Лекция №5 двухфазные асинхронные микродвигатели

По сравнению с асинхронными микродвигателями общего при­менения исполнительные микродвигатели имеют повышенное актив­ное сопротивление ротора. Это связано с требованиями обеспечения устойчивой работы исполнительных микродвигателей во всем ра­бочем диапазоне угловых скоростей (скольжение s = 0÷1) и ис­ключения параметрического самохода. Из теории асинхронных ма­шин известно, что устойчивость их работы практически при всех ре­альных видах нагрузки обеспечивается только на участке от s = 0 до s = s_к (s_к – критическое скольжение).

Рис. 2.1

Следовательно, активное сопротивление ротора у исполнительного асинхронного микродвига­теля должно быть таким, чтобы обеспечивалось условие s_к ≥ 1. Условие s_к > 1, как будет показано далее, является необходимым и для отсутствия параметрического самохода, который может возник­нуть при неправильном выборе параметров двигателя. Критическое скольжение реальных исполнительных асинхронных микродвигате­лей выбирают обычно в пределах s_к = 2÷4.

На рис. 2.1, б представлены зависимости вращающего момента от скольжения асинхронного микродвигателя общего применения (кривая 1) и исполнительного асинхронного микродвигателя (кри­вая 2).

В зависимости от конструкции ротора различают три основ­ных типа исполнительных асинхронных микродвигателей: с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка», с полым немагнит­ным и полым ферромагнитным роторами.

Исполнительные асинхронные микродвигатели с ротором типа «беличья клетка» имеют такое же устройство, как и трехфазный асинхронный двигатель с аналогичным ротором. Отличие состоит только в том, что в настоящее время их выпускают в основном так называемой сквозной конструкции. При такой конструкции (рис. 2.2) внутренний диаметр статора 1, на котором расположена двухфазная обмотка 2, равен наружному диаметру подшипников 5. Это позволяет обрабатывать внутреннюю поверхность статора и отверстия под подшипники в подшипниковых щитах 4 с одной уста­новки на станке. Тем самым уменьшается эксцентриситет располо­жения ротора 3 в расточке статора, что дает возможность уменьшить минимально допустимый воздушный зазор до 0,03 – 0,05 мм. Уменьшение воздушного зазора при неизменных габаритных раз­мерах и магнитном потоке обеспечивает снижение намагничиваю­щего тока и, следовательно, уменьшение электрических потерь в статоре, повышение к.п.д. и коэффициента мощности cos φ₁. И на­оборот, при неизменных габаритных размерах, намагничивающей составляющей м.д.с. статора и электрических потерях в обмотке статора, т. е. при одинаковых условиях нагрева двигателя, умень­шение воздушного зазора дает возможность увеличить основной магнитный поток (при отсутствии насыщения) и тем самым враща­ющий момент.

Рис. 2.2 Рис. 2.3

В системах автоматики широко применяются исполнительные микродвигатели с полым немагнитным ротором. Конструктивная схема такого микродвигателя представлена на рис. 2.3. Внешний статор 1, закрепленный в корпусе 8, ничем не отличается от стато­ра обычного асинхронного микродвигателя. Его набирают из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. В пазах статора располагают две обмотки 2 – возбуждения и управления, сдвинутые в пространстве на электрический угол 90° (здесь и да­лее под электрическим углом понимаем пространственный угол, умноженный на число пар полюсов машины). Внутренний статор 4, который набирают из листов электротехнической стали на ци­линдрическом выступе одного из подшипниковых щитов 5, служит для уменьшения магнитного сопротивления на пути основного маг­нитного потока, проходящего через воздушный зазор.

В воздушном зазоре между внешним и внутренним статорами находится полый ротор 3, выполненный в виде тонкостенного ста­кана из немагнитного материала, чаще всего из сплавов алюминия. Дно ротора жестко укрепляют на валу 6, который вращается в под­шипниках 7, расположенных в подшипниковых щитах. Толщина сте­нок ротора в зависимости от мощности двигателя колеблется в пределах 0,1 – 1 мм. Полый ротор имеет очень малую массу и, сле­довательно, незначительный момент инерции.

В микродвигателях мощностью в единицы ватт и менее обмотки возбуждения и управления часто размещают в пазах внутреннего статора. Тогда внешний статор пазов не имеет и служит лишь для уменьшения магнитного сопротивления. При такой конструкции об­легчается процесс укладки обмоток в пазы и несколько повышает­ся вращающий момент, но увеличивается диаметр ротора вследст­вие увеличения обмоточного пространства на внутреннем статоре, что приводит к некоторому увеличению момента инерции ротора. Возможно также размещение одной из обмоток на внутреннем, а другой – на внешнем статоре.

На рис. 2.4 представлен исполнительный микродвигатель АДП-123 с полым немагнитным ротором 3 и обмотками возбужде­ния на внешнем статоре 1. Внутренний статор 2 – безобмоточный.

Полый немагнитный ротор исполнительного асинхронного микро­двигателя в отличие от роторов других типов обладает незначитель­ным индуктивным сопротивлением, что повышает линейность меха­нических и регулировочных характеристик двигателя.

Рис. 2.4 Рис. 2.5

Гладкая цилиндрическая поверхность полого немагнитного рото­ра способствует снижению уровня шумов, создаваемых двигателем.

Отсутствие радиальных сил притяжения полого немагнитного ротора к статору, уменьшение массы ротора и соответственно мо­мента трения в подшипниках обеспечивают уменьшение напряже­ния трогания.

Недостатком микродвигателя с полым немагнитным ротором яв­ляется большой немагнитный зазор, состоящий из двух воздушных зазоров: между внешним статором и ротором и между ротором и внутренним статором (каждый до 0,25 мм), а также из немагнит­ной стенки самого ротора.

Из-за большого немагнитного зазора между внешним и внутрен­ним статорами, составляющего 0,5 – 1,5 мм, эти двигатели имеют значительный намагничивающий ток (0,8 – 0,9 от номинального) и низкий коэффициент мощности. Последний недостаток несколько устраняется при конденсаторном управлении, но большой намагни­чивающий ток приводит к большим электрическим потерям в об­мотках двигателя и значительно снижает его к.п.д. У исполнитель­ных микродвигателей с полым немагнитным ротором мощностью в несколько десятков ватт по сравнению с исполнительными микро­двигателями той же мощности с ротором типа «беличья клетка» к.п.д. снижается с 40 – 50 до 20 – 35%, а габаритные размеры и масса увеличиваются в 1,2 – 2 раза. При увеличении номинальной частоты напряжения питания с 50 до 400 – 1000 Гц габаритные раз­меры и масса на единицу полезной мощности уменьшаются и эти показатели у указанных типов микродвигателей сближаются. Объ­ясняется это относительным уменьшением активного сопротивления обмоток статора (по сравнению с индуктивным) и электрических потерь в них. Однако и при номинальной мощности менее 5 – 10 Вт габаритно-массовые и энергетические характеристики в основном лучше у микродвигателей с ротором типа «беличья клетка».

На рис. 2.5, а, б приведены зависимости соответственно к.п.д. η и массы q на единицу номинальной мощности от номинальной мощности P_2ном некоторых серийных исполнительных асинхронных микродвигателей: АДП – с полым немагнитным ротором (индекс «н» – частота 50 Гц; индекс «в» – частота 400 Гц); ЭМ-М и ДИД – с полым немагнитным ротором (400 Гц); АД, ДМ и ДКИ – с ротором типа «беличья клетка» (400 Гц).

Микродвигатели с полым немагнитным ротором менее надежны при высоких температурах, вибрации и ударах, так как вероят­ность деформации полого немагнитного ротора в указанных усло­виях выше, чем ротора типа «беличья клетка».

Уменьшить немагнитный зазор можно при использовании поло­го ферромагнитного ротора. В этом случае отпадает необходимость во внутреннем статоре, так как магнитный поток замыкается непо­средственно по ротору. Чтобы материал ротора не насыщался и ак­тивное сопротивление его не было очень велико, полый стакан вы­полняют более толстостенным. Это приводит к увеличению массы ротора и снижению быстродействия двигателя. У некоторых типов таких микродвигателей с целью уменьшения активного сопротив­ления ротора его поверхность покрывают тонким слоем ме­ди.

В каждом конкретном случае выбор конструкции типа двигате­ля должен производиться с учетом основных требований и условий применения.

Принцип действия исполнительного асинхронного микродвигате­ля не отличается от принципа действия трехфазного асинхронного микродвигателя. Вращающееся магнитное поле статора созда­ется в результате взаимодействия м.д.с. обмоток В и У при нали­чии пространственного сдвига между ними и временного сдвига приложенных к ним напряжений. Электромагнитный момент возни­кает в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с токами, наведенными этим полем в обмотке ротора – стержнях «беличьей клетки» или стенке полого ротора. Из теории электрических машин известно, что вектор вращающегося магнитного поля остается неизменным, т. е. поле является круговым при соблюдении следующих условий:

1. сдвиг обмоток статора в пространстве на электрический угол γ = 90°;

1. сдвиг токов в обмотке статора по времени на угол β = 90°;

2. равенство м.д.с. обмоток возбуждения и управления: I_уω_у.эф = I_вω_в.эф, где ω_эф – число эффективных витков соответству­ющей обмотки, равное произведению числа витков на обмоточный коэффициент.

Рис. 2.6

Нарушение любого из этих условий приводит к тому, что поле становится эллиптическим, т. е. конец вектора магнитного потока описывает не окружность, а эллипс. В этом случае суммарное маг­нитное поле Φ при вращении не остается постоянным, а изменяет­ся по амплитуде. Становится переменной и мгновенная угловая скорость вектора Φ в пределах оборота при неизменной средней скорости.

Эллиптическое поле создает меньший вращающий момент, чем круговое такой же амплитуды. Его можно представить как сумму двух неравных круговых полей, вращающихся с синхронной угло­вой скоростью в противоположные стороны (рис. 2.6, а). Круговое поле Φ₁, вращающееся в одном направлении с эллиптическим, на­зывают прямым; поле Ф₂ – обратным.

Прямое поле создает вращающий момент двигателя, а обрат­ное – тормозящий момент. С увеличением эллиптичности поля за счет изменения углов β и γ или уменьшения м.д.с. одной из обмо­ток статора прямая составляющая поля и момента убывает, а об­ратная составляющая растет. Уменьшение результирующего вра­щающего момента при неизменном моменте нагрузки приводит к снижению угловой скорости ротора. Появление обратного поля обусловливает увеличение потерь, уменьшение механической мощ­ности и к.п.д. двигателя.

Следует отметить, что увеличение м.д.с. одной из обмоток ста­тора по сравнению со значением, соответствующим круговому полю, приводит к появлению эллиптического поля, амплитуда которого больше, чем кругового. При этом возрастают обе составляю­щие поля и в некотором диапазоне возможно увеличение результи­рующего вращающего момента по отношению к исходному круговому полю. Однако такое форсирование м.д.с. статора связано с пре­вышением напряжением и током своих номинальных значений, со­ответствующих круговому полю. Это не всегда допустимо, так как вызывает увеличение потерь и дополнительный нагрев двигателя, может привести к насыщению магнитопровода и пробою изоляции.

Когда полностью не выполняется хотя бы одно из условий кру­гового поля (β=0, γ=0, I_в=0 или I_у=0), поле статора ста­новится пульсирующим и двигатель не развивает вращающего мо­мента при неподвижном роторе. Для объяснения этого явления за­меним пульсирующее магнитное поле Φ (рис. 2.6, б) двумя полями Φ₁ и Ф₂, вращающимися в противоположные стороны с синхронной угловой скоростью ω₁ и имеющими амплитуды, равные половине амплитуды пульсирующего поля.

При неподвижном роторе оба поля вращаются относительно ро­тора с синхронной угловой скоростью. Каждое из них наводит в обмотке ротора токи, равные вследствие равенства полей и сколь­жений. Возникают равные по значению вращающие моменты, на­правление которых противоположно, как и направление полей. Результирующий момент равен нулю, и ротор во вращение прийти не может.

Картина несколько меняется, если поле статора становится пульсирующим при вращении ротора в какую-либо сторону. В этом случае при определенных условиях двигатель может продолжать развивать вращающий момент, так как скольжение его ротора от­носительно прямого и обратного полей будет уже неодинаковым. Поле статора в исполнительном асинхронном микродвигателе ста­новится пульсирующим при снятии сигнала управления. Следова­тельно, ротор двигателя может продолжать вращаться при снятом сигнале управления, что недопустимо для исполнительных двига­телей. Это явление, называемое параметрическим самоходом.

Физическое объяснение возникновения электромагнитного мо­мента при пульсирующем поле статора и скольжении s ≠ l заклю­чается в следующем. Пульсирующее поле статора наводит во вра­щающемся роторе кроме трансформаторной еще и э.д.с. вращения, сдвинутую по фазе относительно трансформаторной. Токи, вызван­ные в роторе э.д.с. вращения, создают магнитный поток ротора, сдвинутый в пространстве и во времени относительно потока ста­тора. Результирующее магнитное поле двигателя, образующееся при взаимодействии этих двух потоков, получается вращающимся эл­липтическим. Направление вращения этого поля зависит от пара­метров двигателя.

Следует отметить, что в двухфазном двигателе круговое поле может быть получено и при γ ≠ 90^о, если γ + β = 180° и амплитуды м.д.с. равны. Однако в исполнительных двигателях такой способ широкого распространения не получил.