Что такое гистерезисный двигатель
Синхронный гистерезисный двигатель
Конструкция гистерезисного электродвигателя
Статор гистерезисного двигателя имеет обычную трех- или двухфазную обмотку, которая создает вращающееся магнитное поле, а ротор представляет собой массивный цилиндр без обмотки, изготовленный из магнитотвердого материала с широкой петлей гистерезиса (например, сплав викаллой). При этом в целях экономии дорогостоящего магнитотвердого материала ротор делают сборным.
Принцип работы синхронного гистерезисного двигателя
Имея массивную конструкцию ротора, гистерезисные двигатели при пуске развивают также асинхронный вращающий момент. Однако этот момент значительно меньше гистерезисного момента, 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 намагничивается полем статора двигателя. Гистерезисные двигатели имеют лучшие показатели, чем реактивные, и строятся мощностью до 300. 400 Вт.
Преимущества и недостатки
Достоинствами гистерезисных двигателей являются простота устройства, надежность в эксплуатации, отсутствие пусковых приспособлений, плавность втягивания в синхронизм, практически неизменный ток при пуске и работе. К недостаткам можно отнести относительно высокую стоимость материала ротора, хотя, как правило, ротор изготовляют из обычной стали и на него насаживают лишь полый цилиндр небольшой толщины из магнитотвердого материала.
Синхронный реактивно-гистерезисный двигатель
Самозапускающийся синхронный реактивно-гистерезисный двигатель с редуктором был изобретен в 1916 г. Г.Е. Уорреном (Henry Ellis Warren). Данные электродвигатели выполнялись маломощными и широко применялись до недавнего времени для привода программных и временных механизмов (лентопротяжные механизмы, реле времени, электрические часы и т.п.).
Конструкция реактивно-гистерезисного электродвигателя
Ротор включает две или более пластин (дисков) толщиной по 0,4 мм из закаленной магнитотвердой стали. Для создания гистерезисного момента выбирается сталь с большим остаточным намагничиванием. Пластины имеют форму колец с перемычками. Магнитное сопротивление ротора в направлении перемычек меньше, и поэтому магнитные проводимости по продольной xd и поперечной осям xq не равны, что обеспечивает получение на роторе еще и реактивного момента. Кольцевой обод на пластинах ротора обеспечивает получение асинхронного и гистерезисного моментов. Ротор закреплен на валу с помощью прорезей в перемычках пластин. Вал электродвигателя связан с редуктором, понижающим частоту вращения и увеличивающим вращающий момент. Ротор с редуктором помещен в герметичный корпус из немагнитного металла.
Принцип работы синхронного реактивно-гистерезисного двигателя
В реактивно-гистерезисном электродвигателе создается три электромагнитных вращающих момента. При пуске двигателя на ротор действуют вихревой и гистерезисный моменты. При этом магнитный гистерезис стального ротора снижает КПД двигателя, но значительно увеличивает пусковой момент. После пуска ротор втягивается в синхронизм и вращается с неизменной синхронной частотой под действием реактивного и гистерезисного моментов.
Преимущества и недостатки
Синхронные реактивно-гистерезисные двигатели Уоренна при сравнительно больших габаритных размерах и массе имеют низкие энергетические показатели (КПД и cosφ). Однако они широко применялись в автоматических устройствах благодаря простоте конструкции, технологичности и возможности работы от однофазного питания.
Серии однофазных реактивно-гистерезисных двигателей
Промышленностью СССР изготавливались однофазные синхронные реактивно-гистерезисные двигатели серий ДСД и ДСДР. Для возможности осуществления реверса в двигателях серии ДСДР на полюсах статора вместо короткозамкнутых витков расположены четыре катушки, по две на каждом полюсе на обеих его половинах. Концы катушек выведены на клеммную колодку. Замыкая ту или иную пару катушек, осуществляется изменение направления вращения электродвигателя. Механическая мощность таких двигателей не превышает 14 мкВт [2].
Устройство и работа гистерезисных двигателей
Конструкция двигателей вполне стандартная: основа работы – статор и ротор. Но что делает особенными гистерезисные движки? Ниже поговорим об их устройстве, работе и применении. Поехали!
Конструкция гистерезисного электродвигателя
Сегодня в сфере производства автоматики очень распространены синхронные микродвигатели, в основе работы которых лежит эффект магнитного гистерезиса.
Статор в таких двигателях аналогичен статорам, которые содержат синхронные и асинхронные агрегаты. Он сделан из листов специальной стали, которые изолированы друг от друга. В его пазы (обычно они полузакрытые) укладывают обмотку. Она может быть двух- или трехфазной, а когда на нее поступает питание от источника переменного тока, возникает вращающееся магнитное поле.
В основном, ротор двигателей на основе магнитного гистерезиса – это полый цилиндр, он может быть сплошным или шихтованным. Делают его из магнитотвердых материалов с широкой петлей гистерезиса, т. е. обладают большой остаточной намагниченностью. Располагают его на втулке, которая бывает магнитной или немагнитной.
Разные роторы в гистерезисных моторах представлены на рисунке 1.
Работа гистерезисного мотора
Мы уже упоминали, что функционал таких движков основывается на гистерезисном моменте. Что это значит?
Обратите внимание на рисунок 2а. На нем изображено статорное поле, те есть два полюса одного постоянного магнита. Между ними установлен ротор цилиндрической формы (его, как сказано выше, делают из магнитотвердого материала). Намагничивание ротора происходит благодаря действию внешнего поля. На той стороне, которая смотрит на северный полюс роторного магнита, начинается возбуждения южного. Работает это и в обратную сторону.
Те силы, что имеют радиальное направление относительно ротора, начинают оказывать на него действие. Если полюсы статорного магнита начнут вращаться вокруг якоря, появится так называемое магнитное запаздывание (собственно, наш гистерезис). Из-за него в активной части ротора не будет перемагничивания во время смены направления поля, которое вращается. Между осями роторного и внешнего полей возникнет некий угол.
Силы, которые оказывают действие на ротор, тоже сменят направление движение на появившийся угол. В то же время тангенциальные составляющие ускорения будут создавать момент гистерезиса.
Магнитное запаздывание – это стремление частиц в ферромагнитном материале (другими словами элементарные магниты), находящемся во внешнем поле, к ориентированию на направление внешнего поля. Такое явление присуще шаговым двигателям.
Тут важно не путать: поле может менять направление вращения, а вот частицы – ориентацию. Препятствием к изменению этой ориентации становится внутренняя сила молекулярного трения в магнитотвердых материалах.
Чтобы изменить направление движения частиц ферромагнита, нужно добиться определенной величины магнитодвижущей силы. Из-за этого процесс перемагничивания ротора будет немного отставать от смены направления внешним полем. Это и есть магнитное запаздывание.
Характеризует это запаздывание угол гистерезисного сдвига. Он появляется между двумя векторами: магнитного потока в роторе и статорных обмотках. Величина угла зависит только от того, какими магнитными свойствами обладает материал ротора.
В процессе преодоления силы молекулярного трения, происходит частичная потерямощности. Это потери на гистерезис. Их значение находится в зависимости от скольжения.
Электромагнитная мощность, которая передается в ротор – это потери в нем, деленные на величину скольжения.
Вращающий момент двигателя – это электромагнитная мощность, деленная на синхронную угловую скорость.
Из этого можно сделать следующие выводы: между величиной момента гистерезиса и частотой вращения ротора (это скольжение) нет никакой зависимости. График вращающего момента – это прямая, параллельная оси абсцисс. Он показан на рисунке 3.
А вот зависимость между углом гистерезисного сдвига и шириной петли гистерезиса определенно есть и она прямая. Рисунок 4 изображает пару гистерезисных петель из разного материала: на кривой 2 – самая обычная сталь, а на кривой 1 – магнитотвердый сплав.
Если в производстве ротора использовать обычную сталь, нельзя будет добиться достаточно большого гистерезисного момента. Возможность получения нужного момента гистерезиса есть исключительно при применении магнитотвердых сплавов типа викаллой, как на кривой 1 рисунка 4, расположенного выше.
Как правило, ротор двигателя, который работают на основе эффекта магнитного гистерезиса, делают сборным. Магнитотвердый элемент – шихтованное или массивное кольцо (1), который размещен на втулке (2). Ее жестко насаживают на вал двигателя (3). Все это показано на рисунке 4.
В электродвигателях, ротор которых выполнен не из отдельных пластин, статорное поле, приходя во вращение, начинают наводить вихревые токи в нем. Они, в свою очередь, начинают взаимодействовать со статорным полем, результатом чего является возникновение электромагнитного момента. Его величина пропорциональна частоте вращения ротора.
Наибольшее значение электромагнитного момента наблюдается в условиях, когда ротор находится в статичном состоянии. А это не что иное, как момент запуска электромотора. После завершения пускового момента, с уменьшением величины скольжения убывает и момент. Если частота становится синхронной, электромагнитный момент будет равен нулю.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что в гистерезисном электромоторе создание вращающего момента напрямую связано с моментами вихревых токови гистерезиса.
Рисунок 4 показывает, как результирующий момент электромотора зависит от величины скольжения. Положение этой кривой имеет зависимость от того, как соотносятся моменты.
Мотор, в основе функционирования которого лежит эффект магнитного гистерезиса, способен работать с разными типами частоты: синхронными и асинхронными. Но его работа во втором упомянутом режиме совершенно не выгодна, так как в двигателе будут происходить значительные потери на то, чтобы перемагничивать ротор. Причем их величина будет расти по мере того, как будет увеличиваться скольжение.
Применение
Гистерезисные электромоторы используют в тех приборах и устройствах, мощность которых составляет десятки ватт с повышенной частоте напряжения и вращения (достигающие 24 – 30 тысяч оборотов в минуту и больше). В таких системах ставят синхронные типы электродвигателей. Тип ротора у них, как правило, обращенный.
Такая конструкция применяется в приборах с гироскопом, а также в электрических проигрывателях, воздухонагревателях, калориферах и так далее.
Преимущества и недостатки использования
Главные достоинства обсуждаемых сегодня моторов перечислены ниже:
Мы также привели основные недостатки, к которым нужно быть готовым при работе с такими движками:
Последний упомянутый недостаток можно встретить при работе с шихтованными типами роторов. Неравномерное вращение, которое вызывают качания от резкой смены нагрузки, являются главной причиной сильной ограниченности применения электроприводов.
Гистерезисный двигатель
Работа гистерезисного двигателя основана на действии гистерезисного момента. Для объяснения физической сущности возникновения этого момента обратимся к рис. 4.21, где показаны два полюса постоянного магнита (поле статора); между ними расположен цилиндр (ротор) из магнитно-твердого материала. Под действием внешнего магнитного поля ротор намагничивается. На стороне, обращенной к северному полюсу постоянного магнита, возбуждается южный полюс, а на стороне ротора, обращенной к южному полюсу постоянного магнита, – северный полюс. На ротор начинают действовать силы 
, направленные радиально к его поверхности (рис. 4.21, а). Если полюсы постоянного магнита вращать вокруг ротора, то вследствие явления магнитного запаздывания (гистерезиса) активная часть ротора не будет перемагничиваться одновременно с изменением направления вращающегося магнитного поля, и между осью поля ротора и осью внешнего поля появится угол 
. Силы , действующие на ротор, изменят свое направление также на угол , а тангенциальные составляющие этих сил 
создадут гистерезисный момент МГ (рис. 4.21, б).
Рис. 4.21. К вопросу о гистерезисном моменте
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 м. д. с., вследствие чего перемагничивание ротора несколько отстает от изменения направления внешнего поля. Это отставание (магнитное запаздывание) характеризуется углом гистерезисного сдвига между вектором магнитного потока ротора 
и вектором магнитного потока обмотки статора 
(рис. 4.21, в). Величина этого угла зависит исключительно от магнитных свойств материала ротора.
На преодоление сил молекулярного трения расходуется часть подводимой мощности, которая составляет так называемые гистерезисные потери. Величина этих потерь зависит от частоты перемагничивания ротора 
, а, следовательно, от скольжения:
(4.12)
где 
– величина гистерезисных потерь 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. § 8.8):
(4.13)
а вращающий момент – электромагнитной мощности, деленной на синхронную угловую скорость: 
, то, очевидно, величина гистерезисного момента не зависит от частоты вращения ротора (скольжения). График 
представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс (рис. 4.22).
Рис. 4.22. Механические характеристики гистерезисного двигателя
Величина угла гистерезисного сдвига зависит от ширины петли гистерезиса: чем шире петля гистерезиса магнитного материала, тем больше угол гистерезисного сдвига. На рис. 4.23 представлены две петли гистерезиса: обычной стали (кривая 2) и сплава викаллой (кривая 1).
Рис. 4.23. Петля гистерезиса обычной стали и викалоя
Применение обычной стали для изготовления ротора не обеспечивает получение гистерезисного момента достаточной величины. Только магнитно-твердые материалы, такие, как сплавы типа викаллой, дают возможность получить большой гистерезисный момент. Роторы гистерезисных двигателей обычно делают сборными. Магнитно-твердая часть выполняется в виде шихтованного или массивного кольца 1, размещающегося на втулке 2 (рис. 4.24), жестко насаженной на вал 3.
Рис. 4.24. Сборный ротор гистерезисного двигателя
В машинах с нешихтованным (массивным) ротором вращающееся поле статора наводит в роторе вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с полем статора возникает электромагнитный момент МВ.Т, величина которого пропорциональна скольжению:
(4.13)
где 
– потери на вихревые токи в роторе при s = 1, т. е. в режиме короткого замыкания, Вт; 
– угловая синхронная скорость, рад/с.
Наибольшей величины момент 
достигает при неподвижном роторе (s=1), т. е. в момент пуска электродвигателя. Затем, по мере возрастания частоты вращения (уменьшения скольжения), момент 
убывает (см. рис. 4.21), при синхронной частоте он становится равным нулю.
Таким образом, электромагнитный вращающий момент гистерезисного двигателя создается совместным действием двух моментов: от вихревых токов и гистерезисного 
(4.14)
На рис. 4.21 представлена зависимость результирующего момента гистерезисного электродвигателя от скольжения: 
. Характер этой кривой зависит от соотношения 
и 
.
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. Из приведенных на рис. 4.25 рабочих характеристик видно, что при переходе гистерезисного двигателя в асинхронный режим его к. п. д. резко снижается.
Рис. 4. 25. Рабочие характеристики гистерезисного двигателя
Достоинства гистерезисных двигателей – простота конструкции и надежность в работе, большой пусковой момент, плавность входа в синхронизм, сравнительно высокий к. п. д., бесшумность в работе, малое изменение тока от пуска до номинальной нагрузки 
.
Недостатки гистерезисных двигателей – низкий коэффициент мощности 
и сравнительно высокая стоимость.
Кроме того, гистерезисные двигатели при резких колебаниях нагрузки склонны к качаниям, что создает неравномерности хода (вращения). Объясняется это отсутствием у гистерезисных двигателей пусковой клетки, которая 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.
В СССР гистерезисные двигатели выпускаются серийно на промышленную (50 Гц) и на повышенные (400, 500 Гц) частоты в трехфазном и однофазном исполнениях.
На рис. 4.26 показано устройство гистерезисного двигателя. В корпус 1 запрессован шихтованный сердечник статора 2 с обмоткой 3. Ротор двигателя сборный, он состоит из магнитно-твердого кольца 4, втулки 5 и вала 6. Подшипниковый шит 7 обеспечивает фланцевое крепление двигателя при его установке.
Рис. 4.26. Устройство гистерезисного двигателя
Что такое гистерезисный двигатель
Рис. 3.13. Зависимости B = f (H) магнитотвердых (МТМ) и магнитомягких (МММ) материалов
Для выяснения принципа действия СГМД примем ротор целиком состоящим из МТМ, обладающего широкой петлей гистерезиса (рис. 3.13).
Рис. 3.14. К вопросу о принципе действия синхронного гистерезисного микродвигателя
Силы магнитного притяжения, действующие на ротор, направлены радиально, взаимно уравновешиваются и никакого момента не развивают. При повороте поля статора (рис. 3.14,б) вслед за ним будут стремиться повернуться элементарные магнитики ротора. Однако вследствие межмолекулярного трения, которое у магнитотвердого материала весьма значительное (явление гистерезисного запаздывания), их поворот будет отставать от поля статора на некоторый угол q. Силы магнитного притяжения в этом случае, кроме радиальных, получат тангенциальные составляющие, которые и создадут гистерезисный момент.
Значение гистерезисного момента определяется векторным произведением магнитных потоков ротора Фр и статора Фс [3]:
Магнитные потоки статора и ротора, пространственный угол q, на который поток ротора отстает от потока статора, при симметричном питании не зависят от скорости вращения и определяются той коэрцитивной силой НС, при которой начинается поворот элементарных магнитиков. Это значит, что гистерезисный момент не зависит от скорости вращения, поэтому для пуска двигателя не требуется пусковая обмотка, необходимая для других синхронных двигателей.
При асинхронном пуске СГМД, пока скорость ротора не равна скорости поля статора, кроме гистерезисного момента на ротор действует асинхронный момент, возникающий от взаимодействия магнитного потока статора и вихревых токов ротора (МВТ). В этом режиме момент двигателя равен
Найдем величину результирующего момента. Известно, что электромагнитная мощность, передаваемая со статора на ротор, равна потерям в роторе, поделенным на скольжение двигателя
Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты перемагничивания РВТ
Рис. 3.15. Механическая характеристика СГМД и ее составляющие
На рис. 3.15 показана механическая характеристика и ее составляющие для идеального СГМД. В реальных двигателях характеристики не такие линейные, поскольку сказывается действие высших гармоник поля, кроме того, в двухфазных конденсаторных двигателях оно в большинстве случаев эллиптическое. Необходимо отметить, что в случае шихтованного цилиндра из МТМ и немагнитной втулки ротора момент вихревых токов практически равен нулю.
Гистерезисные микродвигатели могут работать в синхронном и асинхронном режимах. В этом легко убедиться, рассматривая рис. 3.15. Пока момент нагрузки не больше МС, СГМД работает как синхронный двигатель (его скольжение равно 0). При больших нагрузках он переходит в асинхронный режим (точка а). Причем переход из одного режима в другой и обратно происходит плавно, без рывков, что является одним из достоинств СГМД.
Исследования показали, что гистерезисный момент можно рассчитать по формуле
Перемагничивание ротора происходит под действием НС статора, которая в СГМД сравнительно небольшая. Поэтому для каждого конкретного двигателя существует такой объем V, при котором произведение рГV будет максимальным. Действительно, если V чрезмерно велико, то НС статора не сможет перемагнитить такой объем по предельной петле гистерезиса, перемагничивание будет идти по одной из частных петель гистерезиса, что соответствует малому значению рГ. С другой стороны, при чрезмерно малом V НС статора его легко перемагнитит. Но все равно, перемагничивание не может осуществляться по петле, большей предельной.
Требованию рГV = max отвечают две конструкции ротора (рис. 3.16).
Попытки уменьшить качания ротора путем покрытия его тонким слоем меди не привели к желаемому результату.