Гистерезисный двигатель

Введение.

Электрическая машина — это электромеханический преобразователь энергии, действие которого основано на использовании явления электромагнитной индукции и законов, определяющих взаимодействие электрических токов и магнитных полей.

Электрические машины, предназначенные  для преобразования электрической  энергии в механическую называются двигателями (иначе - генераторами). 
Гистерезисным двигателем называют синхронный двигатель, вращающий момент которого создаётся за счет явления гистерезиса при перемагничивании ферромагнитного материала ротора.

Впервые предложение об использовании  вращающего момента, обусловленного гистерезисом, было сделано ученым-электротехником  Чарльзом Штейнметцем в 1900 году.

Первый гистерезисный  двигатель был построен в 1911 году.

В 1918-1920 году появились однофазные гистерезисные двигатели мощностью  на доли ватта – двигатели Уоррена, использовавшиеся для завода часовых  пружин, привода часов, реле и т.д.

В 1936-1937 годах появились  трехфазные гистерезисные двигатели  мощностью от нескольких Ватт до 100-200 Вт.

В 1937 впервые запатентован гистерезисный двигатель с перевозбуждением.

 

Устройство гистерезисного двигателя.

Статор в гистерезисном  двигателе выполняется так же, как и в других машинах переменного  тока; обмотка статора может быть трех- или двухфазной (с конденсатором  в одной из фаз). Ротор двигателя  представляет собой стальной цилиндр, выполненный из магнитно-твердого материала (имеющего широкую петлю гистерезиса) без обмотки. Применение обычной  электротехнической стали для изготовления ротора не позволяет получить достаточно большой электромагнитный момент, поэтому  используют специальные магнитно-твердые  сплавы. Для экономии дорогих специальных  сплавов роторы гистерезисных двигателей выполняют сборными: в виде массивного или шихтованного (из отдельных изолированных  пластин) кольца из кобальтовой стали, насаженного на стальную или аллюминиевую втулку.

 

 

Принцип действия гистерезисного двигателя.

Рис. 1.

Ротор гистерезисного двигателя  намагничивается под действием  магнитного поля статора.

В момент времени, когда вектор вращающегося магнитного потока статора  Ф₁ занимает положение А, элементарные магнитики ротора ориентируются вдоль этого потока. Силы взаимодействия элементарных магнитиков, например М₁ и М₂, с потоком статора F_эм направлены вдоль этого потока и вращающего момента не создают. При перемещении потока статора в положение Б в том же направлении будут поворачиваться и элементарные магнитики. Однако вследствие явления гистерезиса магнитики не повернутся на тот же угол, что и поток Ф₁, и между ними образуется угол γ_г - угол гистерезисного запаздывания. При этом силы F_эм будут иметь тангенциальные составляющие Ft, которые и создадут гистерезисный момент асинхронного режима М_га.

Возникающий гистерезисный  момент пропорционален модулю векторного произведения пространственных векторов магнитного потока ротора Ф₂, образованного элементарными магнитиками, и МДС статора F₁, которые вращаются с одинаковой скоростью со сдвигом на угол γ_г:

 

где К - конструктивный коэффициент.

Значения F₁ и Ф₂ при симметричном, например, трехфазном питании от угловой скорости ротора не зависят. Угол γ_г также не зависит от угловой скорости ротора и определяется коэрцитивной силой материала ротора. Чем больше коэрцитивная сила, тем сильнее должно изменяться внешнее поле, прежде чем начнет изменяться направление поля элементарных магнитиков. Соответственно не зависит от угловой скорости ротора и значение вращающего гистерезисного момента М_га.

В асинхронном режиме ротор вращается с меньшей скоростью, чем поле статора (Ω<Ω₀). Полюса намагниченности ротора двигателя в этом режиме скользят относительно ротора. Материал ротора перемагничивается и в нем выделяются потери, пропорциональные скольжению.

По мере разгона скорость вращения ротора увеличивается и  приближается к синхронной.

В синхронном режиме магнитное  поле статора и ротор вращаются  с одинаковой угловой скоростью  и перемагничивания материала ротора не происходит. Магнитный поток ротора Ф_2ост сохраняется вследствие остаточного магнетизма и вращается вместе с ротором с синхронной угловой скоростью.

Поток тем больше, чем  выше значение остаточной индукции материала  ротора. Микродвигатель работает как  обычный синхронный микродвигатель с постоянными магнитами на роторе. Отличие только в том, что угол γ отставания оси потока ротора, принимаемый за его продольную ось, от МДС статора не может превысить  угла гистерезисного запаздывания γ_г, так как в противном случае начинается перемагничивание ротора. Следовательно, наибольшее значение момента М_гс, развиваемое гистерезисным двигателем в синхронном режиме, равно М_га. При моменте сопротивления на валу, превышающем М_га, двигатель выходит из синхронизма. У гистерезисных микродвигателей угол γ_г – обычно не превышает 20°-25°.

Увеличение гистерезисного момента возможно за счет выполнения ротора из материала с петлей намагничивания, имеющей наибольшие значения коэрцитивной силы и остаточной индукции. Идеальным  был бы материал ротора с широкой  прямоугольной петлей намагничивания, материалы типа викаллой и альни весьма близки к этому идеалу.

У синхронных микродвигателей регулирование угловой скорости ротора производится путем изменения синхронной скорости поля статора за счет регулирования частоты напряжения питания. При неизменной частоте напряжения средняя угловая скорость ротора сохраняется постоянной. Однако, мгновенная угловая скорость ротора может колебаться в пределах одного оборота относительно средней угловой скорости, этот процесс иногда называют качанием ротора синхронного двигателя.

Гистерезисные двигатели  могут работать как в синхронном, так и в асинхронном режиме. Однако работа двигателя в асинхронном  режиме неэкономична, так как при  этом возникают значительные потери энергии в роторе.

Следовательно, при переходе гистерезисного двигателя в асинхронный  режим его КПД резко уменьшается.

Способы перевозбуждения  гистерезисного двигателя.

 

При перевозбуждении ток, потребляемый двигателем из сети, имеет ёмкостную составляющую. Это весьма ценно, поскольку ёмкостный ток компенсирует индуктивные токи, потребляемые из сети другими потребителями (асинхронными двигателями, различного рода катушками и т.п.), и тем самым улучшается  коэффициент мощности всей сети. Увеличение же коэффициента мощности означает увеличение КПД двигателя. Рассмотрим некоторые способы перевозбуждения гистерезисного двигателя.

В рабочем синхронном режиме перевозбуждения двигателя можно достичь путём подмагничивания ротора с помощью кратковременного (на 2-3 периода) повышения МДС статора за счёт увеличения подводимого к статору напряжения. Подмагниченный ротор начинает больше участвовать в создании основного магнитного потока и тем самым разгружать обмотку статора от реактивного намагничивающего тока.

Следующий способ был запатентован И. Ф. Мищенко, В. С. Рыбаковым в 1970 году.

Способ перевозбуждения синхронного гистерезисного двигателя при питании его от статического преобразователя частоты, состоит в снижении при пуске двигателя частоты на выходе преобразователя примерно в два раза, которая плавно повышается до номинальной, за счет чего осуществляется перевозбуждение двигателя, вызванное увеличением тока статора.

С целью снижения установленной  мощности преобразователя и источника  питания в предлагаемом способе  пуск двигателя осуществляют до скорости выше номинальной, после чего его  скорость уменьшают мгновенным снижением  частоты на выходе преобразователя  до поминального значения.

При пуске двигателя частота  задающего генератора должна быть выше номинальной и определяется параметрами  двигателя и его нагрузкой.

При вхождении двигателя  в синхронпзм частота задающего генератора мгновенно снижается до номинального значения и двигатель переходит в генераторный режим, при этом его номинальное напряжение возрастает почти до двух раз, что и обеспечивает режим перевозбуждения двигателя.

В 1974 году Н. Н. Фархуллиным, И. И. Васильченко и В. А. Куфа был запатентован следующий способ.

После вхождения двигателя  в синхронизм создают дополнительную ЭДС с частотой напряжения питания, действующую встречно приложенному напряжению питания. Предложенный способ перевозбуждения заключается в следующем.

Двигатель запускается и  входит в синхронизм непосредственно  в обмотке статора создается  дополнительная встречная ЭДС, имеющая  частоту напряжения питания. ЭДС  сохраняется неизменной на время  работы в синхронном режиме. В результате действия этой ЭДС уменьшается потребляемый двигателем ток, что соответствует  режиму перевозбуждения. Величину ЭДС  выбирают в зависимости от параметров двигателя.

Способ осуществляется с  помощью простых и удобных  устройств, например постоянно магнита на валу двигателя, который создает в обмотке статора ЭДС, направленную встречно напряжению питания.

И, наконец, один из последних  способов, предложенный в 2012 году Домненко А. И. – «Способ перевозбуждения синхронного гистерезисного двигателя реакцией якоря».

В способе перевозбуждения  синхронного гистерезисного двигателя  перевозбуждение осуществляют за счет эффекта «реакции якоря» путем кратковременного перевода ГД в генераторный режим  с подключением к его выводам  в целом емкостной нагрузки. Ток, протекающий при этом по обмоткам статора ГД, создает магнитное  поле, направленное согласно с полем  ротора, и дополнительно намагничивает  его. После этого ГД вновь подключается к источнику электропитания, при  необходимости предварительно произведя  синхронизацию напряжений. При этом ввиду наличия дополнительной намагниченности  ротора снижается потребление электроэнергии. Напряжение питания может быть снижено  ниже номинального с сохранением  вращающего момента двигателя. Это  приводит к дополнительному уменьшению потребляемой электроэнергии и увеличению эффективности использования ГД.

Из всего вышесказанного следует, что с развитием технологий повышение КПД гистерезисных двигателей становится всё более простой задачей, а значит, и их использование становится более рационально оправданным.

 

Вывод.

К недостаткам гистерезисных двигателей относятся повышенная стоимость из-за значительной стоимости магнитно-твердых сплавов и трудности их обработки, низкий коэффициент мощности и склонность к качаниям при резких изменениях нагрузки, большой технологический разброс характеристик двигателя, объясняющийся тем, что даже незначительные отклонения от установленного режима термической обработки ведут к значительным изменениям свойств магнитотвердых материалов.

Несмотря на все свои недостатки гистерезисные двигатели находят обширное применение благодаря тому, что обладают рядом ценных качеств. Они развивают большой пусковой момент М_п = М_га. Ротор двигателя входит в синхронизм плавно, без рывков благодаря практически постоянному значению гистерезисного момента весь период разгона. Потребляемый двигателем ток незначительно (на 20-30%) изменяется при изменении режима работы от пуска до холостого хода, что позволяет эффективно использовать гистерезисные двигатели в повторно-кратковременном режиме. Гистерезисные микродвигатели просты по конструкции и надежны в эксплуатации и имеют сравнительно большой КПД – до 60%.

Области применения гистерезисных двигателей: приборный маломощный управляемый электропривод, групповой привод механизмов, гироскопические системы. В авиации гистерезисные двигатели имеют применение в следящих системах, индикаторных и коммутационных устройствах (гироскопы, тахометры и другие), используются в качестве муфт, тахогенераторов, генераторов постоянной частоты и демпферов. Особыми преимуществами они обладают в тех случаях, когда требуется приводить во вращение тела с большими моментами инерции (гироскопы).