Вопросы и задания

1. Поясните способ формирования дискретно вращающегося магнитного поля статора.

2. Обоснуйте вид угловой характеристики вращающего момента ВД.

3. Как можно управлять моментом ВД?

4.22 Двигатели с постоянными магнитами

и гистерезисные двигатели

В системах автоматики широко используются синхронный двигатели малой мощности, называемые микромашинами, из-за постоянства частоты вращения их, например, в самопишущих приборах, моторных реле времени и др. В микромашинах ротор мал по размерам, и для создания его магнитного поля практически всегда экономически выгодно вместо обмотки возбуждения устанавливать постоянные магниты. СД с постоянными магнитами не требуют источника напряжения возбуждения, что является важнейшим аргументом в пользу СД с постоянными магнитами.

Двигатели с постоянными магнитами классифицируются по способу размещения на роторе постоянного магнита на радиальные (рис.4.36,а) и аксиальные (рис.4.36,б).

У двигателя с радиальным расположением магнитов (рис.4.36,а) вал должен быть стальным, чтобы проводил магнитный поток.

У двигателя с аксиальным (вдоль оси вала) расположением магнита вал должен быть немагнитным. Поле магнита, минуя вал, замыкается на полюсные наконечники когтеобразного вида (рис.4.36,б). В зазоре между расположенными напротив когтями создается магнитное поле возбуждения синхронной микромашины.

Статор рассмотренных двигателей включается в трехфазную сеть и назначением статора является создание вращающегося магнитного поля.

Механическая характеристика двигателя с постоянными магнитами такова, что двигатель может разогнаться, только будучи разгруженным. В рассматриваемом двигателе существуют как двигательный М_д, так и тормозной М_т моменты (рис.4.36,в). Двигательный момент М_д возникает за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с короткозамкнутой обмоткой ротора. тормозной момент М_т возникает за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля магнитов ротора с неподвижной в пространстве обмоткой статора. Момент, приложенный к статору, естественно не может его завращать. А такой же по величине момент, но другого значка приложен к ротору навстречу его вращению, т.е. тормозит разгон ротора. График суммарного момента М=М_д-М_т имеет провал на малой частоте вращения двигателя. Из-за этого провала момента двигатель не запускается под нагрузкой.

Отметим особенность устройства ротора рассмотренных двигателей. Часто на роторе нет никакой специально изготовленной короткозамкнутой обмотки, а есть ротор, поверхность которого, обращенная к статору, выполнена монолитной (не из листов электротехнической стали). Поверхность такого ротора можно считать как большое число стержней, которые плотно прижаты друг к другу, что и заменяет ротор нормального исполнения.

Гистерезисные двигатели содержит ротор из материала, который обладают широкой петлей гистерезиса характеристики намагничивания (рис.4.37,а).

Статор содержит трехфазную обмотку, которая включается в трехфазную сеть. Назначением статорной обмотки является создание вращающегося магнитного поля с напряженностью Н_ст.

Вал ротора окружен бочкой из магнитомягкого материала (МММ) с очень узкой петлей гистерезиса кривой намагничивания стали (рис.4.37,б). Бочка выполнена шихтованной из пластин электротехнической стали. Поверх бочки надет сплошной стакан из магнитотвердого материала (МТМ) прямоугольной петлей гистерезиса. Если напряженность Н магнитного поля, в которое помещен стакан, больше напряженности коэрцитивной силы Н_к, стакан намагничивается до индукции магнитного поля В_т. Это поле стакана остается после снятия внешнего поля, каким является поле статора. Ротор становится магнитом. Размагнитить ротор нельзя, а можно только перемагнитить, поместив его в поле с напряженностью –Н_к.

Далее рассмотрим два режима работы гистерезисного двигателя:

1) синхронный рабочий режим;

2) асинхронный пусковой режим.

Синхронный режим работы. Это основной режим работы гистерезисного двигателя, когда ротор, втянувшись в синхронизм, вращается с частотой ω совпадающей с частотой вращения ω_ст поля статора. Стакан ротора не перемагничивается и ротор превращается в постоянный магнит (рис.4.37,б). Возникает синхронный неявнополюсный момент, величина которого определяется по формуле (4.43).

Асинхронный режим работы. Это режим разгона гистерезисного двигателя. Вращающий асинхронный момент содержит две составляющие – моменты М_кз и М_Г (рис.4.38,б).

Момент М_кз образуется при взаимодействии вращающегося поля статора со стержнями короткозамкнутой обмотки ротора. Стержни для сплошного ротора является воображаемыми, если считать что сплошное тело стакана состоит из бесконечного числа стержней, которые плотно примыкают друг к другу, образуя реальный сплошной ротор. График механической характеристики М_кз приведен на рис.4.38,б.

Построения, приведенные на рис.4.38,а, поясняют образование гистерезисного асинхронного момента М_Г. Если ротор во вращении отстает от поля статора (ω<ω_cm), то стакан ротора периодически перемагничивается. Пусть напряженность Н_ст магнитного поля статора относительно выделенного участка на стакане из МТМ изменяется по гармонической зависимости Н_ст(t). Когда напряженность Н_ст(t) проходит уровень коэрцитивной силы ±Н_к, то индукция магнитного поля ротора скачком принимает значения ±В_р. График В_р(t) представляет собой симметричный меандр, который сдвинут относительно графика Н_ст(t) на угол λ_Т, называемый углом магнитного трения магнитотвердого материала. Угол λ_Т прямо пропорционален ширине петли гистерезиса МТМ. Вращающий момент, создаваемый при взаимодействии магнитного поля ротора с индукцией В_р с проводниками статора, обтекаемыми токами статора, которые создают поле статора с напряженностью Н_ст, естественно пропорционален произведению В_р и Н_ст:

М=k·B_p·H_cm

График М(t) приведен на рис.4.38,а. Среднее значение момента М_ср и является моментом М_Г и оно равно

(4.32)

Из формулы (4.32) следует, что момент М_Г не зависит от частоты вращения гистерезисного двигателя и для его увеличения нужно брать материал стакана из МТМ с максимально узкой прямоугольной петлей гистерезиса.

Суммарная механическая характеристика М(ω) имеет очень большой пусковой момент М_П. Двигатель легко разгонится под нагрузкой, что является его безусловным достоинством.