Специальные синхронные двигатели.

В автоматике используется СД малой мощности, от 0,1 до 500 Вт, Есть различные типы СД: редукторные, гистерезисные, бесконтактные, различные виды шаговых двигателей.

Гистерезисные двигатели

Гистерезисным двигателем называется синхронный двигатель, в котором вращающий момент создается за счет явления гистерезиса при перемагничивания ферромагнитного материала ротора. Статор гистерезисного двигателя подобен статору обычной машины переменного тока.

Рис. 94. Ротор гистерезисного двигателя и схема возникновения гистерезисного момента..

Ротор представляет собой стальной цилиндр из ферромагнитного магнитотвердого материала (имеющего широкую петлю гистерезиса) без обмотки. С целью удешевления ротор делают сборным: кольцо из ферромагнитного материала и немагнитная или магнитомягкая втулка (рис.94)

В гистерезисном двигателе ротор, вращающийся с синхронной скоростью, представляет собой постоянный магнит. Так как ротор выполнен из магнита твердого материала, то элементарные магнитики перемагничиваются не мгновенно, а с отставанием из-за гистерезиса, это и создает гистерезисный момент. Ось магнита из-за явления гистерезиса отстает от оси вращающегося магнитного поля на угол θ_г гистерезисного сдвига, вследствие чего возникает тангенциальная составляющая f_г сил взаимодействия между полюсами ротора и потоком статора. Величина силы f_г и создаваемый ею момент не зависят от скорости вращения, а определяются шириной петли гистерезиса ферромагнитного материала.

Если нагрузочный момент больше М_г, то двигатель перейдет в асинхронный режим работы, т.е. появится дополнительный асинхронный момент М_а. Движущий момент ротора создается двумя составляющими: моментом вихревых токов и гистерезисным моментом. Рис. 95.

Рис. 95.Механическая характеристика гистерезисного двигателя.

Асинхронный момент М_а есть результат взаимодействия вращающегося магнитного поля с вихревыми токами, которые индуктируются этим полем в сердечнике ротора. Т к. ротор имеет большое активное сопротивление, то характеристика М_а=f(s) практически линейна и асинхронный гистерезисный момент максимален при s=1.Рис. 95.

,

где П_2Н - потери на перемагничивание ротора при неподвижном роторе; П_вихр.Н - потери на вихревые токи при неподвижном роторе;

Двигатель используется в приводах небольшой мощности до 2000 Вт, частота f=50, 400 и 500 Гц.

Достоинства гистерезисного двигателя: простота, надежность, плавность входа в синхронизм, значительный пусковой момент, бесшумность, малый пусковой ток, сравнительно высокий КПД (до 60%).

Недостатки: дороговизна, склонность к качаниям при резких изменениях нагрузки, значительный нагрев ротора.

Шаговые двигатели

Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи. Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота.

Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.

Шаговые двигатели различаются по числу фаз и типу магнитных системна ШД с активным ротором (с постоянными магнитами), ШД реактивного типа и индукторные.

Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.

1 .Шаговые двигатели с активным ротором. В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления. Ротор обычно представляет собой многополюсную звездочку из специального сплава. Есть варианты двух-, трех- и четырехфазных двигателей. Трехфазные двигатели имеют лучшие динамические характеристики и более равномерный ход. Управление ШД производится однополярными импульсами, поочередно подаваемыми на обмотки статора. Каждый импульс вызывает поворот ротора на единичный шаг.

Рассмотрим принцип действия простейшего двухфазного двухполюсного ШД с активным ротором в виде постоянного магнита. При включении фазы под постоянное напряжение (условно положительной полярности) вектор намагничивающей силы НС статора совпадет с осью фазы А. В результате взаимодействия НС статора с полем постоянного магнита ротора возникнет синхронизирующий момент М_с = M_maxsinq, где q - угол между осью ротора и вектором НС. Рис. 96.

При отсутствии тормозного момента ротор займет положение, при котором его ось совпадет с осью фазы А (рис. 96, первый такт). Если теперь отключить фазу А и включить фазу В, вектор НС и ротор повернуться на 90^о(второй такт). При включении фазы А на напряжение обратной полярности (третий такт) НС и ротор повернутся еще на 90^о и т.д.

Если к ротору ШД приложен момент нагрузки, то при переключении фаз ротор будет отставать от вектора НС на некоторый угол q_н = arcsin(M_н/M_max).

Рис. 96. Принцип работы ШД.

В зависимости от типа электронного коммутатора управление ШД может быть:

· ·одноплярным или разнополярным;

· ·симметричным или несимметричным;

· ·потенциальным или импульсным.

При однополярном управлении напряжение каждой фазе изменяется от 0 до +U, а при разнополярном – от -U до +U.

Управление называется симметричным, если в каждом такте коммутации задействуется одинаковое число обмоток, и несимметричным – если разное.

При потенциальном управлении напряжение на обмотках изменяется только в моменты поступления управляющих импульсов. При отсутствии управляющего сигнала обмотка или группа обмоток находятся под напряжением, а положение ротора фиксируется полем обмоток. При импульсном управлении напряжение на обмотки подается только на время отработки шаг, после чего оно снимается и ротор удерживается в заданном положении либо реактивным моментом, либо внешним фиксирующим устройством.

В двухполюсной машине число устойчивых положений в пределах одного оборота ротора n при разных способах коммутации может быть  равно1, 2, 4m, где m - число фаз: В многополюсных ШД число устойчивых положений возрастает пропорционально числу пар полюсов р.

Одним из определяющих параметров ШД является шаг ротора, т.е. угол поворота ротора, соответствующий одному управляющему импульсу (угол между двумя соседними устойчивыми состояниями): a = 360/pn.

ШД с активным ротором удается выполнить с шагом до 15^о. Дальнейшее уменьшение шага ограничено технологическими трудностями создания ротора в виде постоянного магнита с числом пар полюсов больше шести.

2. Реактивные шаговые двигатели. Гораздо более мелкий шаг (до долей градуса) можно получить в реактивных редукторных ШД. Редукторные ШД выполняются с числом фаз m = 2¸4. Они имеют ферромагнитный зубчатый ротор с равномерно расположенными z_p зубцами и гребенчатые зоны статора, смещенные относительно друг друга на угол 2p/(mz_p) рис.97. Число пазов статора и ротора, их геометрические размеры выбираются такими, чтобы обеспечить необходимую величину шага и синхронизирующего момента при заданном виде коммутации токов.

Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и у обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя. Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.

Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. При большом числе зубцов ротора Z_р его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора. Величина углового шага редукторного шагового двигателя определится выражением: a = 360/Z_p. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.

Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. совмещают преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага).

Рис. 96. Конструкция реактивного ШД.

Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.

3. Режимы работы ШД.

1. Статический режим – это режим, при котором ротор фиксируется в одной из позиций, а по обмоткам статора протекает постоянный ток, создающий неподвижное в пространстве магнитное поле.

2. Квазистатический режим – это режим отработки единичных шагов, при котором переходные процессы от предыдущего такта коммутации полностью затухли и скорость ротора в начале следующего шага равна нулю.

3. Установившийся режим – это режим, соответствующий постоянной частоте следования управляющих импульсов. При частоте управляющих импульсов f₁, меньшей частоты собственны колебаний двигателя f₀, движение ротора носит колебательный характер, что увеличивает динамическую ошибку при отработке заданного перемещения. При частоте управляющих импульсов f₁ = f₀/k, где k – целое число, возникает явление электромеханического резонанса, которое при слабом демпфировании колебаний может привести к нарушению нормального движения ротора и выпадению его из синхронизма. При f₁ > f₀ имеют место вынужденные колебания с частотой управляющих импульсов; амплитуда их монотонно уменьшается с увеличением частоты.

4. Переходный режим - это основной эксплуатационный режим работы ШД. Он включает в себя пуск, реверс, торможение, переход с одной управляющей частоты на другую. Основное требование к ШД в переходных режимах заключается в отсутствии потери шага, т.е. сохранение синхронизма при любом характере изменения управляющих импульсов.

Предельная механическая характеристика – это зависимость допустимого момента сопротивления от частоты управляющих импульсов в установившемся режиме работы (рис.97). С ростом частоты сказывается запаздывание в нарастании тока, обусловленное индуктивностью обмоток. При некоторой предельной частоте момент двигателя становится равным нулю. Предельную механическую характеристику рассматривают обычно при f>f_0.

Рис. 97. Механические характеристики ШД

Максимальная частота управляющих импульсов, при которой возможен пуск без потери шага, называется частотой приемистости f_пр. Частотаприземистости является важным показателем переходного режима ШД Частота приемистости растет с увеличением максимального синхронизирующего момента, уменьшением шага, снижением постоянной времени обмоток, нагрузки и момента инерции. Для современных ШД f_пр = 100¸1000 Гц.

Предельная динамическая характеристика – зависимость частоты приемистости от момента сопротивления и момента инерции нагрузки. Такие характеристики называются предельными динамическими характеристиками пуска. Существуют также предельные динамические характеристики реверса и торможения