УстрАСУ / Конспект УАСУ

331

индуктора в индукторных машинах играют роль полюсов. При этом если в СМ со знакопеременным магнитным потоком полный период изменения ЭДС соответствует

индуктивность между обмоткой возбуждения и произвольной фазой -фазной обмотки при вращении ротора периодически изменяется с двойной угловой частотой по отношению к частоте вращения. Генерируемая частота индукторного СГ в 2 раза больше, чем в СГ со знакопеременным магнитным потоком при одинаковом числе зубцов ротора, если каждый полюс классической СМ поставить в соответствие зубцу ротора индукторной СМ. В связи с этим жесткая связь между частотой переменного тока и частотой вращения индукторных СМ устанавливается соотношением , где Индукторные СГ могут быть выполнены на высокие частоты, порядка нескольких тысяч герц.

Индукторные СГ, не рациональные по массе и энергетическим показателям при частоте имеют преимущество перед обычными СМ при высоких частотах с точки зрения простоты конструкции, меньших потерь в стали и более высоких окружных скоростей, что приводит к снижению размеров и массы.

Маломощные высокочастотные (порядка нескольких тысяч герц) индукторные СГ находят применение на ЛА в качестве датчиков расхода жидкостей (например, топлива), вырабатывая высокочастотный сигнал, частота которого жестко связана с частотой вращения ротора, находящегося в жидкости. Индукторные датчики вместе с регистрирующей аппаратурой представляют собой прибор для измерения расхода — расходомер.

Особенности характеристик индукторных генераторов связаны с наличием ^постоянной составляющей магнитного потока и с тем обстоятельством, что магнитный поток изменяется лишь по величине, не являясь знакопеременным. Магнитный поток в воздушном зазоре и зубцах статора периодически изменяется от, когда оси зубцов

331

332

ротора и статора совпадают, до когда ось зубца статора совпадает с осью межзубцового промежутка ротора. Таким образом, поток в воздушном зазоре машины состоит из по-

рис. 7.27, а

приведены характеристики _ XX /, нагрузочная 2 и КЗ 3, принципиально отличающиеся от аналогичных характеристик СГ. Характеристики индукторных генераторов

наводит ЭДС в обмотке якоря. Максимальный магнитный

кривой намагничивания обычных электрических машин, т. е. имеет линейный участок и яв-новыраженную зону насыщения. Минимальный

Таким образом, в индукторных машинах магнитная цепь должна быть малонасыщенной, а отношение магнитных проводимостейдолжно быть возможно большим.

Индукторные СГ характеризуются коэффициентом использования потока, равным отношению их ЭДС и ЭДС СГ со знакопеременным потоком при одинаковом максимальном магнитном потоке (т. е. при одинаковой нагрузке магнито-провода).

СГ по использованию магнитного потока. Следовательно, при одинаковой мощности индукторные СГ должны иметь более развитый магнито-провод и большую массу, чем машины со знакопеременным потоком. Относительная масса индукторных СГ примерно на 40—60 % выше, чем у БСГ с вращающимся выпрямителем при

Внешние характеристики индукторных СГ при прочих равных условиях имеют меньшую жесткость, чем у классических СГ, т. е. напряжение с

изменением тока якоря в индукторных СГ изменяется в большей степени. Это связано с повышенным значением синхронных индуктивных сопротивлений индукторных машин по сравнению с классическими СМ. Для первых гармоник ЭДС и тока для индукторного СГ справедлива векторная диаграмма СГ при значениях параметров индукторной машины.

Увеличение индукторного СГ связано со следующим обстоятельством. В индукторных СГ используется переменная составляющаямагнитного потока. Поэтому при одном и том же значении максимального потока в классическом и индукторном СГ и при одном и том же значении ЭДС якорная обмотка индукторного СГ должна иметь

332

333

большее число витков, чем якорная обмотка классического СГ.

Малая жесткость внешних характеристик и соответственно резко возрастающая регулировочная характеристика при i индуктивного характера затрудняют стабилизацию напряжения посредством автоматических регуляторов, так как последние согласно регулировочной характеристике должны работать в широком диапазоне изменения тока возбуждения. Для повышения жесткости внешних характеристик индукторных СГ иногда применяют продольную емкостную компенсацию, включая между обмоткой якоря и внешней нагрузкой компенсирующие емкости так, чтобы

7.7. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ (СД)

С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

На летательных аппаратах в электроприводах постоянной частоты вращения механизмов нашли применение СД с электромагнитным возбуждением. Основным их преимуществом по сравнению с другими типами СД является более высокое использование объема машин, связанное с высокими энергетическими показателями: КПД и cos ср. Синхронные двигатели не имеют естественного пускового момента, что требует применения специальных пусковых устройств. Основными способами пуска СД являются: частотный и асинхронный пуск. Частотный пуск осуществляется от специального источника переменного тока с регулируемыми напряжением и частотой. Включение СД производят при некоторой минимальной частоте источника питания , а после вхождения двигателя

в синхронизм при частоте вращения поля i плавно

повышают частоту тока источника питания, одновременно регулируя напряжение источника и возбуждение СД. При этом скорость нарастания частоты источника во

Главным недостатком частотного пуска является его сложность, так как необходим специальный источник питания с регулируемым напряжением и частотой. Для СД ЛА более рациональным является асинхронный пуск, при котором двигатель включают в сеть при номинальных значениях напряжения и частоты. Синхронный двигатель разгоняют до частоты вращения, близкой к синхронной (подсинхронной), используя при этом демпферную обмотку, выполняющую в процессе разбега роль коротко-замкнутой типа «беличья клетка» обмотки ротора АД. Принципиально можно производить асинхронный пуск возбужденного и невозбужденного СД.

В последнем случае обмотка возбуждения СД при пуске замыкается накоротко или на некоторое активное сопротивление, а напряжение возбуждения включается при подсинхронной частоте вращения. Условия асинхронного пуска возбужденного СД менее

благоприятны, чем развозбужденного. При разбеге ротора возбужденного СД поток его полюсов наводит в обмотке статора ЭДС. Эта ЭДС вызывает в обмотке статора ток, который замыкается через сеть и ограничивается только сопротивлениями СД и сети. В результате в процессе асинхронного пуска даже при возникает тормозной момент эквивалентный по своему действию моменту . Свойства СД в установившемся синхронном режиме при • и токе возбужденияхарактеризуют рабочие характеристики, представляющие собой за-

333

возбуждения в режиме нагрузки будет иметь место режим недовозбуждения, при котором возникает реактивный ток индуктивного характера и. Если же установить ток возбуждения так, что cos <р = 1 в режиме номинальной нагрузки (кривая 2

преимущества СРД по сравнению с СД с электромагнитным возбуждением классического исполнения. Основным недостатком СРД является потребление из сети значительной реактивной мощности, что снижает энергетические показатели (cos cp и КПД). Электродвигатели этого типа применяются в схемах синхронной связи, звукозаписи, аппаратуре документальной связи, радиолокации и других устройствах.

Как следует из формулы добавочного электромагнитного момента СМ, при прочих равных условиях максимум мощности СРД будет при Поэтому конструкцию ротора стремятся выполнить таким образом, чтобы получить

334

335

электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, ориентированные по продольной оси ротора, разделены слоями алюминия, образующими короткозамкнутую клетку, которая выполняет роль демпферной и пусковой обмотки. Такая конструкция существенно увеличивает магнитное сопротивление для магнитного потока по поперечной оси, что приводит к снижению и повышению степени явнополюсности. Для пуска СРД, так же как и для возбужденных СД, может применяться частотный и асинхронный способы пуска.

Рабочие статические характеристикив функции полезной мощностиопределяют свойства СРД в установившемся синхронном режиме и аналогичны рабочим характеристикам СД с возбуждением. Однако значения

для СРД значительно ниже, чем СД с возбуждением. Кривая = монотонно возрастающая, так как СРД является предельным случаем недовозбужденного

7.9.СИНХРОННЫЕ ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Вразличных системах авиационной автоматики для преобразования управляющих импульсов в заданный угол поворота применяются СД, в которых магнитное поле статора вращается не равномерно, а поворачивается дискретно при подаче управляющего сигнала. При этом вращающий момент резко изменяется во времени и имеет форму

импульсов, а ротор совершает дискретные перемещения. Такие СД называют импульсными или шаговыми.

Рис. 7.30. Пояснение принципа действия шагового двигателя. а — схема; б—в — временная диаграмма токов в обмотках при коммутации.

Шаговые двигатели выполняются как с активным (имеющим обмотку возбуждения постоянного тока или постоянные магниты), так и с пассивным («реактивным») ротором. Ротор шаговых двигателей всегда имеет явнополюсное исполнение.

Статор шагового двигателя имеет две (иногда несколько), смещенные в пространстве, сосредоточенные или распределенные обмотки, которые последовательно питаются постоянным током от сети постоянного тока через коммутатор. При этом полюсы ротора устанавливаются против возбужденных полюсов статора, по обмоткам которых протекает ток. При подаче тока в другие обмотки статора ротор поворачивается на один шаг в положение, при котором его полюсы устанавливаются против следующих возбужденных полюсов статора. При каждом переключении постоянного тока в обмотках статора (обмотках управления) ротор шагового двигателя поворачивается на один шаг.

Одна из конструктивных схем шагового двигателя с возбужденным ротором приведена на рис. 7.30. Зубцовый шаг статора равен половине полюсного деления. На статоре уложены две независимые обмотки 1 и 2, состоящие из сосредоточенных катушек, охватывающих один зубец. Таким образом, зубцы, охватываемые катушками одной и

335

336

другой обмоток, чередуются. Если полюсы ротора выполнены из постоянных магнитов, то шаговый двигатель становится бесконтактным.

В статорные обмотки поочередно подаются импульсы постоянного тока (рис. 7.30, б, в). Полярность тока в обмотке при переключении изменяется. При каждом переключении тока в обмотках статора ротор поворачивается на один шаг. Для реверса двигателя необходимо изменить полярность включения одной из обмоток статора.

Шаговые двигатели с возбужденным ротором имеют достаточно большой шаг и большую пульсацию момента, которые зависят от числа полюсов. Увеличение числа полюсов в шаговых двигателях с активным ротором с целью снижения шага и пульсации момента ограничивается конструктивно-технологическими возможностями явнополюсного ротора с размещенной на нем обмоткой возбуждения и энергетическими соображениями. Из-за достаточно крупного шага (15—90)° и большой .пульсации момента шаговые двигатели с возбужденным ротором применяются реже, чем шаговые реактивные двигатели. Шаговые реактивные двигатели позволяют получить до 200 шагов в секунду, что связано с возможностью получения большого числа зубцов невозбужденного ротора. Статор в этом случае может быть как двух-, так и многофазным.

7.10. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ С КАТЯЩИМСЯ РОТОРОМ (ДКР)

Синхронные ДКР имеют частоту вращения в соответствии с соотношением , где — синхронная частота вращения поля, а — коэффициент редукции частоты вращения.

При достаточно высокой частоте питающей сетии малом значении коэффициентапредставляется возможным получать низкие частоты вращения вала без применения внешних механических редукторов. В этом смысле ДКР выполняет функцию редукторного двигателя и обладает рядом преимуществ: хорошие пусковые свойства, высокое быстродействие при включении и реверсе, самоторможение и др. Синхронные ДКР могут использоваться как реактивные и шаговые двигатели.

На рис. 7.31 представлена конструктивная схема синхронного ДКР с катушками осевого униполярного подмагничивания. В пазах статора / располагается двухполюсная m-фазная распределенная обмотка 2, питающаяся от сети переменного тока. Ротор 8 представляет собой пакет, набранный из листов электротехнической стали и насаженный на сердечник 4 из магнитомягкого материала, и не имеет обмоток. В отличие от обычных электрических машин ротор ДКР расположен эксцентрически относительно расточки статора, т. е. оси ротора и расточки статора не совпадают.

По торцам пакета статора расположены две тороидальные катушки 3, обтекаемые постоянным током и создающие осевой униполярный магнитный поток. Магнитопровод поперечного униполярного потока состоит из двух шихтованных пакетов 6, расположенных на торцах статора, двух шихтованных пакетов 5, расположенных на сердечнике ротора, и корпуса-магнитопровода 7.

При включении обмотки униполярного подмагничивания (катушек 3) на постоянное

336

337

напряжение вследствие эксцентриситета е возникает сила одностороннего магнитного притяжения, направленная в сторону минимального воздушного зазора, которая прижимает ротор к статору. При включении м-фазной обмотки статора в m-фазную сеть переменного тока происходит сложение магнитных полей и возникает результирующая сила одностороннего магнитного притяжения, вектор которой будет вращаться синхронно с магнитным полем ста-торной от-фазной обмотки переменного тока. Под действием этой силы магнитного притяжения ротор начнет обкатывать внутреннюю поверхность статора. Скорость обкатывания (скорость перемещения места соприкосновения ротора со статором) равна синхронной скорости поля Синхронно с полем будет вращаться и ось роторавокруг оси симметрии статора. Вместе с относительно быстрым обкатыванием поверхности статора ротор будет медленно поворачиваться вокруг своей оси в противоположную сторону. Это медленное вращение ротора определяется синхронной скоростью поля и разностью длин окружностей ротора и статора. При повороте поля на 360°, когда точка соприкосновения обежит статор, ротор повернется вокруг своей оси в противоположную сторону на угол

где— диаметры статора и ротора. Соответственно угловая скорость вала ДКР будет

где — коэффициент редукции скорости.

При нагрузке ДКР вектор результирующей силы одностороннего магнитного притяжения F в любой момент времени образует с осью, проходящей через центр системы и положение минимального зазора, некоторый угол и может быть разложен на две составляющие: . Силаопределяет электромагнитное давление на опору, асоздает электромагнитный вращающий момент относительно оси,

перпендикулярной плоскости рисунка и проходящей через место соприкосновения статора и ротора. Точка А на плоскости является мгновенным центром вращения, который перемещается синхронно с полем.

При обкатывании ротором внутренней поверхности статора электромагнитный вращающий момент на валу двигателя определяется как Поскольку ось симметрии ротора вращается синхронно с полем вокруг оси статора, электромагнитный

Ось у, жестко связанную с вращающейся с синхронной скоростью точкой А соприкосновения поверхностей ротора и статора, можно рассматривать как продольную ось А, а ось у — как поперечную ось При этом уголможно рассматривать как угол между осью полюса ротора, создаваемого униполярным под-магничивающим потоком, и осью полюса статора, создаваемого МДС т-фазной статорной обмотки.

Таким образом, уголДКР является аналогом рабочего угла синхронной машины, если униполярный поток ДКР считать аналогом основного потока возбуждениясинхронной машины. Электромагнитный момент ДКР, действующий внутри статора, аналогичен электромагнитному моменту возбужденной неявнополюсной синхронной машины:

Момент на валу многократно возрастает по сравнению с электромагнитным моментом на статоре в зависимости от коэффициента редукции:

337

338

Обычно конструкция ДКР выполняется таким образом, что ротор не имеет непосредственного соприкосновения с внутренней поверхностью статора. Между

частями двигателя предусматривается минимальный зазорОбкатывание происходит по специальным направляющим посредством катков, жестко связанных с ротором. Эксцентрическое вращение ротора ДКР обусловливает появление центробежной силы и нежелательных вибраций. Поэтому для уменьшения вибраций применяют различного вида эластичную подвеску статора.

Выполняться ДКР может не только с электромагнитным возбуждением от униполярного подмагничивающего потока, но и с возбуждением от постоянных магнитов. ДКР относятся к тихоходным исполнительным двигателям, для которых особенно важны пусковые режимы. Они обладают значительно лучшими пусковыми свойствами по сравнению с обычными СД и в большинстве случаев не требуют специальных пусковых устройств или частотного пуска. Как правило, ДКР пускаются при номинальной частоте питающей сети без специальных пусковых устройств. Главным образом это связано с малыми, приведенными к оси статора значениями момента инерции ротораи момента сопротивления . Ротор ДКР с униполярнымподмагничиванием при отклю-

чении напряжения статора практически не имеет выбега и четко фиксируется в определенном положении за счет потока униполярного подмагничивания.

7.11. ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Гистерезисными машинами называют машины переменного тока, основные электромагнитные процессы в которых связаны с явлением гистерезиса магнито-твердых материалов. Принципиально гистерезисные машины могут работать в режиме двигателя, генератора и электромагнитного тормоза.

На ЛА гистерезисные машины применяют в основном в качестве СД в автоматизированных приводах постоянной частоты вращения и в качестве гироскопических двигателей инерциальных навигационных систем.

Гистерезисные двигатели являются высоконадежными, бесконтактными машинами, просты по конструкции и имеют хорошие пусковые свойства. Главный их недостаток — сравнительно низкие энергетические показатели.

7.11.1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Гистерезисные двигатели имеют обычный статор синхронных или асинхронных машин, а ротор (рис. 7.32) состоит из полого цилиндра из магнитотвердого материала со специальными магнитными характеристиками, втулки и вала. В качестве материала для активного слоя ротора используются магнито-твердые материалы с явновыраженными гистерезисными свойствами. Намагничивание активного гистере-зисного слоя в отличие от намагничи-

вания постоянных магнитов осуществляется магнитным полем статора в процессе пуска двигателя. Нашли применение три типа ротора: 1) ротор, в котором активный гистерезисный слой (полый цилиндр) насажен на магни-томягкую неявноили явнополюсную втулку и намагничивается в радиальном направлении; 2) ротор, в котором втулка выполнена из немагнитного материала (алюминий, пластмассы и др.), а активный

338

339

гистерезисный слой намагничивается в тангенциальном направлении; 3) ротор, в котором втулка отсутствует и активный слой насажен непосредственно на вал.

Во всех случаях активный гистерезисный слой может выполняться в зависимости от типа гистерезисного материала сплошным или набранным из отдельных тонких колец (шихтованным).

Гистерезисные двигатели работают как в асинхронном режиме (в процессе разбега), когда электромагнитный (гистерезисный) момент создается за счет гистерезиса активного слоя ротора при циклическом перемагничивании магнитным полем статора, так и в синхронном режиме, когда синхронный электромагнитный момент создается в результате взаимодействия поля статора с намагниченным в процессе пуска ротором аналогично СД с возбуждением от постоянных магнитов.

Допустим, что происходит циклическое перемагничивание гистерезисного слоя ротора в пульсирующем магнитном поле. Если считать, что в идеальном случае электрическое сопротивление магнитотвердого материала бесконечно велико, то вихревые токи в гистерезисном слое равны нулю и угол сдвига фаз во временимежду первыми гармониками магнитного потока Ф и потребляемого из сети токабудет определяться потерями на гистерезис. Между МДС обмотки и потокомбудет иметь место угол сдвига фаз во времени зависящий от потерь на гистерезис в материале.

Угол называют углом магнитного (гистерезисного) запаздывания. Очевидно, что чем больше потери на гистерезис, тем больше угол. В случае идеального магнитомягкого материала потери на гистерезис равны нулю и

Электромагнитный момент определяется активной составляющей напряженности поля и тока, а реактивная составляющая определяет намагничивающий ток, который тем больше, чем больше реактивная составляющая напряженности поля. Поэтому при выборе гистерезисных материалов главным критерием является величинаи чем выше, тем лучше материал для роторов гистерезисных машин. Если петля

гистерезисных машин. Качество реальных гистерезисных материалов оценивается степенью приближения реальной петли гистерезиса к прямоугольной форме.

В гистерезисном двигателе циклическое перемагничивание гистерезисного слоя ротора происходит во вращающемся магнитном поле статора. В этом случае явление магнитного (гистерезисного) запаздывания, связанное с циклическим перемагничиванием гистерезисного слоя, проявляется в том, что между пространственными векторами МДС обмотки статораи потока роторапри синхронном их вращении с частотой вращениябудет иметь место пространственный угол также определяемый потерями на гистерезис в гистерезисном слое. Это означает, что ось полюсов статора опережает ось наведенных полюсов ротора на угол при синхронном их вращении, в результате чего и

Под действием гистерезисного момента ротор, вращаясь сначала асинхронно, разбегается до синхронной частоты вращения. Гистерезисный момент в процессе пуска постоянен и не зависит от частоты вращения ротора вплоть до вхождения в синхронизм. Постоянство момента в процессе пуска определяет хорошие пусковые свойства гистерезисных двигателей и является их главным преимуществом перед другими типами синхронных двигателей.

339

На рис. 7.33 приведена механическая характеристика идеализированной гистерезисной машины, в роторе которой отсутствуют вихревые токи. Часть

наведенные полюсы ротора с синхронной частотой вращения перемещаются относительно

перемагничивания, то в точке 2 угол между осями полюсов статора и ротора остается

(ГД) представляет собой недовозбужденный СД с возбуждением от постоянных магнитов.

синхронного режимане превышает угла гистерезисного запаздыванияв отличие от обычных синхронных неявнополюсных двигателей, у которых= я/2. Современные гистерезисные магнитотвердые материалы позволяют получить При двигатель выходит из синхронизма и вновь переходит в асинхронный режим. Реально в асинхронном режиме помимо гистерезисного

момента дополнительно возникает асинхронный момент за счет вихревых токов в гистерезисном слое аналогично асинхронным двигателям со сплошным ферромагнитным

нения гистерезисного слоя. При сплошном гистерезисном слое асинхронный момент больше, чем при шихтованном, в котором вихревые токи практически несущественны. Участок идеализированной характеристики 1-8 соответствует вращению ротора против поля статора, т. е. режиму электромагнитного гистерезисного тормоза (ГТ), в котором тормозной моментпостоянен независимо от частоты вращения. Это важное преимущество гистерезисных тормозов иногда используется в системах электроавтоматики. Участки 5-6 и 6-7 соответствуют генераторному режиму: СГ с возбуждением от постоянных магнитов и асинхронному ги-стерезисному генератору (ГГ), работающему параллельно с сетью. В силу низких энергетических показателей

340