Silnik histerezowy

 

I.                   Część teoretyczna

 

            Silnik histerezowy wynaleziony już w roku 1900 przez Steinmetza był do ostatnich lat używany prawie wyłącznie jako silnik pracujący praktycznie bez obciążenia ( napędy zegarów elektrycznych, przekaźników czasowych itp. ). Budowano silniki histerezowe bardzo małych mocy, przeważnie wartości miliwatów. Sprawność ich wynosiła 0,1 do 0,5%. Obecnie na skutek lepszej znajomości zjawisk magnetycznych oraz dzięki uzyskaniu nowych materiałów ferromagnetycznych o szerokiej pętli histerezy silniki tego typu buduje się

o mocach przekraczających nawet 500[W] i uzyskujących sprawność ponad 50%.

            Podstawowe właściwości tego typu silnika są następujące:

-         silniki histerezowe mają samoczynny rozruch i łatwo wpadają w synchronizm,

-         na skutek współdziałania momentów asynchronicznego i histerezowego silniki pracują stabilnie również przy przeciążeniach, przechodząc z charakterystyki synchronicznej na asynchroniczną,

-         moment rozruchowy jest przeważnie większy od momentu maksymalnego, dzięki czemu silnik charakteryzuje się bardzo korzystną elektromechaniczną stałą czasową,

-         prąd pobierany z sieci w czasie rozruchu, biegu jałowego i obciążenia znamionowego zmienia się nieznacznie, co pogarsza sprawność silników nieobciążonych, ale wpływa korzystnie na stałą czasową i na system zasilający,

-         silnik ten nie ma żadnych styków ruchomych, co zapewnia ich stałą i bezawaryjną pracę,

-         przy mocy mniejszej od 150 [W] i podwyższonych częstotliwościach zasilania do wartości 400 [Hz] stosunek ciężaru do mocy jest korzystniejszy niż w innych typach silników o stałej prędkości obrotowej,

-         na skutek dużego prądu magnesującego współczynnik mocy jest mały i wynosi od 0,2 do 0,6.

Zasada działania

Jeżeli wenątrz stojana o wielofazowym uzwojeniu umieścić wirnik wykonany z ferromagnetycznego tworzywa, to wirnik ten zacznie obracać się w kierunku działania pola wirującego wytworzonego przez prąd przepływający w uzwojeniach stojana. Moment obrotowy wirnika będzie się składał z dwóch składowych: z momentu asynchronicznego powstającego na skutek wzajemnego oddziaływania wirującego pola silnika i strumienia wywołanego prądami wirowymi wirnika oraz tzw. momentu histerezowego:

 

M = MH + MW

 

M – moment wypadkowy

MH – moment histerezowy

MW – moment asynchroniczny

 

Moment asynchroniczny powstaje podobnie jak w normalnym silniku asynchronicznym. Ponieważ rezystywność materiału wirnika jest duża, moment ten osiąga swoją największą wartość przy zahamowanym wirniku i jego wartość spada do zera przy prędkości synchronicznej.

Powstawanie momentu histerezowego można wyjaśnić w następujący sposób: jeżeli w ferromagnetycznym wirniku zostanie wyodrębniony elementarny magnes umieszczony wzdłuż osi działania siły magnetomotorycznej F wytworzonej przez strumień – Rys.1. – to siły tarcia międzycząsteczkowego sprzeciwią się przemieszczeniu tego elementarnego magnesu. Ponieważ wektor siły F wiruje z prędkością synchroniczną, na skutek działania wspomnianych sił nastąpi przesunięcie między wektorem siły F a osią magnesu elementarnego. Wielkośc tego przesunięcia jest zależna od sił międzycząsteczkowych, proporcjonalnych do wielkości opóźnienia magnetycznego, czyli od rodzaju materiału, a ściśle od kształtu jego pętli histerezy.

 


 


Rys.1. Powstawanie momentu histerezowego

 

Kąt γ występujący między linią działania siły F a osią magnesu elementarnego nazywa się kątem histerezy. Jest to wielkość decydująca o wartości momentu histerezowego, gdyż:

 

MH = cf*φ*sinγ

 

            gdzie: F – siła magnetyczna stojana,

                      φ – strumień wirnika,

                      γ – kąt histerezy

 

Kąt γ nie zależy od prędkości obracania się wirnika. Ponieważ zarówno siła magnetomotoryczna stojana, jak również strumień wirnika nie zależą od prędkości obrotowej, więc i moment histerezowy jest od niej niezależny. Stąd wniosek, że silnik będzie pracował stabilnie przy prędkości synchronicznej przy obciążeniu nie większym niż jego maksymalny moment histerezowy przedstawiony na rysunku kolejnym odcinkiem OB.

 


 


Rys.2. Charakterystyka silnika histerezowgo, MH – moment histerezowy, Mmax – moment synchroniczny maksymalny, MS – moment obciążenia silnika, MW – moment asynchroniczny, S - poślizg

 

Jeżeli moment obciążenia będzie większy niż moment histerezowy, to silnik będzie również pracował stabilnie, ale przy prędkości mniejszej od synchronicznej o wartość poślizgu s, silnik będzie pracował jako normalny silnik asynchroniczny ( odcinek AB ).

            Jeżeli silnik histerezowy będzie napędzany dodatkowym silnikiem o prędkości większej od prędkości synchronicznej, to będzie on generatorem synchronicznym ( odcinek OC ) lub asynchronicznym ( odcinek CD ).

 

Budowa

Na stojanie o biegunach wydatnych lub utajonych znajduje się uzwojenie wykonane podobnie jak w silniku asynchronicznym, które powinno zapewnić powstanie wirującego pola magnetycznego. Elementem specyficznym dla tego silnika jest wirnik wykonany z materiału magnetycznie twardego o pętli histerezy możliwie jak najbardziej zbliżonej kształtem do prostokąta. Rozróżnia się następujące podstawowe rodzaje konstrukcji wirników histerezowych:

1.      Wirnik, w którym czynna warstwa materiału magnetycznie twardego, wykonana w formie cienkościennego cylindra, jest umieszczona na rdzeniu o wydatnych lub utajonych biegunach wykonanych z miękkiego żelaza Rys.3a. W tym przypadku strumień magnetyczny przechodzi przez warstwę czynną w kierunku promieniowym, na skutek czego wartość indukcji w szczelinie i warstwie czynnej jest w przybliżeniu jednakowa.

 


 


Rys.3. Podstawowe rodzaje konstrukcji silników histerezowych

 

2.      Wirnik, w którym czynna warstwa materiału magnetycznie twardego jest osadzona na walcu niemagnetycznym, strumień przenika wtedy przez tę warstwę niepromieniowo, jak w przypadku 1, ale stycznie, co powoduje że wartości indukcji w szczelinie i warstwie czynnej są różne Rys. 3b.

3.      Wirnik, w którym materiał czynny jest osadzony bezpośrednio na wale Rys. 3c, jest to przypadek spotykany przeważnie przy silnikach najmniejszych o mocach rzędu miliwatów. Wirnik taki jest również często wykonywany w formie oddzielnych tarczek z blach, nasadzonych na wał w odległościach przekraczających dwie grubości blachy Rys.4.

 


 


Rys.4. Wirnik histerezowy tarczowy

 

            W silnikach histerezowych, w których jest wymagany duży moment zamachowy, np. w silnikach do napędu magnetofonów, żyroskopów itp., stosuje się często konstrukcje z zewnętrznymi wirnikami, gdzie część wirująca z warstwą czynną jest umieszczona na zewnątrz nieruchomego stojana Rys.5.


 


Rys.5. Silnik o wirniku zewnętrznym

 

Konstrukcja ta charakteryzuje się poważną zaletą technologiczną, którą jest znacznie ułatwione uzwajanie maszyny, gdyż otwarte żłobki znajdują się na zewnętrznej powierzchni stojana, co umożliwia stosowanie mechanicznego uzwojenia stojana za pomocą zwykłych nawijarek do wirników. Jednakże omawiana konstrukcja nadaje się jak wspomniano tylko do określonych rodzajów napędów. Duża elektromechaniczna stała czasowa, będąca w ich przypadku zaletą, jest w innych przypadkach wadą, nie pozwalającą na szersze rozpowszechnienie stosowania tej konstrukcji.

 

W omawianym ćwiczeniu mamy do czynienia z silnikiem typu SHS – 36, przeznaczonym do napędu magnetofonów o dwóch prędkościach przesuwu taśmy, dodajmy w bardzo starych magnetofonach, produkowanych do 1962 r.

 


 


Rys.6. Silnik synchroniczny typu SHS – 36

 

Jest to synchroniczny silnik dwubiegowy histerezowy o zewnętrznym wirniku. Stojan wirnika wykonany z blach krzemowych, jest przymocowany do górnej płyty silnika za pomocą tulei z nakrętką. Wewnątrz tulei są osadzone łożyska samosmarujące ze spieków proszków żelaza. Wirnik jest wykonany z pierścienia ze specjalnej stali stopowej. Pierścień jest wprasowany z aluminiową obudowę wirnika. Na zewnętrznej powierzchni wirnika jest nasadzony dodatkowy pierścień z miękkiej stali, ekranujący strumień rozproszenia. Do górnej płyty silnika jest przykręcona obejma w kształcie litery U, obejmująca zewnętrzny wirnik i stanowiąca jednocześnie podparcie pionowe dla wirnika. Wirnik opiera się na obejmie za pośrednictwem kulki łożyskowej. Końcówka wału jest szlifowana bardzo starannie.

Dane techniczne:

-         napięcie znamionowe – 220 [V]

-         maksymalna moc pobierana – 55 [W]

-         prąd znamionowy – 0,3 [A]

-         prędkość obrotowa przy połączeniu w trójkąt – 1000 [obr/min]

-         prędkość obrotowa przy połączeniu w podwójną gwiazdę – 500 [obr/min]

 


 

Rys.7. Schemat połączeń silnika SHS – 36

 


 


Rys.8. Schemat uzwojeń silnika SHS – 36

 

 

II. Przebieg ćwiczenia.

 

1.      Zapoznanie się z typem, danymi znamionowymi oraz rodzajem budowy badanego silnika.

2.       Na podstawie zachowania się silnika przy rozruchu ocenić prawidłowość doboru pojemności kondensatora dekadowego. Wyznaczyć minimalne napięcie, przy którym następuje rozruch nieobciążonego silnika.

3.      W dwóch różnych układach połączenia z baterią kondensatorów wyznaczyć zakres pracy stabilnej napięciowy i momentowy.

 


Schemat połączeń uzwojeń.

            Dla układu pierwszego zmieniać nastawy pojemności C i mierzyć napięcia, przy których silnik rusza (U1), wpada w synchronizm (U2) i wypada z synchronizmu (U3). Do wyznaczenia zakresu pracy stabilnej i wykreślenia charakterystyki U3 = f(T) należy wybrać taką wartość pojemności C przy której silnik najdłużej pracuje w prędkości synchronicznej przy jednoczesnej zmianie napięcia zasilania Uz.

            Kolejna próba polega na zasileniu silnika histerezowego napięciem Uz = 220V i wyznaczeniu wartości masy ciężarka obciążającego wał silnika przy której silnik wypadnie z synchronizmu. Dla napięcia Uz = 220V masa ciężarka wyniosła 350 gram.

            W ostatniej części ćwiczenia silnik połączyć według układu drugiego. Zmieniając wartość pojemności C baterii kondensatorów ponownie wyznaczyć wartości napięć U1, U2 oraz U3.