Лекция №11 синхронные микродвигатели с постоянными магнитами на роторе

В синхронных микродвигателях с постоянными магнитами наибо­лее распространенными являются роторы с радиальным (рис. 2.25, а) и аксиальным (рис. 2.25, б) расположением постоянных маг­нитов и короткозамкнутой обмотки.

Ротор состоит из двух основных частей:

а) постоянных магнитов 1, создающих магнитный поток воз­буждения ротора и обеспечивающих возникновение электромагнит­ного момента в синхронном режиме;

б) короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» 3, уло­женной в сердечник 2 из электротехнической стали и обеспечиваю­щей возникновение электромагнитного момента в процессе асин­хронного пуска.

Электромагнитный момент создается в результате взаимодейст­вия вращающегося поля статора с полем возбуждения ротора, ко­торые вращаются с одинаковой угловой скоростью, равной угловой скорости ротора.

Электромагнитный момент синхронного микродвигателя в син­хронном режиме в случае симметричной магнитной цепи и при не­значительном активном сопротивлении обмотки статора определя­ется уравнением, известным из общей теории синхронных машин активного типа:

, (2.29)

где m₁ – число фаз статора; U₁ – фазное напряжение на зажи­мах обмотки статора; E₀ – э.д.с, наводимая магнитным потоком ротора в обмотке фазы статора; ω₁ = 2πf₁/p – синхронная угловая скорость (f₁ – частота напряжения питания; p – число пар полю­сов машины); X_C – синхронное индуктивное сопротивление обмот­ки статора; θ_u – сдвиг по фазе (во времени) между векторами U₁ и E₀.

Рис. 2.25

Угол θ_u численно равен электрическому пространственному уг­лу между результирующим вектором напряжения статора и попе­речной осью q ротора. Результирующий вектор напряжения стато­ра представляет собой пространственный вектор, проекциями кото­рого на оси обмоток фаз статора являются мгновенные значения соответствующих фазных напряжений. Если принять, что активное сопротивление обмотки статора R₁ = 0, то θ_u равен углу между осью полюсов ротора и результирующим магнитным потоком ма­шины.

Угол θ_u в синхронном режиме зависит от момента сопротивле­ния на валу двигателя. Угловая характеристика, соответствующая уравнению (2.29), изображена на рис. 2.26 (сплошная линия).

В реальных синхронных микродвигателях с постоянными маг­нитами магнитная система несимметрична: индуктивные сопротив­ления обмотки статора по продольной X_d и поперечной X_q осям машины не равны. Это наглядно выражено у микродвигателей ра­диальной конструкции (см. рис. 2.25, а), в которых магнитное со­противление ротора по продольной оси d больше, чем по попереч­ной q, вследствие малой маг­нитной проницаемости материа­ла постоянных магнитов 1 по сравнению с электротехниче­ской сталью 2.

Активное сопротивление об­мотки статора R₁ синхронных микродвигателей в отличие от синхронных двигателей боль­шой мощности соизмеримо с индуктивными сопротивления­ми X_d и X_q. Поэтому существен­ная часть потребляемой мощно­сти теряется на сопротивле­нии R₁.

Рис. 2.26

Оба указанных фактора влияют на значение электромагнитного момента M_C и характер его зависимости от угла θ_u. В син­хронном микродвигателе активного типа основной является со­ставляющая момента, соответствующая взаимодействию полей ста­тора и ротора,

(2.30)

при R₁ = 0 выражение для момента M_осн обращается в (2.29). По­является постоянная составляющая момента

, (2.31)

пропорциональная потерям мощности в обмотке статора от токов, наведенных в ней потоком ротора.

Неравенство индуктивных сопротивлений по продольной и поперечной осям вызывает появление постоянной

, (2.32)

и переменной

, (2.33)

составляющих момента, получивших название реактивных. При X_q = X_d обе составляющие равны нулю.

Постоянные составляющие момента М_{пост R1} и М_р.пост имеют знак минус, т. е. являются тормозными.

Результирующий электромагнитный момент синхронного мик­родвигателя с постоянными магнитами в общем случае пред­ставляет собой сумму всех этих составляющих:

. (2.34)

На рис. 2.26 изображена угловая характеристика синхронного микродвигателя радиальной конструк­ции (пунктирная линия), соответст­вующая уравнению (2.34).

Как видно из (2.30) и (2.31), увели­чение магнитного потока ротора, а со­ответственно E₀, приводит к росту как основной, так и тормозной составляю­щих момента. Это необходимо учиты­вать при выборе оптимальной степени возбуждения машины E₀/U₁.

В случае работы микродвигателей в системах синхронной связи часто требуется знать зависимость момента М_C от угла γ между осью м.д.с. ста­тора и продольной осью ротора. Следует отметить, что угловая характеристика M_С = f(γ_э) также является несинусоидальной, но при углах γ_э = 0 и γ_э = 180° момент M_C = 0 (электрический угол γ_э = pγ).

Рис. 2.27

У синхронных микродвигателей с постоянными магнитами при­меняют асинхронный метод пуска, т.е. в процессе разгона ротора до угловой скорости, близкой к синхронной, двигатель работает как асинхронный. Вращающееся магнитное поле статора во взаи­модействии с токами, наведенными этим полем в короткозамкнутой обмотке ротора, создает асинхронный момент М_а, зависимость которого от скольжения s приведена на рис. 2.27. Особенность пус­ка таких микродвигателей по сравнению с двигателями с электро­магнитным возбуждением заключается в том, что он происходит при наличии потока возбуждения ротора. Этот поток при вращении ротора наводит в обмотках статора э.д.с., частота которой не равна частоте напряжения питания. Под действием э.д.с. в цепи обмоток статора проходят токи, которые во взаимодействии с вызвавшим их потоком ротора создают тормозной момент Μ_т, на­правленный встречно к асинхронному вращающему моменту M_a. На результирующей характеристике M_peз = f(s) появляются провалы, которые ухудшают условия пуска. Например, при моменте сопротивления на валу М_{ст А} (рис. 2.27) ротор будет вращаться с угловой скоростью, соответствующей скольжению s_A. Эта угловая скорость далека от синхронной, и синхронизация ротора с полем статора не наступит.

Следует отметить, что в синхронном режиме (s = 0) момент М_т является рассмотренной составляющей электромагнитного момен­та M_{пост R1}. Для уменьшения тормозного момента M_т необходимо снижать поток постоянных магнитов ротора, т. е. уменьшать отно­шение E₀/U₁.

Оптимальной является такая степень возбуждения двигателя, которая обеспечивает наилучшие характеристики в синхронном ре­жиме при заданных пусковых характеристиках.