Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами



По способу пуска эти двигатели делятся: 1) на самозапускающиеся двигатели; 2) двигатели с асинхронным пуском.

Самозапускающиеся двигатели выполняются на небольшие мощности (обычно доли ватта) и низкие частоты вращения (не более 400 об/мин). Они рассчитываются на работу от однофазной сети переменного тока. Их магнитное поле либо пульсирует, либо имеет резко выраженный эллиптический характер. Пуск этих двигателей происходит за полпериода изменения тока за счет всегда существующего в синхронных двигателях пульсирующего момента. Нагрузка должна быть малоинерционной. В противном случае они пускаются в холостую, а затем нагружаются. Для пуска используются различные устройства, обеспечивающие вращение двигателя в заданном направлении.

Обычно они выполняются плоскими - имеющими сравнительно большой диаметр и малую длину. Их обмотка возбуждения имеет вид кольца, а магнитная цепь статора - клювообразные полюса. КПД таких двигателей невелик - 3ч5 % и менее.

Синхронные микродвигатели с асинхронным пуском имеют на роторе короткозамкнутую обмотку типа "беличьей клетки", которая выполняется в полюсных наконечниках. Эта обмотка во время пуска участвует в создании асинхронного момента и разгоняет двигатель до скорости, близкой к синхронной. В синхронном режиме она демпфирует колебания ротора при резких изменениях нагрузки.

СМД с постоянными магнитами и асинхронным пуском изготавливаются в двух исполнениях: с радиальным расположением постоянных магнитов (рис. 3.1,а); с аксиальным расположением постоянных магнитов (рис. 3.1,б).

В электромагнитном отношении более совершенны двигатели первого исполнения. Второе применяется в тех случаях, когда есть ограничения по внешнему диаметру.

Уравнение ЭДС и момент двигателя в синхронном режиме. Из общего курса электрических машин известно несколько форм уравнения напряжения синхронного двигателя с явно выраженными возбужденными полюсами, например такая:

(3.1)

Рис. 3.1. Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами на роторе с радиальным (а) и аксиальным (б) расположением магнитов. 1 - постоянный магнит; 2 - сердечник из электротехнической стали; 3 - стержни пусковой обмотки; 4 - короткозамыкающие кольца

где: - ЭДС, индуцированная в статоре полем ротора; , - ток статора по осям и ; , - синхронные индуктивные сопротивления статора по продольной и поперечной осям; - активное сопротивление статора.

Уравнению (3.1) соответствует векторная диаграмма на рис. 3.2. Из диаграммы можно вывести выражения токов и



Рис. 3.2. Векторная диаграмма СМД.

где - степень возбужденности ротора.

Полный ток статора

Если пренебречь активным сопротивлением статора , формула момента

. (3.2)

Вращающий момент двигателя является суммой двух моментов: электромагнитного , обусловленного взаимодействием полей статора и ротора и реактивного момента , обусловленного неодинаковой проводимостью по продольной и поперечной осям.

Не учет активного сопротивления статора в микромашинах приводит к значительным количественным ошибкам. Вместе с тем его учет сильно усложняет математический анализ процессов, происходящих в машине /см. [1], формула(4.24)/. Однако и в этом случае формула момента похожа на (3.2)

(3.2')

где: - амплитуда электромагнитного момента с учетом ; - амплитуда реактивного момента с учетом ; , - углы сдвига первой и второй составляющих момента; - тормозной момент.

Рассматривая выражение (3.2'), приходим к выводу, что вращающий момент синхронного микродвигателя с учетом , так же как и без учета , является суммой двух синусоид, только смещенных влево на углы и и вниз на величину тормозного момента .

Смещение синусоид влево (в сторону меньших углов) можно пояснить с помощью векторной диаграммы рис. 3.2, на которой пунктиром показан вектор напряжения, замыкающий диаграмму, и угол при . Из диаграммы видно, что учет активного сопротивления приводит к уменьшению угла между векторами ЭДС и напряжения сети. Это дает основание утверждать, что момент наступает при меньшем угле. Смещение синусоид вниз объясняется потерями в обмотке статора, которые бы не учитывались при , следовательно, меньшей полезной мощностью, а значит и меньшим моментом двигателя.

Двигатели с радиальным расположением магнитов. Роль обмотки возбуждения здесь выполняет блок постоянных магнитов типа звездочки, на который напрессован кольцевой пакет из электротехнической стали. В пазах кольца располагается пусковая короткозамкнутая обмотка и имеются прорези, размеры которых выбираются из условия хорошего пуска и максимального использования энергии постоянных магнитов в синхронном режиме.

Свойства двигателя во многом зависят от того, насколько удачно выбраны размеры этих прорезей. В целях предохранения магнитов от размагничивания и увеличения асинхронного пускового момента прорези должны быть минимальными. Однако не следует забывать о том, что это приводит к росту потоков рассеяния и ухудшению свойств двигателя в синхронном режиме.

Особенностью двигателей радиальной конструкции является большое магнитное сопротивление по продольной оси по сравнению с сопротивлением по поперечной оси. Объясняется это низкой проводимостью постоянного магнита, по которому проходит поток продольной реакции якоря (проводимость магнита лишь раз в 10 больше проводимости воздуха, тогда как проводимость электротехнической стали в тысячи раз превышает ее).

Поток поперечной реакции якоря проходит по полюсным наконечникам из электротехнической стали и, естественно, встречает малое магнитное сопротивление. Поэтому в данных двигателях , а следовательно . Тот факт, что приводит к иному виду угловой характеристики, чем в двигателя «классической» конструкции (рис. 3.3).

Стабилизация магнитов в этих двигателях происходит в режиме противовключения, что имеет место при частоте вращения, близкой к синхронной. (Стабилизацией постоянного магнита называется воздействие на него внешней размагничивающей силой такой величины, больше которой в практике эксплуатации двигателя не встретится.)

В двигателях аксиальной конструкции магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям практически одинаковы, т.е. , поэтому их можно рассматривать как машины с неявновыраженными полюсами. Стабилизация магнитов в этих машинах происходит в режиме короткого замыкания.

Рис. 3.3. Зависимости моментов от угла &teta; при (а) и при (б).

Положительными свойствами синхронных двигателей с постоянными магнитами являются: высокая стабильность скорости вращения в синхронном режиме, сравнительно высокие энергетические показатели (КПД и cosj), повышенная перегрузочная способность, большая удельная мощность (мощность на единицу массы), хорошая синфазность вращения, что часто требуется в групповых приводах. Недостатки - более высокая стоимость, меньший пусковой момент и больший пусковой ток по сравнению с аналогичными реактивными двигателями.

Особенности пуска двигателей с постоянными магнитами. Подавляющее большинство синхронных микродвигателей пускается как асинхронные, для чего они снабжаются пусковой обмоткой. Однако в отличие от двигателей с электромагнитным возбуждением постоянные магниты на время пуска невозможно "отключить". Поэтому в процессе разгона поток постоянных магнитов индуцирует в обмотке статора ЭДС, под действием которой по обмотке через источник протекает ток (рис. 3.4). Этот ток, взаимодействуя с полем постоянного магнита, создает момент по своей природе аналогичный асинхронному моменту, развиваемому пусковой обмоткой. Однако этот момент является не движущим, а тормозящим.

Рис. 7.4. К вопросу пуска синхронного двигателя с постоянными магнитами

Рис. 7.5. Зависимости M = f(s) для
двигателя с постоянными магнитами

Частота тока в пусковой обмотке пропорциональна скольжению ( ), поэтому максимум асинхронного момента лежит в области малых скольжений. Частота тока в обмотке статора от поля постоянных магнитов пропорциональна скорости ротора , поэтому максимум тормозного момента лежит в области малых значений ,т.е. больших скольжений.

Тормозной момент образует провал в пусковой характеристике двигателя, тем самым создает опасность застревания его на малой скорости вращения (рис. 3.5). Понятно, что с этой точки зрения надо бы иметь небольшой поток постоянного магнита, т.е. небольшую ЭДС , хотя в интересах работы в синхронном режиме должно быть наоборот. Оптимальное отношение для двигателей мощностью 10 -120 Вт при , лежит в пределах 0,5-0,8.

Задача. Построить угловую характеристику синхронного микродвигателя радиальной конструкции при , , , , , , и аксиальной конструкции при , тех же значениях , , , , но .

Синхронные реактивные микродвигатели

Синхронными реактивными микродвигателями (СРМД) называются двигатели, вращающий момент в которых создается только НС статора за счет разной магнитной проводимости по продольной и поперечной осям машины. Различие проводимостей по осям и осуществляется либо конструкцией ротора благодаря выступам и впадинам (рис. 3.6,а), либо выполнением его из разных материалов, например из алюминия 1 и стали 2 (рис. 3.6,б).



Рис. 3.6. Роторы синхронных реактивных микродвигателей

Принцип действия СРМД в синхронном режиме рассмотрим на следующей модели (рис. 3.7). Представим вращающееся магнитное поле статора П-образным постоянным магнитом, внутри которого находится невозбужденный явнополюсный ротор. При совпадении оси постоянных магнитов с продольной осью ротора силовые линии поля проходят через зазор радиально, т.е. не деформируясь (рис. 3.7,а). В этом случае , .

Рис. 3.7. К вопросу о принципе действия СРМД

Если вращающийся ротор чуть притормозить, между осями образуется угол q, линии поля, проходя через зазор, деформируются (их можно уподобить резиновым жгутам), возникают силы магнитного натяжения, тангенциальные составляющие которых развивают реактивный момент и увлекают ротор за полем статора (рис.3.7,б). Формулу реактивного момента при получим из (3.2), положив в ней .

(3.3)

Исходя из принципа действия и формулы (3.3) можно предположить, что чем больше разница между и , тем лучше свойства машины. Однако это не так. Дело в том, что с увеличением разности и увеличивается средний воздушный зазор, что приводит к увеличению намагничивающего тока, тока статора, падения напряжения в обмотке статора и, как следствие, к уменьшению магнитного потока в асинхронном режиме. При этом уменьшается пусковой (при ) и подсинхронный (при s @ 0) моменты.

Исследования показали, что для ротора рис. 3.6,а оптимальными размерами будут: отношение полюсной дуги к полюсному делению 0,5 ё 0,6; 10, 12. И даже такие двигатели имеют невысокие энергетические показатели: , , , , .

В последнее время большое признание получили двигатели с ротором типа рис. 3.6,в, которые имеют значительную разность и при относительно небольшом среднем воздушном зазоре. Благодаря такой конструкции, характеристики СРМД улучшаются в среднем на 30ё 40 % по сравнению с ротором явнополюсной конструкции (рис. 3.6,а).

В целом СРМД развивают полезную мощность в 2ё 3 раза меньшую, чем асинхронные двигатели таких же габаритов. Во многом это объясняется тем, что в создании момента участвует только одна половина машины (статор), а не две (статор и ротор), как во всех других двигателях.

Векторную диаграмму синхронного реактивного микродвигателя можно построить, используя уравнение напряжения синхронного явнополюсного двигателя, приняв (рис. 3.8).

Рис.3.8. Векторная диаграмма синхронного реактивного микродвигателя

На рис. 3.8 пунктиром показан вектор напряжения при .Видно, что с учетом угол уменьшается. Это дает основания утверждать, что активное сопротивление статора смещает угловую характеристику в сторону меньших углов. Кроме того, из-за потерь в обмотке статора уменьшается полезный момент, что смещает эту характеристику еще и вниз (рис. 3.9).

В порядке иллюстрации можно привести формулу электромагнитного момента реактивного двигателя с учетом активного сопротивления статора [1]

Рис.3.9. Угловые характеристики синхронного реактивного микродвигателя

В результате смещения угловой характеристики влево максимальный момент реактивного двигателя наступает при углах порядка .

Особенности пусковой характеристики СРМД. В двигателях с ротором рис. 3.6,а пусковая обмотка несимметричная либо по причине отсутствия стержней в междуполюсном пространстве, либо по причине разных индуктивных сопротивлений стержней, лежащих в полюсных наконечниках и вне их.

В этом случае поле, созданное короткозамкнутой обмоткой ротора, становится эллиптическим, т.е. состоящим из прямо и обратновращающихся составляющих.

Прямое поле ротора вращается относительно статора с синхронной частотой и, взаимодействуя с его полем, создает обычный асинхронный момент . Обратное поле ротора вращается относительно статора с частотой , поэтому его действие зависит от скольжения .

Рис. 3.10. Пусковая характеристика СРМД с несимметричной пусковой обмоткой

Пока скольжение изменяется от 1 до 0,5 это поле помогает разгонять ротор. Когда же скольжение станет меньше 0,5, это поле будет создавать тормозной момент , препятствующий разгону двигателя. В результате в пусковой характеристике появится провал, могущий привести к застреванию двигателя на скорости, примерно равной половине синхронной (рис. 3.10).

Вход в синхронизм. Процесс входа в синхронизм является сложным и ответственным моментом в работе синхронных микродвигателей. Ротор, достигший подсинхронной скорости, должен за счет взаимодействия полей статора и ротора (в двигателе с постоянными магнитами) или упругих свойств линий поля (в синхронном реактивном двигателе) скачком втянуться в синхронизм. Поэтому входной момент в сильной степени зависит от момента инерции ротора и момента нагрузки. Рассмотрим процесс входа в синхронизм на примере двигателя с постоянными магнитами [2].



Двигатель войдет в синхронизм, если работа, совершаемая синхронным моментом, будет больше или равна сумме прироста кинетической энергии ротора и работы преодоления сопротивления нагрузки:

. (3.4)

Зависимость синхронного момента от угла с учетом носит сложный характер (3.2').

Примем ее синусоидальной:

.

Тогда

Изменение кинетической энергии ротора

где - момент инерции ротора; - скольжение, при котором двигатель входит в синхронизм.

Если принять пусковую характеристику двигателя на участке - линейной, работу по преодолению сопротивления нагрузки найдем по формуле

, (3.5)

где - продолжительность входа в синхронизм. Ее найдем из закона сохранения момента количества движения.

.

Приняв , получим

.

Подставляя это значение в формулу (3.5), находим

.

Неравенство (3.4) принимает вид

.

Отсюда

. (3.6)

Соотношение (3.6) определяет при заданных и скольжение асинхронного режима, при котором возможен вход двигателя в синхронизм.

Синхронные гистерезисные микродвигатели

Рис. 3.13. Зависимости магнитотвердых (МТМ) и магнитомягких (МММ) материалов

Статор синхронного гистерезисного микродвигателя (СГМД) ничем не отличается от статора известных синхронных и асинхронных микродвигателей. Ротор СГМД - гладкий неявнополюсный и состоит из двух частей (рис. 3.12): сплошного или шихтованного цилиндра 1 из магнитотвердого материала (МТМ), посаженного на немагнитную или ферромагнитную втулку 2.



Для выяснения принципа действия СГМД примем ротор целиком состоящим из МТМ, обладающего широкой петлей гистерезиса (рис. 3.13).

При включении обмотки статора в сеть возникает вращающееся магнитное поле, которое мы представим в виде постоянного магнита (рис.3.14). Под действием внешнего поля ротор намагнитится, т.е. его элементарные магнитики (домены, размер которых не превышает см) сориентируются по полю и займут положение, показанное на рис. 3.14,а.

Рис. 3.14. К вопросу о принципе действия синхронного гистерезисного микродвигателя

Силы магнитного притяжения, действующие на ротор, направлены радиально, взаимно уравновешиваются и никакого момента не развивают. При повороте поля статора (рис. 3.14,б) вслед за ним будут стремиться повернуться элементарные магнитики ротора. Однако вследствие межмолекулярного трения, которое у магнитотвердого материала весьма значительное (явление гистерезисного запаздывания), их поворот будет отставать от поля статора на некоторый угол . Силы магнитного притяжения в этом случае, кроме радиальных, получат тангенциальные составляющие, которые и создадут гистерезисный момент.

Значение гистерезисного момента определяется векторным произведением магнитных потоков ротора и статора [3]:

,

где - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров СГМД.

Магнитные потоки статора и ротора, пространственный угол , на который поток ротора отстает от потока статора, при симметричном питании не зависят от скорости вращения и определяются той коэрцитивной силой НС, при которой начинается поворот элементарных магнитиков. Это значит, что гистерезисный момент не зависит от скорости вращения, поэтому для пуска двигателя не требуется пусковая обмотка, необходимая для других синхронных двигателей.

В синхронном режиме ротор вращается синхронно с полем статора, поэтому ротор не перемагничивается. Его поток сохраняется за счет остаточной индукции и вращается вместе с ротором с синхронной скоростью Поток тем больше, чем выше остаточная индукция. Двигатель работает как обычный синхронный двигатель с постоянными магнитами. Отличие только в том, что угол отставания оси поля ротора от оси поля статора не может превысить угол гистерезисного запаздывания. Для большинства двигателей в номинальном режиме угол нагрузки не превышает .

При асинхронном пуске СГМД, пока скорость ротора не равна скорости поля статора, кроме гистерезисного момента на ротор действует асинхронный момент, возникающий от взаимодействия магнитного потока статора и вихревых токов ротора (МВТ). В этом режиме момент двигателя равен .

Найдем величину результирующего момента. Известно, что электромагнитная мощность, передаваемая со статора на ротор, равна потерям в роторе, поделенным на скольжение двигателя .

Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты перемагничивания , а потери на гистерезис - частоте перемагничивания в первой степени . Тогда

где , - потери на гистерезис и вихревые токи в неподвижном роторе .

Вращающий момент СГМД равен



Рис. 3.15. Механическая характеристика СГМД и ее составляющие

На рис. 3.15 показана механическая характеристика и ее составляющие для идеального СГМД. В реальных двигателях характеристики не такие линейные, поскольку сказывается действие высших гармоник поля, кроме того, в двухфазных конденсаторных двигателях оно в большинстве случаев эллиптическое. Необходимо отметить, что в случае шихтованного цилиндра из МТМ и немагнитной втулки ротора момент вихревых токов практически равен нулю.

Гистерезисные микродвигатели могут работать в синхронном и асинхронном режимах. В этом легко убедиться, рассматривая рис. 3.15. Пока момент нагрузки не больше МС, СГМД работает как синхронный двигатель (его скольжение равно 0). При больших нагрузках он переходит в асинхронный режим (точка а). Причем переход из одного режима в другой и обратно происходит плавно, без рывков, что является одним из достоинств СГМД.

Исследования показали, что гистерезисный момент можно рассчитать по формуле

,



где: - удельные потери на гистерезис (величина пропорциональная площади петли гистерезиса); - объем магнитотвердого материала; - частота сети; - синхронная угловая частота вращения; - число пар полюсов.

Перемагничивание ротора происходит под действием НС статора, которая в СГМД сравнительно небольшая. Поэтому для каждого конкретного двигателя существует такой объем , при котором произведение будет максимальным. Действительно, если чрезмерно велико, то НС статора не сможет перемагнитить такой объем по предельной петле гистерезиса, перемагничивание будет идти по одной из частных петель гистерезиса, что соответствует малому значению. С другой стороны, при чрезмерно малом НС статора его легко перемагнитит. Но все равно, перемагничивание не может осуществляться по петле, большей предельной.

Требованию отвечают две конструкции ротора (рис. 3.16).

В первой - втулка выполняется из ферромагнитного материала. Поток статора проходит в радиальном направлении, поэтому объем перемагничиваемого магнитотвердого материала здесь сравнительно небольшой, следовательно, он должен иметь достаточно широкую петлю гистерезиса .

Во второй - втулка выполняется из немагнитного материала (алюминий или пластмасса). Магнитный поток статора проходит в основном по гистерезисному слою, поэтому объем перемагничиваемого материала сравнительно большой, следовательно, он должен быть с относительно узкой петлей гистерезиса [3].



Рис. 3.16. Конструктивные схемы ротора СГМД: с ферромагнитной втулкой (а) и с немагнитной втулкой (б) 1 - кольцо из МТМ; 2 - ферромагнитная втулка; 3 - немагнитная втулка

Схема замещения СГМД приведена на рис. 3.17. Она содержит следующие сопротивления [1]:

Рис. 3.17. Схема замещения синхронного гистерезисного микродвигателя

, - активное и реактивное сопротивления фазы статора; , - активное сопротивление, эквивалентное потерям в стали, индуктивное сопротивление, обусловленное магнитной проводимостью воздушного зазора; , - активное и реактивное сопротивления контура, учитывающего явление гистерезиса (первое эквивалентно потерям на гистерезис, второе - обусловливается магнитной проводимостью МТМ); , - активное и реактивное сопротивление контура, учитывающего действие вихревых токов ( - эквивалентно потерям от этих токов, - обусловливается потоками рассеяния от вихревых токов). В синхронном режиме , поэтому данная ветвь разрывается.

Достоинства гистерезисных микродвигателей:

большой пусковой момент и момент входа в синхронизм;

плавность входа в синхронизм;

малое изменение тока статора (20 - 30 %) от пуска до холостого хода;

полисинхронизм - способность одного и того же ротора работать в статорах с различным числом полюсов;

сравнительно высокий КПД (до 60 %);

малый уровень шума.

Недостатки гистерезисных микродвигателей:

низкий, что обусловливается низкой магнитной проводимостью МТМ и большим намагничивающим током. Кстати, этим объясняется малая кратность пускового тока;

большой технологический разброс характеристик двигателя из-за очень высокой чувствительности МТМ к отклонениям температуры от установленного значения при термической обработке;

качания ротора - значительные колебания мгновенной скорости ротора при резких изменениях нагрузки:

-у СГМД и

- у двигателей с постоянными магнитами.

Попытки уменьшить качания ротора путем покрытия его тонким слоем меди не привели к желаемому результату.

Универсальные коллекторные микродвигатели

Универсальными коллекторными микродвигателями (УКД) называются микродвигатели, которые могут работать от сети постоянного и переменного тока. Эти двигатели находят широкое применение в высокоскоростных приводах (кофемолки, пылесосы, электробритвы и т.п.), т.к. позволяют при питании от сети 50 Гц получать весьма значительные скорости вращения (до 30000 об/мин), чего невозможно добиться с помощью синхронных и асинхронных машин при частоте 50 Гц.

Рис.4.1.Схема включения УКД

Рис.4.2. Векторные диаграммы двигателей постоянного тока параллельного (а) и последовательного (б) возбуждения при работе на переменном токе

Конструктивно УКД отличаются от машин постоянного тока тем, что у них шихтована вся магнитная система (якорь, полюса, станина); обмотка возбуждения имеет дополнительные отводы и располагается по обеим сторонам от якоря (рис.4.1).

УКД всегда выполняются с последовательным возбуждением без дополнительных полюсов.

Если двигатель постоянного тока параллельного или последовательного возбуждения питать переменным током, двигатель будет развивать вращающий момент определенного направления, поскольку токи якоря и возбуждения будут изменять свои знаки одновременно. Другое дело, что вследствие большой индуктивности параллельной обмотки возбуждения, ток возбуждения будет значительно отставать от напряжения. В результате между током якоря и потоком возбуждения окажется большой угол сдвига, и среднее значение момента станет небольшим. На рис. 4.2 приведены упрощенные векторные диаграммы двигателей параллельного и последовательного возбуждения при работе на переменном токе. Сравнивая эти диаграммы, легко сделать вывод, что УКД с последовательным возбуждение будет более рационален, чем с параллельным.

Работа УКД на постоянном токе ничем не отличается от работы обычного двигателя, а вот на переменном токе есть ряд особенностей.

1.Электромагнитный момент. Будем считать, что ток якоря и магнитный поток являются гармоническими функциями времени (рис.4.3)

двигатель гистерезисный синхронный радиальный

; , (4.1)

где - угол, на который ток якоря опережает поток возбуждения (рис. 4.4).



Рис. 4.3.Графики тока, магнитного потока и момента УКД при работе от сети переменного тока

Рис. 4.4. К вопросу об угле . - составляющая тока, опережающая
поток только из-за потерь в стали

Как известно из общего курса электрических машин, ток, создающий магнитный поток, кроме намагничивающей составляющей всегда содержит небольшую активную составляющую, необходимую для покрытия потерь в стали. По этой причине ток опережает поток на небольшой угол (его называют «угол магнитных потерь»; он порядка ). В случае универсального коллекторного двигателя ток якоря будет опережать магнитный поток на больший угол (порядка ), так как он содержит дополнительную составляющую, необходимую для компенсации размагничивающего действия коммутирующей секции (рис. 4.4).

Мгновенное значение электромагнитного момента

(4.2)

Из рис. 4.3 и формулы (4.2) видно, что момент имеет две составляющие:

* постоянную

* и переменную, изменяющуюся с двойной частотой

Из графика момента на рис. 4.3 видно, что в отдельные промежутки времени момент становится даже отрицательным.

Среднее значение момента

Отрицательные значения момента и его пульсации вследствие большой частоты и значительных маховых масс вращающихся частей практически не сказываются на равномерности вращения двигателя. Однако в приводах, где требуется высокая стабильность мгновенной скорости, с ней нельзя не считаться.

Номинальная частота вращения. Формула частоты вращения двигателя на постоянном токе хорошо известна:

(4.3)



На переменном токе структура формулы такая же,

(4.4)

но в числителе формулы (4.4) появляется дополнительное падение напряжения . В результате частота вращения уменьшается. Чтобы уравнять частоты вращения на постоянном и переменном токе при номинальной нагрузке, часть витков обмотки возбуждения при питании переменным током отключают, что приводит к уменьшению магнитного потока и выравниванию скоростей (см. скоростную характеристику, показанную на рис.4.5, где сплошные линии обозначают работу на постоянном токе, а пунктирные - на переменном токе).

В связи с уменьшением магнитного потока при работе на переменном токе магнитная система двигателя оказывается слабо насыщенной, поэтому скоростная характеристика приближается к гиперболической, а токовая - к параболической.

Ток якоря при работе двигателя от сети переменного тока становится больше, чем при работе от сети постоянного тока из-за наличия реактивной составляющей и большей активной составляющей вследствие возрастания потерь в стали. По этим же причинам КПД машины получается меньшим.

Рис.4.5. Рабочие характеристики УКД

Рис.4.6. Векторная диаграмма УКД при работе на переменном токе

Уравнение напряжения двигателя на переменном токе значительно сложнее, чем на постоянном токе, т.к. приходится учитывать ЭДС, которые индуцируются в обмотке якоря и обмотке возбуждения пульсирующим полем возбуждения, полем поперечной реакции якоря, полями рассеяния. Но если пренебречь насыщением и потерями в стали, выразить ЭДС через ток и соответствующие индуктивные сопротивления, уравнение напряжения можно привести к виду

(4.5)

где и - активные и реактивные сопротивления якорной цепи.

По уравнению (4.5) на рис. 4.6 построена векторная диаграмма УКД при работе на переменном токе.

3. Коммутация. При работе на переменном токе в коммутирующей секции кроме реактивной ЭДС наводится еще и трансформаторная ЭДС, т.к. секция пронизывается пульсирующим потоком возбуждения (рис.4.7,а).

Реактивная ЭДС совпадает с током якоря. Трансформаторная ЭДС, будучи производной магнитного потока, перпендикулярна ему (рис. 4.7,б). В этих условиях результирующая ЭДС коммутирующей секции может достигать весьма больших значений, особенно в период пуска, когда ток якоря наибольший. По указанным причинам коммутация машины на переменном токе заметно ухудшается по сравнению с работой на постоянном токе.

Установка дополнительных полюсов позволила бы скомпенсировать реактивную ЭДС. Трансформаторную же ЭДС скомпенсировать нельзя. При этом дополнительные полюса и компенсационные обмотки усложнили бы конструкцию машины, поэтому в микродвигателях они не применяются.

Рис. 4.7. Возникновение трансформаторной ЭДС в коммутируемой секции (а) и векторная диаграмма ЭДС коммутируемой секции (б)

Частота вращения УКМД регулируется так же, как и в любом двигателе последовательного возбуждения: либо изменением подводимого напряжения, либо шунтированием обмотки якоря или обмотки возбуждения.

К числу недостатков универсальных коллекторных двигателей, кроме отмеченных выше, следует отнести радиопомехи и значительный шум, создаваемый ими при работе с высокой скоростью вращения.

Рис. 4.8. Схема простейшего фильтра

Для борьбы с радиопомехами выполняют экранирование машины и симметрирование обмотки возбуждения, применяют электрические фильтры.

Корпус машины уже является экраном и поэтому в известном смысле поглощает радиопомехи. Со стороны коллектора часто на торец корпуса надевают защитный металлический колпак, вентиляционные отверстия закрывают медной или латунной сеткой, а выступающий конец вала замыкают специальной щеткой на корпус двигателя. Внутренние соединения обмоток выполняют экранированным проводами, причем экран соединяют с заземленным корпусом. Симметрирование обмотки возбуждения сводится к выполнению ее по обе стороны от якоря.

В простейшем виде электрический фильтр представляет собой конденсатор, включенный между проводами сети (рис.4.8).

Вопросы:

1)При каком условии график мгновенных значений момента не будет содержать отрицательных составляющих?

2)Почему с ростом нагрузки двигателя уменьшается?

Размещено на Allbest.ru

...