Индукционный двигатель с полым немагнитным ротором (ДПР) в последнее время получил широкое распространение как исполнительный в установках автоматики и телемеханики, в следящих системах и в счетно-решающих устройствах.
Конструкция индукционного двигателя с полным немагнитным ротором показана на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 Схема конструкции индукционного двигателя с полым
немагнитным ротором:
1-внешний статор; 2-ротор; 3-внутренний статор.
Статор состоит из двух частей: внешней 1 и внутренней 3. В пазах внешнего статора располагаются две обмотки: обмотка возбуждения и обмотка управления, оси которых сдвинуты на 90°. Внутренний статор (сердечник) является частью магнитопровода и служит лишь для уменьшения магнитного сопротивления. Пакет статора набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,3…0,35 мм.
В зазоре между внешней и внутренней частями статора размещается ротор 2, выполненный в виде стакана с толщиной стенок 0,2…0,8 мм из немагнитного материала: алюминия, дюралюминия, бронзы. Ротор закрепляется на валу, который проходит внутри сердечника и вращается в подшипниках. У двигателей малой мощности (менее 1 Вт) с целью уменьшения габаритов обе обмотки размещаются на внутреннем статоре.
|
|
Принцип действия индукционного двигателя с полым немагнитным ротором состоит в следующем. Обмотки возбуждения и управления, питаемые от сети переменного тока, создают пульсирующие магнитные потоки, сдвинутые в пространстве на 90° (рисунок 2.2).
Для получения вращающегося магнитного ноля необходим сдвиг намагничивающих сил обмоток управления и возбуждения в пространстве и во времени, причем в общем случае это вращающееся магнитное поле будет эллиптическим. Круговое вращающееся поле будет иметь место только тогда, когда оси обмоток WВ и WУ смещены в пространстве точно на 90°, амплитуды потоков ФH и ФV равны между собой, оба потока имеют синусоидальную форму и фазовый сдвиг во времени равен 90°, т.е. верны соотношения:
ФВ=ФmB·sinωt; (2.1)
ФУ=ФmV·cosωt. (2.2)
Фазовый сдвиг во времени достигается либо питанием двигателя от двухфазной сети, либо включением в управляющую обмотку конденсатора (при питании двигателя от однофазной сети). В первом случае сдвиг фазы 90° может быть постоянным при всех режимах работы (если неизменна величина емкости). Обычно при пуске скольжение s = 1,0. Вращающееся магнитное поле статора, пересекая ротор, наводит в нем ЭДС, вызывающую токи в тонкостенном полом роторе. От взаимодействия поля статора с токами ротора возникает электромагнитный момент, под действием которого ротор приходит во вращение. Вращающий момент двигателя с немагнитным ротором равен сумме моментов прямой и обратной составляющих магнитного поля, на которые можно разложить эллиптическое вращающееся поле.
|
|
Рисунок 2.2 Схема расположения обмоток ДПР
Механическая характеристика (зависимость скорости вращения от момента двигателя) может быть получена из выражений (2.1) и (2.2):
Н·м, (2.3)
где М - электромагнитный момент, Н∙м;
U в - напряжение на обмотке возбуждения, В;
nс – синхронная скорость, мин-1;
- коэффициент сигнала;
К – обмоточный коэффициент;
rрот – активное сопротивление ротора, приведенное к числу витков обмотки управления, Ом.
Из уравнения (2.3) следует, что при постоянном коэффициенте сигнала зависимость вращающегося момента реального двигателя от скорости вращения становится прямолинейной, причем с ростом скорости момент убывает. При идеальном холостом ходе (М = 0) скорость двигателя n0 равна синхронной n0 только в случае кругового поля (α = 1). При других значениях коэффициента сигнала скорость холостого хода определяется степенью эллиптического поля, т.е. величиной обратной составляющей ноля.
Расчеты для построения механических характеристик производятся по формулам, приведенным ниже.
Относительная скорость вращения:
v = n / nо. (2.4)
Относительный момент вращения:
m = М / Мn. (2.5)
Полезная мощность двигателя:
Рмех = Р2 = 2π М n. (2.6)
Подводимая к двигателю мощность:
Р1 = Ру+Рв. (2.7)
Коэффициент полезного действия:
. (2.8)
Коэффициенты мощности в обмотках управления и возбуждения:
. (2.9)
Относительные мощности возбуждения и управления и полезная мощность, соответственно:
Pв*= Pв / Pуп;
Pу*= Pу / Pуп;
Pмех*= Pмех/ Pуп. (2.10)
Широкое распространение индукционных малоинерционных ДПР обусловлено следующими преимуществами перед другими типами двигателей:
- малым моментом инерции, обусловленным тем, что ротором является тонкостенный стакан из легкого немагнитного материала;
- плавным и бесшумным ходом из-за отсутствия зубцевых гармоник в кривой поля;
- широким диапазоном регулирования nmax / nmin = 10…100;
- высокой краткостью пускового момента вследствие повышенного сопротивления ротора, что в сочетании с малым моментом инерции обеспечивает его быстродействие и повышает устойчивость следящих систем;
- способностью двигателя к самоторможению из-за высокого критического скольжения sкр (скольжения, соответствующего максимальному моменту), благодаря которому возрастает тормозное действие обратного поля;
- достаточной стабильностью рабочих свойств двигателя при изменениях температуры;
- отсутствием трущихся контактов, искровой коммутации и связанных с ней радиопомех.
К недостаткам ДПР следует отнести:
- относительно большие размеры двигателя, обусловленные необходимостью увеличить, критическое скольжение до значения sкр > 1 и большим воздушным зазором δ = (0,6…1,3 мм);
- относительно низкий коэффициент полезного действия из-за большой величины рабочего скольжения (s = 50%);
- низкий cosφ, вследствие того, что намагничивающая сила, необходимая для проведения потока через большой воздушный зазор, велика.