Вопрос 62. Синхронные машины специального назначения. Реактивные синхронные, гистерезесные, шаговые двигатели. Назначение, устройство и принцип действия.

Реактивный двигатель представляет собой явнополюсную синхронную машину без обмотки возбуждения. Поток двигателя и его вращающий момент создается м. д. с. реакции якоря, отсюда и название — реактивный двигатель. Момент двигателя М_д возникает за счет дополнительной мощности Р_д, имеющей место вследствие неодинаковой проводимости ротора по осям d и q. Наивыгоднейшим отношением x_q/x_d можно считать величину, близкую к 0,5.

У реактивных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. Поэтому их роторы снабжаются короткозамкнутой пусковой обмоткой. При синхронном вращении короткозамкнутая обмотка является успокоительной, демпфирующей колебания ротора.

Недостаток реактивных двигателей — низкий максимальный момент, коэффициент мощности (cosφ = 0,5) и к. п. д. У двигателей мощностью в несколько десятков ватт η=35÷40%, а у двигателей мощностью в несколько ватт η<25%. К достоинству реактивных синхронных двигателей следует отнести отсутствие колебаний ротора и высокую надежность работы.

Шаговые двигатели. Для преобразования управляющих импульсов в заданный угол поворота применяются синхронные двигатели, в которых поле вращается не равномерно, а при подаче сигнала поворачивается скачкообразно. Такие двигатели называются шаговыми.

На статоре шаговые двигатели имеют две (иногда три) сдвинутые в пространстве обмотки, которые могут быть сосредоточенными или распределенными. Ротор двигателей всегда имеет явновыражен-ное исполнение. Шаговые двигатели разделяются на двигатели с активным ротором (имеющие обмотку возбуждения или постоянные магниты) и двигатели с реактивным ротором (не имеющие возбуждения).

Шаговый двигатель работает следующим образом. В обмотку статора (или комбинацию статоров) подается постоянный ток. При этом полюса ротора устанавливаются против возбужденных полюсов статора, по обмоткам которых проходит ток. Когда постоянный ток подают в другие обмотки статора, ротор поворачивается на один шаг в положение, при котором его полюсы устанавливаются против следующих возбужденных полюсов статора. При каждом переключении постоянного тока в обмотках управления ротор двигателя поворачивается на один шаг.

К шаговым двигателям предъявляются следующие требования: надежность в работе, быстродействие, малый шаг, недопустимость накопления ошибки с увеличением числа шагов, отсутствие свободных колебаний при отработке шага, минимальное число обмоток управления.

Гистерезисным двигателем называют синхронный двигатель, вращающий момент которого создается за счет явления гистерезиса при перемагничивании феррамагнитного материала ротора. Статор гистерезисного двигателя выполняется аналогично статору асинхронного двигателя: на нем имеется обмотка, создающая вращающееся магнитное поле (трехфазная, двухфазная с постоянно включенной емкостью, сосредоточенная с экранированным полюсом и т. п.).

Ротор двигателя сделан из магнитно-твердого материала и обмотки не имеет. Вращающий момент гистерезисного двигателя возникает за счет сильно выраженного гистерезиса материала ротора.

Сущность гистерезиса состоит в том, что при изменении (вращении) внешнего по отношению к ротору магнитного поля элементарные магниты вследствие сил молекулярного трения устанавливаются (поворачиваются) по направлению поля с некоторым отставанием.

При включении обмотки статора в сеть переменного тока в машине образуется вращающееся магнитное поле; при этом наведенные полюсы ротора вращаются с той же частотой, что и полюсы статора. При отсутствии гистерезиса полюсы ротора располагаются точно под полюсами статора:

Положим, что ротор набран из листов ферромагнитного материала, изолированных друг от друга так, что действием вихревых токов можно пренебречь. В этом случае между статором и ротором действуют только радиальные силы, уравновешивающие друг друга при равномерном зазоре. Вращающий момент, приложенный к ротору, равен нулю. При наличии гистерезиса под действием сил молекулярного трения наведенные полюсы ротора смещаются относительно полюсов статора на некоторый угол: При взаимодействии полюсов статора и ротора появляется тангенциальная составляющая силы притяжения, которая обусловливает появление вращающего момента. Если момент нагрузки, приложенный к ротору, превышает гистерезисный момент при данном угле отставания, то этот угол, а вместе с ним и гистерезисный электромагнитный момент будут возрастать, пока не достигнут своего максимального значения, определяемого магнитными свойствами материала ротора, его объемом, распределением магнитной индукции. Значение момента не зависит от скорости перемещения поля относительно ротора. Поскольку появление момента связано с наличием гистерезиса в ферромагнитном материале ротора, то его называют гистерезисным моментом, а двигатели, в которых этот момент является главным,— гистерезисными двигателями.