ЛЕКЦИЯ №14

Рис. 2.38

Механическая характеристика реальных гистерезисных микродвигателей не абсолют­но жесткая. Изменение гистерезисного мо­мента в функции угловой скорости ротора, (скольжения) объясняется в основном тремя факторами.

Во-первых, при неравенстве угловых ско­ростей ротора и поля в роторе наводятся вихревые токи, которые во взаимодействии с вызвавшим их полем Φ₁ создают момент M_в, являющийся, по существу, моментом асинхронного двигателя (пунктирная линия на рис. 2.36, б).

Во-вторых, при конденсаторной схеме включения двухфазного гистерезисного двигателя (см. рис. 2.24, б) в однофазную сеть фор­ма вращающегося магнитного поля статора, а значит, и момент М_г.а (штрихпунктирная линия на рис. 2.36, б) зависят от угловой скорости ротора. При изменении угловой скорости ротора меняют­ся частота перемагничивания, потери в роторе и соответственно ток в обмотках статора. Происходит перераспределение напряже­ний между конденсатором и обмоткой; при этом поле, круговое при одном скольжении (например, при s = 0), становится эллипти­ческим при другом.

В-третьих, влиянием моментов высших гармоник поля. В синхронном режиме магнитное поле статора и ротор враща­ются с одинаковой угловой скоростью и перемагничивания матери­ала ротора не происходит. Магнитный поток ротора Ф_2ост сохраня­ется вследствие остаточного магнетизма и вращается вместе с ро­тором с синхронной угловой скоростью. Поток тем больше, чем выше значение остаточной индукции В_т. Микродвигатель работает как обычный синхронный микродвигатель с постоянными магнита­ми на роторе. Отличие состоит только в том, что угол отставания оси поля ротора, принимаемой за его продольную ось, от оси поля статора гистерезисного микродвигателя γ не может превысить угла гистерезисного запаздывания γ_г, так как в противном случае начи­нается перемагничивание ротора.

Следовательно, наибольшее значение момента М_г.с, развивае­мое гистерезисным двигателем в синхронном режиме, равно М_г.а. При моменте сопротивления на валу, превышающем М_г.а, ротор выходит из синхронизма. У гистерезисных микродвигателей угол γ_г обычно не превышает 20 – 25°.

Из сказанного следует, что синхронный гистерезисный микро­двигатель развивает вращающий момент и при асинхронной, и при синхронной угловой скорости ротора. Режим его работы зависит от значения и характера статического момента сопротивления М_ст на валу ротора (см. рис. 2.36, а). Если во всем диапазоне скольже­ний от 1 до 0 момент сопротивления (прямая 1) меньше гистере­зисного момента, то двигатель работает в синхронном режиме. Ось поля ротора отстает от оси поля статора на угол γ, при котором соблюдается равновесие моментов М_г.с = М_ст. Если момент сопро­тивления меняется по прямой 2, то равновесие моментов наступит при скольжении s_a, соответствующем точке а, т. е. двигатель бу­дет работать в асинхронном режиме (М_г.а = М_ст). Однако исполь­зование гистерезисных микродвигателей в асинхронном режиме не­экономично вследствие больших потерь на перемагничивание рото­ра, особенно при больших скольжениях.

Синхронные гистерезисные микродвигатели обладают весьма ценными качествами. Они развивают большой пусковой момент и способны входить в синхронизм при большом моменте инерции на­грузки. Ротор гистерезисного двигателя входит в синхронизм плав­но, без рывков благодаря практически постоянному значению пус­кового гистерезисного момента на протяжении всего периода пуска от s = l до s = 0. Потребляемый гистерезисным двигателем ток не­значительно (на 20 – 30%) изменяется при изменении режима ра­боты от короткого замыкания (пуск) до холостого хода, что позволяет эффективно использовать гистерезисные двигатели в повторно-кратковременном режиме. Гистерезисные микродвигате­ли просты по конструкции и надежны в эксплуатации.

Энергетические показатели гистерезисного микродвигателя не особенно высоки, так как поток ротора является вторичным, т.е. наведенным рабочим потоком статора, и режим работы такого дви­гателя соответствует режиму синхронной машины с недовозбуждением. Однако у гистерезисных микродвигателей в синхронном ре­жиме существует возможность изменения намагничивающего тока и соответственно к.п.д. и cos φ.

Это можно проследить на примере зависимости тока I₁ гистере­зисного микродвигателя в синхронном режиме от напряжения воз­буждения U₁ при снижении последнего от значения U_1п, при котором происходит пуск (U-образная характеристика на рис. 2.38). Значение возбужденной м.д.с. ротора определяется напряжением пуска U_1п, а значение результирующего потока двигателя умень­шается пропорционально U₁. Значит, при уменьшении U₁/U_1п воз­растает роль м.д.с. ротора в создании результирующего магнит­ного поля и меняются значение и характер тока статора. Индук­тивная намагничивающая составляющая тока статора (φ > 0) по­степенно уменьшается до нуля (φ = 0) и затем появляется размаг­ничивающая емкостная составляющая (φ < 0). Эта зависимость по физической сути аналогична U-образной характеристике синхрон­ного двигателя с электромагнит­ным возбуждением.

В рабочем режиме гистерезис­ного микродвигателя при синхрон­ном вращении ротора к.п.д. и cos φ можно повысить путем под­магничивания ротора с помощью кратковременного (на 2 – 3 пери­ода) повышения значения магнит­ного потока статора за счет увеличения подводимого к статору на­пряжения. Подмагниченный ротор, как и ротор с постоянными маг­нитами синхронного микродвигателя, начинает активнее участво­вать в создании основного рабочего магнитного потока и тем са­мым разгружать обмотку статора от реактивного намагничивающе­го тока. Это соответствует смещению рабочей точки характеристи­ки двигателя из точки А в точку В на рис. 2.38.

ПРИМЕНЕНИЕ СИНХРОННЫХ МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ; ШАГОВЫЕ МИКРОДВИГАТЕЛИ

 

Синхронные микродвигатели выпускают для работы в системах как с постоянной частотой напряжения питания, так и с перемен­ной.

Первые применяются в таких приборах и установках (звукоза­писи, телевидения и т.д.), где требуется постоянная угловая ско­рость при изменении момента сопротивления в определенных пре­делах. Изменение синхронной угловой скорости ротора этих двига­телей возможно только переключением обмоток статора на другое число пар полюсов. Следует отметить, что свойством полисинхро­низма, т.е. способностью одного и того же двигателя работать при различном числе полюсов обмотки статора, среди синхронных об­ладают только гистерезисные микродвигатели. У них число полюс­ных зон на роторе автоматически получается равным числу полю­сов на статоре. Во всех остальных синхронных микродвигателях число полюсов на роторе фиксируется конструктивно.

Двигатели второго типа рассчитаны на плавное или дискретное регулирование синхронной угловой скорости ротора за счет изме­нения частоты напряжения питания. Двигатели с плавным регули­рованием частоты применяют в основном в системах синхронной связи.

К синхронным микродвигателям, используемым в системах зву­козаписи, звуковоспроизведения и т. д., предъявляются жесткие требования по уровню создаваемых звуковых шумов. Для сравнения различных синхронных микродвигателей по этому показателю выделим основные причины шумов.

Шумы механического происхождения возникают в результате вибраций за счет динамического небаланса ротора, работы под­шипников и скользящих контактов. Шумы аэродинамического про­исхождения появляются в результате воздушных завихрений при вращении ротора. Шумы магнитного происхождения возникают в результате вибраций магнитопровода под действием переменных электромагнитных сил, обусловленных в основном изменением маг­нитного сопротивления потоку вдоль окружности ротора.

 

Рис. 2.39

 

В соответствии с изложенным наименьший уровень шумов до­стигается у гистерезисных микродвигателей, имеющих симметрич­ный в механическом и магнитном отношении ротор с гладкой по­верхностью. Наибольший уровень шумов наблюдается у реактив­ных микродвигателей с явнополюсным ротором (см. рис. 2.28, а).

Наиболее высокие энергетические показатели (к.п.д. η и коэф­фициент мощности cos φ) и наименьшую массу q на единицу номи­нальной мощности имеют микродвигатели активного типа с посто­янными магнитами. При частоте напряжения питания 50 Гц в диа­пазоне мощностей 10 – 100 Вт η = 40÷80% (меньшие значения от­носятся к двигателям меньшей мощности). Затем идут гистерезис­ные микродвигатели, режим которых, как указывалось, соответст­вует режиму работы синхронной машины с недовозбуждением. При тех же условиях их к.п.д. η = 30÷50%. Наихудшие показа­тели имеют реактивные микродвигатели, у которых поток возбуж­дения ротора вообще отсутствует. В указанных условиях их к.п.д. η = 20÷40%.

 

ШАГОВЫЕ (ИМПУЛЬСНЫЕ) ДВИГАТЕЛИ

 

Шаговые (импульсные) двигатели представляют собой синхронные микродвигатели, у которых питание фаз обмотки якоря осуществляется путем подачи импульсов напряжения от какого-либо (например, электронного) ком­мутатора.

Принцип действия. Под воздействием каждого импульса ротор двигателя совершает определенное угловое перемеще­ние, называемое шагом. Коммутатор преобразует заданную последовательность управляющих импульсов в m-фазную систему одно- и двухполярных прямоугольных импульсов напряжения.

На рис. 2.40 изображена схема m-фазного шагового двигателя без обмотки возбуждения на роторе. Если фазы 1, 2, 3, ..., m обмотки якоря рассматриваемого двигателя питаются поочередно однополярными импульсами напряже­ния, то ротор двигателя скачкообразно перемещается в по­ложения, при которых его ось совпадает с осями фаз 1, 2, 3 и т.п. Следовательно, ротор имеет m устойчивых состояний, соответствующих направлению вектора МДС F₁ (рис. 2.40, а) обмотки якоря в данный момент времени; при этом шаг ротора равен 2π/m.

Для увеличения результирующей МДС якоря, а следо­вательно, магнитного потока и синхронизирующего момента обычно одновременно подают питание на две, три и большее количество фаз.

 

Рис. 2.40. Схемы работы шагового двигателя при питании различных фаз обмотки якоря (а – в)

 

Так, например, если одновременно подают питание на две фазы, то положение результирующего вектора МДС F_рез и оси ротора совпадает с линией, проходящей между осями двух соседних фаз (рис. 2.40, б). При подаче питания одновременно на три соседние фазы ротор перемещается в положение, совпадающее с осью средней фазы (рис. 2.40, в). Если поочередно включают то четное (две), то нечетное (одна, три) число фаз, то ротор двигателя имеет 2m устойчивых состояния и шаг равен π/m. Управление двигателем, при котором фазы обмотки якоря включают поочередно равными группами по две, три и т.п., называют симметричным; поочередное включение неравных групп фаз – несимметричным.

В качестве шаговых обычно применяют синхронные двигатели без обмотки возбуждения на роторе: с постоян­ными магнитами, реактивные и индуктивные (с подмагничиванием). Для получения требуемых статических характе­ристик и динамических свойств их выполняют без пусковой обмотки, с ротором минимального диаметра и рассчитывают на большие электромагнитные нагрузки.

Применение шагового двигателя целесообразно для при­вода механизмов, имеющих старт-стопное движение, или ме­ханизмов с непрерывным движением, если управляющий сиг­нал задан в виде последовательности импульсов (лентопро­тяжных устройств для ввода и вывода информации, счетчи­ков, приводов станков с программным управлением и т.п.).

 

ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ НА РОТОРЕ

 

Ротор двигателя (рис. 2.41) выполняют в виде постоянного магнита (звез­дочки) литой или составной конструкции без полюсных наконечников. Статор имеет явно выраженные полюсы, вокруг которых в полузакрытых пазах размещаются катушки обмотки якоря (двух-, трех- или четырехфазной). В много­полюсных машинах число пазов на полюс и фазу q = 1, т.е. обмотку выполняют сосредоточенной. Шаговые двига­тели этого типа называют также магнитоэлектрическими.

В двигателе с двухфазной обмоткой якоря при последо­вательной подаче импульсов напряжения на катушки полю­сов ось магнитного потока скачкообразно перемещается на 90° (рис. 2.41, а – в). В результате под действием синхрони­зирующего момента при каждом импульсе ротор поворачи­вается на 90°, т.е. делает шаг, равный 90°. Возникновение синхронизирующего момента в шаговом двигателе при подаче питания на фазы обмотки якоря обусловлено теми же причинами, что и в синхронном двигателе обычного исполнения.

 

Рис. 2.41. Положения ротора шагового двигателя с постоянными магни­тами при различных полярностях включения его фаз (а – в) и диаграмма изменения тока в этих фазах (г)

 

В рассматриваемом двигателе магнитное поле якоря может иметь четыре различных состояния, которым соот­ветствуют различные направления тока в фазах 1 и 2 его обмотки:

1) ток в фазе 1 направлен от начала к концу; фаза 2 обесточена;

2) ток в фазе 2 направлен от начала к концу; фаза 1 обесточена;

3) ток в фазе 1 направлен от конца к началу; фаза 2 обесточена;

4) ток в фазе 2 направлен от конца к началу; фаза 1 обесточена.

Порядок переключения (коммутации) фаз 1 и 2 обмотки якоря представлен на рис. 2.41, г в виде временной диаграммы изменения токов I_в1 и I_в2 в этих фазах. Каждому импульсу тока соответствует определенное положение ротора двигателя. Рассмотренную систему переключения фаз 1 и 2 об­мотки якоря называют четырехтактной разнополярной ком­мутацией и сокращенно обозначают следующим образом: (+1)–(+2)–(–1)–(–2)–(+1)–... Каждым четырем тактам соответствует поворот ротора на два полюсных деления. Чтобы изменить направление вращения ротора, следует изменить полярность включения одной из фаз обмотки якоря, не изменяя очередность их коммутации. Для уменьшения шага шаговые двигатели обычно выполняют многополюсными. При этом число полюсных выступов на роторе должно быть равно числу полюсов статора. Наиболее часто используют восьмиполюсные шаговые двигатели. Шаг двигателя предста­вляет собой угол поворота ротора за один такт:

, (2.39)

где k – число тактов в одном цикле; p – число пар полюсов. При четырехтактной коммутации шаг восьмиполюсного двигателя α_ш = 22,5°. Частота вращения ротора двигателя зависит от частоты подачи импульсов:

. (2.40)

Диапазон изменения частоты при четырехтактной ком­мутации обычно составляет 0...500 Гц; максимальной частоте соответствует частота вращения n_2max = 2000...3000 об/мин.

В ряде случаев для лучшего использования обмоток применяют четырехтактную коммутацию с попарным вклю­чением обмоток: (+1)(+2)–(+2)(–1)–(–1)(–2)–(–2)(+1)–(+1)(+2)–... . Такое включение обмоток позволяет уве­личить результирующую МДС ротора, вследствие чего возрастает вращающий момент на валу двигателя примерно в 1,5 раза.

Обычно шаговые двигатели имеют четырехфазную обмот­ку, которая в отличие от двухфазной может управляться однополярными импульсами напряжения; это упрощает конструкцию электронного коммутатора. При подключении к электронному коммутатору фазы такой обмотки соединяют в четырехлучевую звезду с выведенной общей точкой. Коммутацию четырехфазной обмотки обычно выполняют четырехтактной, парной: (12)–(23)–(34)–(41)–(12)–... , вследствие чего обеспечивается такое же увеличение вра­щающего момента, что и при попарной разнополярной коммутации двухфазной обмотки. Шаговые двигатели с тре­хфазной обмоткой требуют шеститактной разнополярной коммутации.

 

РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

 

Ротор реактивного шагового дви­гателя выполняют из магнитомягкого материала. На статоре обычно располагают трехфазную сосредоточенную обмотку якоря, фазы которой получают питание от электронного коммутатора.

 

Рис. 2.42. Положения ротора реактивного шагового двига­теля при различных полярностях включения фаз (а–в) и диаграмма изменения тока в этих фазах (г)

 

Шаговые двигатели этого типа называют также параметрическими. На рис. 2.42, а – в схематично показаны три такта работы реактивного шагового двигателя с трехфазной обмоткой якоря и шестью выступами на статоре; на роторе имеются только два выступа. Когда по фазе 1 проходит ток, ротор занимает положение, показанное на рис. 2.42, а. В следующий момент времени питание подается одновременно на фазы 1 и 2, и ротор поворачивается в положение (рис. 2.42, б), соответствующее наибольшей магнитной проводимости для потока, создан­ного этими фазами. Далее питание с фазы 1 снимается и ротор перемещается в положение рис. 2.42, в. Таким образом, коммутация обмоток статора происходит в сле­дующем порядке: 1–12–2–23–3–31–1... , т.е. ком­мутация является несимметричной, шеститактной, однополярной (рис. 2.42, г). При этом шаг двигателя α_ш =30°. Возможна и трехтактная коммутация по схеме: (1)–(2)–(3)–(1) или (12)–(23)–(31)–(12)... . Как правило, при­меняют шеститактную коммутацию, которая дает меньший шаг и большую устойчивость работы двигателя.

Шаг двигателя можно уменьшить, увеличив число высту­пов на роторе. Например, применяя шаговый двигатель с крестообразным ротором (рис. 2.43), при той же последо­вательности подачи импульсов, что и для двигателя, пока­занного на рис. 2.42, получают шаг, равный 15°. Дальнейшее уменьшение шага, т. е. повышение точности работы двигателя, можно обеспечить увеличив число выступов на статоре и роторе, т. е. перейдя к схеме редукторного двигателя.

 

Рис. 2.43. Схемы, иллюстрирующие положения крестообраз­ного ротора реактивного шагового двигателя при различных полярностях включения его фаз (а – в)

 

При малом шаге (5...1⁰) применяют реактивный редукторный шаговый двигатель с гребенчатыми выступами на статоре. Выпускаемые отечественной промышленностью ре­активные редукторные шаговые двигатели имеют на статоре шесть полюсных выступов с гребенчатой зубцовой зоной.

 

ДВИГАТЕЛИ С ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ (ИНДУКТОРНЫЕ)

 

По конст­руктивному исполнению и принципу работы рассматрива­емые двигатели сходны с редукторными двигателями, имею­щими радиальное возбуждение. Возбуждение может созда­ваться обмоткой постоянного тока или постоянным магни­том, находящимся на статоре, как и в редукторных двига­телях. Однако в шаговых индукторных двигателях постоянная составляющая магнитного поля обычно образуется за счет особого способа включения обмоток якоря. Например, если питать фазы обмотки якоря однополярными импульсами, то за счет постоянной составляющей тока в машине возникает неподвижное в пространстве магнитное поле, намагничива­ющее ротор. Следовательно, при соответствующей схеме питания обмоток возбуждения реактивный шаговый двига­тель может работать как двигатель с подмагничиванием.

Индукторные шаговые двигатели с подмагничиванием имеют несколько лучшие характеристики, чем реактивные: больший электромагнитный момент, лучшую устойчивость и т. п. Однако для них требуется более сложный электронный коммутатор, который загружается постоянной составляющей тока возбуждения. Наличие постоянной составляющей тока в обмотке якоря двигателя приводит к возрастанию электри­ческих потерь мощности. Максимальная частота подачи управляющих импульсов тока у двигателей с подмагничи­ванием меньшая, чем у реактивных.