Синхронные электродвигатели малой мощности (микродвигатели) используются в системах автоматики, различных бытовых приборах, часах, фотоаппаратах и т. д.
Большинство синхронных электродвигателей малой мощности отличается от машин нормального исполнения только конструкцией ротора, который, как правило, не имеет обмотки возбуждения, контактных колец и прижимающихся к ним щеток.
Для возникновения вращающего момента ротор выполняют из магнитно-твердого сплава с последующим однократным намагничиванием его в сильном импульсном магнитном поле, в результате чего в дальнейшем полюсы сохраняют остаточную намагниченность.
При использовании магнитномягкого материала ротору придают особую форму, обеспечивающую различное магнитное сопротивление его магнитопровода в радиальных направлениях.
Синхронные двигатели с постоянными магнитами имеют цилиндрический явнополюскый ротор из магнитно-твердого сплава и короткозамкнутую пусковую обмотку.
В момент пуска синхронный двигатель работает как асинхронный и его начальный вращающий момент создается за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с наведенными им токами в короткозамкнутой обмотке ротора. Поскольку двигатель пускается в ход в возбужденном состоянии, то магнитное поле постоянных магнитов вращающегося ротора наводит в обмотке статора э. д. с. переменной частоты а это вызывает токи, из-за которых возникает тормозной момент.
Результирующий момент на валу двигателя определяется суммой моментов, обусловленных короткозамкнутой обмоткой и тормозным эффектом, т. е. который зависит от скольжения. В процессе разгона ротора этот момент достигает минимального значения которое при правильном выборе пусковой обмотки должно быть больше номинального момента.
Когда скорость приблизится к синхронной, ротор, в результате взаимодействия поля постоянных магнитов с вращающимся магнитным полем статора втягивается в синхронизм и далее вращается с синхронной скоростью.
Рабочие характеристики синхронного двигателя с постоянными магнитами мало отличаются от аналогичных характеристик синхронного двигателя с обмоткой возбуждения ротора.
Синхронные реактивные двигатели имеют явнополюсный ротор из магнитно-мягкого материала с впадинами, или секционированный, благодаря чему его магнитное сопротивление в радиальных направлениях различно. Ротор со впадинами состоит из штампованных листов электротехнической стали и имеет короткозамкнутую пусковую обмотку. Встречаются роторы из сплошного ферромагнитного материала с аналогичными впадинами. Ротор секционированный состоит из листов электротехнической стали, залитых алюминием или другим диамагнитным материалом, выполняющим роль коротко-замкнутой обмотки.
При включении обмотки статора возбуждается вращающееся магнитное поле и происходит асинхронный пуск двигателя. По завершении разгона ротора до подсинхронной скорости он под действием реактивного вращающего момента, обусловленного различием магнитных сопротивлений в радиальных направлениях, входит в синхронизм и располагается относительно вращающегося магнитного поля статора так, чтобы его магнитное сопротивление для этого поля было наименьшим.
Обычно синхронные реактивные двигатели изготовляют номинальной мощностью до 100 Вт, а иногда и выше, если простоте конструкции и повышенной надежности придают особое значение. При одинаковых габаритах номинальная мощность синхронных реактивных двигателей в 2 - 3 раза меньше номинальной мощности синхронных двигателей с постоянными магнитами, но по конструкции они проще, отличаются меньшей стоимостью, номинальный коэффициент мощности их не превышает 0,5, а номинальный к. п. д. составляет до 0,35 - 0,40.
Синхронные гистерезисные двигатели имеют ротор из магнитотвердого сплава с широкой петлей гистерезиса. С целью экономии этого дорогостоящего материала ротор выполняют сборной конструкции, при которой вал крепится на втулке из ферро- или диамагнитного материала, а на ней укрепляют сплошной или собранный из пластин полый цилиндр, затянутый запорным кольцом. Использование магнитно-твердого сплава для изготовления ротора приводит к тому, что в работающем двигателе волны распределения магнитной индукции по поверхностям статора и ротора смещены друг относительно друга на некоторый угол, называемый углом гистерезиса, что обусловливает возникновение гистерезисного вращающего момента, направленного в сторону вращения ротора.
Различие между синхронными двигателями с постоянными магнитами и синхронными гистерезисными двигателями состоит в том, что у первых ротор при изготовлении машин подвергается предварительному намагничиванию в сильном импульсном магнитном поле, а у вторых он намагничивается вращающимся магнитным полем статора.
При пуске синхронного гистерезисного двигателя помимо основного гистерезисного вращающего момента в машинах со сплошным ротором возникает еще асинхронный вращающий момент, обусловленный вихревыми токами в магнитопроводе ротора, что способствует разгону ротора, вхождению его в синхронизм и дальнейшую работу с синхронной скоростью при постоянном сдвиге ротора относительно вращающегося магнитного поля статора на угол, определяемый нагрузкой на валу машины.
Синхронные гистерезисные двигатели эксплуатируют как в синхронном режиме, так и в асинхронном, но в последнем случае при малом скольжении. Синхронные гистерезисные двигатели отличаются большим начальным пусковым моментом, плавностью входа в синхронизм, незначительным изменением тока в пределах 20 - 30 % при переходе от холостого хода к режиму короткого замыкания.
Эти двигатели имеют лучшие показатели, чем синхронные реактивные, отличаются простотой конструкции, надежностью и бесшумностью в работе, малыми габаритами и незначительной массой.
Отсутствие короткозамкнутой обмотки приводит к качаниям ротора при переменной нагрузке, что обусловливает определенную неравномерность его вращения, ограничивающую область применения машин, которые изготовляют номинальной мощностью до 400 Вт на промышленную и повышенные частоты как одно-, так и двухскоростные.
Номинальный коэффициент мощности синхронных гистерезисных двигателей не превышает 0,5, а номинальный к. п. д. достигает значения 0,65.
Синхронные реактивно-гистерезисные двигатели имеют явнополюсный статор с обмоткой, расположенной на магнитопроводе, собранном из двух симметричных пакетов листов электротехнической стали со стыком внутри каркаса обмотки. Магнитопровод имеет два полюса, разрезанных продольным пазом на равные части, причем на одной из них на каждом полюсе находятся короткозамкнутые витки. Между этими расщепленными полюсами находится ротор, составленный из нескольких тонких колец с перемычками из закаленной магнитно-твердой стали, насаженных на валик, соединенный с редуктором, снижающим частоту вращения выходного вала до нескольких сотых долей или нескольких десятков оборотов в минуту.
При включении обмотки статора, благодаря короткозамкнутым виткам, создается сдвиг по фазе во времени между магнитными потоками неэкранированной и экранированной частей полюсов, что приводит к возбуждению результирующего вращающегося магнитного поля. Это поле, взаимодействуя с ротором, способствует возникновению асинхронного и гистерезисного вращающих моментов, вызывающих разгон ротора, который по достижении подсинхронной скорости под влиянием реактивного и гистерезисного вращающих моментов входит в синхронизм и вращается в направлении, от неэкранированной части полюса к его экранированной части, где расположены короткозамкнутые витки.
У реверсивных двигателей вместо короткозамкнутых витков применяют четыре катушки, которые располагают на обеих частях каждого расщепленного полюса, и для принятого направления вращения ротора замыкают соответствующую пару катушек накоротко.
Синхронные реактивно-гистерезисные двигатели имеют относительно большие габариты и массу, номинальная мощность их не превышает 12 мкВт, работают они при очень низком коэффициенте мощности, а номинальный к. п. д. их не превышает 0,01.
Синхронные шаговые двигатели преобразуют управляющие электрические импульсы в заданный угол поворота, осуществляемый дискретным путем. Они имеют статор, на магнитопроводе которого находятся две или три одинаковые пространственно сдвинутые обмотки, поочередно присоединяемые к источнику электрической энергии в виде прямоугольных импульсов регулируемой частоты. Под влиянием импульсов тока полюсы статора соответственно намагничиваются с переменной полярностью. Изменение направления токов в обмотках статора приводит к соответствующему перемагничиванию полюсов и установлению новой противоположной полярности.
Явнополюсный ротор шаговых двигателей может быть активным и реактивным. Активный ротор имеет обмотку возбуждения постоянного тока, контактные кольца и щетки или систему постоянных магнитов с чередующейся полярностью, а реактивный ротор выполняют без обмотки возбуждения.
Число полюсов ротора шагового двигателя в два раза меньше числа полюсов статора. Каждое переключение обмоток статора приводит к повороту результирующего магнитного поля машины и вызывает синхронное перемещение ротора на один шаг. Направление поворота ротора зависит от полярности импульса, поданного на соответствующую обмотку статора.
Читайте также: Сельсины: назначение, устройство, принцип действия