1.1. Типи електричних машин з постійними магнітами. Переваги і недоліки магнітоелектричних машин. Основні властивості постійних магнітів (пм). Марки та характеристики пм.

Переваги та недоліки магнітоелектричних машин

Основним недоліком СМ з обмоткою збудження на роторі є наявність ковзних контактів, які можна усунути шляхом використання сучасних магнітів на основі високо коерцетивних сплавів. Останнім часом розроблені машини з ПМ здатні конкурувати за масогабаритними й енергетичними показниками в широкому діапазоні потужностей та частот обертання. Отже, для СМ з ПМ – перевагами є відсутність контактів, втрат на збудження, вища надійність в роботі, здатність до синхронного обертання в гру­пових електроприводах, висока стабільність миттєвої кутової швидкості.

Що стосується двигунів та генераторів постійного струму з ПМ, то основні переваги їх у порівнянні з традиційними ЕМ – це відсутність втрат на збудження, вища надійність, вища механічна міцність елементів конструкцій. В окремих випадках, застосування ПМ є єдиним можливим розв’язком поставленої технічної задачі, (коли неможливо забезпечити живлення обмотки збудження), наприклад, в глибинних генераторах.

В певному діапазоні частот струму і потужностей такі ЕМ мають кращі техніко-економічні показники, ніж ЕМ з електромагнітним збудженням.

Поряд з перевагами ЕМ з ПМ мають ряд недоліків, що визначаються розкидом параметрів ПМ, неможливістю безпосередньо регулювати поле збудження, в ДПС з порожнистим ротором – наявність великого повітряного проміжку. Це приводить до того, що навіть із використанням дорогих висококоерцетивних сплавів, ЕМ з ПМ часто має більшу масу порівняно з ЕМ традиційної конструкції.

Однак в ряді випадків, зокрема при розробці так званих кінетичних акумуляторів у автомобілебудуванні тільки застосування найсучасніших сплавів для ПМ зробили розробку технічно виправданою.

В СД застосування ПМ дещо погіршує пускові властивості. Часто ряд недоліків ЕМ з ПМ вдається подолати. Зокрема виготовляють ЕМ з комбінованим збудженням.

У безконтактних машинах ПС застосування ПМ дає такі визначні результати, як підвищення їх техніко-економічних показників та можливість поєднати силову та інформаційну (давачі положення ротора) частини машини в корпусі, хоч це, безперечно, не єдине технічне рішення.

Застосування генераторів з ПМ значно спрощує розв’язання ряду проблем: охолодження (немає втрат в індукторі), зменшується необхід­ність в мінімальному повітряному проміжку між статором й ротором, змен­шується рівень пульсацій за рахунок покращеної конфігурації індуктора та можливості застосування безпазового статора. Причому потужність ЕМ з ПМ сягає 1-120кВА і навіть 1000 кВа [19].

Велике значення має застосування безконтактних генераторів у автомобіле­будуванні, на транспорті.

Основні властивості постійних магнітів

Постійні магніти – це попередньо намагнічені феротіла, із значною остаточною намагніченістю.

Технічні та масогабаритні дані ЕМ з ПМ залежать перш за все від магнітних властивостей ПМ. Розглянемо основні їх властивості.

Як і всі феромагнітні матеріали, ПМ характеризуються петлею гістерезиса, яка графічно зображає залежність індукції в тілі феромагніт­ного матеріалу від напруженості магнітного поля у ньому, тобто В=f(H). Для оцінки якості ПМ особливе значення має частина петлі у квадраті ІІ (рис.1).

Рис. 1. Крива розмагнічування

Ця частина кривої фактично характеризує потужність магнітного поля (розмагнічувального) в матеріалі і називається кривою розмагнічування.

Стосовно ЕМ з ПМ цікавість представляє гранична крива розмаг­нічування, яка відповідає максимально можливому намагнічуванню ПМ.

Основні властивості постійних магнітів

ПМ характеризуються рядом параметрів. Серед них:

1. Індукція магнітного насичення В_s і відповідна напруженість Н_s;

2. Залишкова індукція В_r;

3. Коерцетивна сила за індукцією Н_сВ (Н_с) і за намагніченістю Н_см (намагніченість М = 0);

4. Магнітна проникність магніту для довільно заданої точки гістерезисної кривої (відношення індукції в заданій точці х до напруженості – рис.1.)

5. Коефіцієнт повернення  (відновна проникність на частковому циклі петлі гістерезису ):

де  – кут між прямою повернення кL і віссю абсцис. Для кожної точки  різне, але для деякої точки .

6. Максимально питома магнітна енергія (Дж/м³)

яку часто замінюють енергетичним добутком

(НВ)_max=B_dH_d.

7. Коефіцієнт форми кривої розмагнічування (коефіцієнт випуклості)

що є мірою наближення кривої розмагнічування до прямокутної (більшість  відповідають кращому магнітному матеріалу в сенсі забезпечення високою питомою магнітною енергією

 = 0,3 0,75.

В сучасній техніці застосовують десятки марок сталей і сплавів і композицій для виготовлення постійних магнітів.

У спеціальних електричних машинах найчастіше застосовують такі групи матеріалів як сплави альні, альніко, альніко з напрямленою кристалізацією, феритові і інтерметалеві з’єднання на основі рідко-земельних елементів і кобальту.

– сплави альні – на основі Fе-Nі-Al – відомі з 1932 р., і для того часу мали унікальні властивості Н_с = 35,8 к А/м; В_r = 0,7 Тл; (ВН)_max = 11,1 ТлкА/м.

Удосконалення сплаву полягало в підборі температур охолодження і додаткового легування. І сьогодні ці сплави (стандартизовані в 1972 р.) відомі під марками ЮНД4, ЮНД8, ЮНТС.

– Сплави альніко – отримані легуванням альні кобальтом, тобто на основі Fе-Nі-Al,Со) мають нижчу на 15  20 % індукцію і (ВН)_max  16 ТлкА/м.

– Магніко – той же сплав альніко, але охолоджений в магнітному полі напруженістю 1200  2400 А/см, що забезпечило магнітну анізотропію і значно підняло енергію до 30  40 ТлкА/м.

– Найновіші сплави альніко, створені на основі не тільки магнітної, але й кристалічної анізотропії в результаті напрямленої кристалізації при литті з додаванням титану, ніобію та деяких інших елементів з найкращими показниками для цієї групи (ВН)_max = 96 ТлкА/м, включають 22 марки з рівновісьною, монокристалічною, стовп­частою напрямленою кристалізацією) структури.

Це, відповідно, ЮНДК15, ЮНДК18С, ЮН14ДК24Т2, ЮН13ДК25БА, ЮНДК35Т5АА та інші.

Зарубіжний аналог, відповідно, Альніко VII i VIII – США, Тикополь 750 – ФРГ, 100Х – Великобританія, та N KS-00 – Японія.

Магнітні властивості, вказані в стандартах, гарантуються при серійному виготовленні. В лабораторних умовах виготовлені сплави на базі альніко з (ВН)_max = 107 ТлкА/м.

Ці сплави мають досить добрі характеристики і на сьогодні.

Вони можуть працювати при температурі до 500 С без істотного зниження магнітних властивостей (всього на  10 %).

Зміни індукції в інтервалі температур-70  +100 С, є в межах = 0,02  0,07 % / С і не є незворотними.

Основні недоліки.

• Магніти альніко з найкращими магнітними характеристиками, зі стовпчастою структурою і монокристалічні, можуть виготовлятися тільки найпростіших форм – призм і циліндрів. Такі самі магніти з рівновісьною і полікристалічною структурою (з дещо гіршими характеристиками) можуть виготовлятися дещо складніших форм.

• Низькі магнітні властивості, низька міцність (межа текучості 516 кг/мм².

• Схильність до утворення тріщин, тому виготовляються магніти або методом фасонного лиття з наступним шліфуванням. Допустима швидкість обертання ротора з ПМ до 50 м/с без арматури.

Для отримання надійного намагнічування необхідно створити поле  6 Н_с. з врахуванням магнітної акамодації 6  10 разів.

Магнітна проникність  = (525)₀. Для листової електротехнічної сталі  в сотні разів більше.

Питомий електричний опір знаходиться в межах (0,51,8)10^-6 ОМм (для міді бли­зько 0,0210^-6 ОМм, тобто великі значення і магнітних і електричних питомих опорів.

– Металокерамічні постійні магніти

– Платиново-кобальтові постійні магніти з = 400 кА/м, В_v = 0,55  0,7 Тл; (ВН)_max = 65  95 Тл кА/л, мають високу міцність, але й високу вартість і велику густину.

– Рідкоземельні магніти на базі інтерметалевих з’єднань виду R CoS, та на основі рідко-земельних металів (самарію Sm, празеодима Pr, тербію Tb, церію Се, гадолінію Gd) з кобальтом. Отримують ці магніти литтям або спіканням. Найчастіше використо­вують склад Sm – 36 %, CoS – 64 з Bv = 0,7  0,9; H_c = 560  640 кА/л; ВН)_max = 128  176 Тл кА/л.

Пошук нових матеріалів ПМ з високою питомою W привів до розробки нових магнітів з інтерметалевих з’єднань типу RCo₅ на базі рідко-земельних металів (лантаноїдів), зокрема самарію Sm, празеодиму Pr, тербію Ти, цезію Се, гадолінію Gd та ін.) і Со.

Отримують ПМ з RCo₅ або литтям або спіканням. Ці матеріали мають прямоліній­ну спинку кривої розмагнічування і високі магнітні властивості: B_r=0,70,9 Тл, H_c=560 640 kА/м, (ВН)_max=128176 ТлkА/м. Матеріали з рідко-земельних елементів (РЗМ) ма­ють унікальні значення коерцетивних сил, в 6  7 разів вищі ніж в магнітів типу ЮНДК.

Магнітні характеристики в каталогах регламентовані стандартами. Фактичні властивості (отримані в лабораторіях) значно вищі (див. рис.2.).

Призначені для роботи в діапазонах температур –70 + 150С; воло­гості 98 % умовах вібрацій з прискореннями до 150 м/с²; температурний коефіцієнт 0,03  0,05 %/C; міцність на злам 11  15 кГс/мм²; твердість наближається до твердості кераміки.

Рис. 2. Магнітні характеристики ПМ

1 – стандартні, 2, 3 – експериментальні, 4 – ЮНДК35Т5 з спрямованою кристалізацією.

Точка Кюрі SmCo₅ – 740C; PvCo₅ – 635C; CeCo₅ – 460C. Ці з’єднання допуска­ють застосування точкової дифузійної зварки.

Методом рідко-фазного спікання для SmCo₅ отримано (ВH)_max=176  ТлkА/м; а в лабораторних умовах – 240  254 ТлkА/м.

Легуванням SmCo₅ іншими металами (празеодим Pr, лантан La, марганець Mn та ін.) також досягають високих (ВН)_max  до 200 ТлkА/м.

Найновіші відомості про можливість отримання на монокристалічних магнітах властивостей з (ВH)_max = 320 ТлkА/м магніти на базі Sn–Zr–Co з B_r = 1,26 Тл, H_c = 560 kА/м, (ВН)_max  до 320 ТлkА/м, а на отриманих спіканням – (ВH)_max до 240 ТлkА/м.

Отримані магніти з наднизькими температурними коефіцієнтами на базі легких і важких R i Co типу (P_тР_л)Со   = 0,005 % С; (ВН)_max = 80  128 ТлkА/м. Перспективним є отримання аморфних магнітів, які мають кращі механічні властивості – міцність, твердість, стійкість проти корозій.

Це ПМ на базі Sm₂(CoFe) з B_r = 0,9 Тл, H_c = 495 kА/м, (ВН)_max  до 121 ТлkА/м.

Металокерамічні магніти – отримують запіканням порошків магніто-твердих сплавів Fe, Ni, Al, Co … Магнітні параметри їх на 1520 % нижчі, але вони не потребують додаткової обробки, більш міцніші і однорідні, зокрема з кращою текучістю, близько 67 кг/мм² (в 4 рази міцніші).

Найдешевші – оксидні ПМ на основі порошків феритів барію і стронцію, які виго­товляють як і керамічні ПМ.

Бувають анізотропні і ізотропні.

B_r = 0,2  0,4 ТлkА/м; H_c = 120  270 kА/м; w_max = 5  15 кДж/м³

 = (1,3  2,0)₀ .

Їх недоліки – значна залежність В від t: (0,2 %/C), тоді коли для литих ПМ – 0,02 %/C (ст.154, Л.10).

Останнім часом – поширені інтерметалеві з’єднання Со з рідко-земельними металами самарій, празеодим, лантан.

Але вони дуже дорогі, хоч і мають надзвичайно високі показники

B_r = 0,8  0,9 ТлkА/м; H_c = 500  560 kА/м; w_max = 55  80 кОм/м³ , k_t = 0,06 %/C при t – t₁ = – 100  200C

Вже в останні роки розроблена технологія менш дорогих магнітів на основі –залізо-неодим-бор з найкращими магнітними властивостями B_r ==1  1,2 ТлkА/м; H_c = 600  900 kА/м; w_max = 75  135 кДж/м³.

Основні дані наведені в таблиці.

Марка	Br	Hc	Bd	Hd	(BdHd)max
ЮН13ДК24	1,25	40	0,98	37	18
ЮН13ДК25А	1,35	52	1,14	49	28
ЮН13ДК24	1,05	115	0,83	96	40
Металокерамічні
Японія NKS-100	1,1	127	–	–	44
ММК8	1,1	40	0,5	3,5	14
ММК11	0,7	128	0,4	80	16
Ферити
Тикополь 750 ФРГ	1,37	59	–	–	29
100Х Великобританія	1,34	58	–	–	26
24БА210	0,37	205	0,185	130	12
28СА250	0,39	240	0,195	143	14
Інтерметалеві
КС37	0,77	540	0,385	286	55
КСП37А	0,9	500	0,45	320	72
США АльпікоVII	1,34	58	–	–	30
VIII	1,05	128	–	–	40

В марках литих магнітів буквами, відповідно, позначають:

Ю – алюміній, Н – Ni, Д – Cu, K – Co, T – Ti, Б – ніобій структура А – рівновісьна, стовпчаста, АА – монокристалічна, ММК – металокерамічні.

У феритах Б – барій, С – стронцій, А – анізотропні, (цифри – добуток В_dН_d).

Пошук матеріалів з принципово новою природою високо-коерцетивного стану дали нові матеріали. Це Dy₃Al з ВН = 585 ТлkА/м і Тв₃Со₆ з ВН = 817 ТлkА/м (Bv = 2,36 ТлkА/м; Hc = 960 kА/м отримані при температурі 4,2 К на монокристалах). Отже має місце великий резерв при створенні нових матеріалів.

Сферу застосування ПМ розширили так звані магніто-пласти – суміш гуми, або термо-резистивної пластмаси 6  10 %. І порошку барієвого фериту: ВН_max = 12 ТлkА/м; B_r = 2,5 ТлkА/м; H_c = 120 kА/м.

Основний недолік практично всіх магнітів – більша чи менша крих­кість, недостатня механічна міцність, відсутність пластичності.

В останні роки розроблені сплави на базі Fe–Co–Cr з магнітними влас­тивостями типу ЮНДК24, але з набагато вищими пластичними властивос­тями:

– межа міцності – 71  73 кГ/м²,

– межа текучості – 36  38 кГ/мм,

– видовження – 10  %.

–  = 0,17  0,031 %/C.

Потенційні можливості великі і ще не використані, а відомі магніти з (ВН)_max = 62,5 ТлkА/м; Bv = 1 Тл; Hc = 74 kА/м.

Матеріали для постійних магнітів

В двигунах постійного струму малої потужності в основному застосовуються наступні три типи постійних магнітів: сплави типу ЮНДК, феритові магніти та магніти на основі рідкісноземельних металів. Розглянемо особливості постійних магнітів різних типів.

1. Сплави типу ЮНДК (систем Fe-Ni-Al і Fe-Ni-Al-Co, які називають Альні та Альніко) мають високі магнітні властивості: і при залишковій індукції . Вони стабільні в часі та в широкому діапазоні температур.

Магнітні матеріали цього типу виготовляють литими та металокерамічними. Приклади позначень марок литих сплавів: ЮНД4, ЮНДК, ЮНДК35Т5. Металокерамічні постійні магніти виготовляють марок ММК1 – ММК11. Металокерамічні магніти у порівнянні з литими мають дещо гірші магнітні властивості, однак переважають їх за механічною міцністю.

Магнітні властивості литих сплавів типу ЮНДК наведені в табл. 1Д, металокерамічних постійних магнітів – в табл. 2Д

Внаслідок відносно малого значення коерцитивної сили, магніти типу ЮНДК легше піддаються розмагнічуванню з боку зовнішнього поля.

2. Магнітнотверді ферити – це магнітні матеріали, які мають узагальнену хімічну формулу де – барій, стронцій або кобальт; . На відміну від магнітів типу ЮНДК, феритові магніти створюють малу індукцію, але мають велику коерцитивну силу. Високе значення коерцитивної сили зумовлює більшу стійкість феритових магнітів до розмагнічування зовнішнім полем.

Приклади позначень марок магнітотвердих феритів: 6БИ240, 22БА220, 28БА190, 28СА240. Параметри магнітнотвердих феритів наведені в табл. 4Д.

Феритові магніти широко застосовуються внаслідок низької вартості, спричиненої відсутністю у їх складі дефіцитних елементів та можливістю виготовлення за безвідходною технологією. Основним недоліком феритових магнітів є велика температурна нестабільність, зумовлена низькою температурою Кюрі ( ).

3. Сплави кобальту з рідкісноземельними металами мають високі значення і залишкової індукції, і коерцитивної сили.

У позначенні марок матеріалів літери означають: К – кобальт, С – самарій, П – празеодим, А – покращена структура, а цифри відповідають середньому вмісту самарію або сумарному вмісту самарію і празеодиму. Приклади позначень марок сплавів кобальту з рідкісноземельними металами: КС37, КС37А, КСП37, КСП37А. Основні властивості цих магнітів наведені в табл. 3Д.

Внаслідок високої вартості раніше їх використовували тільки для двигунів літаків та у військовій техніці. Тепер сфера застосування магнітів цього типу розширюється.

Типові криві розмагнічування постійних магнітів, виготовлених з різних матеріалів, наведені на рис. 3.

Рис. 3. Криві розмагнічування магнітотвердих матеріалів

(1 – ЮНДК; 2 – 28СА240; 3 – КСП37А)