LB 3
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ»
Институт: Инженерная школа энергетики (ИШЭ)
Направление: 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника
Отделение: Отделение электроэнергетики и электротехники (ОЭЭ)
Лабораторная работа №3
«Исследование гистерезисного двигателя»
по дисциплине «Мехатронные системы летательных аппаратов»
Выполнил: |
|
|
Студенты гр. 5А06 _______ |
|
Сергеев А.С., |
(дата) |
(подпись) |
Арефьев А.В., |
|
|
Зайцев С.А., |
|
|
Беззубов М.М. |
Принял преподаватель: |
|
к.т.н., доцент ОЭЭ, ИШЭ _________ |
_______ Гирник А.С. |
(дата) |
(подпись) |
Томск - 2023
Цель работы: ознакомиться с конструкцией синхронного гистерезисного микродвигателя, снять опытным путём его механические и рабочие характеристики.
Объект исследования:
Гистерезисным двигателем называют синхронный двигатель, в котором основной вращающий момент создаётся за счёт гистерезиса магнитного материала ротора при перемагничивании его вращающимся магнитным полем статора. Кроме основного гистерезисного момента у двигателей с массивным ротором имеется ещё момент от вихревых токов
– асинхронный момент. В синхронном режиме вращающий момент гистерезисного двигателя создаётся в результате взаимодействия магнитного потока статора с намагниченным ротором.
Статор гистерезисного двигателя ничем не отличается от статора обычных синхронных или асинхронных машин. Он состоит из корпуса 1, сердечника статора 2 и обмотки 5 (рисунок 1). Обмотка статора (двухфазная или трёхфазная) укладывается в пазах сердечника. Ротор 4 гистерезисного двигателя представляет собой цилиндр без каких–либо явновыраженных полюсов и обмотки.
Рисунок 1 – Конструкция гистерезисного двигателя
Активный слой ротора 3 выполняется из магнитотвёрдого материала. В качестве магнитотвёрдого материала используются сплавы: виккалой, альни, а в качестве немагнитного, из которого выполняется массив ротора, – латунь, сплавы алюминия, пластмассы. Корпус и подшипниковые щиты 6, 8 выполняются из немагнитного материала, а вал 7 – из любой конструкционной стали.
С целью уменьшение потерь на вихревые токи активный слой ротора обычно набирается из отдельных изолированных друг от друга плоских колец.
Природа гистерезисного момента заключается в наличии у материала ротора широкой петли гистерезиса. При асинхронной скорости вращения ротор, находясь в магнитном поле, перемагничивается. При этом ось поля ротора, выполненного из магнитотвердого материала, отстает от оси вращающегося поля статора на некоторый угол γ.
Рисунок 2 – Принцип действия гистерезисного двигателя
В результате взаимодействия поля ротора с опережающим его вращающимся полем статора возникает вращающий момент. Эффект возникновения момента вращения можно пояснить на следующей модели. Любое ферромагнитное тело можно рассматривать состоящим из большого числа элементарных магнитиков, которые способны поворачиваться вокруг своих осей.
Если тело из ферромагнитного материала поместить в магнитное поле, то элементарные магнитики ориентируются вдоль линий магнитного поля и на поверхности цилиндра появляются полюса противоположной полю полярности, то есть тело намагничивается.
На рисунке 2 магнитное поле, создаваемое в гистерезисном двигателе обмоткой статора, условно показано в виде двух полюсов постоянных магнитов. Если предположить, что цилиндр выполнен из магнитомягкого материала, который обладает узкой петлей гистерезиса, то силы
молекулярного трения малы, и при вращении магнитного поля элементарные магнитики будут вращаться синхронно и синфазно с полем (рис. 2, а). Силы взаимодействия между элементарными магнитиками и полем в этом случае будут иметь, как и при неподвижном роторе, только нормальные составляющие, уравновешивающие друг друга, поэтому ротор двигателя будет оставаться неподвижным.
Вращающий момент гистерезисного двигателя, как и любой электрической машины, пропорционален векторному произведению пространственных векторов магнитного потока Ф, создаваемого обмоткой статора, и МДС ротора F, то есть
= м ∙ (Ф ∙ ) = м ∙ ∙ г
Угол рассогласования γг зависит только от свойств магнитного материала ротора и не зависит от величины нагрузки на валу двигателя. Поэтому вращающий момент гистерезисного двигателя не зависит от частоты вращения ротора, и механическая характеристика гистерезисного двигателя представляет собой ломаную линию ABD (рис. 3). Участок AВ этой характеристики соответствует разгону двигателя до синхронной частоты вращения, а участок ВD – работе двигателя в синхронном режиме.
Рисунок 3 – Механическая характеристика гистерезисного двигателя
В реальном гистерезисном двигателе при разгоне ротора кроме гистерезисного момента имеет место и некоторый асинхронный момент, обусловленный вихревыми токами в роторе, который изменяется от максимального значения, равного отрезку АC при пуске до нуля при синхронном вращении ротора. Поэтому, пусковой момент Мп реального
гистерезисного двигателя несколько превышает его максимальный синхронный момент, а реальная механическая характеристика (рис. 3) изображается кривой АВD.
Гистерезисные двигатели по сравнению с обычными синхронными двигателями, возбуждаемыми постоянными магнитами, имеют несколько меньший коэффициент мощности cosφ=0,3–0,8 и более низкий КПД η что объясняется сравнительно слабой намагниченностью ротора. Чтобы улучшить энергетические показатели гистерезисных двигателей их перевозбуждают, то есть кратковременно повышают напряжение на зажимах двигателя в 1,5–2 раза, а затем его снижают до номинального значения. Кратковременное повышение напряжения позволяет дополнительно подмагнитить ротор гистерезисного двигателя. Гистерезисные двигатели благодаря простой конструкции и хорошим свойствам получили широкое применение в маломощных системах автоматического управления, а также в прецизионных гироскопических устройствах.
Ход работы:
1. Механическая характеристика двигателя снимается во всем диапазоне возможных частот вращения. После включения стенда. двигатель запускается на холостом ходу (электромагнитный тормоз выключен). Затем увеличивают момент нагрузки, фиксируя показания тахогенератора (частота вращения) и снимают 3–4 точки в синхронном режиме работы двигателя. Продолжая увеличивать нагрузку, четко фиксируют величину момента выхода двигателя из синхронизма. В асинхронном режиме также снимают 3–4 экспериментальные точки. Данные экспериментов записывают в табл. 1, по которой строятся механические характеристики гистерезисного двигателя.
Рисунок 4 – Схема экспериментальной установки
Таблица 1
M |
мI |
U |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гсм |
А |
В |
Об/мин |
Вт |
Ва |
Вт |
- |
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,3 |
222 |
22 |
1000 |
7 |
0,12 |
0,0031 |
0,00044 |
60,68 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,5 |
218 |
21 |
1000 |
7 |
0,19 |
0,0052 |
0,00074 |
37,08 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
210 |
21 |
1000 |
7 |
0,36 |
0,0103 |
0,00147 |
19,25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,5 |
205 |
21 |
900 |
7,5 |
0,53 |
0,0139 |
0,00185 |
14,08 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,7 |
220 |
21 |
700 |
8 |
0,65 |
0,0123 |
0,00153 |
12,35 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Величины, входящие в табл. 1 и не снимаемые в процессе эксперимента, рассчитываются в соответствии со следующими выражениями
|
= 1,03 ∙ 10−5 ∙ ∙ = 1,03 ∙ 10−5 ∙ 0.3 ∙ 1000 = 0.0031 Вт |
||||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
= √3 |
∙ ∙ = √3 ∙ 222 ∙ 10−3 ∙ 22 = 0.12 Ва |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
2 |
= |
0.0031 |
|
= 0.00044 |
||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
= |
1 |
= |
7 |
|
= 60.68 |
||||||
|
|
|
|
|
0.12 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n, об/мин
1200
1000
800
600
400
200
0 |
М, Гсм |
|
|
|
|
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
Рисунок 5 – Механическая характеристика гистерезисного двигателя
КПД
0,00200
0,00180
0,00160
0,00140
0,00120
0,00100
0,00080
0,00060
0,00040
0,00020
0,00000
0 |
0,5 |
1 |
1,5 |
2 |
М, Гсм
Рисунок 6 – Механическая характеристика гистерезисного двигателя
I,мА
222
220
218
216
214
212
210
208
206
204
0 |
0,5 |
1 |
1,5 |
2 |
М, Гсм
Рисунок 7 – Механическая характеристика гистерезисного двигателя
0,0160
0,0140
0,0120
0,0100
Вт 0,0080 P2,
0,0060
0,0040
0,0020
0,0000
0 |
0,5 |
М, 1Гсм |
1,5 |
2 |
Рисунок 8 – Механическая характеристика гистерезисного двигателя
2. Рабочие характеристики гистерезисного двигателя при номинальном напряжении питания снимаются методом, приведенным выше, при этом в цепь питания двигателя включается ваттметр по схеме рис. 6 (допускается одновременное снятие механической и рабочих характеристик). Нагружая двигатель, снимают величины момента, частоты вращения, тока статора и мощности, потребляемой двигателем. Экспериментальные данные заносят в табл. 2
Рисунок 9 – Схема включения ваттметра
Таблица 2
M |
I |
U |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гсм |
мА |
В |
Об/мин |
Вт |
Ва |
Вт |
- |
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
200 |
21 |
1000 |
5,8 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,5 |
195 |
21 |
1000 |
6 |
0,17 |
0,0052 |
0,00086 |
35,53 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
190 |
21 |
1000 |
6,1 |
0,33 |
0,0103 |
0,00169 |
18,54 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,5 |
185 |
21 |
1000 |
6,2 |
0,48 |
0,0155 |
0,00249 |
12,90 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
195 |
21 |
800 |
8 |
0,68 |
0,0165 |
0,00206 |
11,84 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 = 1,03 ∙ 10−5 ∙ ∙ = 1,03 ∙ 10−5 ∙ 0.5 ∙ 1000 = 0.0052 Вт
= √3 ∙ ∙ = √3 ∙ 195 ∙ 10−3 ∙ 21 = 0.17 Ва
= |
2 |
= |
0.0052 |
|
= 0.00086 |
|||||
|
|
|||||||||
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
1 |
= |
6 |
|
= 35.53 |
|||||
|
0.17 |
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n, об/мин
1200
1000
800
600
400
200
0 |
М, Гсм |
|
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
Рисунок 10 – Рабочие характеристики гистерезисного двигателя
КПД
0,00200
0,00180
0,00160
0,00140
0,00120
0,00100
0,00080
0,00060
0,00040
0,00020
0,00000
0 |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
М, Гсм
Рисунок 11 – Рабочие характеристики гистерезисного двигателя
0,0160
0,0140
0,0120
0,0100
0,0080
0,0060
0,0040
0,0020
0,0000
P2, Вт
0 |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
|
|
|
|
М, Гсм |
|
|
|
|
|
Рисунок 12 – Рабочие характеристики гистерезисного двигателя
I,мА
222
220
218
216
214
212
210
208
206
204
0 |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
М, Гсм
Рисунок 13 – Рабочие характеристики гистерезисного двигателя
Вывод: В проделанной лабораторной работе мы ознакомились с конструкцией синхронного гистерезисного микродвигателя, опытным путем сняли его механические и рабочие характеристики. Из графиков видно, что после подмагничивания незначительно падает ток и мощность 1, что в свою очередь ведет к увеличению КПД.