Особенности пуска двигателей с постоянными магнитами

Подавляющее большинство синхронных микродвигателей пускается как асинхронные, для чего они снабжаются пусковой обмоткой. Однако в отличие от двигателей с электромагнитным возбуждением постоянные магниты на время пуска невозможно "отключить". Поэтому в процессе разгона поток постоянных магнитов индуцирует в обмотке статора ЭДС, под действием которой по обмотке через источник протекает ток (рис. 3.4). Этот ток, взаимодействуя с полем постоянного магнита, создает момент по своей природе аналогичный асинхронному моменту, развиваемому пусковой обмоткой. Однако этот момент является не движущим, а тормозящим.

Частота тока в пусковой обмотке пропорциональна скольжению (f₂ = f₁s), поэтому максимум асинхронного момента лежит в области малыхскольжений. Частота тока в обмотке статора от поля постоянных магнитов пропорциональна скорости ротора [n₂ = n₁(1-s)], поэтому максимум тормозного момента лежит в области малых значений n,т.е. больших скольжений.

Тормозной момент образует провал в пусковой характеристике двигателя, тем самым создает опасность застревания его на малой скорости вращения (рис. 3.5). Понятно, что с этой точки зрения надо бы иметь небольшой поток постоянного магнита, т.е. небольшую ЭДС Е₀, хотя винтересах работы в синхронном режиме должно быть наоборот. Оптимальноеотношение Е₀/U для двигателей мощностью 10 -120 Вт при f = 50 Гц,p = 2лежит в пределах 0,5 - 0,8.

Задача 3.1. Построить угловую характеристику синхронного микродвигателя радиальной конструкции при r₁ = 0, m = 2, U=220 В, Е₀ = 185 В, n = 3000 об/мин, x_d = 35 Ом, x_q = 46 Ом и аксиальной конструкции при r₁ = 0, тех же значениях m, U, E, n₁, но x_d = x_q = 37 Ом.

ЛЕКЦИЯ 8
§ 3.3. Синхронные реактивные микродвигатели

Синхронными реактивными микродвигателями (СРМД) называются двигатели, вращающий момент в которых создается только НС статораза счет разной магнитной проводимости по продольной и поперечной осям машины. Различие проводимостей по осям d и q осуществляется либо конструкцией ротора благодаря выступам и впадинам (рис. 3.6,а), либо выполнением его из разных материалов, например из алюминия 1 и стали 2 (рис. 3.6,б).

Рис. 3.6. Роторы синхронных реактивных микродвигателей

Принцип действия СРМД в синхронном режиме рассмотрим на следующей модели (рис. 3.7). Представим вращающееся магнитное поле статора П-образным постоянным магнитом, внутри которого находится невозбужденный явнополюсный ротор. При совпадении оси постоянных магнитов с продольной осью ротора силовые линии поля проходят через зазор радиально, т.е. не деформируясь (рис. 3.7,а). В этом случае q = 0, М_Р = 0.

Рис. 3.7. К вопросу о принципе действия СРМД

Если вращающийся ротор чуть притормозить, между осями образуется угол q, линии поля, проходя через зазор, деформируются (их можно уподобить резиновым жгутам), возникают силы магнитного натяжения, тангенциальные составляющие которых развивают реактивный момент и увлекают ротор за полем статора (рис.3.7,б). Формулу реактивного момента при r₁ = 0 получим из (3.2), положив в ней Е₀ = 0.

(3.3)

Исходя из принципа действия и формулы (3.3) можно предположить, что чем больше разница между x_d и x _q, тем лучше свойства машины. Однако это не так. Дело в том, что с увеличением разности x _d и x _q увеличивается средний воздушный зазор, что приводит к увеличению намагничивающего тока, тока статора, падения напряжения в обмотке статора и, как следствие, к уменьшению магнитного потока в асинхронном режиме. При этом уменьшается пусковой (при s = 1) и подсинхронный (при s @ 0) моменты.

Исследования показали, что для ротора рис. 3.6,а оптимальными размерами будут: отношение полюсной дуги к полюсному делению 0,5 ¸ 0,6;d_max/d_min = 10 ¸12. И даже такие двигатели имеют невысокие энергетические показатели: КПД = 5 ¸ 50 %; сosj = 0,2 ¸ 0,5; M_п/M_ном = 1 ¸1,5; M_вх/M_ном = 1 ¸1,5; M_max/M_ном = 1,2 ¸ 2,2.

В последнее время большое признание получили двигатели с ротором типа рис. 3.6,в, которые имеют значительную разность х_dи х_qпри относительно небольшом среднем воздушном зазоре. Благодаря такой конструкции, характеристики СРМД улучшаются в среднем на 30 ¸ 40 % по сравнению с ротором явнополюсной конструкции (рис.3.6,а).

В целом СРМД развивают полезную мощность в 2 ¸ 3 раза меньшую, чем асинхронные двигатели таких же габаритов. Во многом это объясняется тем, что в создании момента участвует только одна половина машины (статор), а не две (статор и ротор), как во всех других двигателях.

Векторную диаграмму синхронного реактивного микродвигателя можно построить, используя уравнение напряжения синхронного явнополюсного двигателя, приняв Е=0 (рис. 3.8).

На рис. 3.8 пунктиром показан вектор напряжения при r₁ = 0. Видно, что с учетом r₁ угол q уменьшается. Это дает основания утверждать, что активное сопротивление статора смещает угловую характеристику в сторону меньших углов. Кроме того, из-за потерь в обмотке статора уменьшается полезный момент, что смещает эту характеристику еще и вниз (рис. 3.9).

В порядке иллюстрации можно привести формулу электромагнитного момента реактивного двигателя с учетом активного сопротивления статора [1]

В результате смещения угловой характеристики влево максимальный момент реактивного двигателя наступает при углах порядка 25^о.

Особенности пусковой характеристики СРМД. В двигателях с ротором рис. 3.6,а пусковая обмотка несимметричная либо по причине отсутствия стержней в междуполюсном пространстве, либо по причине разных индуктивных сопротивлений стержней, лежащих в полюсных наконечниках и вне их.

В этом случае поле, созданное короткозамкнутой обмоткой ротора, становится эллиптическим, т.е. состоящим из прямо и обратновращающихся составляющих.

Прямое поле ротора вращается относительно статора с синхронной частотой n_пр = n₁ и, взаимодействуя с его полем, создает обычный асинхронный момент (М_а). Обратное поле ротора вращается относительно статора с частотой n_обр = n₁(1-2s), поэтому его действие зависит от скольжения s.

Рис. 3.10. Пусковая характеристика СРМД с несимметричной пусковой обмоткой

Пока скольжение изменяется от 1 до 0,5 это поле помогает разгонять ротор. Когда же скольжение станет меньше 0,5, это поле будет создавать тормозной момент (М_а2), препятствующий разгону двигателя. В результате в пусковой характеристике появится провал, могущий привести к застреванию двигателя на скорости, примерно равной половине синхронной (рис. 3.10).