1. Синхронные микродвигатели с активным ротором.
2. Синхронные реактивные микродвигатели.
3. Синхронные гистерезисные микродвигатели.

Активный ротор содержит элементом своей конструкции постоянные магниты, которые могут быть расположены радиально и аксиально.

В первом случае (рис.5.1,а) блок постоянных магнитов 2 насаживается непосредственно на вал ротора 4.

Рис. 5.1, a

Пакет стали ротора 1 выполнен в виде кольца, напрессованного на блок постоянных магнитов. В пакете имеются прорези, разделяющие полюсы разной полярности. В пазах пакета стали ротора располагаются стержни короткозамкнутой обмотки типа “беличья клетка”. Эта обмотка играет роль пусковой обмотки.

При аксиальной конструкции кольцевой пакет стали 1 насаживается непосредственно на вал ротора 4. По краям пакета (с торцевых сторон) устанавливается один или два блока постоянных магнитов 2, выполненных в виде дисков (рис. 5.1,б).

Рис. 5.1, b

В пазах пакета ротора, как и в предыдущем случае, уложены стержни короткозамкнутой обмотки 3.

U'₁=İ₁R₁–Ė

Результирующий поток машины в установившемся режиме работы складывается из вращающихся синхронно потока статора Ф₁ и потока полюсов ротора Ф₀. Поэтому ЭДС Е₀ можно представить в виде суммы Ė=Ė₁+ Ė_0, где Ė₁ – ЭДС, наводимая в фазе статора вращающимся магнитным потоком статора Ф₁, Ė₀ – ЭДС, наводимая в фазе статора вращающимся потоком полюсов ротора Ф₂. Действующее значение этой ЭДС определяется формулой

Е₀= 4,44ω₁f₁K_об1Ф₂,

где ω₁ – число витков фазы статора, K_об1 – обмоточный коэффициент фазы, f₁ – частота питающей сети.

Поскольку ЭДС Е₁ пропорциональна потоку статора Ф₁, и, следовательно, току в фазе статора, то её можно рассматривать как ЭДС самоиндукции, т.е.

Ė₁= –jİ₁X₁

где X₁ – индуктивное сопротивление фазы машины, обусловленное магнитным потоком статора (или синхронное сопротивление).

Если предположить, что R₁<< X₁, что, вообще говоря, справедливо лишь для машин достаточно большой мощности, то основное комплексное уравнение машины можно приближенно записать в виде

U'₁=jİ₁X₁ – Ė₀

М_эм=С_мФ₂I_1акт=С_мФ₂I₁cosφ₁

где I₁cosφ₁ – активная составляющая в фазе статора, φ₁ – фазовый сдвиг между током и напряжением в фазе.

При работе двигателя в режиме ХХ ось потока полюсов ротора совпадает с осью вращающегося потока статора (рис.5 .2,а), ток в фазе является практически реактивным, как это следует из векторной диаграммы (рис. 5.2,б) и электромагнитный момент машины равен 0 (М_эм=0).

Рис. 5.2,a

Рис. 5.2, b

С появлением момента нагрузки на валу машины ротор двигателя начнет притормаживаться и ось потока его начнет отставать от оси потока статора на некоторый угол θ (рис.5.3,а).

Рис. 5.3, a

Проводники фазы статора будут позже пересекаться соответствующими силовыми линиями магнитного поля ротора, т.е. вектор ЭДС Ė₀ будет отставать от вектора напряжения на некоторый угол θ, как показано на рис. 5.3,б.

Рис. 5.3, b

При этом возрастает значение cosφ₁, активная составляющая тока в фазе статора İ_1акт и электромагнитный момент машины М_эм, стремящийся вернуть ротор в прежнее положение. Режим установится при некотором угле θ, когда электромагнитный момент машины уравновесит момент нагрузки на её валу, т.е. условие М_эм=М. Таким образом, всякое увеличение момента нагрузки на валу машины, и следовательно, полезной мощности на валу (в пределах области устойчивой работы) сопровождается увеличением активной мощности, потребляемой двигателем от сети.

,

где m₁ – число фаз обмотки статора, ω₁=2πf₁ –угловая частота питающей сети.

Зависимость электромагнитного момента, развиваемого машиной от угла θ, называется угловой характеристикой двигателя. Для микромашины с аксиальной конструкцией ротора угловая характеристика имеет вид синусоиды (рис.5.4).

Рис. 5.4

Максимум электромагнитного момента имеет место при угле θ=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 θ βξзрастал бы электромагнитный момент М_эм развиваемый машиной. Условием устойчивости работы является условие

Это условие выполняется здесь лишь в диапазоне углов |θ|<90Ί. При больших углах машина выпадает из синхронизма, либо останавливается. При номинальной нагрузке обычно θ=(20-30)Ί.

Величина максимального электромагнитного момента машины М _{эм мах} носит название момента выхода из синхронизма. При моментах нагрузки М>М _{эм мах} ротор выходит из синхронизма.

где Мэм.ас(0,05) - момент развиваемый пусковой обмоткой при скольжении S=0,05.

М_эм=М_эм._осн+М _реакт,

Для двигателей с радикальной конструкцией ротора величина реактивного момента зависит от угла θ и от разницы синхронных сопротивлений по продольной и поперечной осям Х_d и Хq, т.е.

Синхронным сопротивлением по продольной оси Xd называется индуктивное сопротивление фазы обмотки статора при таком положении ротора, когда ось потока его полюсов совпадает с геометрической осью фазы (или продольной осью dd, как показано на рис. 5.5,а).

Рис. 5.5, a ,b

где λd –магнитная проводимость по продольной оси, w-число витков фазной катушки.

Синхронным сопротивлением по поперечной оси Xq называется индуктивное сопротивление фазы обмотки статора при таком положении ротора, когда ось потока его полюсов перпендикулярна геометрической оси фазной катушки статора (или совпадает с поперечной осью qq, как показано на рис. 5.5,б) . При этом

Xq=ωLq, a Lq= w²λq,

где λq – магнитная проводимость по поперечной оси.

Нетрудно видеть, что Xq>Xd, т.к. сопротивление магнитному потоку в первом случае (рис. 5.5,а) больше, чем во втором (рис. 5.5,б) из–за наличия воздушного зазора, разделяющего полюса постоянного магнита ротора.

Из–за наличия реактивного момента результирующая зависимость Мэм (θ) для синхронного микродвигателя с радиальной конструкцией ротора отлична от синусоиды и приближенно может быть изображена в виде графика, приведенного на рис. 5.4, где кривая 1 представляет зависимость Мосн(θ), кривая 2 – зависимость Мреакт(θ), кривая 3-результирующую зависимость Мэм(θ).

Рис. 5.6

На рис. 5.6 приведены рабочие характеристики микродвигателей с активным ротором n₂(Р₂), I₁(Р₂), M₂(Р₂), где Р₂ – полезная мощность на валу машины.

Поперечный разрез простейшего двухполюсного ротора реактивного двигателя приведен на рис. 5.7.

Рис. 5.7

Он выполнен из нескольких пакетов листовой электротехнической стали 1, залитых алюминием 2. Видно, что магнитное сопротивление ротора в радиальных направлениях неодинаково: магнитное сопротивление по оси dd меньше, чем по оси qq, и, следовательно, ось dd является осью лёгкого намагничивания ротора.

Для выяснения принципа действия синхронного реактивного двигателя и природы реактивного момента представим двигатель в виде модели, приведенной на рис. 5.8.

Рис. 5.8, a

Здесь вращающееся магнитное поле статора представлено полем полюсов постоянных магнитов, вращающихся с синхронной скоростью n₁ по часовой стрелке, а ротор представляет собой стальной цилиндр, срезанный по боковой поверхности вдоль оси dd (оси лёгкого намагничивания ротора).

Пока момент нагрузки на валу двигателя равен 0 (M=0), ось лёгкого намагничивания ротора dd совпадает с осью полюсов статора (q =0), поле не деформируется (рис.5.8,а), реактивный момент двигателя равен 0.

Рис. 5.8, b

При появлении момента нагрузки на валу ось лёгкого намагничивания ротора начинает отставать от оси полюсов статора на угол q , как показано на рис.5.8,б. (При этом поле и ротор вращаются синхронно с частотой n₁). При повороте магнитного поля относительно оси ротора магнитные силовые линии стремятся замкнуться по пути наименьшего сопротивления, то есть вдоль оси лёгкого намагничивания ротора dd. При этом, обладая упругостью согласно гипотезе Фарадея, силовые линии деформируются или растягиваются, вследствие чего на ротор действуют тангенциальные силы.

Совокупность сил, действующих на каждый полюс ротора и создаёт реактивный момент M_эм, направленный в сторону вращения поля. Процесс возрастания угла q и электромагнитного момента машины будет происходить до тех пор, пока при некотором угле q электромагнитный момент не уравновесит момент нагрузки на валу и не наступит новый установившийся режим.

и зависит от q, от квадрата фазного напряжения U₁ и от разности синхронных сопротивлений по продольной и поперечной осям. Обычно отношение Х_d ¤ Х_q=2-3.Увеличение этого отношения приводит к увеличинию момента, но одновременному ослаблению основного потока машины и к ухудшению энергетических характеристик машины.

Угловая характеристика синхронного реактивного двигателя, построенная по приведенному выражению, представлена кривой 1 на рис.5.9.

Рис. 5.9

Очевидно, что диапозон устойчивой работы этого двигателя( –4 5 ° < q < 4 5 ° ) меньше, чему рассмотренных выше двигателей с активным ротором. Однако приведенное выражение не учитывает активного сопротивления обмотки статора R₁, которое в микродвигателях довольно значительно. Под его влиянием угловая характеристика двигателя становится несинусоидальной (кривая 2 на рис.5.9 ) и максимум электромагнитного момента имеет место при углах q < 4 5 ° .

Рис. 5.10

К недостаткам реактивных двигателей следует отнести: сравнительно небольшой максимальный момент, низкий КПД (0,2--0,4), низкий коэффициент мощности. Последнее обстоятельство объясняется тем, что магнитный поток двигателя (при отсутствии собственного потока ротора) создаётся только засчёт реактивного тока в фазах статора, величина которого из-за повышенного сопротивления магнитной цепи машины довольно велика. При одной и той же мощности на валу габаритные размеры этих двигателей больше, чем размеры рассмотренных ранее двигателей с активным ротором.

Ротор двигателя (рис.5-11) выполнен в виде кольца из магнитотвёрдого материала 1, напрессованного на стальную или алюминиевую втулку 2 и вместе с нею на вал 1. На роторе нет ни пазов, ни полюсов, ни обмотки, поэтому воздушный зазор между статором и ротором равномерен и может быть выполнен достаточно малым из условия обеспечения малого намагничивающего тока. В качестве материала кольца 1 используются сплавы типа ”викаллой” или “альни” с широкой почти прямоугольной пятлёй Гистерезиса ( с большой коэрцитивной силой H_с).

В синхронном режиме магнитное поле статора и ротор вращаются с одинаковой скоростью и перемагничивания материала ротора не происходит. В этом случае гистерезисный двигатель работает также, как синхронный двигатель с активным ротором при аксиальной его конструк-ции.Электромагнитный момент его является результатом взаимодействия потока ротора Ф₂, обусловленного остаточной намагниченностью материала ротора, с активной составляющей тока в фазе статора и определяется соотношением

где E₀ – ЭДС в фазе статора, обусловленная остаточным потоком ротора Ф2.

Однако, угол отставания оси остаточного потока ротора от оси вращающегося потока статора не может превышать угла гистерезисного запаздывания g_г, определяемого шириной петли гистерезиса материала кольца ротора. Величина этого угла обычно не превышает 20° -- 25°.

Если q>g_г, то двигатель выходит из синхронизма и начинается процесс перемагничивания материала и появлется так называемый гистерезисный момент, величина которого не зависит от скорости вращения ротора и определяется выражением

M_г=kФ₁Ф₂sing_г

где Ф1 – поток статора машины, k-коэффициент, зависящий от параметров машины (конструктивный коэффициент).

Рис. 5.12, a

Если повернуть ось потока внешних полюсов на некоторый угол g относительно первоначального положения (рис.5.12,б), то и частицы магнито-твёрдого материала ротора, представляющие собой элементарные магнитики, стремятся ориентироваться в соответствии с внешним полем.

Рис. 5.12, b

Однако повороту оси элементарных магнитиков в магнитотвёрдых материалах препятствуют внутренние силы молекулярного трения. Для изменения ориентации оси элементарных магнитиков ротора нужна определённая намагничивающая сила, которая появляется лишь в том случае, если между осью полюсов внешнего поля и осью полюсов элементарных магнитиков ротора образуется угол g > g _г.

Таким образом, поворот внешнего поля относительно исходного положения (рис.5.12,а) на угол g < g_г не вызывает переориентацию элементарных магнитиков ротора, направление потока ротора Ф₂ остаётся неизменным. Поворот внешнего поля относительно исходного состояния на угол g > g_г приводит к переориентации элементарных магнитиков ротора, причём к такой, что угол между потоком полюсов внешнего поля Ф₁ и ротора Ф₂ остаётся постоянным и равным g_г независимо от скорости перемещения внешнего поля относительно ротора. Вот почему гистерезисный момент

являющийся и пусковым моментом для синхронного двигателя данного типа, не зависит от скорости вращения ротора.

где R_уд-удельные потери на гистерезис за 1 цикл перемагничивания в единице объёма, V-объём магнитотвёрдого материала ротора, ¦₁- частота питающей сети.

При вращении ротора со скольжением S частота перемагничивания ротора и потери на гистерезис в роторе падают пропорционально скольжению, т.е. ¦₂=s¦₁, R_гs=sR_гп.

Разница мощностей R_гп и R_гs соответствует полной механической мощности, развиваемой двигателем

где w ₂ и w ₁ соответственно угловые частоты вращения ротора и потока полюсов статора в рад ¤ сек.