Синхронные двигатели малой мощности

Для некоторых механизмов необходимы двигатели малой мощности с постоянной скоростью вращения (лентопротяжные механизмы киноаппаратов, электрические часы, аппараты и т. д). В качестве таких двигателей применяются синхронные двигатели без обмоток возбуждения. Отсутствие обмоток возбуждения упрощает конструкцию двигателей и их эксплуатацию, а также повышает надежность их работы. Во многих случаях такие двигатели являются однофазными.

Устройство статора многофазных маломощных синхронных двигателей, рассматриваемых в настоящем параграфе, ничем не отличается от устройства статора нормальных синхронных и асинхронных машин, а статоры однофазных синхронных двигателей имеют такое же устройство, как и статоры однофазных асинхронных двигателей (с рабочей и пусковой обмоткой, конденсаторные, с экранированными полюсами на статоре — см. § 30-2), и пуск однофазных синхронных и асинхронных двигателей производится одинаково (в конце пуска, синхронные двигатели втягиваются в синхронизм под действием синхронного* электромагнитного момента). Поэтому ниже рассматриваются особенности роторов синхронных двигателей без обмотки возбуждения.

Сняхронные двигатели с постоянными магнитами имеют обычно цилиндриче-* екие роторы из магнитно-твердых сплавов (алии, алнико и др.) и, кроме того» пусковую обмотку в виде беличьей клетки. Ротор из магнитно-твердого сплава изготовляется путем литья и трудно поддается механической обработке. Поэтом^ выполнение в нем литой беличьей клетки невозможно. В связи с этим ротор изго* товляется обычно составным — обычный ротор короткозамкнугого асинхронного^ двигателя посредине и два_г диска из магнитно-твердого сплава по краям. Исполц зование материалов таких двигателей получается малым, и поэтому они обычнее строятся мощностью до 30—40 вт. Генераторы с постоянными магнитами не. нуждаются в пусковой обмотке и строятся на мощность Р„= 5-«- 10 кв-а, 4- в ряде случаев до Р_И = 100 кв-а. Однако ввиду дороговизны магнитно-тверды* сплавы применяются в специальных случаях, когда требуется повышенная яа' дежность в работе.

Реактивные синхронные двигатели. Явнополюсные синхронные машины без обмотки возбуждения называются реактивными. Особенности работы таких машвя, уже были рассмотрены в § 35-3.

Различные конструкции роторов синхронных реактивных двигателей изображены на рис. 41-5. Ротор, показанный на рис. 41-5, а, имеет наибольшее распространение, изготовляется из листовой электротехнической стали и снабжается пусковой обмоткой в виде беличьей клетки. Его полюсы имеют форму выступов!» Роторы, изображенные на рис. 41-5, б и в, изготовляются путем заливки сталь-* ных пакетов алюминием, причем алюминий выполняет роль'пусковой обмотки.

Реактивные двигатели имеют низкий coscp и поэтому также низкий к. п. д< (при Р_я = 20 -ь 40 вт к. п. д. %= 0,3 -з- 0,4), а их вес обычно больше вееф асинхронных двигателей такой же мощности. У однофазных конденсаторный реактивных синхронных двигателей cosq> улучшается за счет конденсаторов.

Реактивные двигатели обычно строятся на мощности до 50—100 вт, нЩ когда большое значение имеет простая конструкция и повышенная надежности они строятся также и на значительно большие мощности.

Синхронные гистерезисные двигатели. Низкие энергетические и неблаго* приятные весовые показатели синхронных реактивных двигателей явились сти*

мулом для разработки и применения гистерезисных двигателей Роторы таких двигателей изготовляются из специальных магнитно-твердых сплавов, имеющих широкую петлю гистерезиса (например, сплав викаллой). При массивной конструкции ротора эти двигатели при пуске развивают также асинхронный вра-

Рис 41-5. Конструкция роторов синхронных реактивных двигателей

щающий момент. Однако этот момент значительно меньше гистерезисного момента (см. § 25-4), 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 ротор намагничивается полем статора двигателя.

Гистерезисные двигатели имеют лучшие показатели, чем реактивные, и строятся на мощности до 300—400 em.

Реактивно-гистерезисный синхронный двигатель (рис. 41-6) с редуктором был предложен в 1916 г. Уорреном и широко применяется до настоящего времени для привода электрических часов, для протягивания ленты в самопишущих приборах и т.% Статор этого двигателя имеет экранированные П0люсы(ем. также § 30-2), а ротор состоит из шести-семи пластин толщиной 0,4 мм из закаленной маг-

Рис. 41-6. Реактивно-гистерезисный двигатель

/ — магнитопровод статора; 2 — каркас;

3 — катушка возбуждения; 4 — короткозамк-

нутые витки; 5 — ротор

нитно-твердой стали. Пластины

имеют форму колец с перемычками.

Магнитное сопротивление ротора

в направлении перемычек меньше,

и поэтому Ха ф x_q. Ротор посажен

на валик с помощью прорезей в перемычках пластин и соединен с редуктором.

Ротор вместе с редуктором заключен в герметический корпус (на рис. 41-6

не показан).

Пуск двигателя происходит за счет асинхронного (вихревого) и гистерезис-нога моментов, а работа — за счет гистерезисного и реактивного моментов, причем последний в 2—3 раза больше гистерезисного. Выпускаемые в СССР реактивно-

гистерезисные двигатели на f = 50 гц типов СД-60, СД-2, СДЛ-2, СРД-2 имеют мощность на валу 12 мквт, а двигатели СД-1/300 — 0,07 мквт (цифры в обозначении типов указывают на скорость вращения выходного конца вала в об/мин). Их к. п. д. менее 1%.

§ 41-4. Тихоходные и шаговые синхронные двигатели

Однофазные тихоходные синхронные реактивные двигатели отличаются тем, что полюсное деление их статора кратно числу зубцовых делений ротора (рис. 41-7, а) или зубцовые деления на полюсах статора равны зубцовым делениям ротора (рис. 41-7, б)

Поток статора Ф этих двигателей пульсирует с частотой тока f. Если при Ф = 0 полюсы (рис. 41-7, а) или зубцы (рис. 41-7, б) статора смещены относительно зубцов ротора, то при возрастании Ф от нуля зубцы ротора притягиваются к полюсам или зубцам статора и ротор по инерции будет поворачиваться и тогда, когда Ф снова уменьшится до нуля. Если к этому времени зубец ротора приблизится к следующему полюсу или зубцу статора, то в течение следующего полупериода¹ изменения Ф силы будут действовать на зубцы ротора в том же направлении. Таким образом, если средняя скорость ротора такова, что в течение одного полупериода тока ротор поворачивается на одно зуб-повое деление, то на него будет действовать пульсирующий вращающий момент одного знака и ротор будет вращаться со средней синхронной скоростью

n = 2/₁/Z_a, (41-3)

где Z₂ — число зубцов ротора.

Например, если h = 50 гц Рис. 41-7. Однофазные тихоходные син- _и 2₂ = 77 то п= 1,3 об/сек = хронные реактивные двигатели с явно- = 78 об/мин. При питании обмот-выраженными полюсами на статоре (а) _{ки че}р_ез выпрямитель скорость и с зубчатым статором и общей обмоткой уменьшается вдвое.

возбуждения (б)д_ля улучшения условий работы

двигателя и увеличения равномерности вращения ротор обычно выполняется с повышенной механической инерцией. С этой же целью иногда двигатели выполняются с внутренним статором и внешним ротором (например, двигатели электропроигрывателей). Если на полюсах (рис. 41-7, б) оставить только по одному зубцу, то получится двигатель, называемый колесом Ла-Кура.

При включении двигателя в неподвижном состоянии возникает явление при-липания (см. § 25-4), и двигатель необходимо пускать в ход толчком от руки или с помощью встроенного пускового асинхронного двигателя.

Синхронные безредукторные двигатели. На рис. 41-8 показано устройство безредукторного двигателя, разработанного американскими инженерами Л. Чеб-бом и Г. Уотсом. Двигатель имеет двухфазную обмотку с 2р = 2 и фазной зоной 90°. На рис. 41-8 катушки обмотки статора намотаны через спинку, но может быть применена и обмотка обычного типа. Питание обмотки производится от однофазной сети, причем одна из фаз питается через конденсаторы, благодаря чему образуется вращающееся поле. Зубчатый ротор лишен обмотки.

Разность чисел зубцов ротора и статора Z₂ — Z_t = 2р на рис. 41-8 равна двум. Под воздействием вращающегося поля ротор стремится занять такое поло-

жение, при котором по линии оси магнитного потока зубец ротора встанет против зубца статора (линия А на рис. 41-8). Когда ось потока повернется в положение В, зубец 2' ротора встанет против зубца 2 статора, а при повороте потока от положения А на 180° зубец 9' ротора встанет против зубца 9 статора, т. е. произойдет поворот ротора на одно его зубцовое деление. Поэтому скорость вращения ротора А В

Например, при f_x = 50 гц, 2р — 2, Z₂ = 400 и Z_y — 398 будет п= 1/4 об/сек = = 15 об /мин.

Рассматриваемый двигатель работает в сущности по принципу взаимодействия зубцовых гармоник поля, вследствие чего и получается малая скорость вращения. Такой принцип называется электрической редукцией (уменьшением) скорости. Поэтому эти двигатели не нуждаются в механических редукторах и называются безредуктор-ными.

Существуют также другие разновидности безредукторных двигателей. Эти двигатели применяются в случаях, когда необходимы пониженные скорости вращения Снапример, электрические часы и ряд устройств автоматики), а также при использовании источников с повышенной частотой питания f = 400-г- 1000 гц.

Шаговые двигатели питаются импульсами электрической энергии и под воздействием каждого импульса совершают угловое или линейное перемещение

Рис. 41-8. Реактивный безредук-торный синхронный двигатель

Рис. 41-9. Принцип устройства и работы реактивного шагового двигателя

на некоторою, вполне определенную величину, называемую шагом. Эти двигатели применяются для автоматического управления и регулирования, например а металлорежущих станках с программным управлением для подачи резца и т. д. На рис. 41-9 изображен простейший шаговый двигатель с тремя парами полюсов на статоре. При питании током обмотки полюсов индуктора 1 —/ четырех-полюсный ротор занимает положение, показанное на рис. 41-9, о, а при питании полюсов 1—1 и 2—2 займет положение, показанное на рис. 41,9, б, отрабогав

шаг 15°. Далее, при отключении обмотки /—/ ротор повернется против часовой стрелки еще на 15° (рис. 41-9, в) и т. д.

Уменьшение шага двигателя достигается увеличением числа полюсов или путем размещения на общем валу нескольких пар статоров и роторов, повернутых относительно друг друга на соответствующий угол. Вместо сосредоточенных обмоток (рис. 41-9) можно применять также распределенные обмотки. Существует целый ряд разновидностей шаговых двигателей вращательного (с шагом до 180°, до 1° и менее) и поступательного движения. Предельная частота следования импульсов, при которой возможен пуск и остановка двигателя без потери шага и которая называется также приемистостью, составляет от 10 до 10000 гц.

§ 41-5. Индукторные синхронные машины

В ряде установок (индукционный нагрев металлов, сварка специальных сплавов, гироскопические и радиолокационные установки- и пр) применяется одно-или трехфазный ток повышенной частоты (400—30000 гц) Синхронные генераторы нормальной конструкции, имеющие частоту f = pn, для этого случая не подходят,

Рис. 41-10. Устройство одноименнополюсно-го (а) и разноименнополюсного (б) однофазного индукторного генератора

/ — катушка возбуждения; S — корпус; 3 — пакет статора; 4 — обмотка переменного тока; 5 — пакет ротора> 6 — втулка ротора, 7 — вал

Рис 41-11. Кривая поля в зазоре индукторных генераторов» выполненных по схеме рис. 41-10

так как увеличение скорости вращения л у них ограничено условиями механической прочности, а увеличение числа полюсов 2р ограничено минимально возмож* ной величиной полюсного деления по условиям размещения обмоток. Поэтому в этих случаях применяются генераторы особой конструкции, которые называются индукторными и основаны на действии зубцовых пульсаций магнитного потока. Роторы всех видов индукторных генераторов имеют вид зубчатых колее и не имеют обмоток, что повышает надежнбсть их работы, -а обмотки возбужде постоянного тока и якорные обмотки переменного тока располагаются на статора В некоторых случаях вместо обмоток возбуждения применяются постоянные т ниты.

В последнее время начинают находить применение также индукторные двигв* тел и, развивающие при питании током повышенной частоты умеренные скорости вращения. Их устройство аналогично устройству индукторных генераторов

Генератор, изображенный на рис. 41-10, а, имеет по два пакета статора и ротора и кольцевидную обмотку возбуждения. Он называется одноименно-полюсным, так как магнитная полярность каждого пакета вдоль всей окружности неизменна Генератор, показанный на рис. 41-10, б, является однопакет-ным и называется разноименнополюсным. В больших пазах его статора расположена обмотка возбуждения, а в малых пазах — обмотка переменного тока.

Кривая индукции магнитного поля вдоль окружности ротора для генераторов, показанных на рис. 41-10, изображена на рис. 41-11. Можно представить себе, что

Рис. 41-12. Принцип устройства (а) и кривая магнитного поля (б) однофазного индукторного генератора с гребенчатой зубцовой зоной

пульсирующая волна этого поля движется вместе с ротором, а постоянная составляющая магнитного поля неподвижна-относительно статора и э, д. с. в катушке с любым шагом от этого поля равна нулю. Поэтому эта ча,сть потока не производит полезной работы и вызывает ухудшение использования материалов машины. Зубцам ротора придают такую форму, чтобы кривая рис. 41-11 приближалась к синусоиде. Тогда пульсирующая составляющая поля с амплитудой

Шаги катушек этой обмотки должны быть такими, чтобы на рис. 41-10 одна сторона катушки находилась против зубца, а другая — против паза ротора, так как в этом случае э. д. с. переменного тока проводников катушки будут арифметически складываться. Потокосцепления обмоток возбуждения генераторов, показанных на рис. 41-10, при вращении ротора остаются постоянными, и поэтому в этих обмотках переменная э. д. с. не индуктируется, что является положительным фактором.

При / 5= 3000 гц целесообразно применять конструкцию статора, предложенную Гюи. В этой конструкции большие зубцы статора, охватываемые обмотками, имеют гребенчатую форму и зубцы соседних полюсов статора сдвинуты относительно зубцов ротора на половину зубцового деления (рис. 41-12). Благодаря этому потоки различных половинок полюсов Ф' и Ф" различны (рис. 41-12, б) и при смещении ротора на половину зубцового деления поток, сцепляющийся с катушкой

Рис. 41-13. Принцип устройства трехфазного индукторного генератора с гребенчатой зубцовой зоной

обмотки якоря 2, изменяется от значения 4- (Ф' — Ф") до значения — (Ф' — Ф") и в этой обмотке индуктируется э. д. с. частоты /, определяемой равенством (41-5). В то же время потокосцепление с обмоткой возбуждения 1 не изменяется.

Применяются и другие разновидности индукторных машин. В трехфазных машинах вместо двух больших зубцов, как на рис. 41-10, на протяжении двойного полюсного деления выполняется шесть больших зубцов и малые зубцы соседних больших зубцов статора сдвинуты относительно зубцов ротора не на половину, а на одну шестую часть малого зубцового деления (рис. 41-14). Благодаря этому потоки соседних больших зубцов статора изменяются со сдвигом по фазане на 180°, а на 60°, что используется для получения в фазах А, В, С обмотки якоря э. д. с, сдвинутых на 120°.

Вследствие повышенной частоты обмотка якоря индукторной машины имеет повышенные синхронные сопротивления х^ и x_q. Поэтому для улучшения характеристик этой машины последовательно с обмоткой якоря во многих случаях включаются конденсаторы.

§ 41-6. Некоторые другие разновидности синхронных машин

Электромагнитная муфта служит для гибкого соединения двух вращающихся валов, например вала дизеля судовой силовой установки с валом гребного винта. В конструктивном отношении электромагнитная муфта представляет собой явно-полюсную синхронную машину, индуктор которой, возбуждаемый постоянным током, укреплен на одном валу (например, ведущем), а якорь укреплен на другом валу (например, ведомом). Обмотка якоря может быть фазной (в этом случае она соединяется с реостатом) или короткозамкнутой в виде беличьей клетки.

Если ведущий и ведомый валы вращаются со скоростями я_х и п% (причем п_х Ф п₂), то в обмотке якоря муфты индуктируется ток частоты

и создается электромагнитный момент, под воздействием которого и совершается вращение ведомого вала. При короткозамкнутой обмотке якоря скольжение ведомого вала относительно ведущего

составляет 0,01 — 0,03. При фазной обмотке якоря скольжение s и скорость гц можно регулировать путем изменения сопротивления реостата или тока возбуждения.

Электромагнитная муфта позволяет осуществлять плавное присоединение и отключение ведомого вала при вращающемся первичном двигателе, а при фазной обмотке также регулирование скорости вращения. Кроме того, муфта защищает рабочий механизм от больших перегрузок, так как при большом тормозном моменте ведомый вал останавливается. Если пуск ведомого вала производится при вращении ведущего вала со скоростью % = п_а, то частота f велика и для получения достаточного пускового момента короткозамкнутую обмотку якоря нужно выполнить с использованием эффекта вытеснения тока (см. гл. 27).

Электромагнитные муфты обычно строятся мощностью до Р_н = 500 кет.

Бесконтактные синхронные машины с когтеобразными полюсами. В современных промышленных и транспортных установках нередко синхронные машины по условиям надежности необходимо выполнять без скользящих контактов на роторе. В этих случаях можно применять синхронные машины без обмотки возбуждения (реактивные), а при повышенных частотах также индукторные и редуктор-ные машины. Однако можно также использовать машины с когтеобразным ротором и неподвижной обмоткой возбуждения. Такие машины строятся по такому же принципу, как и бесконтактные сельсины (см. рис. 31-9), но обычно с 2р > 2. При / = 50 гц их целесообразно строить мощностью до Р_н = 20 -г- 30 кет.

Ударные синхронные генераторы применяются для испытания выключателей высокого напряжения на мощность отключения. Они строятся на базе турбогенераторов мощностью до 50—200 Мет и работают в режиме внезапного короткого замыкания. Для получения возможно большего тока короткого замыкания они изготовляются с пониженными индуктивными сопротивлениями рассеяния и с надежным креплением обмоток, в особенности их лобовых частей.

Существуют и разрабатываются также некоторые другие разновидности синхронных машин.

Дата добавления: 2015-07-18