§3.3. Синхронные микродвигатели непрерывного вращения с пониженной угловой скоростью ротора

Синхронные микродвигатели классического типа, рассмотренные в § 3.2, при стандартной частоте напряжения питания 50-1000 Гц развивают частоту вращения ротора порядка 1 тыс. об/мин и более, а в электрических микроприводах часто требуется частота вращения только в несколько единиц или десятков оборотов в минуту. Применение для снижения частоты вращения механических редукторов со столь значительным передаточным отношением усложняет систему микропривода, снижает общую надежность, повышает уровень звуковых шумов, габариты и массу. Кроме того, в условиях вакуума или высоких температур, надежность микродвигателей, имеющих быстро вращающиеся подшипники, резко падает.

В синхронных микродвигателях, рассматриваемых в настоящем параграфе, угловая скорость ротора не равна, а меньше угловой скорости поля статора в определенное число раз. При этом соотношение угловых скоростей в синхронном режиме не зависит от внешних факторов (момента нагрузки, напряжения и т.д.).
   Микродвигатели с пониженной угловой скоростью ротора по системе возбуждения бывают в основном двух типов: реактивные – с невозбужденным ротором; индукторные – с подмагничиванием ротора со стороны статора постоянным магнитным потоком.

Редукторные микродвигатели (субсинхронные).
    В редукторных микродвигателях осуществляется электромагнитное редуцирование угловой скорости ротора по отношению к угловой скорости первой гармоники поля статора. Это достигается путем использования в качестве рабочих не первой, а высших, зубцовых гармоник магнитного поля, которые усиливаются за счет определенной конфигурации поверхностей статора и ротора. Как отмечалось в § 2.2, число полюсов поля высшей пространственной гармоники пропорционально, а угловая скорость обратно пропорциональна ее порядку.
   Особенность конструкции и принципа действия синхронных редукторных микродвигателей наиболее удобно рассмотреть на примере машины реактивного типа (рис.3.15).

Рис. 3.15

Статор и ротор набирают из листов электротехнической стали. Статор С выполняется в виде кольца и имеет пазы на внутренней поверхности; ротор Р – в виде диска и имеет пазы на внешней поверхности. Числа зубцов статора Z_с и ротора Z_p различны; причем обычно Z_p > Z_с. На статоре укладывается обмотка с числом пар полюсов p_м, предназначенная для питания от трехфазной или однофазной сети и создающая вращающееся магнитное поле.
   Пусть в данный момент времени поток Ф_с занимает положение А и против статорных зубцов 1 и 4 находятся роторные зубцы 1` и 5`. Реактивный момент равен нулю, так как ротор обеспечивает наибольшую магнитную проводимость. При перемещении потока Ф_с в положение Б, т.е. на угол 360°/Z_с, ротор под действием реактивного момента повернется на такой угол, чтобы магнитная проводимость снова стала наибольшей. Это наступит тогда, когда против зубцов статора 2 и 5 встанут зубцы ротора 2' и 6', т.е. ротор повернется на угол (360°/Z_с - 360°/Z_p). Следовательно, угловая скорость ротора ω₂ меньше синхронной угловой скорости первой гармоники поля статора ω₁ в 360/Z_с/(360/Z_с - 360/Z_p) раз,т.е.

ω₂=ω₁/K_ред     (3.14)

где ω₁ =2Πƒ/P_м, а коэффициент редуцирования угловой скорости K_ред=Z_p/(Z_p-Z_с).
   Для рассмотренного случая (рис. 3.15) K_ред=4; у реальных двигателей число зубцов может достигать нескольких сотен, и K_ред существенно возрастает.
   В реактивных редукторных микродвигателях соотношение чисел зубцов должно отвечать условию Z_p-Z_с=2P_м, т.е. K_ред=Z_p/2P_м. Коэффициент редуцирования возрастает с увеличением Z_p. Однако следует иметь в виду, что число зубцов, которое можно разместить на окружности определенного диаметра, ограничено минимальной по технологическим соображениям толщиной зубца.

Микродвигатели с катящимся ротором.
    В синхронных микродвигателях с катящимся ротором редуцирование угловой скорости ротора по отношению к угловой скорости магнитного поля объясняется тем, что ротор располагается эксцентрично в расточке статора и имеет возможность катиться вдоль окружности статора. Основной электромагнитный вращающий момент создается за счет сил одностороннего магнитного притяжения ротора к статору несимметричным вращающимся магнитным полем.
   Несимметричное поле имеет один глобальный максимум в пределах окружности машины (кривая В_δ на рис. 3.16 ).

Рис. 3.16

Электромагнитная сила притяжения ƒ_эм, действующая на единицу поверхности ротора, пропорциональна квадрату индукции (соотношение Максвелла). Следовательно, результирующая сила магнитного притяжения ротора к статору направлена вдоль максимума волны индукции В_δ, т.е. по оси А результирующего вращающегося потока.

Рис. 3.17

Принцип действия двигателя с катящимся ротором можно рассмотреть на модели, изображенной на рис. 3.17. В расточке статора, имеющей диаметр D₁, эксцентрично расположен ферромагнитный ротор с наружным диаметром D₂.Координатную ось, проходящую через центр статора О₁ и точку минимального зазора, считаем продольной d, а перпендикулярную ей – поперечной q.
   В исходном положении (рис.3.17,а) ось потока Ф_δ проходит через точку А соприкосновения статора и ротора. Сила F_эм притяжения ротора к статору направлена по оси d, составляющая по оси q равна нулю и ротор находится в положении устойчивого равновесия.
   При смещении потока Ф_δ (рис.3.17,б) относительно точки соприкосновения А появляется составляющая силы притяжения по оси q. Сила F_qсоздает момент относительно точки А и под действием этого момента ротор перекатывается по поверхности статора до тех пор, пока точка соприкосновения ротора и статора не переместится в А' и центр ротора О₂ не окажется на оси потока Ф_δ.
   Если поле совершит полный оборот α₁= 2π; (рис.3.17,в), то за счет разности окружностей качения статора и ротора (πD₁-πD₂) в исходную точку А₁ на поверхности статора придет точка ротора, смещенная по полю относительно исходной А₂ на эту разностную дугу. Значит, ротор повернется вокруг своего центра О₂ против направления вращения поля на угол

α₂=2π (D₁-D₂/D₂) = α₁ (D₁-D₂/D₂)  (3.15)

   При непрерывном вращении поля с угловой скоростью ω₁ в двигателе синхронно с полем в сторону поля вращается точка соприкосновения ротора со статором и центр ротора О₂ относительно центра статора О₁. Ротор, как следует из (3.15), вращается вокруг своей оси О₂ против поля с угловой скоростью которая является выходной скоростью двигателя.

ω₂=ω₁(D₁-D₂)/D₂ (3.16)

Если диаметры статора и ротора выбраны близкими, то (D₁-D₂)/D₂<<1 и ω₂<<ω₁, т.е. в двигателе осуществляется значительное редуцирование угловой скорости.
   В реальном двигателе, чтобы предохранить поверхности ротора и статора от непосредственного соприкосновения и износа, происходит обкатывание не ротора по статору, а катков ротора по направляющим статора. Диаметры катков и направляющих D_к и D_н немного отличаются соответственно от D₂ и D₁. Поэтому выражение (3.16) принимает вид: ω₂=ω₁/K_ред , где коэффициент редуцирования K_ред= D_к/( D_н -D_к). У современных микродвигателей коэффициент редуцирования достигает 1500.
   Недостатком микродвигателей с катящимся ротором является сложность конструкции самого двигателя и механизма передачи вращения, что связано со специфическим несоосным вращением ротора. Центробежные силы, возникающие за счет вращения центра ротора относительно центра статора, вызывают вибрации, шумы и неравномерность мгновенной угловой скорости ротора.

Волновые микродвигатели.
   Синхронные волновые микродвигатели представляют собой конструктивное объединение электрической машины и волновой зубчатой передачи.

Рис 3.18

На рис. 3.18, а показана конструктивная схема синхронного волнового реактивного микродвигателя. Статор имеет классическую для машин переменного тока конструкцию: наборный цилиндрический магнитопровод 1 с многофазной обмоткой 2, создающей вращающееся магнитное поле. Жесткий зубчатый венец 3 укреплен на поверхности статора. Гибкий зубчатый венец 4 находится на поверхности гибкого деформирующегося ротора 5. Внутренний магнитопровод 6 представляет собой упругое гибкое кольцо, навитое из ленты пермаллоя. Он служит для замыкания магнитного потока вдоль окружности ротора и деформации ротора под действием сил притяжения к статору.
   При отсутствии магнитного поля статора ротор имеет цилиндрическую форму, и зацепление между гибким и жестким зубчатыми венцами отсутствует. Если подать переменное напряжение на обмотку статора, то в воздушном зазоре создается вращающееся со скоростью ω₁=2πf/Р_м магнитное поле Ф₁. В поле на внутренний магнитопровод ротора действуют силы электромагнитного притяжения к статору. Эти силы растягивают упругий магнитопровод в радиальном направлении вдоль результирующих сил притяжения F_эм, действующих по оси поля (рис. 3.18, б). При этом деформируется ротор и находящийся на нем гибкий венец волновой передачи, и зубцы гибкого венца входят в зацепление с зубцами жесткого венца, расположенного на статоре. Число волн механической деформации ротора в двигателях реактивного типа равно числу полюсов.
   Волны механической деформации ротора вращаются синхронно с полем с угловой скоростью ω₁, и гибкий венец катится по поверхности жесткого. В волновой передаче происходит редуцирование скорости, и гибкий венец вместе с ротором медленно вращается относительно своей оси в сторону, противоположную полю, с постоянной скоростью ω₂=ω₁/К_ред, где К_ред=Z_г/(Z_ж-Z_г) – коэффициент редуцирования, равный передаточному отношению волновой передачи; Z_ж и Z_г – число зубцов соответственно жесткого и гибкого венцов, причем Z_ж>Z_г.
   В волновых двигателях вращающиеся массы динамически уравновешены, что обеспечивает более низкий уровень вибрации, чем у двигателей с катящимся ротором.
   Недостатком волновых микродвигателей является сложность конструкции и технологии изготовления, связанная в основном с требованием обеспечения необходимой эластичности ротора.
   Существенное преимущество всех рассмотренных микродвигателей заключается в отсутствии быстровращающихся частей и подшипников, что значительно повышает их надежность. Например, гарантируемый срок службы синхронных редукторных микродвигателей в три-четыре раза больше, чем у синхронных микродвигателей с механическими редукторами, обеспечивающих одинаковую частоту вращения выходного вала. КПД и масса на единицу развиваемой мощности у рассмотренных микродвигателей сильно зависят от реализуемого коэффициента редуцирования скорости: чем больше коэффициент редуцирования, тем хуже эти показатели.
   Конструкция индукторного типа за счет подмагничивания ротора обеспечивает лучшие массо-энергетические и моментные характеристики, чем конструкции реактивного типа. Однако при этом усложняется конструкция и возрастает стоимость двигателя.