13.3. Асинхронные микромашины

13.3.1. Асинхронный исполнительный микродвигатель использует­ся в системах управления, автоматики и др. Исполнительный асинхрон­ный микродвигатель преобразует электрический сигнал в движение вала. Двигатель должен обеспечить регулирование скорости вращения вала с изменением сигнала при постоянной нагрузке.

Асинхронный исполнительный микродвигатель — это управляе­мый двигатель.

13.3.2. Различают три типа исполнительных двигателей:

с короткозамкнутым ротором типа «беличье колесо»;

с полым немагнитным ротором;

с полым ферромагнитным ротором.

13.3.3. Исполнительный асинхронный двигатель с короткозамкну­тым ротором не отличается от обычного асинхронного двигателя. Для уменьшения инерционности подвижных частей применяют роторы ма­лого диаметра относительно его длины. Однако момент инерции рото­ра такого двигателя остается достаточно большим.

Двигатель с полым немагнитным ро­тором обладает значительно меньшей инер­ционностью (рис. 13.7). Внешний статор такого двигателя имеет две обмотки — обмотку возбуждения 1 и обмотку управления 2. Внутренний статор 3 — неподвижная часть машины. В воздуш­ном зазоре расположен полый немагнитный ротор 4, выполненный в виде цилиндра из сплавов алюминия. Толщина стенок колеб­лется в пределах 0,2... 1 мм.

Переменное напряжение подается на две взаимноперпендикулярные катушки статора, и создается вращающееся магнитное поле. Вращаю­щееся поле индуцирует в роторе ЭДС, которая в свою очередь индуци­рует вихревые токи на поверхности полого ротора. Создается система «проводник с током в магнитном поле», т. е. возникают электромагнит­ная сила и электромагнитный момент.

Полый немагнитный ротор имеет большие преимущества по сравне­нию с ротором барабанного типа:

весьма небольшое индуктивное сопротивление, что повышает ли­нейность механической характеристики;

очень малый момент инерции;

отсутствие радиальных сил, способствующее уменьшению момента трения и соответственно момента пуска, а также снижению уровня шумов.

Недостатком микродвигателя с полым немагнитным ротором явля­ется большой немагнитный зазор. Зазор состоит из толщины стенки ротора и двух воздушных зазоров. Это уменьшает коэффициент мощ­ности и КПД двигателя (20...25% по сравнению с 40...50% для двухфаз­ного двигателя с ротором барабанного типа). Соответственно возраста­ют габариты и масса микродвигателя.

Асинхронный двигатель с полым ферромагнитным ротором имеет значительно меньший немагнитный зазор. В этом случае внутренний статор отсутствует, так как поток замыкается в роторе. Полый ротор выполняют более толстостенным для уменьшения активного сопротив­ления и оптимизации магнитного потока. Это приводит к увеличению массы ротора, т. е. к повышению инерционности и уменьшению быст­родействия двигателя. Недостатком такого двигателя является также возможность прилипания ротора к статору при износе подшипников.

13.3.4. Две взаимноперпендикулярные катушки статора могут обра­зовывать круговое вращающееся поле при таких условиях:

если катушки создают одинаковые магнитодвижущие силы;

если эти МДС сдвинуты одна к другой на 90°.

В противном случае поле будет эллиптическим, т. е. вращающий мо­мент (и скорость вращения вала) будет меньшим.

Таким образом, с помощью изменения амплитуды тока или сдви­га фаз можно управлять микродвигателем.

Различают три способа управления асинхронным микродвигателем:

амплитудное;

фазовое;

амплитудно-фазовое.

При амплитудном управлении изме­няется величина напряжения на обмотке управления и таким образом регулиру­ется скорость вращения ротора. На рис. 13.8 приведены механические характери­стики исполнительного асинхронного микродвигателя с амплитудным управле­нием в относительных величинах, где М—реальный момент; Мк — момент при круговом поле; относительная частота вращения вала; — коэффициент сигнала (здесь uупр, — напря­жение на обмотке управления, ивоз — на­пряжение на обмотке возбуждения).

При фазовом управлении напряже­ния на обмотках остаются постоянными. Регулирование скорости вращения вала осуществляется изменением угла между векторами напряжения на об­мотке управления и обмотке возбуждения с помощью фазорегулятора. На рис. 13.9 приведены механические характеристики асинхронного микродвигателя с полым немагнитным ротором при фазовом управлении (в относительных единицах), где (3 —угол между вектором напряжения управления и век­тором напряжения возбуждения.

На рис. 13.10 дана схема двигателя с амп­литудно-фазовым управлением (конденса­торное).

Емкость в цепи возбуждения сдвига­ет фазу напряжения возбуждения, а на­пряжение управления регулируется реостатом. Механические характеристики двигателя с та­ким способом управления (рис. 13.11) напоминают характеристики двигателя с амплитудным управлением, где ак — ко­эффициент сигнала при круговом поле. Рассмотренные способы управления дают возможность регулировать скорость вращения вала в очень широких пределах (1...200). Некоторые преимущества имеет ампли­тудно-фазовое управление (простота схемы, большие пусковые моменты). Но при этом несколько снижается устойчивость в зоне малых частот вращения.

13.3.5. Асинхронные тахогенераторы используются для измерения скорости вращения вала — как датчики ускоряющих и замедляющих сигналов обратных связей в системах автоматического регулирования, как элементы стабилизации скорости вращения, как элементы вычис­лительных устройств для решения задач дифференцирования и интег­рирования функций. Конструкция тахогенератора принципиально не отличается от конструкции исполнитель­ного асинхронного микродвигателя с по­лым немагнитным ротором.

В идеальном случае тахогенератор должен давать напряжение на выходе, пропорциональное скорости вращение: или где θ — угол поворота. На рис. 13.12 приведена схема асин­хронного тахогенератора, где В — обмот­ка возбуждения; Г— генераторная обмот­ка статора. Исходные характеристики тахогенератора зависят от сопротивления нагрузки. Линейность нарушается в зоне повышен­ных частот (рис. 13.13).