Библиотека / Красовский основы электропривода

2.5. Принцип действия и характеристики синхронныхмашин 113

Двигатель работает следующим образом. Пусть в исходном со­

стоянии электронным коммутатором подключены к источнику по­

стоянного напряжения фазные обмотки а, с, е, g, в результате чего на статоре образуется система чередующихся северных N и юж­ ных S полюсов. При этом в случае отсутствия нагрузки на валу

ротор занимает положение, при котором его полюса ориентирова­

ны согласно с возбужденными полюсами статора, как показано на рис. 2.59, а. Это положение ротора устойчиво, поскольку при его отклонении в любую сторону в результате взаимодействия проти­

воположных полюсов статора и ротора возникает синхронизиру­

ющий момент, стремящийся вернуть ротор в прежнее положение.

Как и у синхронных машин, у ШД зависимость синхронизирую­

щего момента от угла рассогласования осей полюсов статора и ро­

тора близка к синусоидальной зависимости (см. рис. 2.54). Однако, как только электронным коммутатором фазные обмот­

ки а, с, е, g будут отключены от источника питания и подключены

обмотки Ь, d,f, h в полярности, при которой система полюсов ста­

тора сместится по ходу часовой стрелки на 45°, положение устой­

чивого равновесия ротора также сместится на этот же угол.

К ротору ШД будет приложен синхронизирующий момент, стре­

мящийся повернуть его в новое устойчивое положение. Под воздей­ ствием этого момента ротор сместится на один шаг и займет поло­

жение, как показано на рис. 2.59, 6. При дальнейшем смещении по­ ложения устойчивого равновесия ротора в результате отключения обмоток Ь, d, f, h и включения обмоток а, с, е, g в необходимой по­

лярности вновь произойдет смещение положения устойчивого по­

ложения ротора и он сместится еще на один шаг (рис. 2.59, в) и т. д.

Временные диаграммы изменения напряжения на обмотках Иа,с,е,g и

114 Глава 2. Принцип действия, элементы конструкции...

вторая фаза ШД - обмотки Ь, d, f, h подключаются к источнику

питания поочередно и механический шаг перемещения ротора со­ ставляет 45°. Для совершения ротором полного оборота необхо­

димо провести восемь переключений - тактов коммутации.

В общем случае при произвольном числе фаз т механический

шаг ШД при одиночной коммутации определяется из выражения

При использовании более сложного смешаююго алгоритма пе­

реключения обмоток можно добиться уменьшения шага перемеще­

ния ротора. В частности, в показанном на рис. 2.59 двигателе можно

чередовать одиночное и парное включение фаз, что позволяет уве­ личить число устойчивых состояний ротора в пределах одного обо­

рота и соответственно уменьшить шаг ротора в 2 раза.

Если при исходном положении ротора (см. рис. 2.59, а) при

первой коммутации включить вторую фазу без отключения пер­ вой, то устойчивое положение ротора смещается относительно

начального положения не на 45°, а на 22,5°. Затем при второй

коммутации первая фаза отключается, а вторая остается включен­

ной и положение устойчивого положения ротора вновь смещается

на 22,5°. В дальнейшем при сохранении состояния второй фазы включается первая фаза в противоположной полярности и т. д.

Временные диаграммы изменения напряжений на фазах ШД для

этого способа коммутации показаны на рис. 2.61 .

мент, приложенный к ротору, уравновешивает момент внешних сил. Поэтому каждый элементарный шаг перемещения ротора со-

2.5. Принцип действия и характеристики синхронныхмашин 117

взаимодействия магнитных полей фазных обмоток статора и по­

стоянного магнита, расположенного либо на роторе, либо на ста­ торе, в зубчатой структуре воздушного зазора. В обоих вариантах конструкции гибридного ШД постоянный магнит обеспечивает

подмагничивание или поляризацию магнитной системы двигателя, т. е. создает однонаправленный поток, а при изменении тока в его

фазных обмотках происходит перераспределение результирующе­

го потока в полюсах статора - усиление в одних полюсах и

ослабление в других.

Рис. 2.63. Внешний вид (а) и принцип выполнения ротора (б) гибридного ШД:

1, 1' - пакеты ротора; 2 - постоянный магнит

В первом варианте конструкции структура статора у этих двига­

телей, как правило, такая же, как у реактивных ШД (рис. 2.63, а),

а основное отличие состоит в структуре ротора. Он разделен на

два пакета (рис. 2.63, 6). Пакеты ротора 1 и 1' надеты на полюса

цилиндрического постоянного магнита 2, намагниченного в осе­

вом направлении. При этом зубцы пакетов ротора сдвинуты между собой на половину зубцового деления. Для исключения замыкания

магнитного потока через вал, который проходит внутри магнита,

его обычно изготавливают из немагнитных марок стали.

Второй вариант конструкции гибридного ШД показан на

рис. 2.64, а. На статоре между полюсами располагается кольце­ вой постоянный магнит 1, намагниченный в осевом направлении,

а обмотки двух фазных катушек 2 имеют тороидальную форму. Зубцы статора 3 в двух пакетах смещены один относительно дру­ гого на четверть зубцового деления, а зубцы ротора выполнены без смещения. Похожую конструкцию, как правило, имеют и ли-

118 Глава 2. Принцип действия, элементы конструкции...

нейные ШД, представляющие собой, по сути, линейную развертку

двигателей вращательного типа, на их примере подробнее рас­ смотрим принцип работы гибридных ШД.

2 1

Рис. 2.64. Второй вариант конструкции гибридного

аШД:

аб

а - с вращающимся рото­

ром; б - с линейным пере­

обмотки фазных катушек;

3 - зубцы статора

б

Упрощенный вариант конструкции двухфазного четырехпо­ люсного линейного гибридного ШД показан на рис. 2.64, 6. Он

состоит из подвижной части - двухфазного модуля с четырьмя

зубчатыми полюсами и двумя тороидальными фазными обмотка­ ми а и б, а также из неподвижной части - зубчатой ферромагнит­

ной плиты - индуктора. В реальных устройствах воздушный зазор

между ними составляет около 20...30 мкм и обеспечивается путем принудительного нагнетания через специальные форсунки сжатого воздуха необходимого давления, компенсирующего силы магнитно­ го притяжения между модулем и индуктором. Зубцовые деления

подвижного модуля и индуктора одинаковы.

Предположим, что постоянный магнит, расположенный между

полюсами модуля (см. рис. 2.64, 6), создает магнитный поток Фм,

замыкающийся через магнитные системы модуля и индуктора, в

2.5. Принцип действия и характеристики синхронныхмашин 119

направлении против хода часовой стрелки. Пусть в исходном со­

стоянии возбуждена фаза а, которая создает магнитный поток Фа, также замыкающийся в направлении по ходу часовой стрелки. Та­

ким образом, в полюсе 1 статора магнитные потоки фазы Фа и по­

стоянного магнита Фм совпадают по направлению, поэтому ре­

зультирующий магнитный поток равен их сумме, а в расположен­

ном рядом с ним полюсе 2 - противоположны. В результате по­

движная часть двигателя ориентируется относительно статора так,

как показано на рис. 2.64, а, т. е. при совпадении осей зубцов ста­

тора и ротора в полюсе 1.

Если затем возбудить фазу б таким образом, чтобы создавае­

мый ею поток замыкался в направлении против хода часовой

стрелки, то ротор сместится вправо до совпадения зубцов статора

и ротора в полюсе статора 3. Для дальнейшего перемещения моду­ ля в прежнем направлении необходимо вновь возбудить фазу а, но

с противоположным направлением магнитного потока и т. д. Из­

менение направления перемещения модуля, как правило, достига­

ется при соответствующем изменении очередности переключения

фазных обмоток двигателя. Линейные ШД находят применение в робототехнике, плоттерах, в сборочном оборудовании и т. п. При конструктивном объединении рассмотренных выше линейных мо­

дулей, ориентированных по взаимно перпендикулярным направ­

лениям, и соответствующей нарезке зубцов на индукторе созданы

двухкоординатные ШД, у которых подвижная часть - двухкоор­

динатный модуль - реализует движение в плоскости непосред­

ственно без кинематических преобразователей движения.

Дополнительное уменьшение шага перемещения ШД достига­

ется за счет так называемого электронного дробления шага, суть которого состоит в том, что напряжения на коммутируемых фазах (отключаемой и включаемой) изменяют не сразу, а поэтапно. Например, для двух смежных фаз ШД а и Ь, условно показанных

на рис. 2.65, а можно создать по два промежуточных уровня

напряжений Иа1, Иа2 и Иы, ИЬ2 соответственно.

Это приведет к изменению МДС фаз Fa1, Fa2 и Fв1, F82 и к по­

явлению двух промежуточных положений вектора результирую­

щей МДС Fr.i и (см. векторную диаграмму на рис. 2.65, а). Поскольку угол поворота вектора результирующей МДС Fr, с каждым переключением фаз ШД становится меньше, чем при обычном управлении, то соответственно уменьшается шаг пере-