Электроника:Переменный ток/Двигатели переменного тока/Двигатель с магнитным сопротивлением

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Двигатель с магнитным сопротивлением[1]

Принцип работы двигателя с переменным магнитным сопротивлением зиждется на том принципе, что неудерживаемый внешними силами кусок железа будет двигаться, стремясь пройти путь магнитного потока с минимальным магнитным сопротивлением. Это магнитный аналог электрического сопротивления.

Синхронное сопротивление

Если вращающееся магнитное поле большого синхронного (явнополюсного) двигателя обесточить, он всё равно разовьёт 10-15% синхронного момента. Это связано с переменным сопротивлением во время вращения ротора. Большие синхронные двигатели с магнитным сопротивлением с точки зрения практики не нужны. Однако, если размеры небольшие, то у подобных двигателей есть своя область применения.

Если сделать прорези в беспроводном роторе асинхронного двигателя, соразмерно прорезям статора, то получится синхронный двигатель с магнитным сопротивлением.

Он запускается как асинхронный двигатель, но работает с небольшим синхронным крутящим моментом. Синхронный крутящий момент возникает из-за изменения сопротивления петли магнитного поля, идущей от статора через ротор при совмещении прорезей во время вращения ротора.

Такой двигатель – бюджетное средство создания умеренного синхронного крутящего момента. Низкий коэффициент мощности, низкий крутящий момент и низкий КПД – таковы характеристики электродвигателя с переменным магнитным сопротивлением, приводимым в действие напрямую от линии электропередачи. Так обстояли дела с электродвигателями магнитного сопротивления за столетие до того, как широкое распространение получили полупроводниковые регуляторы мощности.

Переключаемое магнитное сопротивление

Если к многофазному статору подсоединить железный многополюсный ротор, но не имеющий каких-либо проводов, то в результате получим двигатель с переключаемым магнитным сопротивлением, способный синхронизироваться с магнитным полем статора. Когда пара полюсов обмотки статора находится под напряжением, ротор перемещается по пути с наименьшим магнитным сопротивлением.

Двигатель с переключаемым магнитным сопротивлением также известен как двигатель с переменным магнитным сопротивлением. Сопротивление ротора потоку магнитного поля статора меняется в зависимости от положения ротора.

Рис. 1. Магнитное сопротивление – это функция положения ротора в двигателе с переменным магнитным сопротивлением.

Последовательное переключение фаз статора вращает ротор. Магнитный поток ищет путь наименьшего сопротивления. Ниже представлен ротор в упрощённом виде и кривые, иллюстрирующие его работу.

Рис. 2. Двигатель с переменным магнитным сопротивлением, упрощённая схема управления.

Если один конец каждой трёхфазной обмотки электродвигателя с переключаемым магнитным сопротивлением вывести через общий подводящий провод, то работу устройства можно было бы объяснить так, как если бы это был шаговый двигатель (как на рисунке выше). Остальные соединения катушек последовательно (поочерёдно) подводятся к «земле», как в волновой передаче. Это притягивает ротор к вращающемуся по часовой стрелке магнитному полю с шагом 60°.

Электродвигатели с переменным магнитным сопротивлением могут работать с сигналами различных форм (рисунок ниже). Волновой привод (а) прост, для него требуется только односторонний однополюсный переключатель (переключающийся только в одном направлении). Двухполюсный привод (б) обеспечивает больший крутящий момент, но требует двухполюсного переключателя.

Питающий привод должен тянуть попеременно высокие и низкие сигналы. Формы сигналов (а и б) применимы к шаговой версии двигателя с переменным магнитным сопротивлением. Для плавной работы без вибрации желательно (и это достаточно легко) сгенерировать 6-ступенчатое приближение к синусоидальной волне (в).

Привод синусоидальной волны (г) может генерироваться широтно-импульсным модулятором (ШИМ) или напрямую выводиться из линии электропередачи.

Рис. 3. Формы сигналов привода двигателя с переменным магнитным сопротивлением: (а) однополюсный волновой привод, (б) двухполюсный с полным шагом, (в) синусоидальный сигнал, (г) двухполюсный 6-ти ступенчатый.

Удвоение количества полюсов статора позволяет снизить требуемую скорость вращения и увеличивает крутящий момент. Благодаря этому можно отказаться от редукторного привода. Двигатель с переменным магнитным сопротивлением, предназначенный для дискретного движения (в формате остановка/запуск), представляет собой шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением.

Если целью является плавное вращение, существует версия двигателя с переключаемым магнитным сопротивлением с электронным управлением. В электродвигателях с регулируемым магнитным сопротивлением или шаговых двигателях на самом деле используются роторы, подобные показанным на рисунке ниже.

Двигатель с переменным магнитным сопротивлением с электронным управлением

Электродвигатели с переменным магнитным сопротивлением плохо работают, если их запускать напрямую от линии электропередачи. Однако микропроцессоры и твердотельный силовой привод делают этот двигатель экономичным и высокопроизводительным решением для некоторых объёмных применений.

Хотя такой мотор трудно контролировать, вращать его легко. Последовательное переключение обмоток возбуждения создаёт вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой ротор неправильной формы, ища путь с наименьшим магнитным сопротивлением.

Взаимосвязь между крутящим моментом и током статора очень нелинейна, и её трудно контролировать.

Рис. 4. Двигатель с переменным магнитным сопротивлением с электронным управлением.

Двигатель с переменным магнитным сопротивлением с электронным управлением (рисунок ниже) напоминает бесщёточный двигатель постоянного тока без ротора с постоянным магнитным полем. Это делает сам мотор простым и недорогим. Однако это нивелируется немалой стоимостью электронного управления, которое не так просто, как для бесщёточного двигателя постоянного тока.

Хотя двигатель с переменным магнитным сопротивлением является более простым, чем асинхронный двигатель, его трудно контролировать. Электронное управление решает эту проблему и позволяет приводить двигатель в действие, если частота сети значительно выше и ниже частоты вращения двигателя. Двигатель с переменным магнитным сопротивлением, управляемый сервоприводом, электронной системой обратной связи, управляет крутящим моментом и скоростью, сводя к минимуму пульсации крутящего момента.

Рис. 5. Двигатель с переменным магнитным сопротивлением с электронным управлением.

Это противоположно потребности в высоких пульсациях крутящего момента, необходимых для шаговых двигателей. В отличие от шагового двигателя, двигатель с переменным магнитным сопротивлением оптимизирован для непрерывного высокоскоростного вращения с минимизацией пульсаций крутящего момента.

В этих двигателях необходимо измерять вращение ротора с помощью датчика положения. Для этого подойдёт оптический или магнитный энкодер. Или же можно отслеживать обратную ЭДС статора. Микропроцессор выполняет сложные вычисления для своевременного переключения обмоток.

Здесь нужна повышенная точность, чтобы свести к минимуму слышимый шум и пульсацию крутящего момента. Для минимальных пульсаций крутящего момента необходимо контролировать и силу тока в обмотках.

Строгие требования к приводу делают этот двигатель практичным только для больших приложений, таких как энергоэффективные двигатели вакуумных пылесосов, вентиляторов или насосов. В одном из таких пылесосов используется компактный высокоэффективный лопастный двигатель на 100 000 об./мин. с электронным управлением.

Простота двигателя компенсирует высокую стоимость приводной электроники. Отсутствие щёток, коммутатора, обмоток ротора и постоянных магнитов упрощает производство.

КПД этого двигателя с электронным приводом может быть высоким. Но это требует значительной оптимизации с использованием специальных методов проектирования, что оправдано только при больших объёмах производства.

Преимущества:

  • Простая конструкция – не требуются щётки, коммутаторы, постоянные магниты, детали для ротора из меди/алюминия.
  • Высокая эффективность и надёжность по сравнению с обычными двигателями переменного или постоянного тока.
  • Высокий пусковой крутящий момент.
  • Экономичен по сравнению с бесщёточным двигателем постоянного тока, если речь о больших объёмах.
  • Адаптируется к очень высокой температуре окружающей среды.
  • Возможна недорогая точная регулировка скорости при достаточно больших объёмах.

Недостатки:

  • Зависимость тока от крутящего момента очень нелинейна.
  • Фазовое переключение должно быть точным, чтобы свести к минимуму пульсации крутящего момента.
  • Фазный ток необходимо контролировать, чтобы свести к минимуму пульсации крутящего момента.
  • Акустический и электрический шум.
  • Нерентабельно для небольших объёмов производства из-за сложного управления.

См.также

Внешние ссылки