Гистерезисные двигатели
Добавил: Георгий Федотыч
Работа гистерезисного двигателя основана на действии г и с т е р е з и с н о г о момента. На рис. 23.6, а показаны два полюса внешнего магнитного поля (условное изображение магнитного поля статора), между которыми расположен цилиндр (ротор) из магнитно-твердого материала. Под действием внешнего магнитного поля ротор намагничивается.
На стороне ротора, обращенной к северному полюсу внешнего магнитного поля, возбуждается южный полюс, а на стороне ротора, обращенной к южному полюсу постоянного магнита, — северный полюс. На ротор начинают действовать силы Fm, направленные радиально к его поверхности. Если полюсы внешнего магнитного поля вращать вокруг ротора, то вследствие явления магнитного запаздывания (гистерезиса) активная часть ротора будет перемагничиваться с некоторым отставанием во времени относительно изменения направления внешнего вращающегося магнитного поля. В результате между осями поля ротора и внешнего поля появится угол. Силы FM, действующие на ротор, также изменят свое направление на угол % а тангенциальные составляющие этих сил Ft создадут гистерёзисный момент МГ (рис. 23.6, б).
Явление магнитного запаздывания заключается в том, что частицы ферромагнитного материала (помещенного во внешнее магнитное поле), представляющие собой элементарные магниты, стремятся ориентироваться в соответствии с направлением внешнего поля. Если внешнее поле изменит свое направление, то элементарные частицы меняют свою ориентацию. Однако повороту элементарных частиц препятствуют в магнитно-твердых материалах внутренние силы молекулярного трения. Для изменения направления этих частиц необходима определенная МДС, вследствие чего перемагничивание ротора несколько отстает от изменения направления внешнего поля. Это отставание (магнитное запаздывание) характеризуется углом гистерезисного сдвига между вектором магнитного потока ротора Ф2 и вектором магнитного потока обмотки статора Ф1 (рис. 23.6, б). Этот угол зависит исключительно от магнитных свойств материала ротора.
На преодоление сил молекулярного трения расходуется часть подводимой к двигателю мощности, которая составляет потери на гистерезис. Величина этих потерь зависит от частоты перемагничивания ротора f2 = f1s, а следовательно, от скольжения:
где Рг к — потери на гистерезис при неподвижном роторе (при s = 1), т. е. в режиме короткого замыкания.
Так как электромагнитная мощность, передаваемая ротору, равна потерям в роторе, деленным на скольжение [см. (13.5)]:
то, очевидно, величина гистерезисного момента не зависит от частоты вращения ротора (скольжения). График МГ = f(s) представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс (рис. 23.7).
Угол гистерезисного сдвига зависит от ширины петли гистерезиса: чем шире петля гистерезиса магнитного материала, тем больше угол гистерезисного сдвига. На рис. 23.8, а представлены две петли гистерезиса: обычной стали (петля 2) и сплава викаллой (петля 1).
Применение обычной стали для изготовления ротора не обеспечивает гистерезисного момента достаточной величины. Только магнитно-твердые материалы, например, такие, как викаллой, дают возможность получить большой гистерезисный момент.
Роторы гистерезисных двигателей обычно делают сборными. Магнитно-твердая часть выполняется в виде шихтованного или массивного кольца 1, размещенного на втулке 2 (рис. 23.8, б). Последняя жестко посажена на вал 3.
В машинах с нешихтованным (массивным) ротором вращающееся поле статора наводит в роторе вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с полем статора на роторе гистерезисного двигателя возникает электромагнитный момент от вихревых токов Мвт, значение которого пропорционально скольжению:
где Рвтк — потери на вихревые токи в роторе при s = 1, т. е. в режиме короткого замыкания, Вт; w1 — угловая синхронная скорость вращения, рад/с.
Наибольшего значения момент Мв т достигает при неподвижном роторе (s = 1), т. е. в момент пуска гистерезисного двигателя. Затем по мере возрастания частоты вращения (уменьшении скольжения) момент Мвт убывает (см. рис. 23.7), при синхронной частоте он становится равным нулю.
Таким образом, электромагнитный вращающий момент гистерезисного двигателя создается совместным действием моментов от вихревых токов Мвт и гистерезисного Мг:
На рис. 23.7 представлена графическая зависимость результирующего момента гистерезисного двигателя от скольжения: М = f(s). Характер этой зависимости определяется соотношением составляющих моментов Мвт и Мг.
Гистерезисный двигатель может работать с синхронной и асинхронной частотами вращения. Однако работа двигателя в асинхронном режиме неэкономична, так как связана со значительными потерями на перемагничивание ротора, величина которых возрастает с увеличением скольжения.
Достоинства гистерезисных двигателей — простота конструкции, бесшумность и надежность в работе, большой пусковой момент, плавность входа в синхронизм, сравнительно высокий КПД, малое изменение кратности тока от пуска до номинальной нагрузки.
Недостатки гистерезисных двигателей — низкий коэффициент мощности (созф1 = 0,4 ¸ 0,5) и высокая стоимость из-за повышенной стоимости магнитно-твердых материалов и сложности их обработки. Кроме того, при резких колебаниях нагрузки гистерезисные двигатели склонны к качаниям, что создает неравномерность хода (вращения). Объясняется это отсутствием у гистерезисных двигателей пусковой клетки, которая обычно при резких изменениях нагрузки оказывает на ротор успокаивающее (демпфирующее)
действие. Наиболее сильные качания наблюдаются у шихтованного ротора, в котором вихревые токи сильно ограничены. Вызываемая качаниями неравномерность вращения ограничивает области применения гистерезисных двигателей.