Синхронный гистерезисный двигатель

Дмитрий Левкин
Гистерезисный электродвигатель - это неявнополюсный синхронный электродвигатель, без обмотки возбуждения, ротор которого выполнен из магнитного материала с большим остаточным намагничиванием, пуск в ход которого осуществляется за счет потерь на гистерезис в роторе [1].

Конструкция гистерезисного электродвигателя

Синхронный гистерезисный электродвигатель, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор - неподвижная часть, ротор - вращающаяся часть.

Синхронный гистерезисный двигатель
Синхронный гистерезисный электродвигатель

Статор гистерезисного двигателя имеет обычную трех- или двухфазную обмотку, которая создает вращающееся магнитное поле, а ротор представляет собой массивный цилиндр без обмотки, изготовленный из магнитотвердого материала с широкой петлей гистерезиса (например, сплав викаллой). При этом в целях экономии дорогостоящего магнитотвердого материала ротор делают сборным.

Принцип работы синхронного гистерезисного двигателя

Принцип работы синхронного гистерезисного двигателя основан на действии гистерезисного момента. Для наглядности на рисунке ниже показаны только два элементарных магнитика ns 1 и 2. Сила взаимодействия между этими магнитиками и полем статора NS направлена по оси последнего (рисунок слева). Если поворачивать поле NS, например, против часовой стрелке, то в том же направлении поворачиваются и элементарные магнитики. Однако вследствие магнитного гистерезиса магнитики ns не сразу повернутся на тот же угол, что и поле NS. Между осями NS и ns появится некоторый угол рассогласования γ. Помимо радиальных сил появляются тангенциальные (рисунок справа), которые и создадут гистерезисный момент Мг. Угол γ определяется формой петли гистерезиса материала, из которого изготовлен ротор.

Принцип действия гистерезисного двигателя
Принцип действия гистерезисного двигателя

Гистерезисный момент Мг не зависит от частоты вращения ротора. Радикальный способ увеличения вращающего момента гистерезисного двигателя - применение магнитотвердых материалов с прямоугольной петлей гистерезиса. Частота вращения такого двигателя синхронна с частотой вращения поля, КПД высокий - до 80% [2].

Явление магнитного запаздывания заключается в том, что частицы ферромагнитного материала ротора, представляющие собой элементарные магниты, стремятся ориентироваться в соответствии с направлением внешнего магнитного поля. Если внешнее магнитное поле изменит свое направление, то элементарные частицы также меняют ориентацию. Однако повороту элементарных частиц в магнитотвердом материале препятствуют силы молекулярного трения. Этим и объясняется появление угла сдвига γ, значение которого зависит от магнитных свойств материала ротора [3].

Имея массивную конструкцию ротора, гистерезисные двигатели при пуске развивают также асинхронный вращающий момент. Однако этот момент значительно меньше гистерезисного момента, вследствие чего пуск, а также втягивание в синхронизм и работа происходят за счет гистерезисного момента вращения.

Разница между двигателями с постоянными магнитами и гистерезисными состоит в том, что у первых ротор подвергается специальному предварительному намагничиванию, а у вторых намагничивается полем статора двигателя. Гистерезисные двигатели имеют лучшие показатели, чем реактивные, и строятся мощностью до 300...400 Вт.

Преимущества и недостатки

Достоинствами гистерезисных двигателей являются простота устройства, надежность в эксплуатации, отсутствие пусковых приспособлений, плавность втягивания в синхронизм, практически неизменный ток при пуске и работе. К недостаткам можно отнести относительно высокую стоимость материала ротора, хотя, как правило, ротор изготовляют из обычной стали и на него насаживают лишь полый цилиндр небольшой толщины из магнитотвердого материала.