Лекция №13 гистерезисные микродвигатели

Синхронным гистерезисным на­зывают микродвигатель, вращающий момент которого возникает за счет гистерезиса при перемагничивании ротора. На рис. 2.33 по­казан гистерезисный микродвигатель Г-201: 1 – статор с двухфаз­ной обмоткой; 2 – ротор; 3 – подшипниковый щит.

Ротор гистерезисного двигателя делают сборным (рис. 2.34): 1 – кольцо из магнитотвердого материала; 2 – немагнитная или магнитомягкая втулка; 3 – вал. Для изготовления кольца 1 ис­пользуют материалы типа викаллоя и альни с широкой петлей гис­терезиса. Потери мощности на гистерезис в кольце 1 определяют, как будет показано далее, значение гистерезисного вращающего момента. При ограниченной мощности возбуждения оптимальное по намагничиванию использование магнитотвердого материала кольца и наилучшие энерге­тические показатели дости­гаются при определенном соотношении между толщи­ной кольца и диаметра ротора. Излишнее увеличение толщины кольца, сопровождаю­щееся уменьшением индукции, приводит к уменьшению потерь мощности на гистерезис и момента, а также перерасходу дорого­стоящего магнитотвердого материала.

Для выяснения природы гистерезисного момента рассмотрим физические процессы, происходящие в роторе описанной конструк­ции при асинхронном вращении, т.е. когда материал ротора не­прерывно перемагничивается (рис. 2.35). Будем считать, что оси м.д.с. F₁ и потока Φ₁ статора совпадают. В момент времени, ког­да вектор вращающегося магнитного потока статора Φ₁ занимает положение А (рис. 2.35, а), элементарные магнитики ротора ори­ентируются вдоль этого потока.

Рис. 2.34 Рис. 2.35

Силы взаимодействия элементар­ных магнитиков, например M₁ и M₂, с потоком статора F_эм направ­лены вдоль этого потока и вращающего момента не создают. При перемещении потока статора в положение Б в том же направлении будут поворачиваться и элементарные магнитики (рис. 2.35, б). Однако вследствие явления гистерезисного запаздывания магнити­ки M₁ и M₂ не повернутся на тот же угол, что и поток Ф₁ и между ними образуется угол гистерезисного запаздывания γ_г. После это­го силы взаимодействия F_эм будут иметь тангенциальные состав­ляющие F_t, которые и создадут гистерезисный момент асинхронно­го режима M_г.а. Возникающий гистерезисный момент пропорци­онален модулю векторного произведения пространственных векторов магнитного потока ротора Ф₂, образованного элементарными магнитиками, и м.д.с. статора F₁, которые вращаются с одинако­вой угловой скоростью со сдвигом на угол γ_г:

, (2.37)

где k – коэффициент, зависящий от параметров машины.

Значения м.д.с. F₁ и потока Ф₂ при симметричном, например трехфазном, питании от угловой скорости ротора не зависят. Про­странственный угол γ_г, на который поток ротора отстает от потока статора, также не зависит от угловой скорости ротора и определя­ется той коэрцитивной силой Н_с, при которой начинает изменяться направление поля элементарных магнитиков, т.е. определяется формой петли гистерезиса материала ротора. Соответственно не зависит от угловой скорости ротора и вращающий гистерезисный момент М_г.а.

Рис. 2.36

Механическая характеристика идеального микродвигателя по­казана на рис. 2.36, а (сплошная линия). Как видно, характерис­тика абсолютно жесткая и синхронный гистерезисный микродвига­тель в отличие от синхронных микродвигателей других типов име­ет собственный гистерезисный пусковой момент, равный моменту при синхронной угловой скорости ротора.

Значение гистерезисного момента определяют, исходя из балан­са мощностей в роторе. Мощность потерь на гистерезис в непо­движном роторе

,

где р_г.у – удельные потери на гистерезис за один цикл перемагничивания в единице объема, пропорциональные площади петли гис­терезиса; f₁ – частота напряжения питания; V – объем магнитотвердого материала ротора.

При вращении ротора со скольжением s частота перемагничивания ротора f_s = sf₁ и потери на гистерезис в роторе P_гs = sP_г.п.

Разница мощностей Р_г.п и Р_г.s соответствует полной механиче­ской мощности, развиваемой двигателем: Р_мех=Р_г.п – Р_гs = Р_г.п(l – s).

Тогда гистерезисный вращающий момент

, (2.38)

где ω₂ и ω₁ – угловые скорости ротора и поля.

Как следует из (2.38), увеличение гистерезисного момента воз­можно за счет выполнения ротора из материала с петлей гистере­зиса, имеющей наибольшие значения коэр­цитивной силы Н_с и остаточной индукции В_т, а также наиболее выпуклую форму (рис. 2.37). Идеальным был бы материал ротора с прямоугольной петлей гистерезиса 1. Ма­териалы типа викаллоя и альни, как пока­зывает кривая 2, весьма близки к этому идеалу. Обычные электротехнические стали имеют петлю гистерезиса типа петли 3 на рис. 2.37 и не обеспечивают сколько-нибудь значительного гистерезисного момента.

Механическая характеристика реальных гистерезисных микродвигателей не абсолют­но жесткая. Изменение гистерезисного мо­мента в функции угловой скорости ротора, (скольжения) объясняется в основном тремя факторами.

Во-первых, при неравенстве угловых ско­ростей ротора и поля в роторе наводятся вихревые токи, которые во взаимодействии с вызвавшим их полем Φ₁ создают момент M_в, являющийся, по существу, моментом асинхронного двигателя (пунктирная линия на рис. 2.36, б).

Во-вторых, при конденсаторной схеме включения двухфазного гистерезисного двигателя (см. рис. 2.24, б) в однофазную сеть фор­ма вращающегося магнитного поля статора, а значит, и момент М_г.а (штрихпунктирная линия на рис. 2.36, б) зависят от угловой скорости ротора. При изменении угловой скорости ротора меняют­ся частота перемагничивания, потери в роторе и соответственно ток в обмотках статора. Происходит перераспределение напряже­ний между конденсатором и обмоткой; при этом поле, круговое при одном скольжении (например, при s = 0), становится эллипти­ческим при другом.

В

Рис. 2.37

-третьих, влиянием моментов высших гармоник поля. В синхронном режиме магнитное поле статора и ротор враща­ются с одинаковой угловой скоростью и перемагничивания матери­ала ротора не происходит. Магнитный поток ротора Ф_2ост сохраня­ется вследствие остаточного магнетизма и вращается вместе с ро­тором с синхронной угловой скоростью. Поток тем больше, чем выше значение остаточной индукции В_т. Микродвигатель работает как обычный синхронный микродвигатель с постоянными магнита­ми на роторе. Отличие состоит только в том, что угол отставания оси поля ротора, принимаемой за его продольную ось, от оси поля статора гистерезисного микродвигателя γ не может превысить угла гистерезисного запаздывания γ_г, так как в противном случае начи­нается перемагничивание ротора.

Следовательно, наибольшее значение момента М_г.с, развивае­мое гистерезисным двигателем в синхронном режиме, равно М_г.а. При моменте сопротивления на валу, превышающем М_г.а, ротор выходит из синхронизма. У гистерезисных микродвигателей угол γ_г обычно не превышает 20 – 25°.

Из сказанного следует, что синхронный гистерезисный микро­двигатель развивает вращающий момент и при асинхронной, и при синхронной угловой скорости ротора. Режим его работы зависит от значения и характера статического момента сопротивления М_ст на валу ротора (см. рис. 2.36, а). Если во всем диапазоне скольже­ний от 1 до 0 момент сопротивления (прямая 1) меньше гистере­зисного момента, то двигатель работает в синхронном режиме. Ось поля ротора отстает от оси поля статора на угол γ, при котором соблюдается равновесие моментов М_г.с = М_ст. Если момент сопро­тивления меняется по прямой 2, то равновесие моментов наступит при скольжении s_a, соответствующем точке а, т. е. двигатель бу­дет работать в асинхронном режиме (М_г.а = М_ст). Однако исполь­зование гистерезисных микродвигателей в асинхронном режиме не­экономично вследствие больших потерь на перемагничивание рото­ра, особенно при больших скольжениях.

Синхронные гистерезисные микродвигатели обладают весьма ценными качествами. Они развивают большой пусковой момент и способны входить в синхронизм при большом моменте инерции на­грузки. Ротор гистерезисного двигателя входит в синхронизм плав­но, без рывков благодаря практически постоянному значению пус­кового гистерезисного момента на протяжении всего периода пуска от s = l до s = 0. Потребляемый гистерезисным двигателем ток не­значительно (на 20 – 30%) изменяется при изменении режима ра­боты от короткого замыкания (пуск) до холостого хода, что позволяет эффективно использовать гистерезисные двигатели в повторно-кратковременном режиме. Гистерезисные микродвигате­ли просты по конструкции и надежны в эксплуатации.

Энергетические показатели гистерезисного микродвигателя не особенно высоки, так как поток ротора является вторичным, т.е. наведенным рабочим потоком статора, и режим работы такого дви­гателя соответствует режиму синхронной машины с недовозбуждением. Однако у гистерезисных микродвигателей в синхронном ре­жиме существует возможность изменения намагничивающего тока и соответственно к.п.д. и cos φ.

Это можно проследить на примере зависимости тока I₁ гистере­зисного микродвигателя в синхронном режиме от напряжения воз­буждения U₁ при снижении последнего от значения U_1п, при котором происходит пуск (U-образная характеристика на рис. 2.38). Значение возбужденной м.д.с. ротора определяется напряжением пуска U_1п, а значение результирующего потока двигателя умень­шается пропорционально U₁. Значит, при уменьшении U₁/U_1п воз­растает роль м.д.с. ротора в создании результирующего магнит­ного поля и меняются значение и характер тока статора. Индук­тивная намагничивающая составляющая тока статора (φ > 0) по­степенно уменьшается до нуля (φ = 0) и затем появляется размаг­ничивающая емкостная составляющая (φ < 0). Эта зависимость по физической сути аналогична U-образной характеристике синхрон­ного двигателя с электромагнит­ным возбуждением.

Рис. 2.38

В рабочем режиме гистерезис­ного микродвигателя при синхрон­ном вращении ротора к.п.д. и cos φ можно повысить путем под­магничивания ротора с помощью кратковременного (на 2 – 3 пери­ода) повышения значения магнит­ного потока статора за счет увеличения подводимого к статору на­пряжения. Подмагниченный ротор, как и ротор с постоянными маг­нитами синхронного микродвигателя, начинает активнее участво­вать в создании основного рабочего магнитного потока и тем са­мым разгружать обмотку статора от реактивного намагничивающе­го тока. Это соответствует смещению рабочей точки характеристи­ки двигателя из точки А в точку В на рис. 2.38.