Исполнительные элементы систем автоматики классификация и общие характеристики исполнительных элементов классификация исполнительных элементов

6. Синхронные реактивные микродвигатели
Благодаря простоте конструкции, невысокой стоимости, необходимости лишь одного источника питания, высокой надежности, стабильности характеристик синхронные реактивные микродвигатели, несмотря на сравнительно невысокие энергетические показатели, находят широкое применение во всевозможных схемах автоматики, физических приборах, приборах магнитной записи, связи и др. В настоящее время известно много различных вариантов конструктивного выполнения синхронных реактивных микродвигателей. Конструкция определяется назначением, частотой вращения, системой питания и целым рядом других факторов.
Наибольшее распространение в настоящее время нашли синхронные микродвигатели, которые конструктивно мало отличаются от трехфазных и однофазных асинхронных микродвигателей. Их статоры аналогичны статорам асинхронных двигателей. Роторы же синхронных реактивных микродвигателей весьма разнообразны (рис.36). До последнего времени наибольшее распространение имел ротор, представленный на рис.36, а, отличающийся от обычного короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя лишь наличием впадин — вырезов из цилиндрической поверхности, с помощью которых образуются явно выраженные полюсы, необходимые для работы двигателя в синхронном режиме.
Принцип действия синхронного реактивного двигателя весьма прост. Ротор разгоняется до подсинхронной скорости за счет асинхронного момента, а затем втягивается в синхронизм за счет синхронизирующего момента, возникающего вследствие разности магнитной проводимости по продольной и поперечной осям.

Рис.36. Некоторые виды (а ... в) роторов синхронных реактивных двигателей

Значение вращающего момента М_a∑ при пуске (в асинхронном режиме) определяется основным асинхронным моментом M_al и моментом от обратновращающегося поля ротора М_а2 (рис.37), возникающего вследствие несимметрии сопротивления его короткозамкнутой обмотки.

Рис.37. Графики зависимости вращающих моментов синхронного реактивного двигателя в синхронном M_dq = f(θ) и асинхронном М_a∑ = f(s) режимах

Пусковые свойства двигателя характеризуются его пусковым током, начальным пусковым моментом М_н и моментом входа М_вх. При выборе активного сопротивления обмотки типа беличьей клетки руководствуются теми же соображениями, что и при выборе сопротивления обмотки ротора двигателей с постоянными магнитами.

Особенностью реактивного двигателя является то, что его момент как в синхронном, так и асинхронном режимах прямо пропорционален квадрату приложенного напряжения. Это свойство обусловливает высокую чувствительность двигателя к колебаниям напряжения сети. Так, при уменьшении напряжения на 15 % (U= = 0,85 U_н) вращающий момент уменьшается на 28% (М ≈ U₂ ≈~ = 0,85² U_н² ≈ 0,72Мн).
Так как вращающий момент реактивного двигателя в синхронном режиме прямо пропорционален разности магнитных проводимостей ротора по продольной λ_d и поперечной λ_q осям или разности индуктивных сопротивлений (x_d - x_q), то казалось бы, что для увеличения момента необходимо как можно больше увеличивать эту разность, т.е. делать впадины на роторе как можно шире и глубже. На самом деле это не так. Дело в том, что увеличение впадин у широко распространенных роторов (см. рис.36), способствуя увеличению максимального синхронизирующего момента, в то же время приводит к уменьшению момента в асинхронном режиме, как начального пускового (при n = 0), так и подсинхронного (при n ≈ n_с), значение которого во многом определяет момент входа двигателя в синхронизм.
Уменьшение момента в асинхронном режиме при увеличении впадин объясняется увеличением среднего воздушного зазора, что вызывает увеличение намагничивающего тока, падение тока на значительном в микродвигателях сопротивлении обмотки статора и, следовательно, уменьшение основного магнитного потока двигателя. Значение подсинхронного момента при увеличении впадин уменьшается, кроме того, за счет наблюдающегося при этом увеличения асимметрии сопротивлений стержней обмотки ротора. Увеличение впадин в синхронном режиме приводит к уменьшению cosφ при моментах нагрузки, близких к максимальным (при θ = 35...40°), вследствие того, что основному магнитному потоку статора приходится проходить по пути с большим магнитным сопротивлением.
В реальных двигателях, роторы которых изготовляются аналогично ротору, представленному на рис.36, а обычно отношение полюсной дуги к полюсному делению выбирается равным 0,5...0,6, а отношение δ_max/δ_min — равным 10... 12. Однако даже двигатели с оптимальной шириной и глубиной впадины имеют сравнительно низкие пусковые и энергетические показатели и развивают в два-три раза меньшую мощность, чем одинаковые с ними по габаритам асинхронные двигатели (М_к/М_н= 1... 1,5; М_вх/М_н = 1...1,5; М_m/М_н = 1,2...2,2; η = 0,05...0,5; cosφ = 0,2...0,5), причем свойства двигателей ухудшаются с уменьшением их номинальной мощности.
Появившиеся в последние годы синхронные реактивные двигатели с роторами новой конструкции позволили значительно улучшить пусковые и рабочие свойства двигателей. Особенностью усовершенствованных роторов является то, что у них разность магнитных проводимостей, а следовательно, и синхронных индуктивных сопротивлений по продольной и поперечной осям создается не за счет наружных междуполюсных впадин, а в основном за счет внутренних вырезов в пакете стали ротора, которые позволяют получить значительную разность (x_d - x_q) при сравнительно небольшой величине среднего воздушного зазора и сравнительно небольшой асимметрии сопротивлений пусковой обмотки ротора. Пакеты стали таких роторов обычно заливаются сплавом алюминия, который, скрепляя их, одновременно выполняет функции проводника токов ротора, проходящих здесь не только по стержням наружных пазов.
Применение роторов усовершенствованных конструкций позволило значительно улучшить свойства синхронных реактивных двигателей. Так, например, замена обычного ротора, изображенного на рис.36, новым усовершенствованным ротором в двигателе, изготовленном на базе асинхронного двигателя АОЛ 021/4, позволила увеличить момент выхода из синхронизма на 50%, момент входа в синхронизм на 80 %; начальный пусковой момент на 40 %; максимальный cosφ на 40 %; максимальный КПД на 30 %.