СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Асинхронные исполнительные двигатели это двухфазные двигатели с двумя обмотками на статоре, сдвинутыми в пространстве на 90 электрических градусов . Для того чтобы обмотки создавали вращающееся магнитное поле, необходим временной сдвиг токов в этих обмотках.

Вращающиеся магнитные поля могут быть созданы  и двухфазными обмотками, если обе  фазы этих обмоток пространственно смещены на 90° друг относительно друга. Если фазы обмотки питать двумя токами, смещенными на 90° по фазе, то получается, как и в трехфазном электродвигателе, вращающееся магнитное поле.

В двухфазном электродвигателе создается вращающий  момент, обусловленный токами, вызванными вращающимся магнитным полем в стержнях ротора электродвигателя. Ротор получает ускорение до тех пор, пока он — как и в трехфазном асинхронном двигателе — не достигнет определенной конечной частоты вращения, которая ниже частоты вращения поля.

Если  обе фазы обмотки ротора питать от одной и той же сети однофазного  тока, то сдвиг фаз в одной из обмоток, необходимый для получения  вращающегося поля, может быть реализован путем подключения конденсатора с достаточной емкостью. На рис.1, а показана схема двухфазного асинхронного двигателя с конденсатором при питании от сети переменного тока.

В настоящее  время расширилась сфера применения двуфазного асинхронного двигателя  в виде электродвигателя с полым  ротором. В таком электродвигателе вместо обычного короткозэмкнутого ротора применяется алюминиевый цилиндр, который может вращаться в воздушном зазоре между внешним и внутренним статорами (рис.1б).

Вращающееся поле вызывает в алюминиевом цилиндре вихревые токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем в воздушном зазоре, создают вращающий момент. Цилиндр достигает конечной асинхронной частоты вращения, которая соответствует нагрузке на валу.

Небольшой момент инерции ротора электродвигателя обусловливает благоприятные рабочие  характеристики. Электродвигатели с полым ротором рассчитаны прежде всего на небольшие мощности и применяются для автоматического регулирования в компенсационных и мостовых схемах. Одна из обмоток вместе с конденсатором подключается к сети с напряжением, а на вторую обмотку подается управляющее напряжение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Общие сведения

 В зависимости  от способа сдвига токов различают  три способа управления исполнительными  двигателями: амплитудный (рис.1.1,а); фазовый (рис.1.1,б) и амплитудно-фазовый  (рис.1.1,в).

П р и а м п л и т у д н о м управлении на обмотку возбуждения подается напряжение U_в, а на обмотку управления - напряжение U_у, переменное по амплитуде и сдвинутое по фазе относительно него на 90^о. Управление двигателем осуществляется изменением величины напряжения U_у. Отношение напряжения управления U_у к напряжению возбуждения U’_в, приведенному к числу витков обмотки управления, называют эффективным коэффициентом сигнала

где k = w_в/w_у - коэффициент трансформации; w_в и w_у - эффективные числа витков обмоток возбуждения и управления; a = U_у/U_в– коэффициент сигнала.

Рис.1.1. Способы  управления асинхронным исполнительным двигателем 
 

Круговое магнитное поле и максимальная частота вращения имеют место только при a_э= 1. При a_э < 1 - поле эллиптическое, а частота вращения меньше максимальной. При a_э = 0 - поле пульсирующее; двигатель не вращается. Реверс двигателя осуществляется за счет изменения фазы напряжения управления.

П р и ф  а з о в о м управлении на обмотку возбуждения подается напряжение сети U_в, а на обмотку управления - постоянное по амплитуде напряжение, величина которого равна приведенному напряжению возбуждения U_у = U’_в, (U’_в= U_в/k). Регулирование частоты вращения осуществляется изменением фазы напряжения управления. За коэффициент сигнала здесь принимается sinb. И вновь: при sinb = 1 поле круговое, частота вращения максимальная; при sinb < 1 поле эллиптическое, частота вращения меньше максимальной. При sinb = 0 поле пульсирует, частота вращения равна нулю. При sinb < 0 двигатель изменяет направление вращения.

А м п л  и т у д н о - ф а з  о в о е управление чаще всего  реализуется как конденсаторное. На первый взгляд этот способ кажется  амплитудным, однако, это не так. Дело в том, что при изменении амплитуды напряжения управления U_у, изменяется частота вращения двигателя n, изменяется ток возбуждения I_в, а поскольку напряжение на обмотке возбуждения U^*_вравно разности напряжения сети U_с и падения напряжения на конденсаторе I_вx_к, то оно изменяется как по величине, так и по фазе

,

Коэффициентом сигнала a_e здесь принято называть отношение напряжения управления U_у к напряжению сети U_с: a_e = U_у/U_с.

Известно, что  характеристики конденсаторного двигателя во многом зависят от того, как выбраны соотношения напряжений на обмотках и емкость конденсатора. Обычно их выбирают из условия получения кругового магнитного поля при пуске двигателя.Коэффициент сигнала, обеспечивающий это условие, обозначают a_eo. Поэтому при a_eo поле круговое, при a_e < a_eo - эллиптическое, при a_e = 0 - пульсирующее.

Анализируя сказанное  выше, можно сделать вывод, что  несмотря на конструктивные различия способов управления асинхронным исполнительным двигателем, их объединяет общая идея управления: деформация магнитного поля от кругового к эллиптическому до пульсирующего.

Для обеспечения  устойчивой работы двигателя во всем диапазоне частот вращения, для расширения зоны регулирования и, как узнаем из дальнейшего, для устранения самохода, асинхронные исполнительные двигатели изготавливают с роторами, имеющими большие активные сопротивления (рис.1.2). В результате их критические скольжения всегда больше единицы (кривая 1). У обычных машин s_к = 0,1¸ 0,5 (крива 2).

Рис.1.2. Механические характеристики исполнительных (1) и  силовых (2) асинхронных двигателей 
 

Большие сопротивления  ротора приводят к увеличению потерь и снижению механической мощности. Поэтому асинхронные исполнительные двигатели имеют полезную мощность в 2 ¸3 раза меньшую, чем силовые двигатели такого же габарита.

    1.2. Уравнения токов и схемы замещения асинхронных исполнительных двигателей

В общем случае асинхронный исполнительный двигатель является несимметричной двухфазной машиной, для которой можно нарисовать известные четыре схемы замещения. Например, для обмотки управления они имеют следующий вид (рис.1.3)

Рис. 1.3. Схемы  замещения обмотки управления 
 

Здесь: s = (n₁ - n)/n₁ = 1 - n/n₁ = 1 - n; 2 - s = 1 + n, где n - относительная частота вращения.

Эти схемы позволяют  получить уравнения токов, по которым можно вывести уравнения механических, регулировочных и прочих характеристик. Однако, полученные уравнения будут слишком громоздкими. Для асинхронного исполнительного двигателя ситуацию можно существенно упростить, если в схемах замещения пренебречь всеми сопротивлениями, кроме активного сопротивления ротора r_р. Такие схемы, да и сами двигатели, будем называть "идеальными" (рис.1.4). Основанием для идеализации служит тот факт, что исполнительные двигатели выполняются с роторами, имеющими большое активное сопротивление.

1.3. Характеристики асинхронного исполнительного двигателя при разных способах управления

Свойства и  поведение асинхронного исполнительного двигателя определяются механическими и регулировочными характеристиками.

В общем случае напряжения и образуют несимметричную систему векторов (рис.1.5).

Рис. 1.5. система векторов 

Используя понятие  эффективного коэффициента сигнала, можно  записать

Симметричные составляющие напряжения управления будут:

Переходя от показательных функций к тригонометрическим и учитывая, что e^-jb = cosb - jsinb, подставим полученные значения U_у1 и U_у2 в (1.1)

(1.2)

Электромагнитная  мощность с точки зрения передачи энергии со статора на ротор представляет собой сумму электромагнитных мощностей  прямой и обратной последовательностей. При круговом поле они равны потерям в роторе, деленным на скольжения /в нашем случае на (1 - n) и (1 + n)/ 
 

Так как по отношению  к полю прямой последовательности машина работает в режиме двигателя, а по отношению к полю обратной последовательности в режиме электромагнитного тормоза, то результирующий момент М равен

Подставим в  это уравнение квадраты модулей  токов I_у1 и I_у2 из (1.2). После преобразований, получим:

Выразим момент двигателя в относительных единицах. За базисный возьмем пусковой момент, развиваемый двигателем при круговом поле (a_э= 1, sinb= 1, n = 0)

Тогда момент в  относительных единицах (m = M/M_б)

(1.3)

Уравнение (1.3) есть аналитическое выражение механических характеристик идеального асинхронного исполнительного двигателя, под которыми понимают зависимость момента от угловой скорости вращения при постоянном коэффициенте сигнала.

Решив уравнение (1.3) относительно n, получим выражение регулировочных характеристик, которые показывают зависимость угловой скорости вращения от коэффициента сигнала при постоянном моменте на валу

(1.4)

                          2 ДВУХФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ МИКРОДВИГАТЕЛИ 

      По  сравнению с асинхронными микродвигателями общего применения исполнительные микродвигатели имеют повышенное активное сопротивление ротора. Это связано с требованиями обеспечения устойчивой работы исполнительных микродвигателей во всем рабочем диапазоне угловых скоростей (скольжение s = 0÷1) и исключения параметрического самохода. Из теории асинхронных машин известно, что устойчивость их работы практически при всех реальных видах нагрузки обеспечивается только на участке от s = 0 до s = s_к (s_к – критическое скольжение).  

Рис. 2.1 

      Следовательно, активное сопротивление ротора у  исполнительного асинхронного микродвигателя должно быть таким, чтобы обеспечивалось условие s_к ≥ 1. Условие s_к > 1, как будет показано далее, является необходимым и для отсутствия параметрического самохода, который может возникнуть при неправильном выборе параметров двигателя. Критическое скольжение реальных исполнительных асинхронных микродвигателей выбирают обычно в пределах s_к = 2÷4.

      На  рис. 2.1, б представлены зависимости  вращающего момента от скольжения асинхронного микродвигателя общего применения (кривая 1) и исполнительного асинхронного микродвигателя (кривая 2).

      В зависимости от конструкции ротора различают три основных типа исполнительных асинхронных микродвигателей: с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка», с полым немагнитным и полым ферромагнитным роторами.

      Исполнительные  асинхронные микродвигатели с ротором  типа «беличья клетка» имеют такое же устройство, как и трехфазный асинхронный двигатель с аналогичным ротором. Отличие состоит только в том, что в настоящее время их выпускают в основном так называемой сквозной конструкции. При такой конструкции (рис. 2.2) внутренний диаметр статора 1, на котором расположена двухфазная обмотка 2, равен наружному диаметру подшипников 5. Это позволяет обрабатывать внутреннюю поверхность статора и отверстия под подшипники в подшипниковых щитах 4 с одной установки на станке. Тем самым уменьшается эксцентриситет расположения ротора 3 в расточке статора, что дает возможность уменьшить минимально допустимый воздушный зазор до 0,03 – 0,05 мм. Уменьшение воздушного зазора при неизменных габаритных размерах и магнитном потоке обеспечивает снижение намагничивающего тока и, следовательно, уменьшение электрических потерь в статоре, повышение к.п.д. и коэффициента мощности cos φ₁. И наоборот, при неизменных габаритных размерах, намагничивающей составляющей м.д.с. статора и электрических потерях в обмотке статора, т. е. при одинаковых условиях нагрева двигателя, уменьшение воздушного зазора дает возможность увеличить основной магнитный поток (при отсутствии насыщения) и тем самым вращающий момент. 

      Рис. 2.2   Рис. 2.3 

      В системах автоматики широко применяются исполнительные микродвигатели с полым немагнитным ротором. Конструктивная схема такого микродвигателя представлена на рис. 2.3. Внешний статор 1, закрепленный в корпусе 8, ничем не отличается от статора обычного асинхронного микродвигателя. Его набирают из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. В пазах статора располагают две обмотки 2 – возбуждения и управления, сдвинутые в пространстве на электрический угол 90° (здесь и далее под электрическим углом понимаем пространственный угол, умноженный на число пар полюсов машины). Внутренний статор 4, который набирают из листов электротехнической стали на цилиндрическом выступе одного из подшипниковых щитов 5, служит для уменьшения магнитного сопротивления на пути основного магнитного потока, проходящего через воздушный зазор.

      В воздушном зазоре между внешним  и внутренним статорами находится  полый ротор 3, выполненный в виде тонкостенного стакана из немагнитного материала, чаще всего из сплавов алюминия. Дно ротора жестко укрепляют на валу 6, который вращается в подшипниках 7, расположенных в подшипниковых щитах. Толщина стенок ротора в зависимости от мощности двигателя колеблется в пределах 0,1 – 1 мм. Полый ротор имеет очень малую массу и, следовательно, незначительный момент инерции.

      В микродвигателях мощностью в  единицы ватт и менее обмотки  возбуждения и управления часто размещают в пазах внутреннего статора. Тогда внешний статор пазов не имеет и служит лишь для уменьшения магнитного сопротивления. При такой конструкции облегчается процесс укладки обмоток в пазы и несколько повышается вращающий момент, но увеличивается диаметр ротора вследствие увеличения обмоточного пространства на внутреннем статоре, что приводит к некоторому увеличению момента инерции ротора. Возможно также размещение одной из обмоток на внутреннем, а другой – на внешнем статоре.

      На  рис. 2.4 представлен исполнительный микродвигатель АДП-123 с полым немагнитным  ротором 3 и обмотками возбуждения на внешнем статоре 1. Внутренний статор 2 – безобмоточный.

      Полый немагнитный ротор исполнительного  асинхронного микродвигателя в отличие от роторов других типов обладает незначительным индуктивным сопротивлением, что повышает линейность механических и регулировочных характеристик двигателя. 

Рис. 2.4    Рис. 2.5  

      Гладкая цилиндрическая поверхность полого немагнитного ротора способствует снижению уровня шумов, создаваемых двигателем.

      Отсутствие  радиальных сил притяжения полого немагнитного ротора к статору, уменьшение массы ротора и соответственно момента трения в подшипниках обеспечивают уменьшение напряжения трогания.

      Недостатком микродвигателя с полым немагнитным  ротором является большой немагнитный зазор, состоящий из двух воздушных зазоров: между внешним статором и ротором и между ротором и внутренним статором (каждый до 0,25 мм), а также из немагнитной стенки самого ротора.

      Из-за большого немагнитного зазора между  внешним и внутренним статорами, составляющего 0,5 – 1,5 мм, эти двигатели имеют значительный намагничивающий ток (0,8 – 0,9 от номинального) и низкий коэффициент мощности. Последний недостаток несколько устраняется при конденсаторном управлении, но большой намагничивающий ток приводит к большим электрическим потерям в обмотках двигателя и значительно снижает его к.п.д. У исполнительных микродвигателей с полым немагнитным ротором мощностью в несколько десятков ватт по сравнению с исполнительными микродвигателями той же мощности с ротором типа «беличья клетка» к.п.д. снижается с 40 – 50 до 20 – 35%, а габаритные размеры и масса увеличиваются в 1,2 – 2 раза. При увеличении номинальной частоты напряжения питания с 50 до 400 – 1000 Гц габаритные размеры и масса на единицу полезной мощности уменьшаются и эти показатели у указанных типов микродвигателей сближаются. Объясняется это относительным уменьшением активного сопротивления обмоток статора (по сравнению с индуктивным) и электрических потерь в них. Однако и при номинальной мощности менее 5 – 10 Вт габаритно-массовые и энергетические характеристики в основном лучше у микродвигателей с ротором типа «беличья клетка».

      На  рис. 2.5, а, б приведены зависимости  соответственно к.п.д. η и массы q на единицу номинальной мощности от номинальной мощности P_2ном некоторых серийных исполнительных асинхронных микродвигателей: АДП – с полым немагнитным ротором (индекс «н» – частота 50 Гц; индекс «в» – частота 400 Гц); ЭМ-М и ДИД – с полым немагнитным ротором (400 Гц); АД, ДМ и ДКИ – с ротором типа «беличья клетка» (400 Гц).

      Микродвигатели  с полым немагнитным ротором  менее надежны при высоких температурах, вибрации и ударах, так как вероятность деформации полого немагнитного ротора в указанных условиях выше, чем ротора типа «беличья клетка».

      Уменьшить немагнитный зазор можно при  использовании полого ферромагнитного ротора. В этом случае отпадает необходимость во внутреннем статоре, так как магнитный поток замыкается непосредственно по ротору. Чтобы материал ротора не насыщался и активное сопротивление его не было очень велико, полый стакан выполняют более толстостенным. Это приводит к увеличению массы ротора и снижению быстродействия двигателя. У некоторых типов таких микродвигателей с целью уменьшения активного сопротивления ротора его поверхность покрывают тонким слоем меди.

      В каждом конкретном случае выбор конструкции  типа двигателя должен производиться с учетом основных требований и условий применения.

      Принцип действия исполнительного асинхронного микродвигателя не отличается от принципа действия трехфазного асинхронного микродвигателя. Вращающееся магнитное поле статора создается в результате взаимодействия м.д.с. обмоток В и У при наличии пространственного сдвига между ними и временного сдвига приложенных к ним напряжений. Электромагнитный момент возникает в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с токами, наведенными этим полем в обмотке ротора – стержнях «беличьей клетки» или стенке полого ротора. Из теории электрических машин известно, что вектор вращающегося магнитного поля остается неизменным, т. е. поле является круговым при соблюдении следующих условий:

1. сдвиг обмоток статора в пространстве на электрический угол γ = 90°;
2. сдвиг токов в обмотке статора по времени на угол β = 90°;
3. равенство м.д.с. обмоток возбуждения и управления: I_уω_у.эф = I_вω_в.эф, где ω_эф – число эффективных витков соответствующей обмотки, равное произведению числа витков на обмоточный коэффициент.

Рис. 2.6 

      Нарушение любого из этих условий приводит к  тому, что поле становится эллиптическим, т. е. конец вектора магнитного потока описывает не окружность, а эллипс. В этом случае суммарное магнитное поле Φ при вращении не остается постоянным, а изменяется по амплитуде. Становится переменной и мгновенная угловая скорость вектора Φ в пределах оборота при неизменной средней скорости.

      Эллиптическое поле создает меньший вращающий  момент, чем круговое такой же амплитуды. Его можно представить как сумму двух неравных круговых полей, вращающихся с синхронной угловой скоростью в противоположные стороны (рис. 2.6, а). Круговое поле Φ₁, вращающееся в одном направлении с эллиптическим, называют прямым; поле Ф₂ – обратным.

      Прямое  поле создает вращающий момент двигателя, а обратное – тормозящий момент. С увеличением эллиптичности поля за счет изменения углов β и γ или уменьшения м.д.с. одной из обмоток статора прямая составляющая поля и момента убывает, а обратная составляющая растет. Уменьшение результирующего вращающего момента при неизменном моменте нагрузки приводит к снижению угловой скорости ротора. Появление обратного поля обусловливает увеличение потерь, уменьшение механической мощности и к.п.д. двигателя.

      Следует отметить, что увеличение м.д.с. одной  из обмоток статора по сравнению со значением, соответствующим круговому полю, приводит к появлению эллиптического поля, амплитуда которого больше, чем кругового. При этом возрастают обе составляющие поля и в некотором диапазоне возможно увеличение результирующего вращающего момента по отношению к исходному круговому полю. Однако такое форсирование м.д.с. статора связано с превышением напряжением и током своих номинальных значений, соответствующих круговому полю. Это не всегда допустимо, так как вызывает увеличение потерь и дополнительный нагрев двигателя, может привести к насыщению магнитопровода и пробою изоляции.

      Когда полностью не выполняется хотя бы одно из условий кругового поля (β=0, γ=0, I_в=0 или I_у=0), поле статора становится пульсирующим и двигатель не развивает вращающего момента при неподвижном роторе. Для объяснения этого явления заменим пульсирующее магнитное поле Φ (рис. 2.6, б) двумя полями Φ₁ и Ф₂, вращающимися в противоположные стороны с синхронной угловой скоростью ω₁ и имеющими амплитуды, равные половине амплитуды пульсирующего поля.

      При неподвижном роторе оба поля вращаются  относительно ротора с синхронной угловой скоростью. Каждое из них наводит в обмотке ротора токи, равные вследствие равенства полей и скольжений. Возникают равные по значению вращающие моменты, направление которых противоположно, как и направление полей. Результирующий момент равен нулю, и ротор во вращение прийти не может.

      Картина несколько меняется, если поле статора  становится пульсирующим при вращении ротора в какую-либо сторону. В этом случае при определенных условиях двигатель может продолжать развивать вращающий момент, так как скольжение его ротора относительно прямого и обратного полей будет уже неодинаковым. Поле статора в исполнительном асинхронном микродвигателе становится пульсирующим при снятии сигнала управления. Следовательно, ротор двигателя может продолжать вращаться при снятом сигнале управления, что недопустимо для исполнительных двигателей. Это явление, называемое параметрическим самоходом.

      Физическое  объяснение возникновения электромагнитного  момента при пульсирующем поле статора и скольжении s ≠ l заключается в следующем. Пульсирующее поле статора наводит во вращающемся роторе кроме трансформаторной еще и э.д.с. вращения, сдвинутую по фазе относительно трансформаторной. Токи, вызванные в роторе э.д.с. вращения, создают магнитный поток ротора, сдвинутый в пространстве и во времени относительно потока статора. Результирующее магнитное поле двигателя, образующееся при взаимодействии этих двух потоков, получается вращающимся эллиптическим. Направление вращения этого поля зависит от параметров двигателя.

      Следует отметить, что в двухфазном двигателе  круговое поле может быть получено и при γ ≠ 90^о, если γ + β = 180° и амплитуды м.д.с. равны. Однако в исполнительных двигателях такой способ широкого распространения не получил. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    3 МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ДВУХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

       Рис. 2.7    Рис. 2.8 

      Составим  уравнение электромагнитного вращающего момента исполнительного асинхронного микродвигателя. Форма магнитного поля в двигателе в общем случае эллиптическая, причем эллиптичность вызвана асимметрией м.д.с. обмоток В и У, т. е. нарушением хотя бы одного из условий кругового поля. Поскольку в большинстве двигателей пространственный угол между обмотками γ = 90°, можно перейти от асимметрии м.д.с. к асимметрии приведенных токов в обмотках В и У статора двигателя. Это значит, что угол сдвига β векторов I_у и I_в во времени отличен от 90°, а значения модулей, приведенных к числу витков обмотки возбуждения ω_в, не равны:

      где k_тр = ω_в.эф/ω_у.эф – коэффициент трансформации обмоток В и У.

      Чтобы при определении токов и вращающего момента в исполнительном асинхронном микродвигателе можно было использовать методику расчета асинхронных микродвигателей с симметричным питанием, разработанную в общем, курсе электрических машин, воспользуемся методом симметричных составляющих в применении к двухфазным системам.

      Согласно  этому методу, несимметричная двухфазная система неодинаковых векторов токов I_в и I'_у (рис. 2.7), сдвинутых между собой на произвольный угол, может быть разложена на две симметричные системы, состоящие каждая из двух векторов; одинаковых по длине и сдвинутых между собой на угол 90°. Система векторов прямой последовательности (I_в1, I'_у1) имеет то же чередование фаз, что и исходная система. Система векторов обратной последовательности (I_в2, I'_у2) имеет противоположное чередование фаз. При этом