения реального микродвигателя Л/, (к)

79