Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами или с активным ротором

Отличие синхронного микродвигателя с активным рото­ром от прочих заключается в том, что на его роторе тем или иным образом расположены блоки постоянных магнитов. Их изготовляют из магнитотвердых сплавов из кобальта, алюми­ния, никеля, железа, обладающих большой коэрцитивной си­лой. Блоки постоянных магнитов могут быть расположены на роторе радиально или аксиально.

В радиальной конструкции блок постоянных магнитов 1 насаживается непосредственно на вал ротора 4. Пакет стали ротора 3 выполнен в виде кольца, напрессованного на блок постоянных магнитов (рис. 5.1,о).

В пакете стали имеются прорези, разделяющие полюсы разной полярности. В пазах пакета стали ротора располагаются стержни 2 короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка». Эта обмотка играет роль пусковой обмотки.

Рис. 5.1. Расположение постоянных магнитов на роторе: а — радиальное; b — аксиальное

В аксиальной конструкции кольцевой пакет стали 2 наса­живается непосредственно на вал ротора 4. По краям пакета с торцевых сторон устанавливается один или два блока по­стоянных магнитов 1, выполненных в виде дисков (рис. 5.1,6). В пазах пакета ротора, как и в предыдущем случае, уложены стержни короткозамкнутой обмотки 3.

Основное комплексное уравнение синхронного микродви­гателя:

Ů=İ₁R₁ – Ė (5.1)

где Ů — напряжение на фазе статора; İ₁ — ток в фазе статора; R₁— активное сопротивление фазы статора; Ė — ЭДС, индуктируемая рабочим потоком машины в фазе статора.

Результирующий поток машины в установившемся режиме работы складывается из вращающихся синхронно потока ста­тора Ф₀ и потока полюсов ротора Ф₀. Поэтому ЭДС Е₀ можно представить в виде суммы векторов: Ė= Ė₁+ Ė₀, где Ė — ЭДС, наводимая в фазе статора вращающимся магнитным потоком статора Ф₁; Ė₀— ЭДС, наводимая в фазе статора вращающим­ся потоком полюсов ротора Ф₀. Поэтому (5.1) имеет вид:

Ů₁= İ₁R₁ – Ė – Ė₀ (5.2)

Действующее значение этой ЭДС определяется формулой:

E₀₌4,44w₁f₁K_об1Ф₂ (5.3)

где w₁— число витков фазы статора; K_об1 — обмоточный коэффициент фазы; f₁— частота питающей сети.

ЭДС самоиндукции E₁, пропорциональна току в фазе стато­ра и индуктивному сопротивлению фазы машины или синх­ронному сопротивлению X₁:

Ė₁= - j İ₁ X_1.

Электромагнитный момент машины образуется в результа­те взаимодействия потокаполюсов ротора с активной состав­ляющей тока в фазах статора:

М_ЭМ= С_M Ф₂I_1акт = С_M Ф₂I₁ cosφ₁, (5.4)

где I₁ cosφ₁— активная составляющая в фазе статора; φ₁— угол сдвига между векторами тока и напряжения в фазе.

Процессы при работе синхронного микродвигателя анало­гичны процессам в обычной синхронной машине. В режиме холостого хода ось потока полюсов ротора совпадает с осью вращающегося потока статора, и угол нагрузки =0. Ток в фазе является практически реактивным, и электромагнитный момент машины М_ЭМ = 0.

При появлении нагрузки на валу машины ротор двигателя смещается относительно оси потока статора на некоторый угол , т. е. вектор ЭДС Ė₀ будет отставать от вектора напря­жения на угол . Векторная диаграмма синхронного микро­двигателя аналогична диаграмме обычного двигателя. При ро­сте нагрузки возрастают значение cosφ₁, активная составляю­щая тока в фазе статора I_1акт и электромагнитный момент машины М_ЭМ, стремящийся вернуть ротор в прежнее положе­ние. Режим установится, когда электромагнитный момент ма­шины уравновесит момент нагрузки на ее валу. Таким образом, всякое увеличение момента нагрузки на валу машины и, следо­вательно, полезной мощности на валу сопровождается увели­чением активной мощности, потребляемой двигателем от сети.

Для двигателя с ротором аксиальной конструкции величи­на электромагнитного момента определяется выражением

(5.5)

гдеm, — число фаз обмотки статора;ω₁= 2πf₁/p — угловая частота поля.

Угловая характеристика микромашины с аксиальной конст­рукцией ротора имеет вид синусоиды, как у обычного синх­ронного неявнополюсного двигателя. Максимум электромаг­нитного момента имеет место при угле = 90°.

Угловая характеристика имеет важное значение для оцен­ки статической устойчивости двигателя. Под статической ус­тойчивостью понимается способность двигателя сохранять син­хронную скорость вращения при изменении момента нагрузки на валу. Для обеспечения устойчивости работы необходимо, чтобы с ростом момента нагрузки, и, следовательно, угла 9 возрастал бы электромагнитный момент М_ЭМ развиваемый ма­шиной. Условием устойчивости работы является условие

Как и для обычной синхронной машины, это условие выпол­няется для микродвигателя лишь в диапазоне углов | | < 90°. При больших углах машина выпадает из синхронизма, либо ос­танавливается. При номинальной нагрузке обычно Ɵ =(20...30)°.

Для двигателя с радиальной конструкцией ротора сопро­тивление магнитному потоку фазы зависит от углового поло­жения ротора относительно геометрической оси фазной ка­тушки. В этом случае электромагнитный момент, развиваемый машиной можно представить в виде суммы двух составляющих

,(5.6)

где — основная составляющая, обусловленная взаимо­действием потока ротора с активной составляющей тока в фазах статора; — реактивный момент, обусловленный стремлением ротора ориентироваться по оси результирующе­го поля машины.

Для двигателей с радикальной конструкцией ротора вели­чина реактивного момента зависит от угла 0 и от разницы синхронных сопротивлений по продольной и поперечной осям

(5.7)

Из-за наличия реактивного момента результирующая за­висимость M_ЭМ(Ɵ)для синхронного микродвигателя с ради­альной конструкцией ротора отлична от синусоиды и анало­гична угловой характеристике синхронного явнополюсного двигателя.

Для двигателя с аксиальной конструкцией ротора величи­на реактивного сопротивления фазы статора практически не зависит от углового положения ротора относительно геомет­рической оси фазы, т. е. сопротивление магнитному потоку фазы не зависит от углового положения ротора.

Реактивный двигатель

Реактивный двигатель — это синхронный двигатель, магнитопровод ротора которого имеет различные магнитные проводимости по продольной и попереч­ной осям, причем на роторе нет об­мотки возбуждения или постоянных магнитов. Вращающий момент в та­ких двигателях возникает вследствие различия магнитных проводимостей по продольной и поперечной осям машины (рис. 5.2).

Явно выраженные полюса рото­ра синхронного реактивного двига­теля стремятся занять такое положе­ние, чтобы магнитное сопротивление для силовых магнитных линий было минимальным. Вследствие этого появляется тангенциальная составляющая силы f, которая заставляет вращаться ротор машины в направлении вращения поля и со скоростью его вращения.

Статор синхронной реактивной машины выполняется так же, как и статор обычной машины переменного тока.

Ротор собирается из стальных листов специального про­филя (рис. 5.3). На нем расположена короткозамкнутая об­мотка для асинхронного пуска синхронного реактивного дви­гателя.

Рис. 5.3. Конструкции ротора реактивного

синхронного микродвигателя

Электромагнитный момент синхронного реактивного дви­гателя выражается следующей зависимостью:

, (5.8)

где X_d и X_q — синхронные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям машины.

Начальный пусковой момент у этих реактивных двигателей равен 0. Поэтому в них применяется асинхронный способ пуска, для чего используется короткозамкнутая обмотка на роторе.

Реактивные двигатели проще по конструкции, дешевле и надежнее в эксплуатации, чем синхронные машины с обмоткой возбуждения на роторе. Однако им присущи следующие ос­новные недостатки: момент двигателя пропорционален квад­рату напряжения, поэтому двигатель чувствителен к колебани­ям питающего напряжения; низкий cosφ и КПД, большие раз­меры, малая величина максимального момента. Например, КПД реактивного двигателя мощностью несколько десятков ватт составляет 0,3...0,4, а мощностью до 10 Вт — менее 0,2.