Попов / Попов билеты / 22

. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Машины с постоянными магнитами позволяют умень­шить потери, а также (при полюсах, расположенных на рото­ре) устранить подвод тока через контактные кольца к обмот­ке возбуждения. В настоящее время синхронные машины. с постоянными магнитами широко используют как микро-

Рис. 9.1.    Устройство синхронного двигателя с постоянными магнитами:1 — обмотка   статора;   2 — статор;   3 — пусковая   обмотка   типа   «беличья клетка»; 4 — пакет ротора;  5 — постоянные магниты

 

 

двигатели, генераторы небольшой мощности и тахогенера­торы. В этих машинах вместо обмотки возбуждения при­меняют блок постоянных магнитов, изготовляемый из магнитотвердого материала — кобальтовой стали, а также различных сплавов из алюминия, никеля, железа и кобальта, обладающих большой коэрцитивной силой. Постоянные магниты в таких машинах располагают в большинстве случаев на роторе. Статор имеет обычную конструкцию, в его пазах размещают одно-, двух- или трехфазную обмотку.

Двигатели. В синхронных микродвигателях на роторе кроме блока постоянных магнитов устанавливают собранный из листовой стали пакет, в пазах которого размещают пусковую короткозамкнутую обмотку типа «беличья клетка». Последняя по окончании процесса пуска служит демпфером, препятствующим  качаниям ротора.

Наибольшее применение получили микродвигатели двух конструктивных исполнений: с радиальным (рис. 9.1, а) и акси­альным (рис. 9.1,б) расположением блока постоянных магни­тов и стального пакета ротора с короткозамкнутой обмот­кой. При радиальном расположении пакет ротора выполнен в виде кольца, напрессованного на блок постоянных маг­нитов, в котором имеются прорези, разделяющие полюсы разной полярности; размеры прорезей выбирают из условий оптимального использования энергии постоянных магнитов. При аксиальном расположении пакет ротора насаживают непосредственно на вал двигателя, а по его краям устанав­ливают один или два блока постоянных магнитов, выпол­ненных в виде дисков.

Пуск синхронных микродвигателей с постоянными магни­тами   обычно   производят   непосредственным   включением в сеть. Разгон двигателя осу­ществляется за счет асинх­ронного вращающего момента М_ас, возникающего в резу­льтате взаимодействия враща­ющегося магнитного поля с током в пусковой обмотке ротора (асинхронный пуск — см. §8.14). При питании дви­гателя от однофазной сети в цепь одной из фаз включают конденсатор, необходимый для получения вращающегося магнитного поля.

Рис. 9.2.  Зависимость  M-f(s) для двигателя  с  постоянными  магни­тами

Характерная особенность рассматриваемого двигателя — при пуске кроме асинхронного вращающего момента М_ас возникает еще и тормозной момент М_т , образующийся из-за наличия на роторе потоянных магнитов. В процессе разгона двигателя поле постоянных магнитов пересекает обмотку статора и ин­дуцирует в ней ЭДС Е_1п, изменяющуюся с переменной частотой, пропорциональной частоте вращения ротора. Для ЭДС Е_1побмотка статора, присоединенная обычно к до­статочно мощному источнику электрического тока, может считаться короткозамкнутой, вследствие чего в ней возникает переменный ток, который, взаимодействуя с магнитным потоком ротора,  создает тормозящий момент М_т.

Физическая причина возникновения моментов М_ас и М_т одинакова: в первом случае — это взаимодействие вращающе­гося магнитного потока статора с током пусковой обмотки ротора, во втором — это взаимодействие вращающегося по­тока ротора с током обмотки статора. Однако характер изменения этих моментов от скольжения ротора различный (рис. 9.2), так как ЭДС Е₂,индуцируемая потоком статора в пусковой обмотке ротора в процессе его разгона, пропорци­ональна скольжению s, а ЭДС Е_1п, индуцируемая потоком ротора в обмотке статора, пропорциональна п₂, т. е. (1-я). Поэтому, если максимум момента М_ас, как и в асинхронном двигателе нормального исполнения, находится в области не­больших скольжений s, то максимум момента М_т находится в области небольших значений (1— s). Следовательно, зави­симость результирующего пускового момента М_рез = М_ас + М_т от скольжения s имеет провал в области малых частот вра­щения. Вход в синхронизм происходит при скольжении 5_ВХ, при котором пусковая обмотка развивает достаточно боль­шой момент  М_вх.

Электромагнитные процессы, происходящие в синхронных машинах с постоянными магнитами, в основном аналогичны электромагнитным процессам, происходящим в машинах с электромагнитным возбуждением. Однако на магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами, сильное воз­действие оказывает МДС якоря. Значительному размагничи­вающему действию со стороны якоря постоянные магниты подвергаются во время пуска синхронного двигателя, когда ток якоря наибольший.

В машинах с радиальным расположением блока постоян­ных магнитов при небольшой частоте вращения ротора (больших скольжениях) постоянные магниты достаточно хорошо экранируются пусковой короткозамкнутой обмоткой. Однако при небольших скольжениях защитное действие «беличьей клетки» мало, и значительная реакция якоря может вызвать необратимое размагничивание постоянных магнитов, при котором их свойства после отключения обмотки статора полностью не восстанавливаются. Макси­мальное размагничивающее действие возникает при асин­хронном вращении, когда ротор периодически проходит положения, при которых МДС полюсов ротора и обмотки статора оказываются направленными встречно. В машинах с аксиальным расположением блока постоянных магнитов наибольшее размагничивание магнитов происходит в момент подключения двигателя к сети  при неподвижном роторе.

Для снижения размагничивающего действия реакции якоря расстояние между полюсными наконечниками соседних полюсов в машинах с радиальным расположением постоян­ных магнитов обычно выполняют меньшим, чем в машинах с обмоткой возбуждения на роторе, а ширину полюсных наконечников — большей. В результате поток якоря Ф_aq в значительной части замыкается через полюсные наконеч­ники, не подвергая размагничиванию постоянные магниты.

Двигатели с постоянными магнитами по сравнению с другими типами синхронных двигателей обладают хоро­шими энергетическими показателями (КПД и cos φ), повы­шенной устойчивостью работы в синхронном режиме и вы­сокой стабильностью частоты вращения. Недостатком их является сравнительно большая стоимость, обусловленная дороговизной материала, из которого изготовляют постоян­ные магниты, и большая кратность пускового тока, что имеет значение при работе таких двигателей от полупровод­никовых  преобразователей.

Генераторы. В синхронных генераторах малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов ротор можно выполнить или в виде единого блока из магнитотвердого материала (рис. 9.3, а), или с постоянными магнитами, установленными в стальной втулке (рис. 93,б). Промежутки между магнитами в некоторых случаях заливают алю­минием,    благодаря    чему    обеспечивается    монолитность

Рис 9.3. Роторы  генераторов с постоянными магнитами: 1 — блок постоянных магнитов; 2 —стальная втулка; 5 —полюсные наконечники; 4 — литой алюминий;  5 —немагнитная втулка; 6 —полюсы;  7 —вал

 

  

 

 

конструкции ротора. В генераторах, используемых в не­которых транспортных установках, иногда применяют ротор с когтеобразными полюсами (рис. 9.3, в).

При повышении мощности машины для увеличения ин­дукции в воздушном зазоре и зубцах применяют различные концетраторы магнитного потока. Принцип устройства кон­центратора состоит в том, что площадь поперечного сечения магнита берется больше площади воздушного зазора (рис. 9.4, а).  При этом индукция в воздушном зазоре

                  (9.1)

где В—остаточная индукция постоянного магнита; S_M — пло­щадь его сечения; S—площадь сечения воздушного зазора, через который замыкается магнитный поток машины.

Выполняя машину с отношением SJS 2...3, получают желаемую индукцию в воздушном зазоре.

Особенно выгодно применение машин с концентраторами магнитного потока при высоких частотах вращения и повы­шенной частоте тока. На рис. 9.4,б изображена конструктивная

Рис. 9.4. Принцип устройства концентратора магнитного потока (а) и конструктивная схема генератора с постоян­ными магнитами (б): 1 — статор;  2—ротор; 3 — постоянные магниты

 

 

схема двенадцатиполюсного генератора мощностью 20 кВт на частоту 300 Гц при частоте вращения 3000 об/мин.

Недостаток таких генераторов — невозможность регулиро­вать выходное напряжение. Однако изменение напряжения под нагрузкой не очень велико, так как отношение короткого замыкания весьма значительно:  ОКЗ3,5.

В дальнейшем синхронные машины значительной мощ­ности с постоянными магнитами могут найти широкое при­менение в комбинации с полупроводниковыми преобразова­телями не только  как генераторы,  но  и как двигатели.

Тахогенераторы. Синхронный тахогенератор представляет собой одно- или трехфазную синхронную машину с постоян­ными магнитами на роторе. В такой машине при вращении ротора в обмотке якоря индуцируется ЭДС, действующее значение которой

Е_о = 4,44f₁ w_a k_обaФ_в. = 4,44w_ak_обaФ_вpn/ 60 = сп          (9.2)

пропорционально частоте  вращения п.

Таким образом, ЭДС холостого хода пропорциональна частоте вращения. Частота изменения ЭДС Е_о также зависит от частоты вращения п, что является большим недостатком синхронного тахогенератора. Выражение для выходной характеристики тахогенератора U_Bых =f(n) можно получить из уравнения _вых=-I_aΖ_χ=Ε_ο-U_Βых(Ζ_a/Ζ_н), где 1_а — ток, проходящий по выходной обмотке (обмотке якоря); Ζ_a и Z_H — полные сопротивления обмотки якоря и нагрузки.

Выполнив  несложные преобразования,  получим

               (9.3)

Так как от частоты / зависят только индуктивные сопротивления, отношение Z_a/Z_н при изменении n будет изменяться. Следовательно, в "синхронном тахогенераторе зависимость выходного напряжения U_вых от частоты враще­ния является нелинейной, так как в значения сопротивлений Ζ_a и Z_н входят индуктивные сопротивления обмотки якоря и нагрузки, зависящие от частоты f, т. е. от п. Поэтому синхронные тахогенераторы, несмотря на простоту конструк­ции и отсутствие скользящих контактов, редко применяют в схемах  автоматических устройств.

Практически синхронные тахогенераторы используют как датчики для измерения частоты вращения. В таких измери­тельных устройствах нагрузку подключают к выходной обмотке датчика непосредственно или через полупроводнико­вый выпрямитель. В некоторых случаях применяют устройст­ва для измерения частоты вращения с трехфазным тахогене-ратором и специальным приемником, в котором создается магнитное поле, вращающееся с частотой, равной (или крат­ной) частоте вращения ротора тахогенератора.