лекции / 14 Специальные ИДПТ

14 Специальные ИДПТ, ИСД

Асинхронные двигатели с внешним ротором

Статор этих двигателей находится внутри ротора (рис. 2.6). Такие конструкции называют обращенными.

Асинхронный двигатель с внешним ротором (рис. 2.6) состоит из шихтованного сердечника статора 10, собранного на втулке 9, которая напрессована на стальную невращающуюся ось 7. Трехфазная обмотка статора 6 имеет три вывода 1, которые проходят через полую часть 2 оси 7. Внешний ротор состоит из шихтованного сердечника 4, в пазах которого расположены стержни обмотки, замкнутые с двух сторон замыкающими кольцами. Наружная поверхность ротора образована ободом 11, форма которого зависит от назначения двигателя, то есть он может быть колесом, шкивом, роликом или просто массивным элементом — маховиком. С двух сторон обод закреплен крышками 3 посредством винтов 5. Крышки 3 сочленяются с подшипниками 8.

Асинхронные двигатели с внешним ротором применяют в электроинструменте, в рольганге на металлургических предприятиях (внешний ротор двигателя — это вращающийся ролик рольганга), в качестве двигателя-маховика для привода устройств, требующих равномерного вращения при неравномерной нагрузке на вал.

Однако самое широкое применение эти двигатели получили в гироскопических приборах в качестве гиродвигателей. Гироскопические приборы составляют основу навигационной техники в судостроении, авиации и ракетостроении. Основной элемент гироскопического прибора — гироскоп, то есть массивный цилиндрический ротор. Приведенный в быстрое вращение, этот ротор сохраняет неизменным положение в пространстве своей оси вращения. Чем больше частота вращения ротора, тем эффективнее проявляется это свойство.

Линейные асинхронные двигатели

Во многих производственных механизмах, транспортных средствах и приборных устройствах рабочий орган совершает поступательное или возвратно-поступательное движение. Для привода этих устройств и механизмов используют двигатели с вращательным движением ротора и промежуточным кинематическим звеном для преобразования враща­тельного движения в линейное. Такое звено усложняет привод, вызывает дополнительные потери мощности, снижает КПД и надежность.

Кинематика привода указанных устройств упрощается, если использовать линейный электродвигатель, у которого подвижная часть со­вершает поступательное или возвратно-поступательное движение. Наибольшее применение получили линейные асинхронные двигатели (ЛАД). Принцип действия ЛАД основан на способности многофазной (трехфазной) системы токов создавать бегущее магнитное поле. Если в обычном асинхронном двигателе статор цилиндрической формы разрезать вдоль его оси и развернуть в плоскость (рис. 2.7), то получим статор линейного двигателя, называемый индуктором 1.

Если обмотку индуктора соединить звездой или треугольником и включить в трехфазную сеть, то возникает магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль развернутой поверхности сердечника индуктора с синхронной скоростью ν₁. Такое магнитное поле называют бегущим.

Синхронная скорость бегущего поля пропорциональна частоте тока f₁ и длине индуктора L_1: и обратно пропорциональна числу пар полюсов в обмотке индуктора р.

Вблизи индуктора, параллельно ему, расположен вторичный элемент, состоящий из магнитопровода 2 (на рис. 2.7 показан пунктирными линиями), в пазы которого заложены алюминиевые или медные стержни 3 короткозамкнутой обмотки. Бегущее поле индуктора, сцепляясь со стержнями 3 короткозамкнутой обмотки, будет наводить в них ЭДС Е₂, которая создаст токи I_а. Взаимодействуя с бегущим магнитным полем, эти токи создают электромагнитные силы Р_эм, стремящиеся сместить магнитопроводы индуктора и вторичного элемента относительно друг друга в противоположных направлениях. Если один из магнитопроводов, например индуктора, закрепить неподвижно, то другой магнитопровод, называемый в этом случае бегунком, будет линейно перемещаться относительно первого в направлении движения бегущего поля. В итоге электроэнергия, поступающая в обмотку индуктора из сети, будет преобразовываться в механическую энергию линейного (поступательного) движения.

Если неподвижным сделать вторичный элемент, то бегунком станет индуктор, который будет перемещаться линейно в направлении, противоположном движению создаваемого им бегущего поля.

Гистерезисные двигатели

Работа гистерезисного двигателя основана на действии гистерезисного момента. На рис. 2.8 показаны два постоянных магнита, создающих поле статора.

Между ними расположен цилиндр (ротор) из магнитно-твердого материала. Под действием внешнего магнитного поля ротор намагничивается. На стороне ротора, обращенной к северному полюсу постоянного магнита, возбуждается южный полюс, а на стороне ротора, обращенной к южному полюсу постоянного магнита, — северный полюс.

На ротор начинают действовать силы, направленные радиально к его поверхности. Если полюса постоянного магнита вращать вокруг ротора, то вследствие явления магнитного запаздывания (гистерезиса) активная часть ротора не будет перемагничиваться одновременно с изменением направления вращающегося магнитного поля и между осью поля ротора и осью внешнего поля появится угол γ.

Явление магнитного запаздывания заключается в том, что частицы ферромагнитного материала (помещенного во внешнее магнитное поле), представляющие собой элементарные магниты, стремятся ориентироваться в соответствии с направлением внешнего поля. Если внешнее поле изменит свое направление, то элементарные частицы меняют свою ориентацию. Однако повороту элементарных частиц препятствуют в магнитно-твердых материалах внутренние силы молекулярного трения. Для изменения направления этих частиц необходима определенная МДС, вследствие чего перемагничивание ротора несколько отстает от изменения направления внешнего поля. Это отставание (магнитное запаздывание) характеризуется углом гистерезисного сдвига γ между вектором магнитного потока ротора Ф и вектором магнитного потока обмотки статора Ф (рис. 2.8). Этот угол зависит исключительно от магнитных свойств материала ротора.

Синхронные реактивные двигатели

Отличительная особенность синхронных реактивных двигателей (СРД) - отсутствие у них возбуждения со стороны ротора. Основной магнитный поток в этом двигателе создается исключительно за счет МДС обмотки статора. В двух- и в трехфазных СРД эта МДС является вращающейся.

Принцип действия СРД заключается в следующем. При включении обмотки статора в сеть возникает вращающееся магнитное поле. Как только ось этого поля d'—d^’ займет положение в пространстве расточки статора, при котором она будет смещена относительно продольной оси невозбужденных полюсов ротора d—d на угол Θ в сторону вращения, между полюсами этого поля и выступающими полюсами невозбужденного ротора возникнет реактивная сила магнитного притяжения полюса ротора к полюсу вращающегося поля статора F_γ. Вектор этой силы F_р смещен относительно продольной оси ротора также на угол Θ, поэтому сила F_р имеет две составляющие: нормальную F_пр, направленную перпендикулярно продольной оси, и тангенциальную F_tp, полюсов ротора (рис. 2.9).

Совокупность тангенциальных составляющих реактивных сил F_tp на всех полюсах невозбужденного ротора создаст вращающий реактивный момент М_р, который будет вращать ротор с синхронной частотой ω₁. С ростом механической нагрузки на вал СРД угол Θ увеличивается и момент М_р растет.

Однако при значении угла Θ = 90° реактивный момент М_р = 0. Такая зависимость момента М_р от угла Θ является принципиальной для реактивного момента, отличающей его от основной составляющей электромагнитного момента М_осн синхронного двигателя с возбужденным ротором, который при Θ = 90° имеет максимальное значение. Из рис. 2.9, б видно, что при Θ = 90° реактивные силы магнитного притяжения Р_мр действующие на каждый полюс невозбужденного ротора, взаимно уравновешиваются и реактивный момент М_р = 0. Максимальное значение реактивного момента М_шах наступает при значении угля Θ = 45°

Мощность СРД и развиваемый им момент меньше, чем у син­хронного двигателя с возбужденными полюсами ротора. Объясняется это тем, что у СРД из-за отсутствия магнитного потока ротора ЭДС Е₀ = Θ, поэтому основная составляющая электромагнитного момента М_осн = 0 и электромагнитный момент СРД определяется лишь реактивной составляющей (М=М_Р). Следовательно, при одинаковых габаритах синхронного двигателя с возбужденными полюсами ротора и СРД мощность на валу и развиваемый момент у СРД намного меньше.

3