Гистерезисный двигатель принцип работы

• Синхронные гистерезисные двигатели
• Примеры решения, формулы и задачи

Синхронные гистерезисные двигатели. Существенные недостатки синхронных реактивных двигателей-большие габариты и масса на единицу эффективной мощности, низкие значения КПД и коэффициента мощности-ограничивают их применение в схемах автоматики. Поэтому в последние годы его часто заменяют синхронным гистерезисным двигателем. Под гистерезисным двигателем понимается двигатель с цилиндром или дисковым Ротором, выполненным из жесткого магнитного материала без обмоток. Крутящий момент, создаваемый гистерезисом при намагничивании стали Ротора, называется гистерезисом. По своему расположению эти двигатели мало чем отличаются от асинхронных двигателей с большими ферромагнитными роторами. Рис. 14.13.Сборный Ротор гистерезисного двигателя.

Трехфазная или двухфазная (конденсаторный вариант) обмотка помещается в неподвижный или полузакрытый слот статора. Людмила Фирмаль

• Ротор представляет собой магнитотвердый материал с большой остаточной индукцией и широкой петлей гистерезиса, с большей массой или собранный в sheet. To за исключением дорогих магнитотвердых материалов, Ротор часто состоит из втулки/(рис. 14.13) и огромного или сильно нагруженного кольца 2 на внешней стороне магнитотвердого материала. Воздушный зазор между статором и Ротором является равномерным и выбирается как можно ниже, чтобы уменьшить ток намагничивания. Возникновение гистерезисных моментов можно объяснить следующим образом: Представьте себе магнитное поле статора в виде 2 неподвижных полюсов магнита(рис.14.14).

Ферромагнитный Ротор, помещенный в это поле, намагничивается. Все базовые магниты намагниченного Ротора расположены вдоль магнитного поля статора(на рисунке 14.14 для наглядности показаны только 2 базовых Магнита).

В результате взаимодействия магнитного поля полюса статора с базовым магнитом Ротора появляется только радиальная сила, притягивающая Ротор к полюсу статора, и не возникает крутящего момента.

Здесь, например, если вы начнете вращать постоянный магнит по часовой стрелке, базовый Магнит Ротора будет вращаться в том же направлении.

Однако в материалах с широкими петлями гистерезиса из-за большего молекулярного трения он несколько отстает от магнитного поля вращающихся полюсов статора. Поле Ротора Рисунок 14.14.To дано описание природы гистерезисного момента. Сумма всех базовых магнитов поворачивается на угол O относительно полюса статора (рис.14.14.6).

Курсовая электрические машины

Примеры решения, формулы и задачи

Решение задач	Лекции
Расчёт найти определения	Учебник методические указания

• Это приводит к силе взаимодействия 0 и тангенциальной составляющей между магнитом элемента и полем статора, в дополнение к радиальной составляющей C} n = C}. 2 / = 2W 0 Касательная составляющая создает гистерезисный момент Mg = SFgr 1 sr 0, (14.10） Здесь P это N. S статор; F2-результирующий поток Ротора. При асинхронном вращении ротора реверсирование намагничивания приводит к потерям из-за гистерезиса и вихревых токов. Потери из-за гистерезиса пропорциональны частоте перемагничивания / 2 = M*, а вихревой ток пропорционален 2-мощности этой частоты、 Prg = Pr + Pb-5rg (a-1) H «52P P(5 = 1)» (14.1 1） Где Pr (a-1) и PB (n = 1) гистерезис и потери от вихря. Течение используя фикчированный Ротор. Как известно, электромагнитная сила Штосселя, передаваемая от статора к Ротору в асинхронном режиме работы двигателя, составляет、 п L> m = P B(5 = 1> *(14.12） Пять И электромагнитный момент двигателя * —V » 1?+5 «Ig = «’ + » * ■ / 4ЛЗ> Где A1G = Mv = P r (^ = 1） —Момент гистерезиса. $ Рив =а Момент от вихревых токов.

Природа момента MW такая же, как и у асинхронного двигателя с большим ферромагнитным Ротором. Это происходит за счет взаимодействия магнитного поля машины с вихревыми токами Ротора. Для синхронной частоты вращения ротора (5 = 0) этот момент равен нулю.

Максимальным значением МВ из-за большого сопротивления Ротора будет начальный период активации(5 = 1). Из уравнения (14.13) видно, что величина гистерезисного момента определяется величиной гистерезисной потери, если она не зависит от скольжения 5 и, следовательно, не зависит от частоты вращения ротора и Ротор неподвижен.

Максимальное значение гистерезисного момента получается при изготовлении ротора с широкой петлей гистерезиса из магнитотвердого материала. Людмила Фирмаль

• В современных сплавах типа «викалла» она (рис.14.15, кривая 2) близка к идеальной, прямоугольной (кривая/).Поскольку обычная электрическая сталь используется в узких петлях гистерезиса (кривая 3), она не создает достаточного количества моментов гистерезиса при изготовлении сердечников роторов. В синхронном режиме гистерезисного двигателя действует только момент Mg, так как намагничивание Ротора, которое осуществляется магнитным полем статора, сохраняется за счет большой остаточной индукции. Поэтому гистерезисные двигатели аналогичны синхронным двигателям с обычными постоянными магнитами. киловольт Г ’ У * Один @ Один / * 1 ТДж // g / #11 //! /! / 1-1 / 1-1 / I / y 1 | // 1 11 II 11/1 （] // ] R ^ / 1 y 1 На рисунке 14.16 показаны механические свойства гистерезисного двигателя с последовательностью n = {(Mg Mn).

Гистерезисный двигатель принцип работы

• Преимущества и недостатки
• Выпускаемые серии

Самозапускающийся синхронный реактивно-гистерезисный двигатель с редуктором был изобретен в 1916 г. Г.Е.

Уорреном (Henry Ellis Warren).

Данные электродвигатели выполнялись маломощными и широко применялись до недавнего времени для привода программных и временных механизмов (лентопротяжные механизмы, реле времени, электрические часы и т.п.).

• Реактивно-гистерезисный двигатель
• Ротор с редуктором электродвигателя Уоррена

Конструкция реактивно-гистерезисного электродвигателя

Синхронный реактивно-гистерезисный двигатель, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

Статор однофазного реактивно-гистерезисного электродвигателя подобен статору однофазного асинхронного электродвигателя с экранированными полюсами и имеет шихтованный двухполюсный сердечник с явно выраженными полюсами. Для упрощения установки однофазной обмотки сердечник статора выполняют разборным, состоящим из двух половин.

Полюсы сердечника статора оканчиваются полюсными наконечниками. Каждый полюс разделен на две равные части продольным пазом, на одной из частей расположены короткозамкнутые медные экранирующие витки , обеспечивающие получение в однофазном двигателе вращающегося магнитного поля [2].

Двигатели с экранированными полюсами нереверсивны — ротор всегда вращается только в одну сторону — от неэкранированной части полюса статора к экранированной.

Ротор включает две или более пластин (дисков) толщиной по 0,4 мм из закаленной магнитотвердой стали. Для создания гистерезисного момента выбирается сталь с большим остаточным намагничиванием. Пластины имеют форму колец с перемычками.

Магнитное сопротивление ротора в направлении перемычек меньше, и поэтому магнитные проводимости по продольной xd и поперечной осям xq не равны, что обеспечивает получение на роторе еще и реактивного момента. Кольцевой обод на пластинах ротора обеспечивает получение асинхронного и гистерезисного моментов. Ротор закреплен на валу с помощью прорезей в перемычках пластин.

Вал электродвигателя связан с редуктором, понижающим частоту вращения и увеличивающим вращающий момент. Ротор с редуктором помещен в герметичный корпус из немагнитного металла.

Принцип работы синхронного реактивно-гистерезисного двигателя

В реактивно-гистерезисном электродвигателе создается три электромагнитных вращающих момента. При пуске двигателя на ротор действуют вихревой и гистерезисный моменты.

При этом магнитный гистерезис стального ротора снижает КПД двигателя, но значительно увеличивает пусковой момент.

После пуска ротор втягивается в синхронизм и вращается с неизменной синхронной частотой под действием реактивного и гистерезисного моментов.

Преимущества и недостатки

Синхронные реактивно-гистерезисные двигатели Уоренна при сравнительно больших габаритных размерах и массе имеют низкие энергетические показатели (КПД и cosφ). Однако они широко применялись в автоматических устройствах благодаря простоте конструкции, технологичности и возможности работы от однофазного питания.

Серии однофазных реактивно-гистерезисных двигателей

Промышленностью СССР изготавливались однофазные синхронные реактивно-гистерезисные двигатели серий ДСД и ДСДР.

Для возможности осуществления реверса в двигателях серии ДСДР на полюсах статора вместо короткозамкнутых витков расположены четыре катушки, по две на каждом полюсе на обеих его половинах. Концы катушек выведены на клеммную колодку.

Замыкая ту или иную пару катушек, осуществляется изменение направления вращения электродвигателя. Механическая мощность таких двигателей не превышает 14 мкВт [2].

Принцип действия гистерезисных двигателей

Гистерезисный двигатель имеет статор обычной электрической машины переменного тока с распределенной в пазах обмоткой. Ротор выполнен из магнитно-твердого материала в виде пустотелого цилиндра (гистерезисного слоя) без явно выраженных полюсов и какой-либо обмотки.

Природа электромагнитного момента ГД связана с гистерезисом материала активной части ротора — гистерезисным слоем (ГС).

Сущность явления магнитного гистерезиса заключается в отставании изменения магнитной индукции В в магнитно-твердом материале ротора от изменения напряженности Н внешнего намагничивающего поля статора.

Причинами магнитного гистерезиса являются следующие необратимые процессы: рост объемов доменов с намагниченностью, ориентированной наиболее близко к направлению внешнего поля за счет объема соседних доменов (процесс смещения границ) и изменение направления спонтанной намагниченности отдельных доменов или всего кристалла в целом путем поворота вектора намагниченности (процессы вращения).

Читать еще:  Что такое самолетный двигатель

Ротор ГД намагничивается непосредственно полем статора, поскольку в нем используются магнитно-твердые материалы с низкими значениями Нс.

Материал ротора ГД обладает заметным гистерезисом, поэтому при повороте вектора ЭДС статора на некоторый угол намагниченные домены ротора сохраняют свою ориентацию от предварительного намагничивания, и именно в силу гистерезиса материала появляется пространственный угол рассогласования между осями полей статора и ротора, обуславливающий возникновение тангенциальной составляющей силы, создающей вращающий момент. При дальнейшем смещении вектора внешнего магнитного поля вектор поля ротора движется синхронно с вектором поля статора, отставая от последнего на постоянный угол, зависящий от материала ротора и уровня внешнего поля. Если намагни¬ченность ротора представить эквивалентными полюсами, то в ГД полюса намагниченности ротора скользят относительно его тела. Если вращающий момент превосходит момент сопротивления Мс, ротор ГД приходит в движение и разгоняется за счет избыточного момента до синхронной частоты вращения. В процессе разгона ротор перемагничивается так же, как и в асинхронном двигателе с частотой, пропорциональной скольжению S тела ротора относительно поля статора по симметричной петле гистерезиса. Перемагничивание сопровождается выделением потерь в роторе — потерь на гистерезис.

Зависимости между изменениями напряженности и индукции соответственно во времени для какого-либо элемента ротора называют петлей перемагничивания (гистерезиса), а в пространстве по расточке ротора с координатой у — петлей распределения. В режиме запуска ГД петли перемагничивания и распределения по форме совпадают.

Так как потери на гистерезис определяются только квадратами B и H и не зависят от частоты перемагничивания, то в запуске гистерезисный двигатель (ГД) развивает при любых скольжениях S одинаковый максимальный электромагнитный момент Мэм, пропорциональный энергии гистерезисных потерь за один цикл перемагничивания (т.е. пропорциональный площади соответствующей петли гистерезиса). В этом случае пусковой момент и момент входа в синхронизм одинаковы.

С достижением синхронной частоты вращения S =0 перемагничивание ГС прекращается, снижается развиваемый электромагнитный момент, и ротор аналогично магнитоэлектрическому ЭД, поворачивается в поле статора с уменьшением угла рассогласования.

В зависимости от назначения, от предполагаемых режимов и условий работы, от типа питания и т. д., все электродвигатели можно классифицировать по нескольким параметрам: по принципу получения рабочего момента, по способу работы, по роду тока питания, по способу управления фазами, по типу возбуждения и т. д. Давайте же рассмотрим классификацию электродвигателей более подробно.

Возникновение вращающего момента

Вращающий момент в электродвигателях может быть получен одним из двух способов: по принципу магнитного гистерезиса либо чисто магнитоэлектрически.

Гистерезисный двигатель получает вращающий момент посредством явления гистерезиса во время перемагничивания магнитно-твердого ротора, в то время как у магнитоэлектрического двигателя вращающий момент является результатом взаимодействия явных магнитных полюсов ротора и статора.

Магнитоэлектрические двигатели по праву составляют сегодня львиную долю всего обилия электродвигателей, применяемых в очень многих областях. Они подразделяются по роду питающего тока на: двигатели постоянного тока, двигатели переменного тока и универсальные двигатели.

Читать еще:  5vz двигатель технические характеристики

В отличие от магнитоэлектрического двигателя, в гистерезисном двигателе допускается перемещение намагниченности ротора относительно его геометрических осей, и именно данная особенность не позволяет распространять на синхронный режим работы гистерезисного двигателя общие закономерности магнитоэлектрического преобразования.

Двигатели постоянного тока

У двигателя, который питается постоянным током, за переключение фаз отвечает сам двигатель. Это значит, что хотя на электрическую машину и подается постоянный ток, тем не менее, благодаря действию внутренних механизмов устройства, магнитное поле оказывается движущимся и становится в состоянии поддерживать вращающий момент ротора (как будто в обмотке статора действует переменный ток).

По способу создания движущегося магнитного поля, двигатели постоянного тока подразделяются на вентильные (бесколлекторные) и коллекторные.

Бесколлекторные двигатели имеют в своей конструкции электронные инверторы, которые и осуществляют переключение фаз.

Коллекторные же двигатели традиционно оснащены щеточно-коллекторными узлами, которые призваны чисто механически синхронизировать питание обмоток двигателя с вращением его движущихся частей.

Возбуждение коллекторных двигателей

Коллекторные двигатели по способу возбуждения бывают следующих видов: с независимым возбуждением от постоянных магнитов или от электромагнитов, либо с самовозбуждением.

Двигатели с возбуждением от постоянных магнитов содержат магниты на роторе.

Двигатели с самовозбуждением имеют на роторе специальную якорную обмотку, которая может быть включена параллельно, последовательно или смешано со специальной обмоткой возбуждения.

Двигатель пульсирующего тока

На двигатель постоянного тока похож двигатель пульсирующего тока. Отличие заключается в наличии шихтованных вставок на остове, а также дополнительных шихтованных полюсов. Кроме того, у двигателя пульсирующего тока имеется компенсационная обмотка. Применение такие двигатели находит в электровозах, где они обычно питается выпрямленным переменным током.

Двигатель переменного тока

Двигатели переменного тока, как ясно из названия, питаются током переменным. Бывают они синхронными и асинхронными.

У синхронных двигателей переменного тока магнитное поле статора движется с той же угловой скоростью, что и ротор, а у асинхронных всегда есть некое отставание (характеризующееся величиной скольжения s) — магнитное поле статора в своем движении как бы опережает ротор, который в свою очередь все время стремится его догнать.

Синхронные двигатели больших мощностей (мощностью в сотни киловатт) имеют на роторе обмотки возбуждения. Роторы менее мощных синхронных двигателей оснащены постоянными магнитами, которые и образуют полюса. Гистерезисные двигатели тоже в принципе относятся к синхронным.

Шаговые двигатели — это особая категория синхронных двигателей с высокой точностью управления скоростью вращения, вплоть до дискретного счета шагов.

Вентильные синхронные реактивные двигатели получают питание через инвертор.

Асинхронные двигатели переменного тока отличаются тем, что у них угловая скорость вращения ротора всегда меньше чем угловая скорость вращения магнитного поля статора. Асинхронные двигатели бывают однофазными (с пусковой обмоткой), двухфазными (к ним относится и конденсаторный двигатель), трехфазными и многофазными.

Универсальные коллекторные двигатели

Универсальный коллекторнй двигатель может работать хоть от постоянного, хоть от переменного тока (50 Гц).

Имеет последовательное возбуждение, используется в бытовых электроприборах, где требуется скорость вращения более высокая чем максимальные для обычных двигателей переменного тока 3000 об/мин.

Как правило, мощность таких двигателей не превышает 200 Вт. Встречается тиристорное управление скоростью вращения универсального двигателя.

Усовершенствованная разновидность универсального двигателя — синхронный двигатель с датчиком положения ротора, где роль коллектора выполняет электронный инвертор.

Ранее ЭлектроВести писали, что а мериканский стартап Malta получил $26 млн на создание системы хранения избыточной возобновляемой энергии в отдельных емкостях с расплавленной солью и жидкостью, подобной антифризу. Разработку поддержал фонд Breakthrough Energy Ventures, инвесторами которого являются Джефф Безос и Майкл Блумберг, а председателем Билл Гейтс.

Читать еще:  Чем очистить двигатель днепр

Синхронные двигатели малой мощности (микродвигатели)

В чем основное отличие синхронных двигателей малой мощности (микродвигателей) от асинхронных моторов?

• Их ротор является магнитом или электромагнитом малой мощности, а у маломощных агрегатов он не имеет обмотки возбуждения и щеток.
• Токовая фаза может заметно опережать фазу напряжения.
• Частота вращения постоянна и не зависит от нагрузки.

В целом на ротор из твердых магнитных материалов однократно воздействуют сильным импульсным полем, намагничивая его. Намагниченность полюсов сохраняется надолго.

Если магнит изготовлен из мягкого материала, ротору придается соответствующая форма для того, чтобы магнитопровод обладал разным радиальным магнитным сопротивлением.

Двигатели с постоянным магнитом имеют цилиндрический ротор из твердого магнитного материала. Их стартовая обмотка коротко замкнута.

Принципы работы синхронных двигателей малой мощности (микродвигателей)

При запуске такой двигатель действует по принципу асинхронного, возбуждаясь от поля постоянных магнитов в крутящемся роторе. Из-за этого в обмотке статора возникает эдс с непостоянной частотой. Она создает токи, вызывающие тормозящий момент.

Достигнув скорости синхронизма, двигатель перестает быть в асинхронном состоянии, после чего входит в свой обычный режим синхронизма с соответствующей скоростью.

Такие синхронные двигатели малой мощности (микродвигатели) используются в фототехнике, бытовых устройствах, часовых механизмах, в автоматике и т.д.

Синхронный реактивный мотор

Он оснащен равнополюсным ротором. Имеет стартовую обмотку и изготавливается из особой листовой стали. Короткозамкнутой обмоткой является заливка алюминиевым или другим диамагнетиком.

Мощность этих моторов обычно не превышает 100Вт, в целом, она в 2-3 раза ниже мощности двигателей с неизменными магнитами (хотя они проще в исполнении и дешевле). КПД от 0,35 до 0,4, а максимальный мощностной коэффициент – 0,5.

Реверсивные синхронные двигатели

Четыре катушки на обеих частях расщепленных полюсов заменяют у них короткозамкнутые витки. Закоротив одну из пар, достигают вращения вала в нужную сторону.

Синхронные гистерезисные моторы

Их роторы изготовлены из магнитотвердого сплава с широкой гистерезисной петлей, и их намагничивает вращающееся магнитное поле статора. Они могут действовать как синхронным, так и асинхронным способом.

Для них характерны:

• очень высокий пусковой момент;
• токовая конфигурация порядка 20-30% при переходе с холостого хода в режим КЗ;
• плавный вход в режим синхронизма.

Двигатели этого типа выгодно отличаются от реактивных простотой конструкции, надежностью и маломощностью в работе, а также небольшим размерам и весом. Их выпускают и на 50 герц, и на другие частоты. Обладая мощностью не более 400Вт, они бывают одно- и двухскоростными.

Реактивно-гистерезисные двигатели

Их статор явнополюсного типа находится внутри обмоточного каркаса. Продольный паз разрезает два полюса на магнитопроводе на одинаковые части. Редуктор соединяет выходной вал с ротором и уменьшает скорость вала до нескольких сот или десятков оборотов в минуту.

Шаговые моторы

Они превращают электронные импульсы управления в угол поворота, реализуемый дискретным способом. На магнитопроводе статора находятся 2 или 3 однообразные обмотки.

Они сдвинуты в пространстве и поочередно подключаются к источнику прямоугольных импульсов. Ротор явнополюсного типа может быть как активным, так и реактивным.

У активных роторов есть обмотка возбуждения и контактные щетки или неизменные магниты, чья полярность чередуется. Реактивным роторам все вышеизложенное не свойственно.

Устройство и работа гистерезисных двигателей

Конструкция двигателей вполне стандартная: основа работы – статор и ротор. Но что делает особенными гистерезисные движки? Ниже поговорим об их устройстве, работе и применении. Поехали!

Конструкция гистерезисного электродвигателя

Сегодня в сфере производства автоматики очень распространены синхронные микродвигатели, в основе работы которых лежит эффект магнитного гистерезиса. 

Статор в таких двигателях аналогичен статорам, которые содержат синхронные и асинхронные агрегаты. Он сделан из листов специальной стали, которые изолированы друг от друга. В его пазы (обычно они полузакрытые) укладывают обмотку. Она может быть двух- или трехфазной, а когда на нее поступает питание от источника переменного тока, возникает вращающееся магнитное поле. 

В основном, ротор двигателей на основе магнитного гистерезиса – это полый цилиндр, он может быть сплошным или шихтованным. Делают его из магнитотвердых материалов с широкой петлей гистерезиса, т. е. обладают большой остаточной намагниченностью. Располагают его на втулке, которая бывает магнитной или немагнитной. 

Разные роторы в гистерезисных моторах представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Магнитные схемы гистерезисных двигателей с различными роторами: а — с ротором из магнитотвердого материала; б — с составным ротором с ферромагнитной втулкой; в — с составным ротором с немагнитной втулкой; г — двигателя с ферромагнитной втулкой; 1 — ротор; 2 — статор; 3 — магнитотвердый материал; 4 — втулка; 5 — запорное кольцо

Работа гистерезисного мотора

Мы уже упоминали, что функционал таких движков основывается на гистерезисном моменте. Что это значит?

Обратите внимание на рисунок 2а. На нем изображено статорное поле, те есть два полюса одного постоянного магнита.

Между ними установлен ротор цилиндрической формы (его, как сказано выше, делают из магнитотвердого материала). Намагничивание ротора происходит благодаря действию внешнего поля.

На той стороне, которая смотрит на северный полюс роторного магнита, начинается возбуждения южного. Работает это и в обратную сторону. 

Те силы, что имеют радиальное направление относительно ротора, начинают оказывать на него действие.

Если полюсы статорного магнита начнут вращаться вокруг якоря, появится так называемое магнитное запаздывание (собственно, наш гистерезис).

Из-за него в активной части ротора не будет перемагничивания во время смены направления поля, которое вращается. Между осями роторного и внешнего полей возникнет некий угол.

Силы, которые оказывают действие на ротор, тоже сменят направление движение на появившийся угол. В то же время тангенциальные составляющие ускорения будут создавать момент гистерезиса.

Магнитное запаздывание – это стремление частиц в ферромагнитном материале (другими словами элементарные магниты), находящемся во внешнем поле, к ориентированию на направление внешнего поля. Такое явление присуще шаговым двигателям.

Тут важно не путать: поле может менять направление вращения, а вот частицы – ориентацию. Препятствием к изменению этой ориентации становится внутренняя сила молекулярного трения в магнитотвердых материалах. 

Чтобы изменить направление движения частиц ферромагнита, нужно добиться определенной величины магнитодвижущей силы. Из-за этого процесс перемагничивания ротора будет немного отставать от смены направления внешним полем. Это и есть магнитное запаздывание.

Характеризует это запаздывание угол гистерезисного сдвига. Он появляется между двумя векторами: магнитного потока в роторе и статорных обмотках. Величина угла зависит только от того, какими магнитными свойствами обладает материал ротора.

В процессе преодоления силы молекулярного трения, происходит частичная потерямощности. Это потери на гистерезис. Их значение находится в зависимости от скольжения. 

Электромагнитная мощность, которая передается в ротор – это потери в нем, деленные на величину скольжения.

Вращающий момент двигателя – это электромагнитная мощность, деленная на синхронную угловую скорость.

Из этого можно сделать следующие выводы: между величиной момента гистерезиса и частотой вращения ротора (это скольжение) нет никакой зависимости. График вращающего момента – это прямая, параллельная оси абсцисс. Он показан на рисунке 3.

А вот зависимость между углом гистерезисного сдвига и шириной петли гистерезиса определенно есть и она прямая. Рисунок 4 изображает пару гистерезисных петель из разного материала: на кривой 2 – самая обычная сталь, а на кривой 1 – магнитотвердый сплав.

Если в производстве ротора использовать обычную сталь, нельзя будет добиться достаточно большого гистерезисного момента. Возможность получения нужного момента гистерезиса есть исключительно при применении магнитотвердых сплавов типа викаллой, как на кривой 1 рисунка 4, расположенного выше.

Как правило, ротор двигателя, который работают на основе эффекта магнитного гистерезиса, делают сборным. Магнитотвердый элемент – шихтованное или массивное кольцо (1), который размещен на втулке (2). Ее жестко насаживают на вал двигателя (3). Все это показано на рисунке 4.

В электродвигателях, ротор которых выполнен не из отдельных пластин, статорное поле, приходя во вращение, начинают наводить вихревые токи в нем. Они, в свою очередь, начинают взаимодействовать со статорным полем, результатом чего является возникновение электромагнитного момента. Его величина пропорциональна частоте вращения ротора.

Наибольшее значение электромагнитного момента наблюдается в условиях, когда ротор находится в статичном состоянии. А это не что иное, как момент запуска электромотора. После завершения пускового момента, с уменьшением величины скольжения убывает и момент. Если частота становится синхронной, электромагнитный момент будет равен нулю.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что в гистерезисном электромоторе создание вращающего момента напрямую связано с моментами вихревых токови гистерезиса.

Рисунок 4 показывает, как результирующий момент электромотора зависит от величины скольжения. Положение этой кривой имеет зависимость от того, как соотносятся моменты.

Мотор, в основе функционирования которого лежит эффект магнитного гистерезиса, способен работать с разными типами частоты: синхронными и асинхронными. Но его работа во втором упомянутом режиме совершенно не выгодна, так как в двигателе будут происходить значительные потери на то, чтобы перемагничивать ротор. Причем их величина будет расти по мере того, как будет увеличиваться скольжение.

Применение

Гистерезисные электромоторы используют в тех приборах и устройствах, мощность которых составляет десятки ватт с повышенной частоте напряжения и вращения (достигающие 24 – 30 тысяч оборотов в минуту и больше). В таких системах ставят синхронные типы электродвигателей. Тип ротора у них, как правило, обращенный. 

Такая конструкция применяется в приборах с гироскопом, а также в электрических проигрывателях, воздухонагревателях, калориферах и так далее.

Преимущества и недостатки использования

Главные достоинства обсуждаемых сегодня моторов перечислены ниже:

• простое устройство;
• отсутствие шума;
• долговечность;
• большая величина пускового момента;
• плавный вход в синхронизм;
• относительно высокий коэффициент полезного действия;
• незначительные изменения в кратности тока от момента запуска до набора номинальной нагрузки.

Мы также привели основные недостатки, к которым нужно быть готовым при работе с такими движками:

• небольшой коэффициент мощности;
• дороговизна;
• неравномерный ход из-за качания, которое возникает при резких колебаниях нагрузки. Пусковая клетка, призванная успокаивать или демпфировать двигатель в таких ситуациях, у гистерезисных электромоторов отсутствует.

Последний упомянутый недостаток можно встретить при работе с шихтованными типами роторов. Неравномерное вращение, которое вызывают качания от резкой смены нагрузки, являются главной причиной сильной ограниченности применения электроприводов.

3_12

Гистерезисные синхронные двигатели. Принцип действия и основные характеристики

Гистерезисный двигатель отличается от других типов машин с круговым вращающимся магнитным полем конструкцией ротора (рис. 1 (а)). Он представляет собой полый цилиндр или пакет, собранный из колец магнитотвердого материала (1), насаженный на цилиндрическую втулку (2) из магнитного или немагнитного материала, закрепленную на валу ротора (3).

Пакет колец ротора называется активным слоем, и происходящие в этом слое процессы определяют свойства гистерезисного двигателя. Материал для активного слоя выбирают с петлей гистерезиса близкой к прямоугольной форме. На рис. 1(б) сплошной линией показана такая петля и для сравнения штриховой линией дана петля обычной электротехнической стали.

Принципиальным отличием гистерезисного двигателя от синхронного двигателя с постоянными магнитами заключается в том, что активный слой ротора намагничивается магнитным полем статора при пуске, поэтому в дальнейшем он может перемагничиваться этим же полем. Однако его намагниченность меньше намагниченности постоянных магнитов, поэтому он работает в режиме недовозбуждения.

Принцип работы гистерезисного двигателя поясняет рисунок 2. В синхронном режиме, т.е. когда ротор вращается со скоростью магнитного поля, материал ротора намагничен и машина работает как синхронный двигатель с постоянными магнитами. При отсутствии нагрузки на валу (рис. 2 (а)) поля ротора и статора взаимодействуют с силой

F, направленной под разноименными полюсами встречно и в сумме равной нулю. Возникновение тормозного момента на валу приведет к расхождению осей магнитных полей на угол и появлению электромагнитного момента, компенсирующего момент нагрузки (рис. 2 б)). Такая картина процессов в двигателе полностью идентична работе двигателя с постоянными магнитами на роторе. Однако при дальнейшем увеличении нагрузки на валу угол увеличится до угла магнитного запаздывания (рис. 2 в)). Материал ротора начнет перемагничиваться и ось его магнитного поля будет смещаться вслед за полем статора, сохраняя при этом постоянное значение угла нагрузки и, следовательно, постоянное значение электромагнитного момента. Вал ротора в этом режиме может вращаться с любой скоростью меньше синхронной, т.е. двигатель будет работать в асинхронном режиме.

Наглядно представить такой процесс можно с помощью механической модели показанной на рисунке 3. Здесь поля статора и ротора представлены постоянными магнитами. Магнит ротора лежит на диске и удерживается на нем силой трения. Если поле статора вращается со скоростью и момент на валу диска равен нулю (рис.

3 а)), то магнит ротора также будет вращаться со скоростью , передавая вращение диску за счет момента трения. Угол между осями магнитов при этом будет равен нулю. Возникновение нагрузочного момента на валу диска приведет к расхождению осей полюсов магнитов и появлению электромагнитного момента, компенсирующего нагрузочный момент (рис. 3 б)).

Диск и магнит ротора будут вращаться синхронно, удерживаемые в зацеплении моментом сухого трения . Если нагрузочный момент увеличится и станет больше момента трения (рис. 3. в)), то магнит ротора будет проскальзывать по поверхности диска, вращаясь при этом с синхронной скоростью вслед за полем статора. Магнит ротора не выйдет из синхронизации, т.к.

при этом . Момент сухого трения, действующий на магнит ротора, не зависит от скорости вращения, поэтому угол нагрузки будет оставаться постоянным и равным некоторому значению , определяемому параметрами момента трения (коэффициентом трения, силой прижатия магнита к диску и т.п.).

Таким образом, магниты (поля) статора и ротора будут работать в синхронном режиме, а вал двигателя – в асинхронном.

Максимально возможный момент , передаваемый гистерезисным двигателем нагрузке, определяется свойствами материала активного слоя ротора. Эти свойства, в частности, отражаются формой петли гистерезиса.

У материала с прямоугольной петлей гистерезиса угол магнитного запаздывания . Материал с нулевой площадью петли имеет . Чем больше значение , тем больше величина гистерезисного момента при прочих равных условиях.

Современные материалы активного слоя имеют

.

Постоянный электромагнитный момент гистерезисного двигателя в асинхронном режиме, т.е. от нулевой до синхронной скорости вращения, является их главным преимуществом по отношению к другим типам машин. Это единственная синхронная машина, обладающая свойством самозапуска.

Принципиально гистерезисный двигатель может работать как в синхронном, так и в асинхронном режиме, однако работа в асинхронном режиме неэкономична, т.к. потери на перемагничивание возрастают с частотой скольжения.

).

Недостатками являются; низкий коэффициент мощности (0,4-0,5) и высокая стоимость.

Синхронный гистерезисный двигатель

Дмитрий Левкин

Конструкция гистерезисного электродвигателя

Синхронный гистерезисный электродвигатель, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

Синхронный гистерезисный электродвигатель

Статор гистерезисного двигателя имеет обычную трех- или двухфазную обмотку, которая создает вращающееся магнитное поле, а ротор представляет собой массивный цилиндр без обмотки, изготовленный из магнитотвердого материала с широкой петлей гистерезиса (например, сплав викаллой). При этом в целях экономии дорогостоящего магнитотвердого материала ротор делают сборным.

Принцип работы синхронного гистерезисного двигателя

Принцип работы синхронного гистерезисного двигателя основан на действии гистерезисного момента. Для наглядности на рисунке ниже показаны только два элементарных магнитика ns 1 и 2.

Сила взаимодействия между этими магнитиками и полем статора NS направлена по оси последнего (рисунок слева). Если поворачивать поле NS, например, против часовой стрелке, то в том же направлении поворачиваются и элементарные магнитики.

Однако вследствие магнитного гистерезиса магнитики ns не сразу повернутся на тот же угол, что и поле NS. Между осями NS и ns появится некоторый угол рассогласования γ.

Помимо радиальных сил появляются тангенциальные (рисунок справа), которые и создадут гистерезисный момент Мг. Угол γ определяется формой петли гистерезиса материала, из которого изготовлен ротор.

Гистерезисный момент Мг не зависит от частоты вращения ротора. Радикальный способ увеличения вращающего момента гистерезисного двигателя — применение магнитотвердых материалов с прямоугольной петлей гистерезиса. Частота вращения такого двигателя синхронна с частотой вращения поля, КПД высокий — до 80% [2].

Явление магнитного запаздывания заключается в том, что частицы ферромагнитного материала ротора, представляющие собой элементарные магниты, стремятся ориентироваться в соответствии с направлением внешнего магнитного поля.

Если внешнее магнитное поле изменит свое направление, то элементарные частицы также меняют ориентацию. Однако повороту элементарных частиц в магнитотвердом материале препятствуют силы молекулярного трения.

Этим и объясняется появление угла сдвига γ, значение которого зависит от магнитных свойств материала ротора [3].

Имея массивную конструкцию ротора, гистерезисные двигатели при пуске развивают также асинхронный вращающий момент. Однако этот момент значительно меньше гистерезисного момента, вследствие чего пуск, а также втягивание в синхронизм и работа происходят за счет гистерезисного момента вращения.

Разница между двигателями с постоянными магнитами и гистерезисными состоит в том, что у первых ротор подвергается специальному предварительному намагничиванию, а у вторых намагничивается полем статора двигателя. Гистерезисные двигатели имеют лучшие показатели, чем реактивные, и строятся мощностью до 300…400 Вт.

Преимущества и недостатки

Достоинствами гистерезисных двигателей являются простота устройства, надежность в эксплуатации, отсутствие пусковых приспособлений, плавность втягивания в синхронизм, практически неизменный ток при пуске и работе.

К недостаткам можно отнести относительно высокую стоимость материала ротора, хотя, как правило, ротор изготовляют из обычной стали и на него насаживают лишь полый цилиндр небольшой толщины из магнитотвердого материала.

Гистерезисный двигатель

Работа гистерезисного двигателя основана на действии гистерезисного момента. Для объяснения физической сущности возникновения этого момента обратимся к рис. 4.21, где показаны два полюса постоянного магнита (поле статора); между ними расположен цилиндр (ротор) из магнитно-твердого материала. Под действием внешнего магнитного поля ротор намагничивается.

На стороне, обращенной к северному полюсу постоянного магнита, возбуждается южный полюс, а на стороне ротора, обращенной к южному полюсу постоянного магнита, – северный полюс. На ротор начинают действовать силы , направленные радиально к его поверхности (рис. 4.21, а). Если полюсы постоянного магнита вращать вокруг ротора, то вследствие явления магнитного запаздывания (гистерезиса) активная часть ротора не будет перемагничиваться одновременно с изменением направления вращающегося магнитного поля, и между осью поля ротора и осью внешнего поля появится угол . Силы , действующие на ротор, изменят свое направление также на угол , а тангенциальные составляющие этих сил создадут гистерезисный момент МГ (рис. 4.21, б).

Рис. 4.21. К вопросу о гистерезисном моменте

Явление магнитного запаздывания заключается в том, что частицы ферромагнитного материала (помещенного во внешнее магнитное поле), представляющие собой элементарные магниты, стремятся ориентироваться в соответствии с направлением внешнего поля. Если внешнее поле изменит свое направление, то элементарные частицы меняют свою ориентацию.

Однако повороту элементарных частиц препятствуют в магнитно-твердых материалах внутренние силы молекулярного трения. Для изменения направления этих частиц необходима определенная м. д. с., вследствие чего перемагничивание ротора несколько отстает от изменения направления внешнего поля.

Это отставание (магнитное запаздывание) характеризуется углом гистерезисного сдвига между вектором магнитного потока ротора и вектором магнитного потока обмотки статора (рис. 4.21, в). Величина этого угла зависит исключительно от магнитных свойств материала ротора.

На преодоление сил молекулярного трения расходуется часть подводимой мощности, которая составляет так называемые гистерезисные потери. Величина этих потерь зависит от частоты перемагничивания ротора , а, следовательно, от скольжения:

(4.12)

где – величина гистерезисных потерь при неподвижном роторе (при s=1), т. е. в режиме короткого замыкания.

Так как электромагнитная мощность, передаваемая ротору, равна потерям в роторе, деленным на скольжение (см. § 8.8):

(4.13)

а вращающий момент – электромагнитной мощности, деленной на синхронную угловую скорость: , то, очевидно, величина гистерезисного момента не зависит от частоты вращения ротора (скольжения). График представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Механические характеристики гистерезисного двигателя

Величина угла гистерезисного сдвига зависит от ширины петли гистерезиса: чем шире петля гистерезиса магнитного материала, тем больше угол гистерезисного сдвига. На рис. 4.23 представлены две петли гистерезиса: обычной стали (кривая 2) и сплава викаллой (кривая 1).

Рис. 4.23. Петля гистерезиса обычной стали и викалоя

Применение обычной стали для изготовления ротора не обеспечивает получение гистерезисного момента достаточной величины.

Только магнитно-твердые материалы, такие, как сплавы типа викаллой, дают возможность получить большой гистерезисный момент. Роторы гистерезисных двигателей обычно делают сборными.

Магнитно-твердая часть выполняется в виде шихтованного или массивного кольца 1, размещающегося на втулке 2 (рис. 4.24), жестко насаженной на вал 3.

Рис. 4.24. Сборный ротор гистерезисного двигателя

В машинах с нешихтованным (массивным) ротором вращающееся поле статора наводит в роторе вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с полем статора возникает электромагнитный момент МВ.Т, величина которого пропорциональна скольжению:

(4.13)

где – потери на вихревые токи в роторе при s = 1, т. е. в режиме короткого замыкания, Вт; – угловая синхронная скорость, рад/с.

Наибольшей величины момент достигает при неподвижном роторе (s=1), т. е. в момент пуска электродвигателя. Затем, по мере возрастания частоты вращения (уменьшения скольжения), момент убывает (см. рис. 4.21), при синхронной частоте он становится равным нулю.

Таким образом, электромагнитный вращающий момент гистерезисного двигателя создается совместным действием двух моментов: от вихревых токов и гистерезисного

(4.14)

На рис. 4.21 представлена зависимость результирующего момента гистерезисного электродвигателя от скольжения: . Характер этой кривой зависит от соотношения и .

Гистерезисный двигатель может работать с синхронной и асинхронной частотами вращения.

Однако работа двигателя в асинхронном режиме неэкономична, так как связана со значительными потерями на перемагничивание ротора, величина которых возра­стает с увеличением скольжения. Из приведенных на рис. 4.

25 рабочих характеристик видно, что при переходе гистерезисного двигателя в асинхронный режим его к. п. д. резко снижается.

Рис. 4. 25. Рабочие характеристики гистерезисного двигателя

Достоинства гистерезисных двигателей – простота конструкции и надежность в работе, большой пусковой момент, плавность входа в синхронизм, сравнительно высокий к. п. д., бесшумность в работе, малое изменение тока от пуска до номинальной нагрузки .

Недостатки гистерезисных двигателей – низкий коэффициент мощности и сравнительно высокая стоимость.

Кроме того, гистерезисные двигатели при резких колебаниях нагрузки склонны к качаниям, что создает неравномерности хода (вращения).

Объясняется это отсутствием у гистерезисных двигателей пусковой клетки, которая при резких изменениях нагрузки оказывает на ротор успокаивающее (демпфирующее) действие.

Наиболее сильные качания наблюдаются у шихтованного ротора, в котором вихревые токи сильно ограничены. Вызываемая качаниями не­равномерность вращения ограничивает области применения гистерезисных двигателей.

В СССР гистерезисные двигатели выпускаются серийно на промышленную (50 Гц) и на повышенные (400, 500 Гц) частоты в трехфазном и однофазном исполнениях.

На рис. 4.26 показано устройство гистерезисного двигателя. В корпус 1 запрессован шихтованный сердечник статора 2 с обмот­кой 3. Ротор двигателя сборный, он состоит из магнитно-твердого кольца 4, втулки 5 и вала 6. Подшипниковый шит 7 обеспечивает фланцевое крепление двигателя при его установке.

Рис. 4.26. Устройство гистерезисного двигателя