Як влаштований синхронний гістерезисний двигун

Статор його аналогічний статору асинхронного гіромотора, а ось ротор являє собою кільце, виготовлене з магнітотвердого матеріалу, тобто з матеріалу, придатного для виготовлення постійних магнітів. Включений в трифазну електромережу, статор створює обертове магнітне поле, яке намагнічує ротор. У результаті на роторі виникають північний і південний магнітні полюси. Тепер ротор дуже нагадує стрілку магнітного компаса. А, як відомо, на стрілку діє момент, який прагне поєднати її вісь з напрямком силових ліній магнітного поля Землі.

У Гістерезисні двигуні роль направляючого магнітами того поля грає обертове магнітне поле статора. Магнітна вісь ротора, прагнучи поєднатися з хвилею обертового магнітного поля, спрямовується слідом за нею. Обертаючись, ротор долає моменти опору, тому наздогнати хвилю магнітного поля статора магнітна вісь ротора не може, але через деякий час, зване часом входу в синхронізм, ротор набуває так звану синхронну швидкість обертанні, рівну швидкості обертання хвилі магнітного поля статора. Надалі середнє значення синхронної швидкості ротора витримується з високою точністю. Тепер завдання полягає в тому, щоб забезпечити високу стабільність швидкості обертання самого магнітного поля статора. Це завдання вирішується за допомогою спеціальних електронних джерел живлення гіромотора, так на званих статичних перетворювачів, що мають дуже високу стабільність частоти вихідного напруги.

Треба сказати, що майже півстоліття винайдений Ч. Штейнмецу синхронний гістерезисний двигун не знаходив широкого застосування. І тільки наприкінці 50 -х рр.., Коли були створені високоякісні магнітотверді матеріали для ротора, цей двигун був з успіхом застосований в гіромотор і в основному вирішив проблему забезпечення сталості швидкості обертання маховика.

Для багатьох приладів, застосовуваних у морському флоті, авіації, на космічних кораблях, потрібні гіромотори, які могли б справно працювати тривалий час – десятки тисяч годин і більше. Доведені до високого ступеня досконалості, сучасні кулькові підшипники поки забезпечують якісну роботу гіромотора (залежно від швидкості обертання маховика) протягом декількох тисяч годин. У тих випадках, коли потрібні особливо тривалі терміни роботи гіромоторов, розробники приладів змушені йти на зниження швидкості обертання маховика, а це, як ми вже знаємо, послаблює корисні гіроскопічні ефекти і знижує точність приладів.

Основна причина, що обмежує термін служби кулькових підшипників, – механічний контакт між кульками й кільцями і як результат цього знос деталей підшипника, що викликає неприпустимі зміщення центру мас і вібрацію ротора гіромотора.
Принципове рішення цієї проблеми ясно – треба створити і застосувати безконтактні опори, до яких відносяться опори з газовим змащенням, магнітні і електростатичні підвіси. Ідея використання газу як мастильного речовини, що виключає механічний контакт між шипом (кінцем валу) і підшипником, а отже, і знос опори, була висловлена ще в середині минулого століття. Проте практична реалізація цієї ідеї почалася лише наприкінці 20 -х рр.., Коли американська фірма « Сперрі » створила гіровертікаль, сферичний ротор якої підтримувався над внутрішньою поверхнею сферичної бронзової чаші за допомогою тонкого прошарку повітря, що нагнітається в зазор за допомогою компресора. Надалі, спочатку 50 -х рр.., Була запропонована конструкція газової опори, що не вимагає компресора та іншого допоміжного обладнання. Обидва кінці (шипа) вала маховика встановлювалися в циліндричних отворах (підшипниках) в кришках гирокамере. Причому зазор між шипом і підшипником становив кілька мікрометрів. Поки вал не обертається, шипи лежали на підшипниках, в результаті чого зазор між ними з кожного боку мав вигляд вигнутого клину. Коли маховик за допомогою двигуни наводився в обертання, то газ (найчастіше гелій), що знаходився в зазорі і захоплюємося обертовим шипом, також починав обертатися і створювати радіальне тиск в зазорі. Тиск газу було більше у вузькій частині клинчастого зазору, і тому вал і маховик « спливали » на тонкій газової прошарку. Після « спливання » шипи вала оберталися без механічного контакту з підшипниками, і зносу опор не відбувалося. Ця опора має багато привабливих якостей: вона нескладна але конструкції, виключає механічний контакт, вирішуючи проблему довговічності, забезпечує плавність, обертання маховика, володіє приблизно такою ж жорсткістю, як і кульковий підшипник.

Але, на жаль, опора не позбавлена і дуже серйозних недоліків. Оскільки газовий підшипник може стійко працювати лише при відносно низьких швидкостях обертання вала (порядку 30 тис. об / хв) і підйомна сила його при цих швидкостях невелика, то гіромотори з газовими опорами будуються поки малогабаритними, з малими кінетичними моментами. Під час запуску і зупинок ротора гіромотора виникає механічний контакт між шипом і підшипником і, отже, їх знос. Щоб звести знос до мінімуму, багато деталей гіромотора (у тому числі шип і підшипник) робили з дуже твердого і зносостійкого матеріалу – кераміки. З цієї причини перші гіромотори з газовими опорами називали керамічними. Тепер проблему зносу вирішують напиленням зносостійкого плівки на робочі поверхні шипа і підшипника.

Так як знос опор відбувається лише в моменти запуску і зупинок, то термін служби гіромотора з газовими опорами оцінюється не числом годин роботи, а числом запусків і зупинок. Це число у сучасних гіромоторов становить кілька сотень. Істотним недоліком гіромоторов з газовими опорами є виняткова складність їх виготовлення. Судіть самі оскільки зазор між шипом і підшипником складає одиниці мікрометрів, то точність виготовлення поверхонь шипа і підшипника повинна становити десяті частки мікрометра. Це виконати дуже складно взагалі, а на твердих, погано піддаються механічній обробці керамічних деталях особливо. Так що гіромотори з газовими опорами, принципово вирішують проблему довговічності гироприборов, потребують подальшого вдосконалення.

В даний час промисловість випускає велику кількість різноманітних гіромоторов. Є серед них мініатюрні – завбільшки з наперсток, а є і гіганти – завбільшки з трилітрову банку. Але найбільш широко застосовуються гіромотори, що відносяться до «золотої середини », розміром з невелике яблуко. Однак навіть вони мають дуже масивні маховики. Щоб розкрутити ці маховики до робочих швидкостей, потрібно кілька хвилин, а для більших гіромоторов – десятки хвилин.
Але в багатьох випадках такий тривалий період підготовки до роботи гіромотора неприпустимий. Іноді потрібно, щоб маховик набирав робочу швидкість за десятки секунд, одиниці секунд і навіть частки секунди. Щоб забезпечити час розгону маховика порядку десятків і одиниць секунд, електродвигуни гіромоторов проектують спеціальним чином і підключають до спеціальних джерел живлення, у яких величина і частота живлячої напруги змінюються за оптимальними, заздалегідь розрахованим програмам.

У тих випадках, коли час розгону маховика має становити 1 секунду й менше, електродвигуни не застосовують, так як вони не забезпечують настільки малого часу розгону. У цих випадках або повертаються до старовинних методам (зрозуміло, значно вдосконаленим) – до шнура (гнучкої сталевої стрічці), струмені стисненого газу, або вдаються до ультранові пристроям – пороховим прискорювачів.

ПОДІЛИТИСЯ: