Синхронные микродвигатели

Основной особенностью синхронных микродвигателей, определяющей области их применения, является постоянство частоты вращения при неизменной частоте f питающей сети. Частота вращения ротора двигателя в синхронном режиме (при M_сопр < М_mах) не зависит от колебаний напряжения питания и момента сопротивления. Она равна частоте вращения магнитного поля, т.е. синхронной частоте вращения:

В настоящее время в схемах автоматики синхронные микродвигатели применяются очень широко. По конструктивному исполнению они весьма разнообразны, особенно однофазные микродвигатели малых мощностей (от долей ватт до нескольких ватт).

Двигатели с номинальной мощностью от десятков до сотен ватт имеют обычное классическое исполнение. Они состоят из неподвижной части — статора, в пазах которого размещается трехфазная или двухфазная обмотка переменного тока, и вращающейся части — ротора, который у большинства двигателей имеет явно выраженные полюсы.

В зависимости от конструкции ротора различают синхронные микродвигатели с электромагнитным возбуждением, постоянными магнитами, реактивные и гистерезисные. На рис. 11.2 представлены основные конструктивные схемы синхронных микродвигателей.

Рисунок 11.2. Конструктивные схемы синхронных микродвигателей:

а- с электромагнитным возбуждением (2р=2); б- с постоянными магнитами (2р=2); в- реактивные (2р=4); г- гистерезисные

Кроме двигателей обычного исполнения в схемах автоматики иногда встречаются обращенные синхронные микродвигатели, обмотка переменного тока которых размещается в пазах ротора.

Микродвигатели с электромагнитным возбуждением (с обмоткой возбуждения постоянного тока на полюсах) вследствие сложности их конструкций и пуска, а также необходимости наличия источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения в схемах автоматики применяются очень редко.

Синхронные микродвигатели выпускаются как на промышленную частоту 50 Гц, так и на повышенные частоты 400, 500, 1000 Гц. Кроме обычных двигателей в схемах автоматики широко применяются тихоходные двигатели с электромагнитной редукцией частоты вращения, работающие на зубцовых гармониках поля, и двигатели с катающимся или волновым роторами. Иногда для получения низких частот вращения используются обычные двигатели со встроенными редукторами.

Выпускаются несколько серий синхронных микродвигателей, которые широко применяются в приборах звуко- и видеозаписи, кино- и фотоаппаратуре, системах связи, всевозможных лентопротяжных устройствах и т. п.

К синхронным микродвигателям предъявляются как общие для всех электрических машин требования — высокие энергетические показатели (n и cosφ), малые габариты, масса и т.п., так и специфические для синхронных двигателей требования, которые зависят от схемы, в которой применяется двигатель. В одних схемах от двигателя требуется постоянство средней частоты вращения, в других — постоянство мгновенной частоты вращения в пределах одного оборота ротора и т. п.

Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском отличаются от других типов синхронных двигателей с постоянными магнитами наличием на роторе короткозамкнутой обмотки типа беличьей клетки, предназначенной, во-первых, для пуска двигателя, во-вторых, для стабилизации его частоты вращения — демпфирования качаний ротора при резких изменениях нагрузки.

Рисунок 11.4. Синхронный двигатель с радиальным расположением постоянного магнита и пусковой короткозамкнутой обмоткой:

1-статор; 2- шихтованная часть ротора с короткозамкнутой обмоткой;

3- постоянный магнит

В последнее время наибольшее распространение получили синхронные двигатели двух конструктивных исполнений: с радиальным и аксиальным расположениями постоянного магнита и пусковой короткозамкнутой обмотки.

Статоры двигателей обоих конструктивных исполнений ничем не отличаются от статоров обычных синхронных и асинхронных машин. В пазах шихтованных статоров располагаются трехфазные или двухфазные обмотки переменнбго тока. Роторы двигателей сочетают в себе элементы синхронного двигателя — постоянные магниты и асинхронного двигателя — короткозамкнутую обмотку, выполненную в виде беличьей клетки, располагающуюся в пазах.

Двигатели с радиальным расположением постоянного магнита и пусковой обмотки имеют кольцевой пакет стали ротора, напрессованый на постоянный магнит-звездочку, в пазах которого располагается короткозамкнутая обмотка. В стали магнитопровода ротора имеются междуполюсные прорези, размеры которых выбираются из условия хорошего асинхронного пуска и оптимального использования энергии постоянного магнита в синхронном режиме, т. е. из условия уменьшения потока рассеяния магнита. Пакет стали ротора с короткозамкнутой обмоткой предохраняет магнит от размагничивания в режиме пуска (короткого замыкания).

С целью предохранения магнита от размагничивания, а также увеличения асинхронного момента, необходимого для пуска, междуполюсную прорезь желательно выбирать минимально возможной. Исследования показывают, что оптимальный размер прорези увеличивается с увеличением мощности двигателя. Иногда с целью улучшения пусковых свойств двигателя и увеличения механической прочности его ротора между полюсными наконечниками оставляют небольшие перемычки — мостики насыщения.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском в ряде случаев имеют существенные преимущества по сравнению с синхронными реактивными и гистерезисными двигателями:

- более высокие энергетические показатели — КПД и cos φ;

- большую удельную мощность P_s — мощность на единицу массы (особенно при мощностях в десятки и сотни ватт и большом числе пар полюсов);

- повышенную перегрузочную способность, стабильность частоты вращения;

- хорошую синфазность вращения, что часто требуется в групповых приводах.

В некоторых системах автоматики применяются синхронные микродвигатели с постоянными магнитами и гистерезисным пуском.