Вентильно–индукторный двигатель – это относительно новый тип электромеханического

Вентильно–индукторный двигатель – это относительно новый тип электромеханического преобразователя энергии, который сочетает в себе свойства и электрической машины, и интегрированной системы регулируемого электропривода.

Структурная схема вентильно–индукторного двигателя

По своей структуре ВИД ничем не отличается от классической системы регулируемого электропривода. Именно поэтому он и обладает всеми ее свойствами. Однако в отличие от регулируемого электропривода, например с асинхронным двигателем, ИМ в ВИД не является самодостаточной. Она принципиально неспособна работать без преобразователя частоты и системы управления. Преобразователь частоты и система управления являются неотъемлемыми частями ИМ, необходимыми для осуществления электромеханического преобразования энергии.

Особенности конструкции индукторной машины ИМ, входящая в состав ВИД, может иметь различные конструктивные исполнения. На рисунке приведено поперечное сечение 4 х–фазной ИМ конфигурации 8/6. При обозначении конфигурации ИМ первая цифра указывает число полюсов статора, вторая – ротора.

Анализ показывает, что ИМ имеет следующие конструктивные особенности: – Сердечники статора и ротора имеют явнополюсную структуру. – Число полюсов относительно невелико. При этом число полюсов статора больше числа полюсов ротора. – Сердечники статора и ротора выполняются шихтованными. – Обмотка статора – сосредоточенная катушечная. Она может быть одно- или многофазной. – Фаза ИМ, как правило, состоит из двух катушек, расположенных на диаметрально противоположных полюсах статора. Известны ИМ с удвоенным числом полюсов статора и ротора. В 4 х–фазном исполнении они имеют конфигурацию 16/12. Фаза такой ИМ состоит из двух пар катушек, которые располагаются на полюсах статора таким образом, что их оси ортогональны. – Катушки фазы могут быть соединены в электрическом отношении параллельно или последовательно; в магнитном – согласно или встречно. – Обмотка на роторе ИМ отсутствует.

На рисунке приведены ИД различной конфигурации: Однофазная ИМ конфигурации 2/2 Трехфазная ИМ конфигурации 6/4 Двухфазная ИМ конфигурации 4/4 Четырехфазная ИМ конфигурации 8/6

Принцип действия Рассмотрим принцип действия ВИД на примере 4 х–фазного двигателя c ИМ конфигурации 8/6 К пояснению принципа действия ВИД: а) рассогласованное положение сердечников для фазы А; б) промежуточное положение сердечников для фазы А; в) согласованное положение сердечников для фазы А.

Рассогласованным положением сердечников статора и ротора для некоторой фазы ИМ называется такое положение, при котором ось каждой катушки этой фазы совпадает с одной из осей q ротора, то есть зубцы фазы располагаются строго напротив пазов ротора.

В магнитном поле фазы А ротор будет стремиться ориентироваться таким образом, чтобы магнитный поток, пронизывающий его, принял максимальное значение. При этом на сердечники статора и ротора будут действовать одинаковые по значению и обратные по направлению пондеромоторные силы (ПС) тяжения. Очевидно, что силы, действующие на 1 ый и 4 ый зубцы ротора, будут стремиться повернуть его по часовой стрелке, а силы, действующие на 2 ой и 5 ый зубцы – против. В силу того, что ротор в данном положении симметричен относительно оси возбужденной фазы, равнодействующая азимутальной составляющей этих сил будет равна нулю. Таким образом, в рассогласованном положении ИМ и ВИД не развивают вращающего момента. Рассогласованное положение представляет собой точку неустойчивого равновесия. Действительно, если под действием какого–либо внешнего воздействия ротор отклонится от рассогласованного положения в том или ином направлении, то равнодействующая азимутальных составляющих ПС сердечников уже не будет равна нулю. Следовательно, возникнет вращающий момент, который будет стремиться повернуть ротор в направлении от рассогласованного положения.

Возьмем другое положение ротора, показанное на рис. б. Здесь фаза А имеет большее потокосцепление и индуктивность, чем в рассогласованном положении, что объясняется меньшей величиной зазора между сердечниками. При этом равнодействующая азимутальных составляющих ПС сердечников отлична от нуля, и созданный ею электромагнитный момент стремиться повернуть ротор ИМ против часовой стрелки. Вращение ротора будет продолжаться до тех пор, пока он не займет положение, показанное на рис. В. Оно называется согласованным положением фазы А.

Согласованным положением сердечников статора и ротора ИМ для какой–либо фазы называется такое положение, при котором ось каждой катушки этой фазы совпадает с одной из осей d ротора, то есть зубцы фазы располагаются строго напротив полюсов ротора. Это положение характеризуется максимальным значением индуктивности фазы и сцепленного с ней магнитного потока, что объясняется минимальной величиной магнитного сопротивления зазора между сердечниками. В этом положении ПС притяжения сердечников имеют только радиальные составляющие. В силу чего вращающий момент ИМ в этом положении равен нулю. Согласованное положение представляет собой точку устойчивого равновесия. Действительно, если под действием какой–либо внешней силы ротор отклонится от согласованного положения в ту или иную сторону, то возникший электромагнитный момент будет стремиться вернуть его в согласованное положение.

Шумы и вибрации ВИД Пондеромоторные силы взаимодействия сердечников статора и ротора в ВИД имеют две составляющих: азимутальную, определяющую вращающий момент двигателя, и радиальную, наличие которой влечет за собой деформацию сердечников. Деформация сердечников приводит к возникновению вибрации двигателя и излучению звуковых волн. Исследования показывают, что основным элементом конструкции ВИД, излучающим звуковые волны, является сердечник статора. Для снижения уровня шумов и вибраций следует проектировать ВИД таким образом, чтобы резонансные частоты сердечника статора принимали как можно большие значения. При этом резко снижается вероятность того, что первые гармоники в кривой пондеромоторной силы будут иметь частоты, совпадающие с резонансными. Исследования показывают, что наиболее важными являются первые три резонансные частоты. Характер деформаций статора при возникновении резонанса по ним для случая 3 х-фазного двигателя конфигурации 6/4 представлен на рис.

Деформация статора при резонансе по первой резонансной частоте. Деформация статора при резонансе по третьей резонансной частоте. Деформация статора при резонансе по второй резонансной частоте Деформация сердечника статора при работе ВИД.

Достоинства и недостатки ВИД Все достоинства и недостатки ВИД можно разделить на две группы: – характеристики, обусловленные ИМ; – характеристики, обусловленные преобразователем частоты и системой управления; В соответствии с этими группами ниже приведены достоинства и недостатки ВИД.

Достоинства ВИД и недостатки, обусловленные ИМ: Достоинства – простота и технологичность конструкции ИМ; – низкая себестоимость; – высокая надежность; – высокая ремонтопригодность; – низкие потери в роторе; – минимальные температурные эффекты; – низкий момент инерции; – возможность работы на больших частотах вращения; – возможность работы в агрессивных средах; – высокая степень утилизации. Недостатки – высокий уровень шумов и вибраций; – плохое использование стали; – работа возможна только совместно с преобразователем частоты; – значительные отходы при штамповке;

Достоинства и недостатки ВИД, обусловленные преобразователем частоты и системой управления: Достоинства: – возможность оптимального управления процессом электромеханического преобразования энергии для конкретного нагрузочного устройства; – высокие массо-габаритные и энергетические характеристики. Недостатки: – пониженная электросовместимость с сетью из-за высокого содержания высших гармоник в токах обмоток.