Синхронные гистерезисные двигатели. Конструкция и принцип действия СГД. Достоинства и недостатки СГД

1.  Введение

Своё начало синхронные гистерезисные двигатели (СГД) берут в конце 19 столетия, когда американский учёный Ч. Штейнметц опубликовал работу по расчёту потерь на гистерезис, а затем изложил принцип работы СГД. Суть этой работы заключалась в том, что Штейнметц связал гистерезисный момент электродвигателя с потерями на перемагничивание ротора. Однако его работы долгое время были невостребованными, до тех пор пока в 30-х годах 20 века учёный Уоррен получил патент на изобретение СГД с перевозбуждением. Но такие двигатели не получили большого распространения на практике, а по большей части считались простым физическим феноменом.

В 40-х годах были осуществлены первые попытки дать фундаментальную основу теории СГД, были выведены уравнения связывающие момент и площадь петли гистерезиса. Таким образом, была получена зависимость момента СГД от формы петли гистерезиса, которая в свою очередь зависит от магнитных свойств используемого материала ротора.

К концу 80-х годов, после многочисленных исследований были сформированы основные задачи по изучению СГД, которые сводились к следующему:

·  уменьшение высокой чувствительность механической характеристики к высшим пространственным гармоникам;

·  повышение коэффициента мощности и КПД в рабочем режиме путем применения гистерезисных материалов с высокой выпуклостью петли гистерезиса;

·  снижение стоимости ротора благодаря уменьшению процентного содержания или исключения кобальта в гистерезисных сплавах, а так же отходов при производстве.

На сегодняшний день интересы в области СГД имеют не только электромеханики, но и физики, которые предложили использовать сверхпроводящие материалы для получения качественно новых показателей и характеристик СГД.

Также сегодня ведутся интенсивные исследования как отечественных, так и зарубежных НИИ и кафедр, по изучению электродвигателей на основе высокотемпературных и сверх проводящих материалов, за базу которых приняты СГД.

2.  Конструкция СГД

Также как и любой другой электродвигатель СГД имеет две основных части конструкции: неподвижная – статор и подвижная – ротор. Рассмотрим подробнее конструкции этих элементов.

Статор таких машин ничем не отличается от статоров других микромашин. Также как и в любой электрической машине, он набирается из тонких листов электротехнической стали, которые для уменьшения потерь на вихревые токи покрываются тонким слоем лака или оксида. Пазы выполняются такими, чтобы обеспечить постоянство ширины зубца, которая определяется в зависимости от уровня индукции и условий прочности. Чаще всего применяются пазы грушевидной или полуовальной формы. Высота и раскрытие паза выбираются наименьшими, но с учётом насыщения и технологии производства.

В пазах СГД располагается трехфазная или двухфазная (у однофазных конденсаторных двигателей) распределенная обмотка, создающая вращающееся магнитное поле машины. Она может быть как однослойной, так и двухслойной. Последний тип обмотки получил наибольшее распространение из-за своих технико-экономических качеств: меньшая масса, возможность укорочения шага. Однослойные обмотки применяют в двигателях меньших диаметров.

Обмотка статора может быть как петлевой, так и волновой. Также встречаются «синусные» обмотки, которые обеспечивают синусоидальное распределение МДС машины в пространстве.

Исполнение СГД, как и большинства других может быть:

·  Нормальное (ротор расположен внутри статора);

·  Обращённое (цилиндрический ротор, внутри которого расположен статор);

·  Торцевое (ротор и статор имеют форму дисков);

Ротор СГД выполняется в виде пустотелого цилиндра без обмотки и явно выраженных полюсов. Материалом ротора служат магнитотвёрдые сплавы, т.е. материалы способные возвращаться в обычное, до намагничивания состояние. Также сам материал ротора называют гистерезисным слоем или активным материалом ротора.

3.  Принцип действия СГД

Электромагнитный момент СГД возникает за счёт сильно выраженного гистерезиса материала ротора. Сущность явления гистерезиса заключается в том, что при изменении магнитного поля домены, являющиеся неотъемлемой часть любого магнитного материала, поворачиваются по направлению поля с некоторым отставанием от него.