Застосування постійних магнітів в електричних машинах

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

З предмету “Проектування спеціальних ЕМ”Частина 2.

Лекція 1.

Проектування магнітоелектричних та колекторних

Спеціальних машин

Застосування постійних магнітів в електричних машинах

Постійні магніти (ПМ) останнім часом знаходять дуже широке застосування в най­різноманітніших галузях техніки, що пояснюється безперервно зростаючими потребами техніки у пристроях з цими магнітами, тобто в, головним чином, магнітоелектричних перетворювачах енергії. Це призвело до розробки нових матеріалів для ПМ і конструк­ційних сталей з високою механічною міцністю. Області застосування ПМ надзвичайно широкі. Це і електромашинобудування, апаратобудування, приладобудування, радіо­електроніка, транспорт, техніка зв’язку, медична техніка тощо.

Оскільки для створення магнітного поля ПМ не має потреби в джерелі живлення в деяких випадках тільки їх застосування дає єдино прийнятне технічне рішення.

Постійні магніти знаходять застосування практично у всіх типах спеціальних ма­шин малої потужності (синхронних двигунах та генераторах, колекторних двигунах та генераторах, а також у безконтактних двигунах постійного струму) загального засто­сування в багатьох мікромашинах сис­тем автоматики, як силових, так і інформаційних.

Зокрема серед інформаційних машин з постійними магнітами виконуються вимірювачі швидкості – тaxoгенератори постійного та змінного струму (синхронні). Серед силових ЕМ постійні магніти застосовуються у виконавчих двигунах постійного струму та моментних двигунах постійного струму, а також синхронних двигунах.

В автономних системах електрообладнання, які встановлюються на пересувних електростанціях, в авіа- та автотранспорті з’явились ЕМ, поява яких завдячує матеріа­лам для ПМ з високими характеристиками: це гене­ратори комбінованого збудження, вентильні двигуни і авіаційні генератори, що працюють разом з перетворювачами час­тoти в системах електрозабезпечення постійною частотою. Часто генератори працюють в режимі двигунів, що призводить до особливих вимог, які встановлюють до їх характе­ристик та параметрів. При цьому існує велика різноманітність ГПС із ПМ не лише за конструкцією, але навіть за принципом роботи.

У зв’язку з тим, що з’явилися матеріали подібні за характеристиками до ПМ типу ЮНДК, але з дуже добрим механічними властивостями на базі Fe-Co-Cr леговані Si (Cr – 31%, Co – 23 %, Si – 1 %, Fe – 45 %, з Н_с=74 кА/м, (ВН)_max= 62, 5 Tл× кА/м, В_r=1 Tл з границею міцності 71–73 кГ/мм² з можливим видовженням 10–15 %, доцільним є вивчення кривих розмагнічування для цього типу матеріалів.

Механоторонні перетворювачі з ПМ.

Відомо, що серед традиційних електричних машин, які використовують в автоматизованому електроприводі, колекторні двигуни постійного струму за своїми регулювальними властивостями переважають всі інші. В електро­приво­дах малої потужності переважно застосовують електродвигуни постійного стру­му зі збудженням від постійних магнітів. Такі двигуни мають кращі енергетичні показники порівняно з іншими типами електричних машин з наступних причин:

потік збудження створюється полем постійних магнітів, а не за рахунок енергії джерела;

електромагнітний момент в двигуні завдяки наявності щітково-колекторного вузла досягає найбільшого значення при фіксованому струмі якоря, тому що забезпечується ортогональність векторів магнітної індукції полюсів і магніторушійної сили якоря.

Крім того, електродвигуни постійного струму мають лінійні механічні та регулювальні характеристики при керуванні по колу якоря, що забезпечує широкий діапазон регулювання частоти обертання порівняно простими способами.

Проте наявність колектора та щіток в силовому колі зменшує їх надійність, обмежує термін дії, створює шум, унеможливлює їх роботу в агресивному середовищі. Термін служби у серійних машин при експлуатації в нормальних умовах складає 100 - 3000 годин залежно від частоти обертання, густини струму під щітками та застосованих матеріалів. Колекторні двигуни мають малу надійність через високу інтенсивність відмов щітково-колекторного вузла, який, крім того, є ще і джерелом радіо- і акустичних завад, а також пилюки.

Одним з шляхів удосконалення машин постійного струму є органічне поєд­нання у одному агрегаті безконтактних машин та електронних перетворювачів. Матеріали для постійних магнітів з високою магнітною енергією (наприклад, на основі рідкісноземельних елементів) дозволяють створювати електричні машини, які в 5 - 7 разів переважають за питомими показниками аналогічні машини неда­лекого минулого, а застосування електродвигунів з рідкісноземельними магні­тами дає можливість створювати електромеханічні приводи, які співвимірні за всіма основними показниками з гідравлічними й пневматичними приводами [1].

Вентильні двигуни завдяки наявності напівпровідникового комутатора й раціональної організації процесів перетворення енергії можуть задовільняти високі вимоги, які ставляться до приводів систем автоматики тощо при забез­пе­ченні високих енергетичних показників.

Структура механотронного перетворювача на базі електромеханічного перетворювача зі збудженням від постійних магнітів аналогічна вентильному реактивному двигуну [2]. Як давачі положення ротора можуть застосовуватись будь-які з відомих типів, в тому числі й описані в [3].

Електромеханічний перетворювач виконується як синхронна машина. Секції якорної обмотки розміщуються на статорі. Індуктор машини - постійний магніт - є основною частиною її ротора й створює в повітряному проміжку потік збудження.

Статор може бути створений і на базі конструктивних схем, описаних в [2]. На рис. 1 наведено приклад електромеханічної частини механотронного пере­тво­рювача з постійними магнітами, який служить приводом ротора медичної центрифуги.

Рис. 1. Вентильний двигун для привода ротора центрифуги

Комутатор за сигналами давача положення ротора (ДПР), які поступають на входи його силових ключів, переважно транзисторних, періодично під'єднує секції якорної обмотки до джерела живлення (комутує секції обмотки). Так як сигнальний елемент ДПР жорстко зв'язаний з ротором ЕМП, а чутливі елементи ДПР - зі статором, комутація секцій відбувається в такій послідовності і в такі моменти часу, при яких напрям струму в провідниках секцій, які розміщені в зоні однієї полярності магнітного поля індуктора, зберігається незмінним за будь-якого положення ротора відносно статора. Саме тому в машині при взаємодії МРС якірної обмотки з магнітним полем індуктора створюється постійний за знаком електромагнітний момент й забезпечується стійка робота ВД.

Таким чином, ДПР разом з комутатором виконують функції щітково-колекторного вузла двигунів постійного струму, здійснюючи залежну від куто­во­го положення ротора відносно статора комутацію секцій якірної обмотки. Наслідком цього є практично ідентичні механічні властивості ВД й колекторних двигунів постійного струму.