Однофазний синхронний гістерезисний двигун з екранованими полюсами

При потужностях від часток до кількох ват інколи застосовується однофазний синхронний двигун з екранованими явно вираженими полюсами статора (рис. 12.19).

а) б)

Рис. 12.19. Конструктивна схема (а) та векторна діаграма (б) двигуна

 

Оскільки кути γ й β не дорівнюють 90º, а амплітуди МРС екранованої та не екранованої частин полюса , створюється еліптичне поле. Ротор може виконуватись з білячою кліткою (асинхронний варіант), з магніто-твердого матеріалу з магнітними провідностями (гістерезисний варіант), та з таким же ротором, але при (гістерезисно-реактивний варіант).

Якщо на полюсах розташовано по одній екрануючій котушці, то двигун не реверсивний. Якщо – по дві (по одній на кожній з розщеплених частин явно виражених полюсів), то, короткозамикаючи ту чи іншу пару котушок, створюється необхідний напрям обертання. Іноді для покращення кривої розподілу поля по розточці ротора установлюють магнітні шунти 1 (рис.12.19) у вигляді кількох тонких смужок сталі. В цьому випадку зростають потоки розсіювання.

Двигуни часто виконуються з убудованими знижуючими редукторами й застосовуються для привода електричних годинників, реле часу, різних програмних механізмів.

Крім простоти конструкції й дешевизни перевагою цих двигунів є те, що вони надійно працюють в повторно-короткочасних режимах, оскільки основними постійними втратами потужності в двигуні є втрати в короткозамкнених витках.

Недоліки цих двигунів – мала корисна потужність та малі пускові моменти (не більше 0.2-0.4 від номінального моменту) й ККД %.

 

Крокові двигуни

 

Синхронні мікродвигуни, обмотки статора яких живляться імпульсною напругою від спеціальних пристроїв – комутаторів, мають дискретне обертання валу. Вал при подачі імпульсу на статорну обмотку переміщується на дискретний кут – крок. Тому такі двигуни називають «кроковими». У зв'язку із застосуванням їх в імпульсних системах синхронної передачі зустрічається назва «імпульсний двигун».

У практиці застосовуються різні конструктивні типи крокових двигунів: із зосередженими (явно виражені полюси статора) або розподіленими обмотками керування; одно-, дво- та тристаторні; з явнополюсним ротором з обмоткою збудження (активний ротор) та без неї. В останньому випадку ротор виконується за конструкціями роторів реактивних двигунів. Активний ротор може виконуватись з постійними магнітами. Крім того, застосовуються конструкції з дисковим ротором та печатною обмоткою, лінійні, які перетворюють сигнал на лінійне переміщення.

Крокові двигуни застосовуються для привода механізмів, які мають старт-стопний або безперервний рух. В остатньому випадку сигнал задається у вигляді послідовності імпульсів. Тому такі двигуни використовують у стрічкопротяжних пристроях для уведення й виведення інформації, лічильниках, приводах верстатів з програмним керуванням, ракетній техніці, самозаписуючих механізмах і т. д.

На статорі крокового двигуна розташовуються дві (іноді – три, чотири) зсунуті у просторі зосереджені або розподілені обмотки. Якщо обмотка розподілена, то вона конструктивно не відрізняється від звичайних обмоток синхронних машин.

Ротор двигунів завжди має явнополюсне виконання. Крокові двигуни можуть мати активний ротор (з обмоткою збудження або постійними магнітами) або реактивний. В останньому випадку двигуни називають іноді параметричними, оскільки магнітні провідності .

Якщо ротор виконано з постійними магнітами, то такий кроковий двигун називають магнітоелектричним.

Число полюсів ротора менше від числа полюсів статора. При активному роторі виконують число полюсів статора у два рази більшими від числа полюсів ротора.

Принцип роботи імпульсного двигуна полягає в такому. В обмотку статора подається постійний струм (рис.12.20). Якщо збуджена обмотка 1-1´ (рис.12.20, а), то відповідно ротор розташовується проти збуджених полюсів. Якщо збуджена обмотка 2-2´, а 1-1´ - вимикається, то ротор повертається на один крок і розташовується проти збуджених полюсів статора (рис.12.20, б). При кожному перемиканні ротор повертається на один крок. Якщо збуджувати обмотки попарно, наприклад, 1-1´ та 2-2´, то ротор буде повертатись за один крок на кут у два рази менший (рис.12.20, в).

Щоб двигун змінив напрям обертання, необхідно змінити послідовність вмикання обмоток статора. Таким чином, кожному положенню ротора відповідна певна комбінація вмикання обмоток статора.

а) б) в)

Рис. 12.20. Принцип дії імпульсного двигуна

 

Якщо вмикати обмотки тільки окремо, то в нашому прикладі це буде відповідати трьом комбінаціям. Якщо чергувати вмикання кожної обмотки окремо з попарним вмиканням обмоток сусідніх полюсів, то додасться ще три комбінації при вмиканні обмоток. Кожну комбінацію при вмиканні обмоток звичайно називають тактом. Таким чином, при трьох обмотках статора можливе тритактне й шеститактне вмикання.

В залежності від того, чи змінюється полярність напруги, яка передається на обмотки при перемиканнях, розрізняють однополярне й різнополярне вмикання.

У розглянутому прикладі з тритактною комутацією крок дорівнює 60º, тобто

(12.46)

де К – число тактів, тобто К=3.

При шеститактній комутації К=6, і за формулою (12.46) .

Число тактів

(12.47)

де

m – число обмоток статора;

γ – найбільше число обмоток в одній комбінації вмикання.

В нашому випадку при тритактному вмиканні γ=1, а при шеститактному – γ=2.

Якщо в наведеному прикладі збільшити число пар полюсів ротора р, то крок зменшиться. При хрестоподібному роторі й шеститактному вмиканні поворот здійснюється на кут у два рази менший, ніж при р=1 (рис.14.21), тобто на 15º.

Рис. 12.21. Принцип дії імпульсного двигуна з хрестоподібним ротором

 

Тому

(12.48)

Хрестоподібний ротор повертається в протилежному напрямі відносно повороту магнітного поля. За одну секунду ротор повернеться на кут , де f – частота подачі імпульсів. Це відповідне обертанням за секунду. А за хвилину з урахуванням (12.48):

(12.49)

Таким чином, зменшення та можливо досягти, збільшуючи р. Для цього виконують поверхню ротора зубчастою. Зубці виконують і на явно виражених полюсах статора (рис.12.22). Зубцеві поділки ротора й статора однакові. При цьому зубці ротора співвісні з зубцями однієї діаметрально розташованої пари полюсних виступів статора й зсунуті на 1/3 зубцевої поділки відповідно по та проти годинникової стрілки відносно зубців двох інших пар полюсних виступів. При шеститактному перемиканні статорних обмоток керування відбувається поворот МРС статора на 30º, а реактивний момент повертає ротор на 1/6 зубцевої поділки в положення найбільшої магнітної провідності.

Рис. 12.22. Імпульсний двигун із зубчастими поверхнями ротора й статора

 

Таким чином, зубці ротора виконують роль полюсів, тобто

або

(12.50)

Тоді з урахуванням формул (12.48), (12.50):

(12.51)

(12.52)

Рис. 12.23. Джерело керуючих імпульсів на діодах

 

У зв'язку з наявністю зубцевих виступів на явновиражених полюсах статора ці двигуни іноді називають реактивними редукторними кроковими двигунами з гребінчастими виступами на статорі. Зубцеві поділки можуть мати розмір до 2мм. При цьому виходить крок у кілько градусів або часток градуса.

Як джерела керуючих імпульсів застосовуються контактні або напівпровідникові комутатори. Зокрема, якщо на статорі розташовані дві обмотки керування, то в якості комутатора може застосовуватись схема на діодних обмежувачах (рис.12.23). Значного зменшення кроку одержано в двигуні Томаса, який у дійсності складається з трьох окремих двигунів, які мають спільний вал. Статори й ротори мають однакове число пазів та зубців. Обмотка статора виконана таким чином, що кожен зубець є полюсом,, причому суміжні зубці різнополярні. Ротори без обмоток насаджені на вал зі зсувом по колу на 1/3 зубцевої поділки. Осі пазів статора співпадають. При подачі імпульсів напруги почергово на кожен статор вал двигуна повертається кожного разу на кут, відповідний 1/3 зубцевої поділки. Тому число кроків за один оберт дорівнює 3Z, де Z – число пазів статора. При реверсі змінюється порядок подачі імпульсів на статор.

Аналогічно побудовані двигуни МЭИ – ЦНИИТМАШ та АНУРСР.

Швидкість обертання ротора крокового двигуна регулюється в широкому діапазоні зміною частоти подачі імпульсів. Частотою визначається також фіксована зупинка, пуск в хід та реверс. В залежності від величини частоти розрізняють такі режими роботи крокових двигунів: статичний, квазістатичний, усталений та перехідний. Розглянемо більш докладно кожен з цих режимів.

При статичному режимі струмами в обмотках статора створюється нерухоме поле. Тому ротор двигуна якийсь час знаходиться в режимі фіксованої стоянки.

Квазістатичний режим виникає при відпрацюванні одиничних кроків (приводи старт-стопних, стрічкопротяжних та інших механізмів). Він характеризується тим, що перед відпрацюванням наступного кроку ротор приходить до нерухомого стану, тобто механічні коливання його біля положення рівноваги повністю згасають. Гранична частота квазістатичного режиму визначається часом затухання коливань ротора. Для зменшення коливань та збільшення граничної частоти застосовують різні демпфуючі пристрої, а також збільшують число тактів К. В останньому випадку кут переміщення й кінетична енергія ротора зменшуються, зменшуючи схильність ротора до коливань.

Усталений режим відповідний постійній частоті керуючих імпульсів . При цьому, якщо частота менша від частоти власних вільних коливань ротора , то кроки ротора супроводжуються вільними коливаннями, які сильно збільшують динамічну похибку. Якщо , то амплітуда коливань ротора різко зростає, настає механічний резонанс, який може призвести до випадання з синхронізму при слабкому демпфуванні. Резонанс виникає й при кратний до . При виникають вимушені коливання ротора з частотою . Зі збільшенням частоти амплітуда коливань монотонно зменшується. Гранична частота визначається електромагнітними сталими часу обмоток керування, оскільки струм в них повинен досягати усталеного значення.

Перехідний режим є основним в експлуатації крокових двигунів і складається з пуску, гальмування, реверсу, зміни швидкості обертання. При цьому максимальна частота , за якої можливий пуск без випадання з синхронізму (без втрати кроку), називається частотою приємистості . Ця частота зростає зі збільшенням статичного синхронізуючого моменту , зменшенням крокового кута , моменту навантаження та моменту інерції обертових частин J. При номінальному навантаженні =100-1000 Гц. Гранична частота , при якій можливе гальмування крокового двигуна без випадання з синхронізму, більша, ніж . Гранична частота реверсу зі збереженням синхронізму . У двигунах з великим демпфуванням та великими електромагнітними сталими часу наближається до .

Крім розглянутих, важливими характеристиками крокового двигуна є пусковий момент на валу двигуна, номінальний динамічний або навантажувальний момент і т. д.

Статичний синхронізуючий момент в реактивних крокових двигунах за своєю природою реактивний. Кількісно його можливо виразити через електромагнітну енергію в повітряному зазорі А й кут θ:

(12.53)

Оскільки електричні градуси пов'язані з геометричними співвідношеннями

то

(12.54)

Величина електромагнітної енергії в повітряному зазорі

(12.55)

Тоді

(12.56)

Магнітну провідність повітряного зазору λ визначимо таким чином.

Рис. 12.24. Зміна магнітної провідності повітряного зазору

 

Нехтуючи вищими гармоніками в кривій поля повітряного зазору, графік зміни λ можливо подати рис.12.24

Тоді

(12.57)

Величина з урахуванням (12.56), (12.57) дорівнює:

(12.58)

Максимальний момент виникає при .

Для двигуна з активним ротором, як і для звичайного синхронного двигуна з електромагнітним збудженням:

 

(12.59)

Синхронізуючий момент дорівнює:

(12.60)

В статичному, квазістатичному й перехідному режимах струм в обмотці керування досягає усталеного значення. Але в усталеному режимі безперервного обертання синхронізуючий момент на валу двигуна зменшується.

Рис. 12.25. Зміна струму в обмотці крокового двигуна

 

Це пояснюється тим, що за проміжок часу увімкненого стану обмотки (рис.12.25) усталене значення струму керування суттєво відрізняється від середнього струму внаслідок великої сталої часу (сталою часу можливо знехтувати). Тому в формулі (12.58) необхідно врахувати не , а , тобто динамічний момент :

(12.61)

Тобто

(12.62)

В двигунах з активним ротором може доходити до 10-20% від у статичному режимі. Зменшення у порівнянні з в залежності від можливо подати у вигляді графіків рис.12.26.

Рис. 12.26. Зміна відносного динамічного моменту крокового двигуна в залежності від швидкості обертання

 

Зменшення знижує потужність двигуна. Для збільшення необхідно зменшити сталу часу . З цією метою збільшується активний опір обмотки керування, що збільшує втрати енергії в двигуні та зменшує його ККД.

Рис. 12.27. Залежності для трьох обмоток керування

 

Як уже говорилось, важливою характеристикою крокового двигуна є пусковий момент . Для визначення пускових властивостей крокового двигуна розглянемо сумісні графіки залежностей для різних обмоток керування. При наявності трьох обмоток керування (m=3) такий графік наведено на рис.12.27.

При перемиканні сигналу з обмотки 1 на обмотку 2 момент визначається точкою перетинання С двох відповідних характеристик.

Рис. 12.28. Залежності для двох обмоток керування

 

При m=2 та (рис.12.28) завжди =0, оскільки ротор буде знаходитись в положенні стійкої або нестійкої рівноваги. Якщо ж за цих умов необхідний , застосовують (чотиритактна комутація) або, при зубчастих поверхнях, зубці статора й ротора виконують несиметричними (рис.12.29).

Рис. 12.29. Несиметричні зубці статора й ротора

 

В цьому випадку кутова характеристика деформується й точка С перетинання характеристик 1 й 2 розташовується не на горизонтальній осі, а при деякому пусковому моменті (рис.12.30).

Рис. 12.30. Кутові характеристики двигуна з несиметричними зубцями

 

Якщо реактивний кроковий двигун має розподілену обмотку, то при плавній зміні частоти він синхронно змінить свою швидкість обертання. Якщо ж такий кроковий двигун призначений для роботи при , то для пуску на полюсах ротора розміщують пускову білячу клітку. При розгоні під дією асинхронного моменту досягається підсинхронна швидкість, а потім під дією реактивного моменту ротор втягується в синхронізм.

Після запуску двигун працює стійко, тобто без втрат кроків, тільки при певних умовах. Для цього необхідно, щоб синхронізуючий момент

А це можливо лише поблизу точки О (рис.12.30). При двигуни працюють стійкіше, ніж при .

До крокових двигунів, які працюють в автоматичних системах, ставляться такі вимоги: надійність в роботі, швидкодія, малий крок, неприпустимість накопичення помилки зі збільшенням числа кроків, відсутність вільних коливань ротора при відпрацюванні кроку, мінімальне число обмоток керування.

Ці вимоги значною мірою задовольняються завдяки перевагам крокових двигунів.

Розглянемо переваги й недоліки крокових двигунів. Великою перевагою тристаторних крокових двигунів є можливість одержання малого кроку при великому питомому синхронізуючому моменті . Поряд з цим вони мають низьку швидкодію й погане (на 1/3) використання активних матеріалів. При роботі виникають пульсації моменту.

Крокові двигуни з розподіленою обмоткою майже не мають наведених недоліків, але вони не дозволяють одержати малий крок, мають менший , менш точно відпрацьовують кроки й потребують більш складних схем керування.

Застосовуючи для крокових двигунів активні ротори (частіше – з постійними магнітами), можливо одержати значно більші , ніж у реактивних машин, оскільки в останніх, якщо знехтувати активним опором , максимальний момент виникає при , а в двигунах з активним ротором – при . Це дозволяє удвічі збільшити зону стійкої роботи двигуна.

Але двигун з активним ротором потребує складнішої системи керування, має більші втрати потужності, дозволяє меншу частоту , ніж реактивні двигуни.

На останок зазначимо, що при =2000-3000 об/хв застосовують крокові двигуни з постійними магнітами на роторі. При цьому створюється відносно великий кутовий крок (до 15º і більше). При об/хв й малому кроці застосовують двигуни з гребінчастими виступами на полюсах статора.

 

 

Контрольні запитання

 

1. Де та які синхронні мікродвигуни застосовуються? Для чого (їхні функції)?
2. Як та за якими ознаками класифікуються синхронні мікродвигуни? Дати визначення.
3. Які конструкції роторів та статорів застосовують в синхронних мікро двигунах?
4. Які показники та характеристики застосовують для синхронних мікродвигунів?
5. Поясніть різновиди конструкцій синхронних виконавчих двигунів з постійними магнітами.
6. Які переваги й недоліки синхронних мікродвигунів з постійними магнітами? Як здійснюється їхній асинхронний пуск? Які його особливості?
7. Як впливає реактивний момент на роботу синхронних мікродвигунів з постійними магнітами?
8. Що таке противключення при пуску синхронних мікродвигунів з постійними магнітами? Як це впливає на постійні магніти?
9. Які переваги й недоліки синхронних реактивних двигунів?
10. Векторна діаграма синхронного реактивного двигуна.
11. Як визначаються електромагнітні потужність та момент синхронного реактивного двигуна?
12. Які конструктивні різновиди синхронних реактивних двигунів?
13. Як відбувається пуск синхронного реактивного двигуна?
14. Чому відбуваються та як послаблюються або усуваються коливання ротора синхронного реактивного двигуна?
15. Які конструктивні особливості та властивості однофазних та двофазних синхронних реактивних двигунів?
16. Яка будова та принцип дії редукторного двигуна? Що таке коефіцієнт редукції? Які різновиди конструкцій редукторних двигунів?
17. Які конструкція та принцип дії гістерезисного двигуна?
18. Які моменти діють в гістерезисному двигуні та які режими його роботи?
19. Які властивості та характеристики гістерезисних двигунів? Які переваги й недоліки?
20. Поясніть принцип дії, конструкцію та основні властивості однофазного синхронного гістерезисного двигуна з екранованими полюсами.
21. Що таке кроковий двигун та які різновиди конструкцій крокових двигунів? Пояснити принцип дії.
22. Що таке такт у кроковому двигуні? Як залежить кут повороту ротора від числа тактів?
23. Які режими роботи крокових двигунів? Пояснити кожний режим та область його застосування.
24. Як залежить робота крокового двигуна від частоти сигналів? Які характерні частоти розглядають для крокових двигунів?
25. Які основні характеристики крокових двигунів? Які властивості цих двигунів? Якими конструкціями досягають зменшення кроку двигуна?