Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Министерство образования Российской Федерации

Новосибирский Государственный Технический Университет

                                             

                           Утверждаю

                           

                                                                        Доцент  к.т.н.

                                        

                                                      ___________Стернина С.Л.

                                        

                                                      ___________________2006г

Реферат

На тему: Синхронные двигатели с постоянными магнитами.

Разработал

Студент Максимов Р.С.

Группа ТМ-402

Факультет Механико-технологический

Титульный лист выполнен по ГОСТ 2.105-95.ЕСКД. Общие требования к текстовым документам

Содержание

1.       Введение.

2.       Назначение и область применения.

3.       Устройство.

4.       Принцип работы синхронной машины.

5.       Особенности пуска двигателей с постоянными магнитами.

6.       Уравнение ЭДС и момент двигателя в синхронном режиме.

7.       Двигатели с радиальным расположением магнитов.

8.       Характеристики магнитотвердых материалов, применяемых в магнитных системах Синхронных машин.

9.       Заключение.

10.   Список литературы.

Введение

Применение постоянных магнитов в магнитных системах синхронных машин так же, как и в других типах электрических машин, обусловлено стремлением уменьшить габариты и вес машины, упростить конструкцию, увеличить к.п.д., повысить надежность в эксплуатации.

Постоянные магниты в синхронных машинах предназначены  для создания магнитного поля возбуждения, причем для этого могут применяться постоянные магниты, комбинированные с электромагнитами, по катушкам которых протекает постоянный ток. Использование комбинированного возбуждения позволяет получить требуемые регулировочные характеристики по напряжению и частоте вращения при значительно уменьшенной мощности возбуждения и объеме магнитной системы по сравнению с классическими электромагнитными системами возбуждения синхронных машин.

В настоящее время постоянные магниты применяются при мощности синхронных машин до одного или нескольких киловольт-ампер. По мере создания с постоянных магнитов с улучшенными характеристиками, мощности машин возрастают.

Назначение и область применения.

Синхронные машины, являются машинами переменного тока. Применяются в качестве двигателя и генератора.

Синхронные двигатели применяются в основном в приводах большой мощности. Мощность их достигает нескольких десятков мегаватт. На тепловых станциях, металлургических заводах, шахтах, Холодильниках приводят в движение насосы, и другие механизмы, работающие с неизменной скоростью. Синхронные двигатели могут работать с различной реактивной мощностью. Таким образом, Эти двигатели позволяют улучшить коэффициент мощности предприятия. Однако стоимость приводов с синхронным двигателями выше, чем с асинхронными.

Специальные двигатели малой мощности используют в устройствах, где строгое постоянство скорости, электрочасы, автоматические самопишущие приборы, устройства с программным управлением и др.

На крупных подстанциях электрических систем устанавливают специальные синхронные машины, работающие в режиме холостого хода и отдающие в сеть только реактивную мощность, которая необходима для асинхронных двигателей. Эти машины называют синхронными компенсаторами.

Устройство синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов.

Изобретение относится к области использования трехфазных синхронных машин для выработки электроэнергии. Устройство состоит из расположенных на одном валу трехфазного синхронного двигателя и трехфазного синхронного генератора, которые выполнены с возбуждением от постоянных магнитов. Ротор и статор двигателя и генератора имеют явно выраженные полюса. Обмотки статора намотаны вокруг полюсов статора. Постоянные магниты возбуждения в двигателе и генераторе размещены в спинках ротора между его полюсами. В центре полюсов ротора генератора находятся плоские компенсационные постоянные магниты, размещенные в плоскостях, проходящих через ось генератора.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение связано с использованием трехфазных синхронных машин специальной конструкции с возбуждением от постоянных магнитов, НО 2 К 21/27.В настоящее время широко известны конструкции трехфазных синхронных машин (двигателей и генераторов), в том числе и с возбуждением от постоянных магнитов. Описание конструкции синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов могут быть приняты за прототип синхронных машин, предлагаемых в настоящем изобретении. Недостатком существующих синхронных машин является то, что магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами полюсов ротора, пересекает проводники обмотки статора, располагаемые в пазах внутренней поверхности статора. При этом генерируемая электрическая мощность в генераторе равна требуемой механической мощности, подводимой к ротору генератора (без учета потерь энергии в статоре и механических потерь энергии в роторе). Точно также механическая мощность, развиваемая двигателем, равна мощности, потребляемой двигателем от источника питания (без учета потерь энергии). В связи с изложенным эффективность существующих синхронных машин, принятых за прототипы, всегда меньше единицы. Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, состоит в создании трехфазных электрических машин (двигателя и генератора) с эффективностью, большей единицы, объединяемых на одном валу в агрегат, позволяющий обеспечить выработку электроэнергии без затрат каких-либо энергоносителей. Устройство синхронного двигателя-генератора (СДГ) состоит из трехфазного синхронного двигателя (ТСД) и трехфазного синхронного генератора (ТСГ), находящихся на одном валу, помещенных в общий корпус. Двигатель и генератор выполнены с явно выраженными полюсами статора и ротора, с обмотками статора (ОС), намотанными “вокруг” полюсов статора. Статор, состоящий из полюсов статора (ПС) и “спинки” статора (СС), выполнен из листовой электротехнической стали. Ротор, состоящий из полюсов ротора (ПР) и спинки ротора (СР), выполнен из монолитной электротехнической стали. В спинке ротора размещены постоянные магниты возбуждения (ПМВ).В центре полюсов ротора генератора дополнительно размещены плоские небольшой толщины компенсационные постоянные магниты (ПМК), располагаемые в плоскости, содержащей ось генератора. Особенностью конструкции двигателей ТСД является малая толщина постоянных магнитов возбуждения (2hПМП).Длина полюсов статора вдоль внутренней поверхности статора (lПС) составляет 60 “электрических” градусов; длина полюсов ротора вдоль наружной поверхности ротора (lПР ) составляет 120 “электрических” градусов. Число полюсов статора (mC) кратно трем и равно mC=3Р, где Р - число пар полюсов в машине. Число полюсов ротора (m P) равно: mP=2P.Все части магнитопроводов двигателя и генератора являются “ненасыщенными”, что позволяет учитывать магнитное сопротивление только постоянных магнитов и воздушных зазоров. Схематические поперечные сечения ТСД и ТСГ приведены на фиг.1

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - “спинка” статора (СС)

2 - полюса статора (ПС)

3 - обмотки статора (ОС)

4 - полюса ротора (ПР)

5 - “спинка” ротора (СР)

6 - постоянные магниты возбуждения (ПМВ)

Принцип действия синхронной машины.

Принцип действия синхронных машин основан на взаимодействии магнитных полей статора и ротора. Схематически вращающееся магнитное поле статора можно изобразить полюсами магнитов вращающихся в пространстве со скоростью вращения магнитного поля статора

При отсутствии внешнего вращающего момента, приложенного к валу машины, оси полей статора и ротора совпадают (рис. 1 а)). Силы притяжения F действуют на ротор вдоль оси полюсов и взаимно компенсируют друг друга. Угол между осями полей статора и ротора равен нулю.

Если на вал машины действует тормозной момент, то ротор смещается в сторону запаздывания на угол  (рис. 1 б). В результате силы притяжения F раскладываются на составляющие, направленные вдоль оси полюсов ротора , компенсирующий внешний момент, приложенный к валу (D - диаметр точек приложения тангенциальных сил). Машина при этом работает в режиме двигателя, компенсируя расходуемую на валу механическую мощность потреблением активной мощности из сети, питающей статор.

В случае если к ротору прикладывается внешний момент, создающий ускорение, т.е. действующий в направлении вращения вала, картина взаимодействия полей меняется на обратную. Направление углового смещения  изменяется на противоположное, соответственно изменяется направление тангенциальных сил и направление действия электромагнитного момента. В этом случае он становится тормозным, а машина работает генератором, преобразующим подводимую в валу машины механическую энергию, в электрическую энергию, отдаваемую в сеть, питающую статор.

Вращающий момент в синхронной машине может возникать и при отсутствии собственного магнитного поля у ротора. Пусть, например, обмотка возбуждения явнополюсного ротора отключена от питания. Тогда картина магнитного поля машины будет иметь вид, представленный на рисунке 2. Здесь явнополюсный ротор связан с системой координат d-q таким образом, что ось d-d совмещена с осью симметрии в направлении максимальной магнитной проводимости, а ось q-q с направлением минимальной магнитной проводимости. Ось d-d совпадает также с осью магнитного поля возбужденного ротора и называется продольной осью, а ось q-q соответственно – поперечной.

При отсутствии внешнего момента явнополюсный ротор займет положение, при котором продольная ось будет совпадать с осью полюсов магнитного поля статора. Это положение соответствует минимальному магнитному сопротивлению для магнитного потока статора.

Если на вал машины будет действовать тормозной момент, то ротор отклонится на угол . При этом магнитное поле статора деформируется, т.к. магнитный поток будет стремиться замкнуться по пути наименьшего сопротивления. Магнитный поток определяется через магнитные силовые линии, т.е. линии, направление которых в каждой точке соответствует направлению действия силы, поэтому деформация поля приведет, также как и в случае возбужденного ротора, к появлению результирующей тангенциальной силы . Это отличие возникает вследствие того, что у возбужденного ротора возможно только одно положение устойчивого равновесия при

Вращающий момент, возникающий в машине с невозбужденным ротором за счет тангенциальных сил называется реактивным моментом и его зависимость от  выражается функцией

Очевидно, что необходимым условием возникновения реактивного момента является магнитная асимметрия ротора.

Рассмотренные выше процессы в синхронной машине наглядно демонстрируют принцип обратимости электрических машин, т.е. способность любой электрической машины изменять направление преобразования энергии на противоположное. В синхронных машинах для перехода от режима работы двигателем в режим генератора достаточно изменить направление (знак) момента нагрузки на валу.

Особенности пуска двигателей с постоянными магнитами.

Подавляющее большинство синхронных двигателей пускается как асинхронные, для чего они снабжаются пусковой обмоткой. Однако в отличие от двигателей с электромагнитным возбуждением постоянные магниты на время пуска невозможно "отключить". Поэтому в процессе разгона поток постоянных магнитов индуцирует в обмотке статора ЭДС, под действием которой по обмотке через источник протекает ток (рис. 3.4). Этот ток, взаимодействуя с полем постоянного магнита, создает момент по своей природе аналогичный асинхронному моменту, развиваемому пусковой обмоткой. Однако этот момент является не движущим, а тормозящим.

Частота тока в пусковой обмотке пропорциональна скольжению (f2 = f1s), поэтому максимум асинхронного момента лежит в области малых скольжений. Частота тока в обмотке статора от поля постоянных магнитов пропорциональна скорости ротора [n2 = n1(1-s)], поэтому максимум тормозного момента лежит в области малых значений n ,т.е. больших скольжений.

Тормозной момент образует провал в пусковой характеристике двигателя, тем самым создает опасность застревания его на малой скорости вращения (рис. 3.5). Понятно, что с этой точки зрения надо бы иметь небольшой поток постоянного магнита, т.е. небольшую ЭДС Е0, хотя винтересах работы в синхронном режиме должно быть наоборот. Оптимальное отношение Е0/U для двигателей мощностью 10 -120 Вт при f = 50 Гц,p = 2лежит в пределах 0,5 - 0,8.

Уравнение ЭДС и момент двигателя в синхронном режиме. Из общего курса электрических машин известно несколько форм уравнения напряжения синхронного двигателя с явновыраженными возбужденными полюсами, например такая:

. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе с радиальным (а) и аксиальным (б) расположением магнитов. 1 – постоянный магнит; 2 – сердечник из электротехнической стали; 3 – стержни пусковой обмотки; 4 – короткозамыкающие кольца.

где: 0 - ЭДС, индуцированная в статоре полем ротора; d , q - ток статора по осям d и q; xd, xq - синхронные индуктивные сопротивления статора по продольной и поперечной осям; r1 - активное сопротивление статора.

Уравнению соответствует векторная диаграмма нарис. . Из диаграммы можно вывести выражения токов Idи Iq

     .    . Векторная диаграмма СМД.

где - степень возбужденности ротора.

Полный ток статора

Если пренебречь активным сопротивлением статора (r1 = 0), формула момента

Вращающий момент двигателя является суммой двух моментов: электромагнитного М1, обусловленного взаимодействием полей статора и ротора и реактивного момента М2 , обусловленного неодинаковой проводимостью по продольной и поперечной осям.

Не учет активного сопротивления статора в микромашинах приводит к значительным количественным ошибкам. Вместе с тем его учет сильно усложняет математический анализ процессов, происходящих в машине /см. [1], формула(4.24)/. Однако и в этом случае формула момента похожа на

где: AЭ - амплитуда электромагнитного момента с учетом r1; Adq - амплитуда реактивного момента с учетом r1; αЭ, αdq - углы сдвига первой и второй составляющих момента; MТ - тормозной момент.

Рассматривая выражение (3.2'), приходим к выводу, что вращающий момент синхронного микродвигателя с учетом r1 , так же как и без учета r1, является суммой двух синусоид, только смещенных влево на углы αЭ и αdq и вниз на величину тормозного момента МТ.

Смещение синусоид влево (в сторону меньших углов) можно пояснить с помощью векторной диаграммы рис. 3.2, на которой пунктиром показан вектор напряжения, замыкающий диаграмму, и угол q при r1 = 0. Из диаграммы видно, что учет активного сопротивления приводит к уменьшению угла между векторами ЭДС и напряжения сети. Это дает основание утверждать, что момент наступает при меньшем угле. Смещение синусоид вниз объясняется потерями в обмотке статора, которые бы не учитывались при r1 = 0, следовательно, меньшей полезной мощностью, а значит и меньшим моментом двигателя.

Двигатели с радиальным расположением магнитов. Роль обмотки возбуждения здесь выполняет блок постоянных магнитов типа звездочки, на который напрессован кольцевой пакет из электротехнической стали. В пазах кольца располагается пусковая короткозамкнутая обмотка и имеются прорези, размеры которых выбираются из условия хорошего пуска и максимального использования энергии постоянных магнитов в синхронном режиме.

Свойства двигателя во многом зависят от того, насколько удачно выбраны размеры этих прорезей. В целях предохранения магнитов от размагничивания и увеличения асинхронного пускового момента прорези должны быть минимальными. Однако не следует забывать о том, что это приводит к росту потоков рассеяния и ухудшению свойств двигателя в синхронном режиме.

Особенностью двигателей радиальной конструкции является большое магнитное сопротивление по продольной оси по сравнению с сопротивлением по поперечной оси. Объясняется это низкой проводимостью постоянного магнита, по которому проходит поток продольной реакции якоря (проводимость магнита лишь раз в 10 больше проводимости воздуха, тогда как проводимость электротехнической стали в тысячи раз превышает ее).

Поток поперечной реакции якоря проходит по полюсным наконечникам из электротехнической стали и, естественно, встречает малое магнитное сопротивление. Поэтому в данных двигателях ld < lq, а следовательно xd < xq. Тот факт, что xd < xqприводит к иному виду угловой характеристики, чем в двигателя «классической» конструкции (рис.3.3).

Стабилизация магнитов в этих двигателях происходит в режиме противовключения, что имеет место при частоте вращения, близкой к синхронной.

(Стабилизацией постоянного магнита называется воздействие на него внешней размагничивающей силой такой величины, больше которой в практике эксплуатации двигателя не встретится.)

В двигателях аксиальной конструкции магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям практически одинаковы, т.е. xd≈ xq, поэтому их можно рассматривать как машины с неявновыраженными полюсами. Стабилизация магнитов в этих машинах происходит в режиме короткого замыкания.

Рис. 3.3. Зависимости моментов от угла &teta; при xd < xq (а) и при xd > xq (б).

Положительными свойствами синхронных двигателей с постоянными магнитами являются: высокая стабильность скорости вращения в синхронном режиме, сравнительно высокие энергетические показатели (КПД и cosj), повышенная перегрузочная способность, большая удельная мощность (мощность на единицу массы), хорошая синфазность вращения, что часто требуется в групповых приводах. Недостатки – более высокая стоимость, меньший пусковой момент и больший пусковой ток по сравнению с аналогичными реактивными двигателями.

Характеристики магнитотвердых материалов, применяемых в магнитных системах Синхронных машин.

Основные требования к магнитам:

1.   Достаточно высокая остаточная индукция Вя, коэрцитивная сила Нс, энергетическое произведение ВdHD (Вd и HD –координаты экстремальной точки, определяющий максимум произведения) м тем, чтобы получить уменьшенную массу и объем машины.

2.   Удовлетворительные технологические и механические свойства, обеспечивающие изготовление магнитов заданной формы и размеров, их прочное сочленение с другими деталями и надежную работу  во вращающихся конструкциях роторов.

3.   Эффективное противодействие размагничивающим полям при пусках и перегрузках двигателя.

4.   Стабильность магнитных свойств во времени.

5.   Стабильность магнитных свойств при изменении окружающей температуры в диапазоне: по крайней мере от -40, -500 С до +2000,2500С

6.   Умеренная стоимость.

Из известных в настоящее время магнитотвердых материалов, в свете указанных требований, целесообразно рассматривать следующие группы:

1. не деформируемые сплавы на основе системы Fe-Al-Ni(Ални)  и Fe-Al-Ni-Co  (Алнико): литые и металлокерамические.

2. Микропорошковые композиции, например, из порошков Fe и Fe---Co, особенно с удлиненными частицами.

3. Микропорошковые композиции на основе редкоземельных элементов, например, из порошков SmCo5

4. Ферриты.

Хорошие механические и магнитные свойства имеют сплавы на основе драгоценных металлов, например, сплавы платины, но они очень дороги и их применение не целесообразно.

   Литые сплавы типа Алико имеют хорошие магнитные свойства при магнитной текстуре и высокие при направленной кристаллизации. В лучших образцах остаточная магнитная индукция Вr равна

1.12-1,14 Тл при коэрцитивной силе до 15-125 кА/м энергетическое произведение (Вd Hd) достигает 96 ТлкА/м. К недостаткам таких материалов относиться трудность обработки, не высокие механические свойства, в частности, малая механическая прочность: прдел прочности на разрыв 2.1-6.4 кгс/мм2, на из гиб – 5,4-16,8 кгс/мм2.Такая механическая прочность ограничивает диаметр вращающихся магнитов, частоту вращения роторов электрических  машин(до 100м/с) и, следовательно диапазон мощностей, в которых могли бы применяться постоянные магниты.

Кроме того, эти материалы имеют довольно сложную технологию, что обуславливает их сравнительно высокую стоимость.

 Металлокерамические материалы имеют несколько худшие магнитные свойства, но часто не требуют обработки и имеют более высокие механические характеристики: придел прочности на растяжение до 21-33 кгс/мм2, предел прочности на изгиб до 50-60 кгс/мм2.

 Металлокерамические магниты выдерживают линейную скорость вращения до 140 м/сек и выше, тогда как литые магниты при этом разрушаются. Энергетическое произведение доходит до 38 тлкА/м.

Ряд магнитов из тонких порошков имеют хорошие магнитные свойства: например, из порошка Fe-Co с удлиненными частицами, для которых коэрцитивная сила равна 78,4 кА/м, а остаточное индукция  Вr=1,08тл.

Магниты из сплавов на основе редкоземельных элементов имеют наивысшие магнитные свойства: энергетическое произведение достигает величины 160-240тлкА/м, а коэрцитивная сила 800кА/м.

Механические свойства этих сплавов исследованы слабо, но, во всяком случае, при использовании их в электрических машинах необходимо принимать меры для обеспечения механической прочности магнитов. Эти сплавы имеют высокую стоимость. Вместе с тем, рекордные магнитные свойства этих сплавов обуславливают все более широкое их применение.

Ферритные магнитотвердые материалы имеют ряд хороших характеристик, в частности, довольно высокую коэрцитивную силу(до 240-270 кА/м), и они сравнительно дешевые, но в тоже время у них есть существенный недостаток: значительное изменение магнитных свойств при изменение температуры. Так, для магнитов из ферритов бария температурный коэффициент остаточной индукции равен 0,2% на 10С в интервале температур от -700 до +2000С. Несмотря на указанный недостаток, ферритные магнитотвердые материалы могут быть рекомендованы для использования в неответственных электрических машинах.

   

Список литературы:

Исследование свойств постоянных магнитов 1973г           Берников

Синхронные машины (Специальный курс)1987г              М.Г.Ахматов

Основы теории переходных процессов синхронной машины. 1981г                             А.И Важнов

М.М.Кацман “Электрические машины и трансформаторы”, часть II, Москва, издательство “Высшая школа”, 1976 г.