Гістерезисний двигун

Робота гістерезисного двигуна полягає на дії гістерезисного моменту. Для вияснення фізичної суті виникнення цього моменту звернемося до рис.7.6, де зображені два полюси постійного магніту (поле статора); між ними розташований циліндр (ротор) з магніто-твердого матеріалу. Під дією зовнішнього магнітного поля ротор намагнічується. На стороні, поверненій до північного полюсу постійного магніта, збуджується південний полюс, а на стороні ротора, поверненій до південного полюсу постійного магніту, — північний полюс. На ротор починають діяти сили image002 напрямлені радіально до його поверхні (рис.7.6,а). Якщо полюси постійного магніта обертати навколо ротора, то внаслідок явища магнітного запізнення (гістерезиса) активна частина ротора не буде перемагнічуватися одночасно з зміною напрямку обертового магнітного поля, і між віссю поля ротора і вісюю зовнішнього поля з’явиться кут g. Сили image002[1] що діють на ротор, змінять свій напрямок також на кут g, а тангенціальні складові цих сил image004 створять момент Мг (рис. 7.6, б).

image006

Рис. 7.6. Робота гістерезісного двигуна.

Явище магнітного запізнення полягає в тому, що частинки феромагнітного матеріалу, що являють собою елементарні магніти, намагаються орієнтуватися у відповідності з напрямком зовнішнього поля. Якщо зовнішнє поле змінить свій напрямок, то елементарні частинки змінюють свою орієнтацію. Але повороту елементарних частинок перешкоджають в магніто-твердих матеріалах внутрішні сили молекулярного тертя. Для зміни напрямку цих частинок необхідна деяка МРС, внаслідок чого перемагнічування ротора дещо відстає від зміни напрямку зовнішнього поля. Це запізнення (магнітне запізнення) характеризується кутом гістерезисного зсуву g між вектором магнітного потоку ротора image008 і вектором магнітного потоку обмотки статора image010 (рис.7.6, в). Величина цього кута залежить виключно від магнітних властивостей матеріалу ротора.

На подолання сил молекулярного тертя витрачається частина підведеної потужності, яка складає так звані гістерезисні втрати. Величина цих втрат залежить від частоти перемагнічування ротора f2=f1s, а тому, від ковзання:

Рг = sРг.к, (7.6)

де Рг.к — величина гістерезисних втрат при нерухомуму роторі (при s=1), тобто в режимі короткого замикання.

Так як електромагнітна потужність, що передається ротору, рівна втратам в роторі, поділеним на ковзання:

Рем = Рг/s = Рг.к, (7.7)

а обертовий момент — електромагнітній потужності, поділену на синхронну кутову швидкість:

Мг = Рем/w1 = Рг.к/w1,

то, очевидно, величина гістерезисного моменту не залежить від частоти обертання ротора (ковзання). Графік Мг=f(s) являє собою пряму, паралельну вісі абсцис (рис.7.7).

image012

Рис. 7.7. Графік Мг=f(s)

Величина кута гістерезисного зсуву залежить від ширини петлі гістерезису: чим ширша петля гістерезису магнітного матеріалу, тим більший кут гістерезисного зсуву. На рис.7.8 представлені дві петлі гістерезису: звичайної сталі (крива 2) і сплаву вікаллой (крива 1).

image014

Рис. 7.8. Петлі гістерезісу: Рис. 7.9. Ротор гістерезісного

1) сплав вікаллою; 2) звичайна сталь. Двигуна з магніто-твердого матеріалу.

Використання звичайної сталі для виготовлення ротора не забезпечує отримання гістерезисного моменту достатньої величини. Тільки магніто-тверді матеріали, такі, як сплави типу вікаллой, дають можливість отримати великий гістерезисний момент. Ротори гістерезисних двигунів, як правило, роблять збірними. Магніто-тверда частина виконується у вигляді шихтованого або масивного кільця 1, що розташовується на втулці 2 (рис. 7.9), жорстко насаженого на вал 3.

В машинах з нешихтованим (масивним) ротором обертове поле статора наводить в роторі вихреві струми. В результаті взаємодії цих струмів з полем статора виникає електромагнітний момент Мв.с, величина якого пропорційна ковзанню:

Мв.с = sРв.с.к/w1, (7.8)

де Рв.с.к — втрати на вихреві струми в роторі при s=1, тобто в режимі короткого замикання, Вт; w1 — кутова синхронна швидкість, рад/с.

Найбільшої величини момент Мв.с.max досягне при нерухомому роторі (s=1), тобто в момент пуску електродвигуна. Потім, по мірі зростання частоти обертання (зменшення ковзання), момент Мв.с спадає (див. рис. 7.7), при синхронній частоті він стає рівним нулю.

Таким чином, електромагнітний обертовий момент гістерезисного двигуна створюється сумісною дією двох моментів: від вихревих струмів Мв.с і гістерезисного Мг:

М = Мв.с + Мг = sРв.с.к/w1 + Рг.к/w1. (7.9)

На рис.7.7 представлена залежність результуючого моменту гістерезисного електродвигуна від ковзання: М=f(s). Характер цієї кривої залежить від відношення Мв.с і Мг.

Гістерезисний двигун може працювати з синхронною і асинхронною частотами обертання. Але робота двигуна в асинхронному режимі неекономічна, так як пов’язана з значними втратами на перемагнічування ротора, величина яких збільшується з збільшенням ковзання. З приведених на рис.7.10 робочих характеристик видно, що при переході гістерезисного двигуна в асинхронний режим його ККД різко зменшується.

image016

Рис. 7.10. Робочі характеристики гістерезісного двигуна.

Переваги гістерезисних двигунів — простота конструкції і надійність в роботі, великий пусковий момент, плавність входу в синхронізм, порівняно високий ККД, безшумність в роботі, мала зміна струму від пуска до номінального навантаження (Іпускном=1,3¸1,4).

Недоліки гістерезисних двигунів — низький коефіцієнт потужності (cosj1= 0,4¸ 0,5) і порівняно висока вартість. Крім того, гістерезисні двигуни при різких коливаннях навантаження схильні до коливань, що створює нерівномірності ходу (обертання). Пояснюється це відсутністю у гістерезисних двигунів пускової клітки, яка при різких змінах навантаження чинить на ротор заспокійливу дію. Найбільш сильні коливання спостерігаються у шихтованого ротора, в якому вихреві струми сильно обмежені. Нерівномірність обертання, що викликається коливаннями, обмежує області використання гістерезисних двигунів.

Гістерезисні двигуни випускаються серійно на промислову (50 Гц) і на підвищену (400, 500 Гц) частоти в трифазному і однофазному виконаннях.

image018

Рис. 7.11. Пристрій гістерезісного двигуна.

На рис.7.11 зображений пристрій гістерезисного двигуна. В корпус 1 запресований шихтований сердечник статора 2 з обмоткою 3. Ротор двигуна збірний, він складається з магніто-твердого кільця 4, втулки 5 і вала 6. Підшипниковий щит 7 забезпечує фланцеве кріплення двигуна при його встановленні.

Васюра А.С. – книга “Електромашинні елементи та пристрої систем управління і автоматики” частина 2

Оставьте комментарий к статье