Асинхронні двигуни

с порожнім феромагнітним ротором

У системах автоматики іноді в якості виконавчих, а також силових застосовують двигуни з порожнім (а іноді й з масивним) феромагнітним ротором. Статори таких двигунів нічим не відрізняються від статорів звичайних двофазних асинхронних машин, а ротори виготовляються у вигляді порожніх феромагнітних циліндрів з товщиною стінок від 0,3 до 3 мм (рис.7.22). Тому що ротор феромагнітний, те магнітний потік замикається безпосередньо по ротору. Таким чином, на відміну від двигуна з порожнім немагнітним ротором тут немає необхідності в наявності внутрішнього статора. Повітряний зазор між ротором і статором у цих двигунах невеликої (0,2...0,3 мм), тому його сила, що намагнічує, невелика. Щодо цього двигун з феромагнітним ротором вигідно відрізняється від двигуна з немагнітним ротором. Однак сумарна магніторушійна сила, а отже струм, що й намагнічує (I_μ) двигуна практично не відрізняється від МРС і I_μ двигуна з порожнім немагнітним ротором. Причиною цього є те, що магнітна провідність порожнього феромагнітного ротора внаслідок його малої товщини досить незначна.

Як результат наявності великого струму, що намагнічує, коефіцієнт потужності двигуна з порожнім феромагнітним ротором практично такої ж, як у двигуна з порожнім немагнітним ротором (cosf=0,3...0,5), причому значення його зменшується при збільшенні частоти живильної мережі.

Рис. 7.22. Полий феромагнітний ротор з двома торцевими пробками (а) та з однією пробкою, котра має вентиляційні отвори.

Внаслідок великого активного опору ротора критичне ковзання двигунів з порожнім феромагнітним ротором значно більше одиниці, тому ці двигуни не мають самоходу й стійко працюють у всьому діапазоні швидкостей - від нуля до синхронної. По цій же причині механічні й регулювальні характеристики двигунів з порожнім феромагнітним ротором досить близькі до лінійних, тобто вони більш лінійні, чому характеристики двигунів з порожнім немагнітним і звичайним короткозамкненим роторами. Лінійність характеристик двигуна збільшується зі збільшенням частоти живильної мережі.

У деяких двигунів внаслідок великого активного опору ротора зменшується ККД. З метою зменшення активного опору ротор покривають міддю, тобто циліндричну поверхню ротора гальванічним шляхом покривають шаром міді товщиною 0,05...0,1 мм, що сприяє збільшенню моменту й потужності на валу двигуна. Покриття міддю торцевих поверхонь ротора більш ефективно. Воно сприяє збільшенню не тільки моменту й потужності на валу двигуна, але і його ККД. Виконавчі двигуни з порожнім і масивним феромагнітним роторами іноді використовуються при високих температурах навколишнього середовища, особливо при необхідності забезпечення високих і надвисоких (60000... 100000 об/хв) частот обертання.

Асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором

По конструктивному виконанню й властивостям асинхронні виконавчі двигуни зі звичайним ротором, що мають короткозамкнену обмотку, виконану у вигляді білячої клітки, можна розділити на дві групи:

· двигуни звичайної конструкції, у яких механічна обробка всіх деталей проводиться до складання двигуна;

· двигуни «наскрізної» конструкції, у яких посадкові місця під підшипники й внутрішня поверхня статора обробляються в напівскладеному стані.

Двигуни першої групи мають звичайний для електричних мікромашин повітряний зазор 0,15...0,25 мм; а двигуни другої групи - зменшений до 0,03...0,07 мм.

Двигуни звичайної конструкції застосовуються найчастіше у звичайній промисловій автоматиці. Вони мають невисоку вартість.

Двигуни наскрізної конструкції застосовуються в особливо відповідальних схемах приладової автоматики. Вони мають кращі характеристики, але й більш високу вартість.

Двигуни з ротором звичайної конструкції найчастіше застосовуються в тих схемах автоматики, де швидкодія системи не відіграє істотної ролі. Тому у швидкодії (Т=0,2...1,5 с) ці двигуни, що мають зазор 0,15...0,25 мм, значно уступають двигунам з порожнім немагнітним ротором, але по деяких властивостях вони вигідно відрізняються від останніх.

Двигун з обмоткою у вигляді білячої клітки на роторі може бути виконаний зі значно меншим, чому у двигуна з порожнім ротором, магнітним опором на шляху робочого потоку, що дозволяє знизити струм, що намагнічує, електричні втрати від нього в обмотці статора, а отже, підвищити cosφ і ККД.

У схемах промислової автоматики в цей час велике поширення одержав простій і дешевий асинхронний виконавчий двигун типу РДМ-09 з короткозамкненої виконаної у вигляді білячої клітки обмоткою на роторі. Статор цього двигуна, що набирається з аркушів електротехнічної сталі, має вісім зубців, на кожному з яких розташовується по одній котушці. Чотири котушки (через одну) становлять обмотку збудження, послідовно з якої включається конденсатор ємністю 1мкФ, чотири інші котушки - обмотку керування. Обидві обмотки розраховані на напругу живлення 127 У и частоту живильної мережі 50 Гц. Номінальна частота обертання двигуна 1200 про/хв. У ці двигуни вбудований редуктор з передатним відношенням, що відповідають одному з восьми можливих варіантів, що дозволяє змінювати частоту обертання на виході від 1,92 до 76,8 об/хв.

Особливістю двигунів наскрізної конструкції (рис. 7.23) є те, що діаметр розточення під підшипники (у підшипникових щитах) у них дорівнює внутрішньому діаметру статора, що дозволяє робити остаточну обробку (шліфування) внутрішньої поверхні статора й отворів під підшипники після складання (установки підшипникових щитів) одночасно. Така конструкція двигуна дозволяє зменшити повітряний зазор між статором і ротором до 0,03...0,05 мм, що сприяє зниженню струму, що намагнічується, втрат в обмотці статора, а отже, підвищує cosf, ККД і коефіцієнт використання двигуна.

Ротор для зменшення моменту інерції звичайно виготовляється малого діаметра. Необхідна потужність забезпечується за рахунок збільшення його довжини. Звичайне відношення довжини ротора до його рівно 2...3.

Рис. 7.23. Асинхроний виконавчий двигун скрізної конструкції.

Збільшення (за рахунок зменшення повітряного зазору) обертаючого (крутного) моменту М_к, що розвивається двигуном, і зменшення (за рахунок діаметра ротора) моменту інерції ротора J_р дозволяють значно знизити електромеханічну постійну часу двигуна Т_м ≈ J_Р/Мк.

Перевага виконавчих двигунів наскрізної й звичайної конструкції типу білячої клітки ротора стосовно двигунів з порожнім немагнітним ротором особливо відчутно при дуже малих потужностях - від сотих часток вата до 3...5 Вт і більших потужностях - понад 200...300 Вт, коли у відсотковому відношенні втрати від струму, що намагнічує, у двигунів з порожнім ротором особливо великі.

До позитивних властивостей двигунів наскрізної конструкції слід віднести: більш високі cosf і ККД; менші масу й габаритні розміри в певних діапазонах номінальних потужностей.

Недоліками двигунів зі звичайним короткозамкненим ротором є:

· порівняно великий момент інерції ротора, що веде до збільшення електромеханічної постійної часу;

· порівняно великий сигнал рушання, що обумовлене масою ротора, наявністю діючих на ротор радіальних сил однобічного магнітного притягання до статора через феромагнітні властивості ротора;

· наявність вищих зубцевих гармонік поля.

Асинхронні двигуни з порожнім немагнітним ротором

Двигуни з порожнім немагнітним ротором є в цей час досить розповсюдженими виконавчими двигунами змінного струму. Вони застосовуються в різних схемах автоматичних пристроїв. Потужність двигунів з порожнім немагнітним ротором від десятих часток вата до декількох сотень ватів. Двигуни розраховуються як для промислової частоти (50 Гц), так і для підвищених частот (200, 400, 500 Гц). Частота обертання двигунів (синхронна) коливається від 1500 до 30 000 про/хв.

Конструктивний пристрій одного із двигунів з порожнім немагнітним ротором презентовано на рис.7.24. Зовнішній статор 4 такого двигуна нічим не відрізняється від статора звичайного асинхронного двигуна. У пазах статора розташовуються обмотки 6 керування й порушення, зрушені в просторі на 90°.

Рис. 7.24. Будова асинхроного виконавчого двигуна з полим немагнітним ротором: а – поперечний переріз; б, в – роздільна та мостикова електрична схема обмотки статора; 1 – корпус; 2 – ротор (немагнітний полий циліндр); 3 – щит підшипниковий; 4 – зовнішній статор; 5 – внутрішній статор-осердя; 6 – обмотка статора; 7 – вісь.

Принцип дії двигуна з порожнім немагнітним ротором полягає в наступному: змінний струм, протікаючи по обмотках статора, створює обертаюче магнітне поле, яке, перетинаючи порожній ротор, наводить у ньому вихрові струми; у результаті взаємодії цих струмів з обертовим магнітним полем двигуна виникає момент, який, діючи на ротор, захоплює його убік цього поля.

Позитивні властивості двигунів з порожнім немагнітним ротором:

· малий момент інерції ротора, що в сукупності зі значним пусковим моментом забезпечує швидкодія двигуна. Електромеханічні постійні часу ТM переважної більшості сучасних двигунів не перевищують 60 мс;

· порівняно гарна лінійність механічних і регулювальних характеристик. У більшості двигунів нелінійність знаходиться у межах від 0,05 до 0,15, що забезпечує усталену роботу двигуна майже при всіх частотах обертання й кратність регулювання n_max/n_min = 100...200;

· високу чутливість - малий сигнал рушання, що забезпечується малим моментом інерції ротора, малою його масою, більшим пусковим моментом і відсутністю радіальних сил притягання ротора до статора. Останнє пояснюється тим, що ротор немагнітний;

· плавність і безшумність ходу, сталість пускового моменту в будь-якому положенні ротора, що визначається відсутністю пазів на роторі, а отже, зубцевих гармонік поля.

До недоліків двигунів з порожнім немагнітним ротором ставляться:

· низький ККД; у більшості двигунів навіть у номінальному режимі η_н = 0,2...0,4 і значно зменшується при регулюванні. Низький ККД пояснюється більшими електричними втратами в обмотці статора внаслідок великого струму, що намагнічує, і порожньому роторі внаслідок його великого активного опору;

· низький коефіцієнт потужності (cos f = 0,2...0,4) внаслідок великого немагнітного проміжку між зовнішнім і внутрішнім статорами;

· більші габарити й маса, обумовлені першими двома недоліками. По габаритах і масі двигун з порожнім немагнітним ротором більше силових асинхронних двигунів і виконавчих двигунів постійного струму тієї ж номінальної потужності в 2- 4 рази.

Бажання зменшити габарити й масу приводить до того, що переважна більшість двигунів з порожнім немагнітним ротором розраховується на роботу від мереж з підвищеною частотою (200... 1000 Гц). Двигуни з підвищеною частотою напруги живлення мають більш високу частоту обертання n = 60f(1 - s)/p, a отже, розбудовують ті ж механічні потужності при менших моментах на валу, значеннями яких визначаються габарити машин.

Дата добавления: 2014-01-07