Электропривод с бесконтактными синхронными двигателями

А.Ю. СМИРНОВ
ЭЛЕКТРОПРИВОД 
С БЕСКОНТАКТНЫМИ 
СИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Рекомендовано 
Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлениям подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика 
и электротехника», 13.04.03 «Энергетическое машиностроение» 
(квалификация (степень) «бакалавр») (протокол № 10 от 12.10.2020)
Москва 
ИНФРА-М 
202

УДК 621.313(075.8)
ББК 31.261я73
 
С50
Р е ц е н з е н т:
Хватов О.С., доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой электротехники и электротехнических объектов водного транспорта Волжского государственного университета водного 
транспорта
Смирнов А.Ю.
С50  
Электропривод с бесконтактными синхронными двигателями : учебное пособие / А.Ю. Смирнов. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 200 с. — 
(Высшее образование). — DOI 10.12737/1192105.
ISBN 978-5-16-018968-0 (print)
ISBN 978-5-16-109179-1 (online)
Рассмотрены бесконтактные синхронные машины, приведены классификация, описание конструкций, построение аналитических и численных 
моделей для исследовательских расчетов и проектирования индукторных 
двигателей с электромагнитным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов.
Приведены примеры проектировочных и исследовательских расчетов 
работы синхронного привода систем автоматики посредством вычислительного эксперимента.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 13.03.03 
«Энергетическое машиностроение», 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», 13.04.03 «Энергетическое машиностроение».
УДК 621.313(075.8)
ББК 31.261я73
ISBN 978-5-16-018968-0 (print)
ISBN 978-5-16-109179-1 (online)
© Смирнов А.Ю., 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................5 
1. НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
В АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ......................................................7 
1.1. Основные понятия и определения.......................................................7 
1.2. Характеристики разомкнутого электропривода ..............................13 
1.3. Область применения ...........................................................................15 
2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 
 
В СИНХРОННОМ
 ПРИВОДЕ...................................................................18 
2.1. Классификация ....................................................................................18 
2.2. Комбинированные электромеханические преобразователи 
индукторного типа ..............................................................................32 
2.3. Индукторные машины с магнитной асимметрией...........................37 
2.4. Одноимённо-полюсные индукторные машины с регулируемым 
потоком возбуждения .........................................................................40 
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ 
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ СИНХРОННОГО ПРИВОДА................48 
3.1. Проектирование шагового двигателя индукторного типа..............48 
3.1.1. Пример проектирования .............................................................56 
3.2. Проектирование в составе шагового привода..................................59 
3.2.1. Пример проектирования .............................................................63 
3.3. Рекомендации по выбору методики ..................................................78 
3.4. Проектирование синхронных двигателей с постоянными 
магнитами.............................................................................................79 
3.4.1. Одноимённо-полюсные индукторные двигатели  
с возбуждением от постоянных магнитов на роторе ......................80 
3.4.2. Примеры проектирования.........................................................100 
3.4.3. Результаты проектировочных расчётов ..................................101 
3.5. Проектирование и анализ магнитоэлектрических машин 
 
преобразованием энергии на высшей гармонике поля якоря....106 
с
3.6. Высокооборотные синхронные машины с постоянными 
магнитами. Подход к проектированию...........................................114 
4. СИЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ 
УСТРОЙСТВА..........................................................................................125 
4.1. Полупроводниковые переключающие устройства........................125 
4.2. Управление усилителем мощности силового каскада ..................128 
5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ......................................................132 
5.1. Механические преобразователи движения.....................................132 
 
3 

5.2. Датчики положения...........................................................................135 
5.3. Синхронные муфты...........................................................................140 
5.4. Устройства контроля движения и скорости ...................................141 
6. РАСЧЁТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
 
 ДВИГАТЕЛЯМИ.................................................143 
С СИНХРОННЫМИ
6.1. Цели и задачи расчётных исследований.........................................143 
6.2. Определение электромагнитного момента или силы 
 
в
электромеханическом преобразователе .......................................143 
6.3. Исследование работы шагового электропривода с питанием 
 
от источника
 напряжения .................................................................144 
6.3.1. Описание модели.......................................................................144 
6.3.2. Алгоритм интегрирования уравнений модели .......................149 
6.3.3. Расчётные исследования...........................................................151 
6.4. Особенности моделирования в приводе с источником тока ........157 
6.5. Расчёты электромагнитного момента электромеханических 
преобразователей методом конечных элементов ..........................163 
6.6. Замена объёмных структур электромеханических 
преобразователей плоскими моделями...........................................165 
6.7. Синтез 3D моделей униполярной индукторной машины .............168 
6.8. Исследование электромеханических переходных процессов 
 
применением сеточной модели.....................................................176 
с
6.9. Управляемые и неуправляемые переходные процессы ................180 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................................184 
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ..........................................................185 
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ .................................188 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .........................................................189 
ПРИЛОЖЕНИЯ .........................................................................................192 
Приложение 1 Характеристики магнитных материалов......................192 
Приложение 2 Номинальные размеры высокотемпературных 
 
и жаростойких
 проводов...................................................................196 
Приложение 3 Задания на курсовой (дипломный) проект, учебно «
исследовательскую работу по теме Проектирование 
индукторного двигателя для синхронного привода ....................197 
» 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ
Электропривод и электромеханика как научные дисциплины сформировались в современном изложении во второй половине XX века. В этот
период были изданы фундаментальные труды по основам теории, проектированию и обобщённой теории электрических машин, электромагнитным
расчётам
Г.Н. Петрова, М.П.Костенко
и
Л.М. Пиотровского, 
А.И. Вольдека, В.П. Шуйского, а позднее А.В. Иванова-Смоленского, 
И.П.Копылова и других авторов. Была издана литература по проектированию электрических машин под ред. Т.Г. Сорокера, П.С. Сергеева, 
И.П. Копылова, И.М. Постникова, О.Д. Гольдберга, Я.С. Гурина и др. по
электроприводу под ред. М.Г. Чиликина, А.С. Сандлера и др. Эти труды
по-прежнему актуальны и являются основой специального высшего образования до сих пор. 
Учебники содержат математическое описание электромагнитных и
электромеханических процессов в электрических машинах, построенное
на определённой идеализации в части свойств магнитных материалов, 
взаимоиндуктивных связей между обмотками и характеристик электрических сетей. Наиболее крупными трудами по автоматизированным расчётам
электрических
машин
в бывшем СССР
можно
назвать книги
И.П.Копылова и монографию под ред. А.В.Иванова-Смоленского, посвящённую универсальному методу расчёта. 
Вместе с тем, современная практика в электромашиностроении и
электромеханике во многом выходит за рамки классической теории электропривода и электрических машин. Можно отметитьследующиетенденции: 
- всё более тесное взаимодействие машины и полупроводникового
преобразователя, что зачастую не позволяет рассматривать их независимо
друг от друга; 
- освоение в промышленных масштабах новых типов электрических
машин; 
- внедрение в повседневную практику инженеров и исследователей
мощных средств вычислительной техники и специального программного
обеспечения, позволяющего на стадии разработки выполнять глубокие
расчётно-экспериментальные исследования машин и электроприводов на
их основе. 
Настоящая книга позволит сформировать у читателя активный подход
к решению конструкторских и расчётных задач в области электромеханики, позволяющую обоснованно строить и развивать математические модели электрических машин в конкретных случаях применения, использовать
вычислительную технику не только для проектирования, но и для испытаний посредством проведения вычислительных экспериментов. 
5

Рассматриваются методы и примеры проектирования электропривода
на базе синхронных машин, их поверочных и исследовательских расчётов
посредством фундаментальных методов математического анализа: метода
конечных элементов, матричной алгебры, численного интегрирования
дифференциальных уравнений, математического аппарата теории планирования эксперимента. 
Приведено развёрнутое описание бесконтактных синхронных машин, 
методик их проектирования. Даны задания для рефератов, курсовых и дипломных проектов по электрическим машинам и электроприводу, отличных от содержащихся в разработанных ранее учебниках по проектированию классических машин переменного тока. 
Использование пособия в учебном процессе позволит студентам, бакалаврам и магистрам приобрести и расширить базовые понятия по дисциплине “Электропривод и автоматизация промышленных установок”: 
- знать принцип действия и классифицировать различные конструкции бесконтактных синхронных машин; 
- составлять уравнения, связывающие заданные значения электромагнитного момента нагрузки в синхронном приводе с геометрическими размерами проектируемой машины; 
- получить представление об устройствах, входящих в синхронный
электропривод, о способах управления синхронными двигателями и о
схемно-технических решениях силовых электронных преобразователей, 
реализующих управление;  
- уметь проводить проектировочные расчёты бесконтактных синхронных машин, в том числе с учётом параметров электропривода; 
- строить сложные модели поверочного расчёта для проверки результатов проектирования машины;
- составлять дифференциальные уравнения электромеханического
преобразования энергии в синхронном приводе и алгоритмы их численного интегрирования при моделировании переходных процессов, овладеть
для этого навыками постановки и решения задач по расчётному исследованию электропривода с синхронными двигателями, и применять современные математические методы и программное обеспечение. 
Книга предназначена для студентов, бакалавров, магистров и аспирантов, а также для специалистов и руководящих работников, научные, 
образовательные или профессиональные интересы которых связаны с областью разработки и эксплуатации автоматических систем с  синхронными двигателями и современного электропривода. 
6

1. НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ СИНХРОННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА В АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
1.1. Основные понятия и определения
Совокупность устройств, которые вместе приобретают свойства, которыми не обладают каждое из них в отдельности, образует электротехнический комплекс. 
Простым и важным примером электротехнического комплекса с электромеханическим преобразователем вполне можно считать обычную коллекторную машину постоянного тока (рис. 1.1). 
На сердечниках главных полюсов 1 статора установлены катушки 2
одной или двух обмоток возбуждения. Число главных полюсов обычно
составляет 4-6, в микромашинах - 2. В очень крупных машинах их количество может доходить до нескольких десятков. 
Полюса закреплены на станине 3. Станина или корпус в машинах постоянного тока является частью магнитопровода. 
На валу ротора установлен пакет магнитопровода якоря 4, набранный
из листов электротехнической стали. В его пазы уложена обмотка якоря. 
Она состоит из секций 5, подключенных к пластинам коллектора 6. По
ним скользят щётки 7. 
Рис. 1.1. Схема конструкции машины
постоянного тока
Основные конструктивные признаки современной машины постоянного тока сформировались во второй половине XIX века, благодаря изобретениям Б.С. Якоби, А.Пачинотти, З. Грамма, В.Сименса и др. 
При несложном анализе в этой машине можно выделить три устройства, скомпонованных в общем корпусе: 
7

- электромеханический преобразователь синхронного типа, или просто синхронную машину; 
- преобразователь частоты; 
- датчик положения ротора. 
Элементами (узлами) электромеханического преобразователя являются ротор 4 с обмоткой якоря 5 и главные полюса 1 с катушками 2 обмотки
возбуждения, замкнутые между собой в магнитном отношении станиной 3. 
Механический
преобразователь
частоты
представлен
щёточноколлекторным узлом из деталей поз 6 и 7. 
Функция датчика положения ротора обусловлена способностью коллектора переключать секции обмотки якоря в строго заданном положении
каждой из них, при прохождении через плоскость, расположенную вблизи
геометрической нейтрали – плоскости с нулевой индукцией в воздушном
зазоре. 
Из теории электрических машин [2, 3, 5, 8, 10] хорошо известно, что
характеристики синхронной машины: рабочие, пусковые, механические
заметным образом отличаются от аналогичных характеристик машины
постоянного тока, в частности вторая, в отличие от первой обладает пусковым моментом. Т.е. синхронная машина, будучи дополненной преобразователем частоты и датчиком положения ротора, приобретает новые
свойства и составляет с ними электротехнический комплекс.  
Исторически сложилось, что машины с обратной связью по положению ротора были изобретены задолго до появления полупроводниковых
инверторов. Машины с механическим преобразователем частоты, или
просто коллекторные машины, получили широкое применение в технике
со второй половины XIX в. и благодаря ряду своих положительных качеств применяются до сих пор. 
Тем не менее, наличие скользящих контактов остаётся серьёзным недостатком коллекторных машин постоянного тока, ограничивающим ресурс и делающим необходимость периодического технического обслужиB1 
S 
Ȧ
вания. Поэтому вместо коллектора в настоящее время
всё чаще используются полупроводниковые преобразователи. В генераторе они преобразует переменный ток в
постоянный
и
выполняют
функции
выпрямителя. 
В
N 
B3 
двигателе
преобразователь, 
B2 
Рис. 1.2. Схема конструкции бесконтактного
напротив, должен преобразовывать постоянное напряжедвигателя постоянного тока
8

ние или ток в переменный, т.е. выполнять функции инвертора. 
Простейшим инвертором является комбинация ключей, по числу фаз
двигателя, или по удвоенному числу его фаз, позволяющих подавать постоянное напряжение на его зажимы в определённой последовательности. 
Ключи K1 – K3 простейшего инвертора в цепи обмотки якоря трёхфазной синхронной машины можно переключать по сигналам датчика положения, ротор которого закреплён на одном валу с ротором двигателя. 
Одна из многих возможных конструкций такого датчика представляет собой систему магнитоуправляемых контактов, число которых соответствует числу фаз обмотки якоря. Магнитоуправляемые контакты замыкаются
под воздействием потока постоянного магнита, установленного на роторе
(рис. 1.2). 
При включении двигателя один из магнитоуправляемых контактов B1
– B3 приведёт в действие (замкнёт) соответствующий ключ K1, K2 или K3, 
подавая напряжение источника на фазу обмотки двигателя. Ротор придёт
во вращение в направлении пространственной оси, находящейся под напряжением фазы. По достижении им некоторого углового положения магнит датчика разомкнёт первоначально замкнутый магнитоуправляемый
контакт и замкнёт следующий. Эти контакты обесточат первую включённую фазу и подадут напряжение на следующую. В результате этого переключения ротор продолжит вращение в направлении пространственной
оси очередной включённой фазы до тех пор, пока магнит датчика положения не разомкнёт её магнитоуправляемый контакт и не замкнёт магнитоуправляемый контакт третьей фазы. Движение ротора будет продолжено
теперь уже в направлении этой фазы, до нового замыкания магнитоуправляемого контакта и ключа исходной фазы. 
Для того, чтобы ротор никогда не достигал положений с нулевым значением вращающего момента, магнитоуправляемые контакты датчика
расположены под таким углом относительно пространственных осей фаз, 
что при приближении ротора к оси включённой фазы контакт размыкается
и включается следующая по направлению вращения фаза обмотки якоря. 
Также как и в коллекторной машине, в таком двигателе контролируется состояние ключей, подающих напряжение на фазы, но с помощью
отдельного датчика Датчик здесь выполняет функцию обратной связи по
положению ротора. Без достижения ротором определённых угловых положений переключения фаз не произойдёт. Такой привод называют замкнутым. 
Электродвигатели и другие электромеханические преобразователи, 
управление током якоря которых осуществляется переключением полупроводниковых приборов (вентилей) по сигналам датчика положения ро9

тора, называются вентильными двигателями, а электропривод, построенный на базе вентильного двигателя – вентильным приводом. 
Примером такой машины и привода, широко применяемых в подавляющем большинстве отраслей современной техники, является привод
вентилятора. Неподвижной частью вентильного двигателя обращённой
конструкции этого привода (рис. 1.3) является втулка 1, с одной стороны
она заканчивается установочным фланцем (показана только на одном виде). 
8
10 
7
N
N
N
N
3
2
1
5
Ȧ
1
8
1 23
4
5
6
7
6
4
11 
S
S
S
S
9
8
Рис. 1.3. Вентильный двигатель постоянного тока
(обращённой конструкции) 
На наружной поверхности втулки закреплён магнитопровод статора 2 
с кольцевой обмоткой якоря 3, а на внутренней – подшипники 4 и 5. Они
поддерживают вал 6 внешнего ротора. Диск 7 из не ферромагнитного материала, жёстко закреплённый на валу,  передаёт на него вращающий момент со стороны магнитопровода ротора 8 (вал, диск и подшипники также
показаны только на одном виде), внутренней поверхности которого установлены постоянные магниты 9 и 10 «северного» и «южного» полюсов. 
Помимо создания поля возбуждения, поток магнитов воздействует на
элементы Холла датчика положения ротора. Eго пластина 11 закреплена
на фланце втулки, с возможностью подстройки по угловому положению. 
Двигатель управляется через выводы 1 – 8 обмотки якоря от преобразователя частоты ПЧ посредством ключей на транзисторах V1 – V16 
(рис. 1.4), открываемых и закрываемых по сигналам датчика положения
ротора. Алгоритм включения и отключения транзисторов по сигналам
многофазного датчика построен таким образом, что каждый момент времени включённым оказывается один транзистор из группы, соединённой с
положительной шиной выпрямителя и один транзистор из группы, соединённой с отрицательной шиной выпрямителя. При смежные транзисторы
10