Гистерезисные двигатели. 
Синхронные машины специального назначения

Работа гистерезисного двигателя основана на действии гистерезисного момента. На рис 6, а показаны два полюса постоянного магнита (поле статора); между ними расположен цилиндр (ротор) из магнитно-твердого материала. Под действием внешнего магнитного поля ротор намагничивается. На стороне обращенной к северному полюсу постоянного магнита, возбуждается южный полюс, а на стороне ротора, обращенной к южному полюсу постоянного магнита, — северный полюс. На ротор начинают действовать силы, направленные радиально к его поверхности. Если полюсы постоянного магнита вращать вокруг ротора, то вследствие явления магнитного запаздывания (гистерезиса) активная часть ротора не будет перемагничиваться одновременно с изменением направления вращающегося магнитного поля и между осью поля ротора и осью внешнего поля появится угол .

Рис 6. К понятию о гистерезисном моменте

Силы, действующие на ротор, также изменят свое направление на угол, а тангенциальные составляющие этих сил , создадут гистерезисный момент М_г (рис 6, б).

Явление магнитного запаздывания заключается в том, что частицы ферромагнитного материала (помещенного во внешнее магнитное поле), представляющие собой элементарные магниты, стремятся ориентироваться в соответствии с направлением внешнего поля. Если внешнее поле изменит свое направление, то элементарные частицы меняют свою ориентацию. Однако повороту элементарных частиц препятствуют в магнитно-твердых материалах внутренние силы молекулярного трения. Для изменения направления этих частиц необходима определенная МДС, вследствие чего перемагничивание ротора несколько отстает от изменении направления внешнего поля. Это отставание (магнитное запаздывание) характеризуется углом гистерезисного сдвига между вектором магнитного потока ротора и вектором магнитного потока обмотки статора, (рис. 6, в). Этот угол зависит исключительно от магнитных свойств материала ротора.

На преодоление сил молекулярного трения расходуется часть подводимой мощности, которая составляет потери на гистерезис. Величина этих потерь зависит от частоты перемагничивания ротора , а следовательно, от скольжения:

(.2).

где — потери на гистерезис при неподвижном роторе (при =1), т. е. в режиме к. з.

Так как электромагнитная мощность, передаваемая ротору, равна потерям в роторе, деленным на скольжение [см. (13.5)]:

(3).

а вращающий момент — электромагнитной мощности, деленной на синхронную угловую скорость:

(4).

то, очевидно, величина гистерезисного момента не зависит от частоты вращения ротора (скольжения). График М_г = представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс (рис. 7).

Угол гистерезисного сдвига зависит от ширины петли гистерезиса: чем шире петля гистерезиса магнитного материала, тем больше угол гистерезисного сдвига. На рис. .8, а представлены две петли гистерезиса: обычной стали (кривая 2) и сплава викаллой (кривая 1).

Рис. 7. Механические характеристики гистерезисного двигателя

Рис. 8. Петли гистерезиса обычной электротехнической стали и сплава викаллой (а) и устройство сборного ротор; гистерезисного двигателя (б)

Применение обычной стали для изготовления ротора не обеспечивает гистерезисного момента достаточной величины. Только магнитно-твердые материалы, например такие, как викаллой, дают возможность получить большой гистерезисный момент. Роторы гистерезисных двигателей обычно делают сборными. Магнитно-твердая часть выполняется в виде шихтованного или массивного кольца 1, размещенного на втулке 2 (рис. .8, б). Последняя жестко посажена на вал 3.

В машинах с нешихтованным (массивным) ротором вращающееся поле статора наводит в роторе вихревые токи. В результат взаимодействия этих токов с полем статора возникает электромагнитный момент, значение которого пропорционально скольжению:

(.5).

где — потери на вихревые токи в роторе при = 1, т. е. в режиме к.з., Вт; , — угловая синхронная скорость, рад/с.

Наибольшего значения момент достигает при неподвижном роторе (= 1), т. е. в момент пуска электродвигателя. Затем по мере возрастания частоты вращения (уменьшении скольжения) момент убывает (см. рис. .7), при синхронной частоте он становится равным нулю.

Таким образом, электромагнитный вращающий момент гистерезисного двигателя создается совместным действием моментов от вихревых токов и гистерезисного М_г:

М=М_{вт +} М_т= (6).

На рис. 7 представлена зависимость результирующего момента гистерезисного двигателя от скольжения: М =. Характер этой кривой зависит от соотношения моментов и М_г.

Гистерезисный двигатель может работать с синхронной и асинхронной частотами вращения. Однако работа двигателя в асинхронном режиме неэкономична, так как связана со значительными потерями на перемагничивание ротора, величина которых возрастает с увеличением скольжения.

Достоинства гистерезисных двигателей — простота конструкции, бесшумность и надежность в работе, большой пусковой момент, плавность входа в синхронизм, сравнительно высокий КПД, малое изменение кратности тока от пуска до номинальной нагрузки ().

Недостатки гистерезисных двигателей — низкий коэффициент мощности (, = 0,4—0,5) и сравнительно высокая стоимость. Кроме того, при резких колебаниях нагрузки гистерезисные двигатели склонны к качаниям, что создает неравномерность хода (вращения). Объясняется это отсутствием у гистерезисных двигателей пусковой клетки, которая при резких изменениях нагрузки оказывает на ротор успокаивающее (демпфирующее) действие. Наиболее сильные качания наблюдаются у шихтованного ротора, в котором вихревые токи сильно ограничены. Вызываемая качаниями неравномерность вращения ограничивает области применения гистерезисных двигателей.