Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами

 

В схемах автоматики применяется большое количество различных типов синхронных микродвигателей с постоянными магнитами, отличающихся друг от друга по способу запуска, конструктивному исполнению, способу питания и т.п. Все синхронные двигатели с постоянными магнитами, если их классифицировать по одному из основных показателей — способу запуска, можно разделить на три группы: самозапускающиеся микродвигатели; двигатели с асинхронным пуском; двигатели с гистерезисным пуском.

Самозапускающиеся синхронные микродвигатели с постоянными магнитами находят в настоящее время очень широкое применение в схемах автоматики. Они используются для привода часовых механизмов, механизмов реле, всевозможного рода программных устройств и т. п. Номинальные мощности таких двигателей обычно не превышают долей ватта. Они имеют большое число полюсов и небольшие синхронные частоты вращения (обычно п_с = 60f/p ≤ 375 об/мин).

Двигатели часто рассчитываются на работу от однофазных сетей переменного тока. Их магнитное поле либо пульсирующее, либо резко выраженное эллиптическое (у двигателей с расщепленными экранированными полюсами). Пуск этих двигателей часто осуществляется в течение полупериода изменения тока за счет всегда существующего в синхронных двигателях пульсирующего момента. Самозапускающиеся двигатели рассчитываются либо на малоинерционную нагрузку, либо за счет специального устройства, развязывающего ротор и вал на время пуска, пускаются вхолостую, а затем нагружаются. Для обеспечения пуска таких двигателей широко используют различные устройства с пружинами, храповиками и иными приспособлениями, обеспечивающими вращение ротора в заданном направлении и блокирующими обратный ход.

Самозапускающиеся синхронные микродвигатели с постоянными магнитами обычно выпускаются плоскими, т. е. имеют относительно большой диаметр и малую длину. Их обмотка возбуждения имеет вид кольца, а магнитная цепь статора, изготовленная зачастую из одного листа стали, имеет клювообразные полюсы, расщепленные у двигателей с экранированными полюсами. КПД таких двигателей невелик — 3... 5 %. На рис. 18.9 представлена схематично конструкция одного из таких микродвигателей.

 

 

Основной массовой серией однофазных самозапускающихся синхронных двигателей с постоянными магнитами, выпускаемых в России, длительное время являлась серия ДСМ. Двигатели этой серии (рис. 18.10) рассчитаны на работу от сети с f = 50 Гц напряжением 200, 127, 36, 24, 12 В. Они выпускались как без редуктора, так и с различными понижающими механическими редукторами. Частота вращения выходного вала такого двигателя — 375 об/мин; частота вращения выходного редуктора — 60; 2; 0,2; 1/300 об/мин. Эти двигатели выпускались с правым и левым вращением вала. Мощность, потребляемая ими от сетей, не превосходила 4 Вт. Двигатели серии ДСМ выпускались в больших количествах и в настоящее время еще работают во всевозможных устройствах. Но с началом выпуска и расширением производства новых серий двигателей с лучшими показателями — ДСО, ДСОР, ДСК, ДСКР — выпуск двигателей серии ДСМ сокращается.

 

 

Тихоходные однофазные микродвигатели типов ДСО (двигатели синхронные однофазные) — это многополюсный двигатель, рассчитанный для работы от однофазных сетей переменного тока с частотой 50 или 60 Гц, с надежными однонаправленными пуском и вращением, предназначенный для работы в различных промышленных и бытовых приборах.

Конструкция двигателя типа ДСО-32 (рис. 18.11) весьма проста и технологична. Статор состоит из намотанной в виде кольца катушки 7, залитой и соответствующим образом отформованной литьевой пластмассой. Отформованная катушка 7 является основой двигателя. Справа и слева к катушке прилегают магнитопро-воды 4, имеющие по восемь клювообразных полюсов 6 определенной длины, направленных аксиально и полученных путем неполной выштамповки и отгибки пластин 10 правого и левого магнитопроводов. При этом полюсы одного магнитопровода располагаются между полюсами другого магнитопровода. Магнитопро-воды одновременно служат подшипниковыми щитами. В их центральных отверстиях располагаются подшипники скольжения 2, изготовленные путем заливки из литьевого сополимера. Медные пластины 3 особой конфигурации, прилегающие изнутри к правому и левому магнитопроводам (по две штуки к каждому), экранируют определенную часть полюсов статора, выполняя роль короткозамкнутых витков, что обеспечивает при питании катушки статора переменным током через зажимы 9 создание вращающегося в пространстве магнитного поля (не кругового, а эллиптического).

 

 

Магнитный поток, созданный обмоткой статора, замыкаясь вокруг нее, проходит по левому магнитопроводу, его клювооб-разным полюсам, цилиндрическому магниту 8 ротора, клювооб-разным полюсам правого магнитопровода, правому магнитопроводу и замыкается на внешнем магнитопроводе, соприкасающемся с левым и правым магнитопроводами.

Цилиндрический ротор двигателя состоит из кольцевого ферри-то-бариевого магнита 8марки МШИ, впрессованного литьевым сополимером на стальном валу 1. Цилиндрический магнит ротора имеет 16 полюсов, полученных путем радиального намагничивания.

Двигатель имеет закрытое исполнение с одним выходным концом вала. Подшипниковые щиты, которыми являются торцевые маг-нитопроводы, и внешний магнитопровод закрепляются на основной части двигателя — катушке, залитой пластмассой, с помощью цилиндрических пластмассовых выступов (шпилек) 5, концы которых после сборки двигателя оплавляются. Конструкция двигателя весьма технологична, что очень важно при массовом производстве. Двигатели ДСО-32 выпускаются на номинальные напряжения 12, 24, 40, 110 (127), 220 В. Для работы при напряжениях свыше 220 В рекомендуется включать последовательно с двигателем гасящие напряжение элементы (резисторы или конденсаторы). Режим работы двигателей серии ДСО продолжительный или повторно-кратковременный с частыми пусками, когда продолжительность включения составляет до 60 % от общего времени работы, а частота включения — до 3600 включений в час. Направления вращения — левое или правое в зависимости от исполнения. Двигатели ДСО-32 выпускаются и для работы от сети с частотой 60 Гц. В этом случае они имеют маркировку ДСО-32-0,08-0,450.

Маркировка ДСО-32Р означает, что к двигателю типа ДСО-32 присоединен понижающий механический редуктор, имеющий определенное передаточное число.

Конденсаторные тихоходные двигатели типов ДСК и ДСКР разработаны взамен устаревших двигателей типов ДСД, ДСДР.

 

 

Рассмотрим устройство и принцип работы базового конденсаторного двигателя ДСК-32-0,25-0,375, схема которого приведена на рис. 18.12. Цифры в маркировке двигателя означают: 32 — наружный диаметр, мм; 0,25 — пусковой и номинальный моменты, Н-см; 0,375 — частота вращения, тыс. об/мин. Статор имеет два одинаковых модуля I и II, представляющих собой две независимые одинаковые по конструкции фазные системы, каждая из которых состоит из внешнего 6 и внутреннего 9 одинаковых по конструкции штампованных магнитопроводов, имеющих чашеобразную форму, и сосредоточенной обмотки, выполненной в виде кольцевой каркасной катушки 8, размещенной между внешним и внутренним магнитопроводами. Кольцевой каркас катушки выполнен из литьевого сополимера типа дифлон. Внешние 6 и внутренние 9 магнитопроводы каждого модуля выполнены штамповкой из стали марки П-ВГ-08КП. Магнито-провод изолирован от катушки изоляцией 7. Аксиальному перемещению ротора препятствует пружина 3.

Полюсная система внешних и внутренних магнитопроводов статора состоит из 16 клювообразных полюсов 10 чередующейся полярности, равномерно расположенных по окружности. Формирование полюсов 10 обеспечивается путем просечек при штамповке листовой заготовки и последующей отгибки полюсов под углом 90° к торцевым частям внешних и внутренних магнитопроводов.

Передний и задний подшипниковые щиты 5 двигателя имеют форму дисков с отверстиями в центральной части, в которых из литьевого сополимера типа СФД или полиамида формируются подшипники скольжения 2. Подшипниковые щиты и внешние магнитопроводы механически скрепляются между собой точечной сваркой. Также точечной сваркой скрепляются между собой внутренние магнитопроводы модулей, предварительно сдвинутые между собой на 90° (электрических).

Ротор двигателя состоит из кольцевого ферритобариевого постоянного магнита 4 марки ФБИ-la, который опрессован полиамидом 77 на валу 7. Магнит 4 ротора намагничен в радиальном направлении и имеет 16 неявновыраженных полюсов чередующейся полярности.

Частота вращения ротора базового двигателя 375 или 450 об/мин при частотах питающего напряжения соответственно 50 или 60 Гц. Базовый электродвигатель имеет различные исполнения на напряжения 12, 24, 110, 127, 220 В, которые отличаются друг от друга лишь числом витков обмотки статора.

Наряду с возможностью работы от двухфазной симметричной сети (со сдвигом напряжений фаз во времени на четверть периода — 90°) базовый двигатель ДСК-32-0,25-0,375 предназначен для работы от однофазной сети с постоянно включенным последовательно с одной из его фаз (обмоток) конденсатором. При этом для номинальных напряжений сети 12, 24 и 40 В используется схема с параллельным включением обмоток, а для напряжений ПО В и выше — с последовательным. Реверс двигателя достигается посредством переключения конденсатора из цепи одной обмотки в цепь другой.

На базе двигателя ДСК-32-0,25-0,375 разработана серия однофазных реверсивных конденсаторных тихоходных синхронных двигателей с механическими редукторами типа ДСКР-32, которые работоспособны в условиях воздействия вибрационных и ударных нагрузок. Серии двигателей ДСК-32 и ДСКР-32 имеют 180 исполнений, в том числе различные климатические.

Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском отличаются от других типов синхронных двигателей с постоянными магнитами наличием на роторе короткозамкнутой обмотки типа беличьей клетки, предназначенной, во-первых, для пуска двигателя, во-вторых, для стабилизации его частоты вращения — демпфирования качаний ротора при резких изменениях нагрузки.

 

 

В последнее время наибольшее распространение получили синхронные двигатели двух конструктивных исполнений: с радиальным (рис. 18.13, 18.14) и аксиальным расположениями постоянного магнита и пусковой короткозамкнутой обмотки.

Статоры двигателей обоих конструктивных исполнений ничем не отличаются от статоров обычных синхронных и асинхронных машин. В пазах шихтованных статоров располагаются трехфазные или двухфазные обмотки переменнбго тока. Роторы двигателей сочетают в себе элементы синхронного двигателя — постоянные магниты и асинхронного двигателя — короткозамкнутую обмотку, выполненную в виде беличьей клетки, располагающуюся в пазах.

 

 

Двигатели с радиальным расположением постоянного магнита и пусковой обмотки имеют кольцевой пакет стали ротора, напрес-сованый на постоянный магнит-звездочку, в пазах которого располагается короткозамкнутая обмотка. В стали магнитопровода ротора имеются междуполюсные прорези, размеры которых выбираются из условия хорошего асинхронного пуска и оптимального использования энергии постоянного магнита в синхронном режиме, т. е. из условия уменьшения потока рассеяния магнита. Пакет стали ротора с короткозамкнутой обмоткой предохраняет магнит от размагничивания в режиме пуска (короткого замыкания).

С целью предохранения магнита от размагничивания, а также увеличения асинхронного момента, необходимого для пуска, междуполюсную прорезь желательно выбирать минимально возможной. Исследования показывают, что оптимальный размер прорези увеличивается с увеличением мощности двигателя. Иногда с целью улучшения пусковых свойств двигателя и увеличения механической прочности его ротора между полюсными наконечниками оставляют небольшие перемычки — мостики насыщения (см. рис. 18.14).

 

 

Синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском в ряде случаев имеют существенные преимущества по сравнению с синхронными реактивными и гистерезисными двигателями: более высокие энергетические показатели — КПД и cos φ (рис. 18.15); большую удельную мощность P_s — мощность на единицу массы (особенно при мощностях в десятки и сотни ватт и большом числе пар полюсов); повышенную перегрузочную способность, стабильность частоты вращения; хорошую синфазность вращения, что часто требуется в групповых приводах. В некоторых системах автоматики применяются синхронные микродвигатели с постоянными магнитами и гистерезисным пуском.