Синхронні двигуни з постійни­ми магнітами (СДПМ). Особливості конструкції. Елементи теорії та розрахунку СДПМ..

Синхронний двигун з постійними магнітами відрізняється від двигуна з обмоткою збудження тим, що магнітне поле ротора створюється тут за рахунок постійних магнітів. Двигун не має ковзаючих контактів, не потребує джерела живлення постійного струму і в той же час за своїми пусковими і робочими властивостями досить близький до двигуна з обмоткою збудження постійного струму.

Ротори двигунів з постійними магнітами вміщують в себе елементи синхронних двигунів (постійні магніти) і елементи асинхронних двигунів (короткозамкнену обмотку, виконану у вигляді білчиної клітки).

Рис. 3.6. Конструкції ротора: а) радіальна4 б) аксіальна.

В наш час отримали розповсюдження дві конструкції роторів з постійними магнітами: в першій з них (рис. 3.6, а) постійний магніт 1 і шихтоване осердя 2 з короткозамкненою обмоткою розташовуються в розточці статора 3 радіально; в другій (рис. 3.6, б) – аксиально. Ротори останньої конструкції, як правило, використовують для багатополюсних машин з малим внутрішнім діаметром статора в тих випадках, коли виконання кращої в електромагнітному відношенні першої конструкції досить важке.

При пуску двигун працює як асинхронний – його момент створюється за рахунок взаємодії обертального поля з наведеними ним струмами в короткозамкненій обмотці ротора. При частоті обертання, близькій до синхронної, ротор за рахунок взаємодії поля постійних магнітів з обертальним магнітним полем статора втягується в синхроннізм і в подальшому працює з синхронною частотою обертання.

Особливість процесу пуска в хід двигунів полягає в тому, що вони пускаються в збудженому стані, в той час як при пуску в хід двигунів з електромагнітним збудженням обмотку збудження відключають від джерела постійного струму.

В процесі розгону ротора (під дією асинхронного моменту) магнітне поле постійних магнітів наводить в обмотках статора ЕРС, яка не врівноважується напругою джерела живлення, так як її частота f₂=pn₂/60 при n₂< n₁ не рівна частоті джерела f₁=pn₁/60. Під дією цієї ЕРС в колі обмотки статора виникають струми, які взаємодіють з полем ротора і створюють гальмівний (генераторний) момент М_г, напрямлений назустріч корисному асинхронному моменту М_а. Це дещо погіршує пускові властивості двигунів з постійними магнітами (рис. 3.7) і потребує особливої уваги при проектуванні – правильного вибору параметрів двигуна і передусім степені збудженності постійних магнітів.

Рис. 3.7. Пускові властивості двигунів.

Справа в тому, що підвищення збудженності постійних магнітів, з одного боку, сприяє підвищенню моменту (а тому, і механічної потужності) в синхронному режимі, а з другого – сприяє підвищенню гальмівного моменту при пуску, тобто погіршанню пускових властивостей. При неправильному виборі степені збудженності двигун або не буде пускатися (внаслідок великого гальмівного моменту), або не буде розвивати необхідної механічної потужності в синхронному режимі.

Синхронні двигуни з постійними магнітами отримали досить широкого розповсюдження внаслідок хороших пускових і робочих властивостей. Ці двигуни надійні в роботі, мають постійну миттєву частоту обертання (за один оберт), високі ККД і cosj.

Двигун на постійних магнітах – це спроба зменшити вагу та габаритні розміри електричної машини, спростити її конструкцію, підвищити надійність і простоту експлуатації. Такий двигун дозволяє і значно збільшити ККД (коефіцієнт корисної дії). Найбільшого поширення він отримав в якості синхронної машини. У цьому пристрої постійні магніти призначені і застосовуються для створення обертового магнітного поля.

В даний час застосовують комбінований варіант: постійні магніти разом з електромагнітами, по котушці яких тече постійний електричний струм. Таке комбіноване збудження забезпечує безліч позитивних моментів: отримання необхідних регулювальних характеристик напруги і частоти обертання при зменшенні потужності збудження, зменшення обсягу магнітної системи (і, як наслідок, собівартості такого пристрою, як комбінований двигун на постійних магнітах) в порівнянні з класичною системою електромагнітного збудження синхронної машини.

На сьогоднішній день використання постійних магнітів можливо в пристроях потужністю всього в декілька кіловольт-ампер. Однак зараз розробляються постійні магніти з поліпшеними характеристиками, і потужність машин поступово зростає.

Синхронна машина як двигун на постійних магнітах використовується як безпосередньо двигуна або генератора в приводах різної потужності. Такі пристрої знайшли застосування і поширення на шахтах, металургійних заводах, теплових станціях. Так як синхронний двигун працює з самою різною реактивної потужністю, його застосовують у холодильниках, насосах та інших механізмах з незмінною швидкістю роботи. Електродвигун на постійних магнітах використовують у пристроях і приладах малої потужності, де потрібно суворе і точне сталість швидкості. Це автоматичні самописні прилади, електрогодинники, пристрої програмного управління та інше. На станціях і підстанціях встановлені спеціальні синхронні генератори, що виробляють в режимі холостого ходу тільки реактивну потужність. Така потужність використовується для асинхронних двигунів, а синхронні машини такого типу називають “компенсаторами”.

Принцип дії такої машини, як двигун на постійних магнітах, і, зокрема, синхронного двигуна, заснований на взаємодії магнітного поля ротора (рухомої частини) і статора (нерухомої частини).

Завдяки цікавим і ще не до кінця вивченим властивостям магнітів, часто з’являлися і з’являються винаходи на їх основі. Наприклад, однією з найпоширеніших ідей є створення такого пристрою як безпаливний вічний двигун на постійних магнітах. З точки зору сучасної науки і фізики вічний двигун неможливий (він мав би мати коефіцієнт корисної дії більше одиниці, а таке вважається нереальним), але винахідники у сфері альтернативної енергетики не втрачають надію на створення і розробку такого відкриття.