7.6.1.2 Двигуни з порожнистим немагнітним ротором

Двигуни з порожнистим немагнітним ротором є в даний час досить поширеними виконавчими двигунами змінного струму. Вони застосовуються в різних схемах автоматичних пристроїв. Потужність двигунів з порожнистим немагнітним ротором від десятих часток вата до декількох сотень ватів. Двигуни розраховуються як для промислової частоти (50 Гц), так і для підвищених частот (200, 400, 500 Гц). Частота обертання двигунів (синхронна) коливається від 1500 до 30 000 об / хв.

а - поперечний розріз, б - роздільна електрична схема обмотки статора;

в - мостова електрична схема обмотки статора; 1 - корпус; 2 - ротор (немагнітний порожній циліндр), 3 - щит підшипниковий; 4 - статор зовнішній; 5 - статор-сердечник внутрішній; 6 - обмотка статора; 7 - вісь

Рисунок 7.8 – Конструкція асинхронного виконавчого двигуна

з порожнистим немагнітним ротором

Конструктивне влаштування одного з двигунів з порожнистим немагнітним ротором представлено на рис. 7.8. Зовнішній статор 4 такого двигуна нічим не відрізняється від звичайного статора асинхронного двигуна. Він набирається з ізольованих один від одного листів електротехнічної сталі. У пазах статора розташовуються обмотки 6 управління і збудження, зсунуті в просторі на 90°. Ці обмотки або ізольовані одна від одною, або поєднані за мостовою схемою.

Мостова схема являє собою замкнуту обмотку з відгалуженнями через 90°. Вона допомагає досить просто здійснити точний просторовий зсув обмоток, сприяє кращому розподілу струмів і втрат у них. До недоліків схеми варто віднести, по-перше, електричний зв'язок ланцюгів збудження і управління, по-друге, велике число паралельних гілок (2а) і відводів при великому числі пар полюсів (2а = 2р) і, по-третє, сталість коефіцієнта трансформації.

Внутрішній статор 5 набирається з листів електротехнічної сталі на циліндричному виступі одного з підшипникових щитів. Він служить для зменшення магнітного опору на шляху основного (робочого) магнітного потоку, що проходить через повітряний зазор. Порожній ротор двигуна 2 виготовляється у вигляді тонкостінного стакану з немагнітного матеріалу, найчастіше із сплавів алюмінію. Своїм дном ротор жорстко зміцнюється на осі 7, яка вільно обертається в підшипниках, розташованих у підшипникових щитах 3. Товщина стінок ротора залежить від потужності двигуна і коливається в межах від 0,1 до 1 мм. Внаслідок дуже малої маси ротор має незначний момент інерції, що є дуже цінною властивістю двигуна з порожнистим немагнітним ротором, що сприяє його широкому поширенню. Між стінками ротора і статора є повітряні зазори, які зазвичай складають 0,15 ... 0,25 мм.

Двигуни потужністю менше 3 Вт виготовляються трохи інакше. Їх обмотки збудження і керування розміщуються в пазах внутрішнього статора, і тоді зовнішній статор не має пазів і служить лише для зменшення магнітного опору. При такій конструкції дуже полегшується процес укладання обмоток в пази при малих діаметрах розточки статора і дещо підвищується обертаючий момент, але діаметр ротора для збільшення обмоточного простору на внутрішньому статорі доводиться дещо збільшити, що обумовлює деяке збільшення моменту інерції ротора. Для усунення цього недоліку іноді використовується третя конструктивна форма двигуна: одна з обмоток розміщується на внутрішньому, а інша - на зовнішньому статорі.

Характерною особливістю двигунів з порожнистим немагнітним ротором є великий магнітний проміжок δ на шляху потоку між зовнішнім і внутрішнім статорами, який складається з двох проміжків: δ₁ - між зовнішнім статором і ротором і δ₂ - між внутрішнім статором і ротором. Крім того, сам ротор, будучи немагнітним, теж є зазором Δ. Таким чином, загальний розмір немагнітного проміжку між зовнішнім і внутрішнім статора δ = δ₁ + δ₂ + Δ складає 0,4 ... 1,5 мм.

Через великого немагнітного проміжку двигуни з порожнистим немагнітним ротором мають великий струм намагнічування (0,8 ... 0,9) І_н і низький коефіцієнт потужності cos φ. Велика сила струму намагнічування призводить до великих електричних втрат в обмотках двигуна і значно знижує його ККД. З метою зменшення електричних втрат двигуни з порожнистим немагнітним ротором звичайно конструюють так, щоб до 70% площі поперечного перерізу статора у них займали пази з обмотками.

На відміну від всіх інших типів роторів, що застосовуються для асинхронних виконавчих двигунів змінного струму, порожнистий немагнітний ротор при великому активному опорі r_р має вельми незначний індуктивний опір х_р = (0,05 ... 0,1) r_р. Це його властивість сприяє значному підвищенню лінійності механічних і регулювальних характеристик двигунів.

Принцип дії двигуна з порожнистим немагнітним ротором полягає в наступному: змінний струм, протікаючи по обмотках статора, створює обертове магнітне поле, яке, перетинаючи порожнистий ротор, наводить у ньому вихрові струми; в результаті взаємодії цих струмів з обертовим магнітним полем двигуна виникає момент, який, діючи на ротор, захоплює його в сторону цього поля.

До позитивних властивостей двигунів з порожнистим немагнітним ротором слід віднести:

• малий момент інерції ротора, що в сукупності зі значним пусковим моментом забезпечує швидкодію двигуна; електромеханічні постійні часу Тм переважної більшості сучасних двигунів не перевищують 60 мс;

• порівняно гарну лінійність механічних і регулювальних характеристик; у більшості двигунів нелінійність μ_0,5 лежить в межах від 0,05 до 0,15, що забезпечує стійку роботу двигуна майже при всіх частотах обертання і кратність регулювання n_max / n_mіn = 100 ... 200;

• високу чутливість - малий сигнал зворушення, що забезпечується малим моментом інерції ротора, малої його масою, великим пусковим моментом і відсутністю радіальних сил тяжіння ротора до статора; останнє пояснюється тим, що ротор є немагнітним;

• плавність і безшумність ходу, сталість пускового моменту в будь-якому положенні ротора, що визначається відсутністю пазів на роторі, а отже, зубцевих гармонік поля.

До недоліків двигунів з порожнистим немагнітним ротором відносяться:

• низький ККД, у більшості двигунів навіть у номінальному режимі _н = 0,2 ... 0,4 і значно зменшується при регулюванні; низький ККД пояснюється великими електричними втратами в обмотці статора внаслідок великого струму намагнічування при порожнистому роторі внаслідок його малого активного опору;

• низький коефіцієнт потужності (cosφ = 0,2 ... 0,4) внаслідок великого немагнітного проміжку між зовнішнім і внутрішнім статорами;

• великі габарити і маса, зумовлені першими двома недоліками; за габаритами й масою двигун з порожнистим немагнітним ротором більше силових асинхронних двигунів і виконавчих двигунів постійного струму тієї ж номінальної потужності в 2 -4 рази.

Бажання зменшити габарити і масу призводить до того, що переважна більшість двигунів з порожнистим немагнітним ротором розраховується на роботу від мереж з підвищеною частотою (200 ... 1000 Гц). Двигуни з підвищеною частотою напруги живлення мають більш високу частоту обертання п = 60 f (1 - s) / p, а отже, розвивають ті ж механічні потужності при менших моментах на валу, значеннями яких визначаються габарити машин.