Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

240

= 2πf

= Ω

. За счет механической редукции его скорость понижается

до указанного ранее значения. Поэтому вращающий момент двигате-

ля с катящимся ротором можно выразить так же, как в любом электро-

механическом устройстве, через изменение энергии магнитного поля

dW при повороте на угол dγ за счет качения, если токи в обмотках бу-

дут зафиксированы, т.е.

М = dW /dγ.

Поскольку угол поворота ротора γ при качении связан с углом по-

ворота γ

при простом вращении полученным ранее соотношением

, момент М при качении ротора превосходит мо-

мент M

= dW /dγ

при вращении эксцентричного ротора в подшипни-

ках в D

/(D

– D

) раз, т.е. . Отношение D

/(D

– D

называемое коэффициентом механической редукции, может состав-

лять 100 и более. Это позволяет получать с помощью двигателей с ка-

тящимся ротором очень малые частоты вращения — от нескольких до

десятков оборотов в минуту и большие вращающие моменты.

Основные недостатки двигателя с катящимся ротором связаны

с тем, что центр тяжести ротора двигателя О

вращается по окружно-

сти радиусом О

с большой угловой скоростью, равной Ω

. Это

круговое движение центра тяжести ротора приводит к необходимо-

сти применения специальных муфт для передачи вращения от ротора

к выходному валу, а также к возникновению вибраций и шума при ра-

боте двигателя.

Двигатели с гибким волновым ротором отличаются тем, что их

тонкостенный полый ротор 4 из ферромагнитного материала может

деформироваться под воздействием сил магнитного тяжения

(рис. 63.10). Притягиваясь к статору в местах, соответствующих мак-

симальной индукции вращающегося поля, ротор приобретает форму

многоугольника с плавными переходами, число Z

выступов-вершин

которого совпадает с числом полюсов поля 2p

. При двухполюсном

поле 2p

= 2, как на рис. 63.10, ротор приобретает форму эллипса,

имеющего два выступа-зубца Z

= 2, в которых зазор минимален (δ

min

и две впадины, в центре которых зазор максимален (δ

max

). Деформа-

ции ротора ограничиваются цилиндрическими направляющими 2, на

которые ротор опирается непосредственно, как на рис. 63.10, или че-

рез гибкие катки. Соприкасающиеся поверхности катков ротора и на-

правляющих 2 для исключения проскальзывания целесообразно вы-

полнять зубчатыми. Направляющие могут располагаться и снаружи

γγ

–()/ D

–

--------------------

241

катков ротора, как в двигателе с катящимся ротором на рис. 63.9.

Опорный диаметр D

недеформированного ротора и диаметр D

на-

правляющих 2 выбираются, исходя из условия D

– D

= δ

max

– δ

min

Магнитопровод статора 3 выполняется гладким, в его пазах разме-

щается двух- или трехфазная обычно однопериодная обмотка 1, полу-

чающая питание от сети переменного тока частотой f

. На рис. 63.10

показано положение ротора при токах i

= I

1max

, i

= 0, когда индук-

ция вращающего поля максимальна на оси фазы А и в диаметрально

противоположной точке. Под действием магнитного притяжения де-

формированный ротор прижимается к направляющим в двух точках,

расположенных в зонах максимальных зазоров. Перемещаясь, поле

увлекает за собой волну деформации и точки соприкосновения гибко-

го ротора и направляющих. Угловая скорость гибкого ротора за счет

механической редукции при обкатывании катков ротора по направ-

ляющим оказывается уменьшенной в D

/(D

– D

) раз по сравнению

со скоростью поля

где — угол поворота ротора в течение периода T

из-

менения тока. При этом при D

> D

ротор вращается в ту же сторону,

что и поле, а при D

< D

— в противоположную сторону.

0 0,5 1,0 1,5

I/I

4v

Рис. 63.10. Двигатель с гибким волновым ротором (p

= 1, m

= 2)

------

–

--------------------

–

--------------------

2π=

242

При определении вращающего момента двигателя нужно иметь

в виду, что в электромагнитном отношении он является реактивным

синхронным двигателем (см. § 63.2). Действительно, количество вы-

ступов-зубцов на деформированном роторе Z

= 2p

получается таким

же, как на явнополюсном роторе. Если бы деформированный ротор

имел возможность вращаться со скоростью поля, то действующий на

него момент М

можно было бы рассчитать по (58.16), приняв ε = 0.

За счет механической редукции частоты вращения, которая приводит

к уменьшению частоты вращения в D

/(D

– D

) раз, этот момент во

столько же раз увеличивается и становится равным

где U — фазное напряжение; X

, X

— индуктивные сопротивления

по продольной и поперечной осям деформированного гибкого рото-

ра; θ — угол между осью поля и продольной осью деформированного

ротора.

Гибкий ротор по сравнению с катящимся ротором обладает несо-

мненными достоинствами: меньшим моментом инерции и обеспечи-

вает работу двигателя без шума и вибрации, так как его центр тяжести

остается неподвижным.

63.6. Синхронные машины с постоянными манитами

В синхронных машинах этого типа постоянно направленное поле

возбуждения образуется с помощью постоянных магнитов. Синхрон-

ные машины с постоянными магнитами не нуждаются в возбудителе

и благодаря отсутствию потерь на возбуждение и в скользящем кон-

такте обладают высоким КПД, их надежность существенно выше,

чем у обычных синхронных машин, в которых вращающаяся обмотка

возбуждения и щеточное устройство достаточно часто повреждают-

ся; кроме того, они практически не нуждаются в обслуживании в те-

чение всего срока службы.

Постоянные магниты могут заменять обмотку возбуждения как

в многофазных синхронных машинах обычного исполнения, так и

во всех специальных исполнениях, которые были описаны выше

(однофазных синхронных машинах, синхронных машинах с клюво-

образными полюсами и в индукторных машинах).

Синхронные машины с постоянными магнитами отличаются от

своих аналогов с электромагнитным возбуждением конструкцией ин-

дукторных магнитных систем. Аналогом ротора обычной неявнопо-

люсной синхронной машины является цилиндрический кольце-

2Ω

--------------

------

–

⎝⎠

⎛⎞

–

--------------------

2θsin=

243

образный магнит, намагничиваемый в радиальном направлении

(рис. 63.11, б). Явнополюсному ротору обычной машины с электро-

магнитным возбуждением аналогичен ротор со звездообразным маг-

нитом по рис. 63.11, а, в котором магнит 1 крепится на валу 3 залив-

кой из алюминиевого сплава 2.

В роторе с когтеобразными полюсами (рис. 63.12) кольцевой маг-

нит, намагниченный в осевом направлении, заменяет кольцевую об-

мотку возбуждения (ср. с рис. 63.4). В разноименнополюсной индук-

торной машине по рис. 63.7 электромагнитное возбуждение может

быть заменено магнитным, как показано на рис. 63.13 (вместо трех

малых зубцов в каждой из зон I—IV на рис. 63.7 здесь имеется

по одному зубцу в каждой из зон). Соответствующий аналог с маг-

нитным возбуждением имеется и у одноименнополюсной машины

по рис. 63.8. Постоянный магнит может быть в этом случае выполнен

в виде намагниченного в осевом направлении кольца, которое встав-

лено между станиной и подшипниковым щитом.

a) б)

Рис. 63.11. Индукторные магнитные системы с цилиндрическим и звездообраз-

ным магнитами:

а — звездообразный магнит без полюсных башмаков; б — четырехполюсный ци-

линдрический магнит

A—A

Рис. 63.12. Ротор с когтеобразными

полюсами, возбуждаемый постоян-

ным магнитом:

1 — кольцевой постоянный магнит;

2 — диск с системой южных полю-

сов; 3 — диск с системой северных

полюсов

244

Для описания электромагнитных процессов в синхронных маши-

нах с постоянными магнитами вполне пригодна теория синхронных

машин с электромагнитным возбуждением, основы которой изложе-

ны в предыдущих главах раздела. Однако для того, чтобы воспользо-

ваться этой теорией и применить ее для расчета характеристик син-

хронной машины с постоянными магнитами в генераторном или дви-

гательном режиме, нужно предварительно определить по кривой раз-

магничивания постоянного магнита ЭДС холостого хода E

или коэф-

фициент возбужденности ε = E

/U и рассчитать индуктивные сопро-

тивления X

и X

с учетом влияния магнитного сопротивления маг-

нита, которое может быть настолько существенным, что X

< X

Машины с постоянными магнитами были изобретены еще на заре

развития электромеханики. Однако широкое применение они получи-

ли в течение последних десятилетий в связи с разработкой новых ма-

териалов для постоянных магнитов с большой удельной магнитной

энергией (например, типа магнико или сплавов на основе самария и

кобальта). Синхронные машины с такими магнитами по своим массо-

габаритным показателям и эксплуатационным характеристикам в оп-

ределенном диапазоне мощностей и частот вращения вполне могут

конкурировать с синхронными машинами, имеющими электромаг-

нитное возбуждение.

Мощность быстроходных синхронных генераторов с постоянны-

ми магнитами для питания бортовой сети самолетов достигает десят-

ков киловатт. Генераторы и двигатели с постоянными магнитами не-

большой мощности применяются в самолетах, автомобилях, тракто-

рах, где их высокая надежность имеет первостепенное значение.

В качестве двигателей малой мощности они широко применяются

III

ОЯ

ПМ

Рис. 63.13. Индукторный разноименнополюсной генератор с магнитоэлектриче-

ским возбуждением:

ОЯ — обмотка якоря; ПМ — постоянный магнит

245

и во многих других областях техники. По сравнению с реактивными

двигателями они обладают более высокой стабильностью частоты

вращения, лучшими энергетическими показателями, уступая им по

стоимости и пусковым свойствам.

По способам пуска в ход синхронные двигатели малой мощности

с постоянными магнитами делятся на самозапускающиеся двигатели

и двигатели с асинхронным пуском.

Самозапускающиеся двигатели малой мощности с постоянными

магнитами применяются для приведения в движение механизмов ча-

сов и различных реле, разнообразных программных устройств и т.п.

Номинальная мощность этих двигателей не превышает нескольких

ватт (обычно составляет доли ватта). Для облегчения пуска двигатели

выполняют многополюсными (p > 8) и получают питание от однофаз-

ной сети промышленной частоты.

В нашей стране такие двигатели выпускаются в серии ДСМ, в ко-

торой для создания многополюсного поля применены клювообразное

исполнение магнитопровода статора и однофазная якорная обмотка.

Запуск этих двигателей в ход осуществляется за счет синхронного

момента от взаимодействия пульсирующего поля с постоянными маг-

нитами ротора. Для того чтобы пуск произошел успешно и в нужную

сторону, применяют специальные механические устройства, которые

позволяют ротору вращаться только в одном направлении и отсоеди-

няют его от вала во время синхронизации.

Синхронные двигатели малой мощности с постоянными магни-

тами с асинхронным пуском выпускаются с радиальным расположе-

нием постоянного магнита и пусковой короткозамкнутой обмотки

и с аксиальным расположением постоянного магнита и пусковой ко-

роткозамкнутой обмотки. По устройству статора эти двигатели ни-

чем не отличаются от машин с электромагнитным возбуждением. Об-

мотка статора в обоих случаях выполняется двух- или трехфазной.

Различаются они лишь по конструкции ротора.

В двигателе с радиальным расположением магнита и коротко-

замкнутой обмоткой последняя размещается в пазах шихтованных

полюсных наконечников постоянных магнитов. Для получения при-

емлемых потоков рассеяния между наконечниками соседних полю-

сов имеются немагнитные промежутки. Иногда в целях увеличения

механической прочности ротора наконечники объединяются с помо-

щью насыщающихся перемычек в целый кольцевой сердечник.

В двигателе с аксиальным расположением магнита и коротко-

замкнутой обмоткой часть активной длины занята постоянным маг-

нитом, а на другой ее части рядом с магнитом размещается шихтован-

ный магнитопровод с короткозамкнутой обмоткой, причем и постоян-

ный магнит, и шихтованный магнитопровод укреплены на общем

246

валу. В связи с тем что во время пуска двигатели с постоянными маг-

нитами остаются возбужденными, их пуск протекает менее благопри-

ятно, чем в обычных синхронных двигателях, возбуждение которых

отключается. Объясняется это тем, что при пуске наряду с положи-

тельным асинхронным моментом от взаимодействия вращающегося

поля с токами, индуктированными в короткозамкнутой обмотке, на

ротор действует отрицательный асинхронный момент от взаимодей-

ствия постоянных магнитов с токами, индуктированными полем по-

стоянных магнитов в обмотке статора.

63.7. Гистерезисные двиатели

В синхронных двигателях этого типа поле возбуждения образует-

ся за счет остаточной намагниченности магнитопровода ротора, вы-

полненного из магнитно-твердого материала. В отличие от магнито-

электрических синхронных машин, магнитопровод ротора которых

подвергается предварительному намагничиванию в специальном уст-

ройстве, ротор гистерезисных машин намагничивается вращающим-

ся полем обмотки якоря в процессе пуска.

Разрез гистерезисного двигателя представлен на рис. 63.14. Ста-

тор двигателя выполняется, как в обычной синхронной или асинхрон-

ной машине. В пазах магнитопровода статора 1 располагается много-

R/2

–

U

–

=–U

––

–

(;

10m

)

––

–

Рис. 63.14. Гистерезисный двигатель:

1 — магнитопровод статора; 2 — активный магнитопровод ротора из магнитно-

твердого материала (викаллой); 3 — трехфазная обмотка статора; 4 — втулка из

магнитно-мягкого материала; 5 — зазор между статором и ротором

247

фазная (трех- и двухфазная) обмотка якоря 3, питающаяся от сети пе-

ременного тока с напряжением U

1с

частотой f . Ротор двигателя со-

стоит из активной части магнитопровода 2, насаженной на цилиндри-

ческую втулку 4. Активная часть магнитопровода 2 набирается из ко-

лец с радиальной толщиной Δ, изготовленных из магнитно-твердого

материала (обычно из сплава викаллой). Втулка 4 может быть выпол-

нена из магнитно-мягкого или немагнитного материала.

На рис. 63.14 показан гистерезисный двигатель, в котором втулка

выполнена из магнитно-мягкого материала, имеющего значительно

большую магнитную проницаемость, чем активная часть магнито-

провода ротора. При этом толщина Δ активной части магнитопровода

мала по сравнению с радиусом втулки. Как видно из картины магнит-

ного поля, показанной на рисунке, линии магнитного поля в активной

части магнитопровода и в зазоре направлены радиально, а индукция

В не отличается от индукции в зазоре.

Рассмотрим процесс намагничивания активной части магнито-

провода ротора, вращающегося с угловой скоростью Ω, меньшей,

чем угловая скорость Ω

МДС статора F

, т.е. со скольжением s =

= (Ω

– Ω)/Ω

> 0. Вращающаяся МДС статора

гармонически перемагничивает элементы магнитной цепи двигателя.

При этом образуется поле, сумма магнитных напряжений которого по

отдельным участкам уравновешивает МДС , т.е. ,

где — амплитуда магнитного напряжения, при-

ходящегося на все участки магнитной цепи, кроме активной части маг-

нитопровода ротора, т.е. на участки, в которых можно не учитывать

гистерезисные явления; — амплитуда магнитного напряже-

ния активной части магнитопровода.

Примем, что элемент активной части магнитопровода ротора пе-

ремагничивается гармонически с частотой скольжения sω

, напря-

женность поля в этом элементе изменяется синусоидально Н =

= H

sin(sω

)t. Индукция в рассматриваемом элементе изменяется

периодически по гистерезисной петле, соответствующей амплитуде

напряженности H

. Зная напряженность в каждое из мгновений t,

можно определить индукцию В = f (t) (рис. 63.15). Как видно из ри-

сунка, эта индукция изменяется во времени несинусоидально. Рас-

кладывая индукцию в ряд Фурье, можно выделить ее основную гар-

моническую составляющую (изменяющуюся с частотой скольжения

-------

о1

--------------------

–

δ / μ

≈=

–

Δ=

248

sω

) и определить ее амплитуду B

и угол фазового сдвига α отно-

сительно напряженности поля H

. После этого можно рассчитать

магнитный поток взаимной индукции , его потокос-

цепление с обмоткой статора , ЭДС взаимной ин-

дукции обмотки статора и напряжение обмотки

статора .

Пространственно-временная диаграмма гистерезисного двигате-

ля, построенная в соответствии с этими уравнениями и уравнениями

МДС, показана на рис. 63.14.

Электромагнитный вращающий момент, развиваемый гистерезис-

ным двигателем, может быть найден из общего уравнения для элек-

тромагнитного момента машины переменного тока (29.4). Удобнее

определить момент, действующий на статор (он равен моменту, дей-

ствующему на ротор, и направлен в противоположную сторону):

Выразив Ψ

10m

через Φ

и I

через F

, получим

M = (p

π /2)Φ

sinα

Но, как видно из диаграммы,

sin α

= F

sinα = H

Δ sin α;

sY

R/2

3R/2

Рис. 63.15. Перемагничивание активной части магнитопровода ротора гистере-

зисного двигателя

–

2lτB

–

/ π=

–

10m

о1

–

– jω

–

10m

/2=

–

– U

–

–==

p /2()Ψ

10m

sin=

249

кроме того, поток взаимной индукции выражается через индукцию

и размеры активной части магнитопровода, поэтому окончательно

M = (p /2π)VW

где V = 2pτlΔ — объем активной части магнитопровода; W

=πB

sinα — удельная энергия гистерезисных потерь, выделяю-

щихся за один цикл перемагничивания в единице объема; τ = πR /p —

полюсное деление.

Таким образом, при принятых допущениях электромагнитный мо-

мент гистерезисной машины не зависит от скольжения и пропорцио-

нален энергии гистерезисных потерь за один цикл перемагничивания

(площадь эллипса, соответствующего перемагничиванию по основ-

ным гармоническим H и B, всегда равна площади гистерезисной пет-

ли, см. рис. 63.15).

При пуске гистерезисный двигатель развивает при любых сколь-

жениях s > 0 одинаковый электромагнитный момент. Если этот мо-

мент несколько превосходит момент сопротивления, то двигатель

достигает синхронной скорости. В синхронном режиме он способен

развить такой же максимальный момент при угле сдвига между H

и B

, равном α. Однако теперь он работает как магнитоэлектриче-

ский синхронный двигатель, его ротор не перемагничивается, гисте-

резисные потери в нем отсутствуют. При снижении момента сопро-

тивления машина остается в синхронном режиме, но угол между пер-

вичным током и потокосцеплением уменьшается, при М = 0 он стано-

вится равным нулю; при изменении знака момента машина по-преж-

нему остается в синхронном режиме, но работает как генератор. На-

конец, при внешнем моменте, превышающем максимальный момент

и направленном в сторону вращения, ротор выпадает из синхронизма

и вращается со скоростью, превышающей синхронную; машина гене-

рирует при этом энергию в сеть.

Гистерезисные двигатели небольшой мощности (до нескольких

десятков ватт) широко применяются в различных областях техники.

Особыми преимуществами они обладают в тех случаях, когда требу-

ется приводить во вращение тела с большими моментами инерции

(гироскопы).

В заключение отметим, что чаще применяются гистерезисные

двигатели, в которых втулка выполнена немагнитной. В этом случае

активная часть магнитопровода ротора играет роль ярма и индукция

магнитного поля в нем имеет преимущественно тангенциальное на-

правление. Однако двигатель с немагнитной втулкой обладает анало-

гичными свойствами и на него распространяются все соотношения,

полученные применительно к двигателю с магнитной втулкой.