Двигатель на постоянных магнитах – это попытка уменьшить вес и габаритные размеры электрической машины, упростить ее конструкцию, повысить надежность и простоту эксплуатации. Такой двигатель позволяет и значительно увеличить КПД (коэффициент полезного действия). Наибольшего распространения он получил в качестве синхронной машины. В данном устройстве постоянные магниты предназначены и применяются для создания вращающегося магнитного поля.
В настоящее время применяют комбинированный вариант: постоянные магниты вместе с электромагнитами, по катушке которых течет постоянный электрический ток. Такое комбинированное возбуждение обеспечивает множество положительных моментов: получение требуемых регулировочных характеристик напряжения и частоты вращения при уменьшении мощности возбуждения, уменьшение объема магнитной системы (и, как следствие, себестоимости такого устройства, как комбинированный двигатель на постоянных магнитах) по сравнению с классической системой электромагнитного возбуждения синхронной машины.
На сегодняшний день использование постоянных магнитов возможно в устройствах мощностью всего в несколько киловольт-ампер. Однако сейчас разрабатываются постоянные магниты с улучшенными характеристиками, и мощность машин постепенно возрастает.
Синхронная машина как двигатель на постоянных магнитах используется в качестве непосредственно двигателя или генератора в приводах различной мощности. Такие устройства нашли применение и распространение на шахтах, металлургических заводах, тепловых станциях. Так как синхронный двигатель работает с самой разной реактивной мощностью, его применяют в холодильниках, насосах и других механизмах с неизменной скоростью работы. Электродвигатель на постоянных магнитах используют в устройствах и приборах малой мощности, где нужно строгое и точное постоянство скорости. Это автоматические самопишущие приборы, электрочасы, устройства программного управления и прочее. На станциях и подстанциях установлены специальные синхронные генераторы, вырабатывающие в режиме холостого хода только реактивную мощность. Такая мощность используется для асинхронных двигателей, а синхронные машины такого типа называют "компенсаторами".
Принцип действия такой машины, как двигатель на постоянных магнитах, и, в частности, синхронного двигателя, основан на взаимодействии магнитного поля ротора (движущейся части) и статора (неподвижной части).
Благодаря интересным и еще не до конца изученным свойствам магнитов, часто появлялись и появляются изобретения на их основе. Например, одной из самых распространенных идей является создание такого устройства как безтопливный вечный двигатель на постоянных магнитах. С точки зрения современной науки и физики вечный двигатель невозможен (он должен был бы иметь коэффициент полезного действия больше единицы, а такое считается нереальным), но изобретатели в сфере альтернативной энергетики не теряют надежду на создание и разработку такого открытия.
fb.ru
Предшественником шагового двигателя является серводвигатель.
Шаговые (импульсные) двигатели непосредственно преобразуют управляющий сигнал в виде последовательности импульсов в пропорциональный числу импульсов и фиксированный угол поворота вала или линейное перемещение механизма без датчика обратной связи. Это обстоятельство упрощает систему привода и заменяет замкнутую систему следящего привода (сервопривода) разомкнутой, обладающей такими преимуществами, как снижение стоимости устройства (меньше элементов) и увеличение точности в связи с фиксацией ротора шагового двигателя при отсутствии импульсов сигнала.
Очевиден и недостаток привода с шаговым двигателем: при сбое импульса дальнейшее слежение происходит с ошибкой в угле, пропорциональной числу пропущенных импульсов [2].
Поэтому в задачах, где требуются высокие характеристики (точность, быстродействие) используются серводвигатели. В остальных же случаях из-за более низкой стоимости, простого управления и неплохой точности обычно используются шаговые двигатели.
Шаговый двигатель, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор - неподвижная часть, ротор - вращающаяся часть.
Гибридный шаговый электродвигатель
Шаговые двигатели надежны и недороги, так как ротор не имеет контактных колец и коллектора. Ротор имеет либо явно выраженные полюса, либо тонкие зубья. Реактивный шаговый двигатель - имеет ротор из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами. Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор на постоянных магнитах. Гибридный шаговый двигатель имеет составной ротор включающий полюсные наконечники (зубья) из магнитомягкого материала и постоянные магниты. Определить имеет ротор постоянные магниты или нет можно посредством вращения обесточенного двигателя, если при вращении имеется фиксирующий момент и/или пульсации значит ротор выполнен на постоянных магнитах.
Статор шагового двигателя имеет сердечник с явно выраженными полюсами, который обычно делается из ламинированных штампованных листов электротехнической стали для уменьшения вихревых токов и уменьшения нагрева. Статор шагового двигателя обычно имеет от двух до пяти фаз.
Так как шаговый двигатель не предназначен для непрерывного вращения в его параметрах не указывают мощность. Шаговый двигатель - маломощный двигатель по сравнению с другими электродвигателями.
Одним из определяющих параметров шагового двигателя является шаг ротора, то есть угол поворота ротора, соответствующий одному импульсу. Шаговый двигатель делает один шаг в единицу времени в момент изменения импульсов управления. Величина шага зависит от конструкции двигателя: количества обмоток, полюсов и зубьев. В зависимости от конструкции двигателя величина шага может меняться в диапазоне от 90 до 0,75 градусов. С помощью системы управления можно еще добиться уменьшения шага пополам используя соответствующий метод управления.
Реактивный шаговый двигатель - синхронный реактивный двигатель. Статор реактивного шагового двигателя обычно имеет шесть явновыраженных полюсов и три фазы (по два полюса на фазу), ротор - четыре явно выраженных полюса, при такой конструкции двигателя шаг равен 30 градусам. В отличии от других шаговых двигателей выключенный реактивный шаговый двигатель не имеет фиксирующего (тормозящего) момента при вращении вала.
Трехфазный реактивный шаговый двигатель (шаг 30°)
Четырехфазный реактивный шаговый двигатель (шаг 15°)
Ниже представлены осциллограммы управления для трехфазного шагового двигателя.
Униполярное волновое управление
Биполярное полношаговое управление
Биполярное 6-шаговое управление
Осциллограммы управления для четырехфазного шагового двигателя показаны на рисунке ниже. Последовательное включение фаз статора создает вращающееся магнитное поле за которым следует ротор. Однако из-за того, что ротор имеет меньшее количества полюсов, чем статор, ротор поворачивается за один шаг на угол меньше чем угол статора. Для реактивного двигателя угол шага равен:
,
Осциллограммы управления 4-х фазным реактивным шаговым двигателем
Чтобы изменить направление вращения ротора (реверс) реактивного шагового двигателя, необходимо поменять схему коммутации обмоток статора, так как изменение полярности импульса не изменяет направления сил, действующих на невозбужденный ротор [2].
Реактивные шаговые двигатели применяются только тогда, когда требуется не очень большой момент и достаточно большого шага угла поворота. Такие двигатели сейчас редко применяются.
Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор на постоянных магнитах. Статор обычно имеет две фазы.
По сравнению с реактивными, шаговые двигатели с активным ротором создают большие вращающие моменты, обеспечивают фиксацию ротора при снятии управляющего сигнала. Недостаток двигателей с активным ротором — большой угловой шаг (7,5—90°). Это объясняется технологическими трудностями изготовления ротора с постоянными магнитами при большом числе полюсов. Если угол фиксации находится в диапазоне от 7,5 до 90 градусов скорее всего это шаговый двигатель с постоянными магнитами нежели гибридный шаговый двигатель.
Обмотки могут иметь ответвление в центре для работы с однополярной схемой управления. Двухполярное управление требуется для питания обмоток без центрального ответвления.
Униполярный шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет одну обмотку на фазу с ответвлением в центре. Каждая секция обмотки включается отдельно.
Таким образом расположение магнитных полюсов может быть изменено без изменения направления тока, а схема коммутации может быть выполнена очень просто (например на одном транзисторе) для каждой обмотки. Обычно центральное ответвление каждой фазы делается общим, в результате получается три вывода на фазу и всего шесть для обычного двухфазного двигателя.
Легкое управление однополярными двигателями сделало их популярными для любителей, они возможно являются наиболее дешевым способом чтобы получить точное угловое перемещение.
Схема униполярного двухфазного шагового двигателя
Схема биполярного двухфазного шагового двигателя
Двухполярные двигатели имеют одну обмотку на фазу. Для того чтобы изменить магнитную полярность полюсов необходимо изменить направление тока в обмотке, для этого схема управления должна быть более сложной, обычно с H-мостом. Биполярный шаговый двигатель имеет два вывода на фазу и не имеет общего вывода. Так как пространство у биполярного двигателя используется лучше, такие двигатели имеют лучший показатель мощность/объем чем униполярные. Униполярный двигатель имеет двойное количество проводников в том же объеме, но только половина из них используется при работе, тем не менее биполярный двигатель сложнее в управление.
Для управления шаговым двигателем на постоянных магнитах к его обмоткам прикладывается сфазированный переменный ток. На практике это почти всегда прямоугольный сигнал сгенерированный от источника постоянного тока. Биполярная система управления генерирует прямоугольный сигнал изменяющийся от плюса к минусу, например от +2,5 В до -2,5 В. Униполярная система управления меняет направление магнитного потока катушки посредством двух сигналов, которые поочереди подаются на противоположные выводы катушки относительно ее центрального ответвления.
Простейшим способом управления шаговым двигателем является волновое управление. При таком управлении в один момент времени возбуждается только одна обмотка. Но такой способ управления не обеспечивает максимально возможного момента.
Положение ротора шагового двигателя при волновом управлении
Шаговый двигатель с постоянными магнитами может иметь разную схему соединения обмоток статора.
Волновое управление биполярным шаговым двигателем
На рисунке выше представлены схема биполярного шагового двигателя и двухполюсные осциллограммы управления. При таком управлении обе полярности ("+" и "-") подаются на двигатель. Магнитное поле катушки поворачивается за счет того, что полярность токов управления меняется.
Волновое управление униполярным шаговым двигателем
На рисунке выше представлены схема униполярного шагового двигателя и однополюсные осциллограммы управления.Так как для управления униполярным шаговым двигателем требуется только одна полярность это существенно упрощает схему системы управления. При этом требуется генерация четырех сигналов так как необходимо два однополярных сигнала для создания переменного магнитного поля катушки.
Необходимое для работы шагового двигателя переменное магнитное поле может быть создано как униполярным так и биполярным способом. Однако для униполярного управления катушки двигателя должны иметь центральное ответвление.
Шаговый двигатель с постоянными магнитами может иметь разную схему соединения обмоток статора. Схемы соединения шагового двигателя показаны на рисунке ниже.
Схема 4 выводного биполярного шагового двигателя
Схема 5 выводного униполярного шагового двигателя
Схема 6 выводного униполярного шагового двигателя
Схема 8 выводного шагового двигателя
Шаговый двигатель с 4 выводами может управляться только биполярным способом. 6-выводной двигатель предназначен для управления униполярным способом, несмотря на то, что он также может управляться биполярным способом если игнорировать центральные выводы. 5-выводной двигатель может управляться только униполярным способом, так как общий центральный вывод соединяет обе фазы. 8-выводная конфигурация двигателя встречается редко, но обеспечивает максимальную гибкость. Такой двигатель может быть подключен для управления также как 6- или 5- выводной двигатель. Пара обмоток может быть подключена последовательно для высоковольтного биполярного управления с малыми токами или параллельно для низковольтного управления с большими токами.
Полношаговое управление обеспечивает больший момент, чем волновое управление так как обе обмотки двигателя включены одновременно. Положение ротора при полношаговом управлении показано на рисунке ниже.
Положение ротора шагового двигателя при полношаговом управлении
Полношаговое биполярное управление шаговым двигателем
Полношаговое биполярное управление показанное на рисунке выше имеет такой же шаг как и при волновом управлении. Униполярное управление (не показано) потребует два однополярных управляющих сигнала для каждого биполярного сигнала. Однополярное управление требует менее сложной и дорогой схемы управления. Дополнительная стоимость биполярного управления оправдана когда требуется более высокий момент.
Шаг для данной геометрии шагового двигателя делится пополам. Полушаговое управление обеспечивает большее разрешение при позиционировании вала двигателя.
Положение ротора шагового двигателя при полушаговом управлении
Полушаговое управление - комбинация волнового управления и полношагового управления с питанием по очереди: сначала одной обмотки, затем с питанием обоих обмоток. При таком управлении количество шагов увеличивается в двое по сравнению с другими методами управления.
Полушаговое биполярное управление шаговым двигателем
Гибридный шаговый двигатель был создан с целью объединить лучшие свойства обоих шаговых двигателей: реактивного и с постоянными магнитами, что позволило добиться меньшего угла шага. Ротор гибридного шагового двигателя представляет из себя цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль продольной оси с радиальными зубьями из магнитомягкого материала.
Конструкция гибридного шагового двигателя (осевой разрез)
Статор обычно имеет две или четыре фазы распределенные между парами явно выраженных полюсов. Обмотки статора могут иметь центральное ответвление для униполярного управления. Обмотка с центральным ответвлением выполняется с помощью бифилярной намотки.
Гибридный шаговый двигатель (радиальный разрез)
Заметьте что 48 зубьев на одной секции ротора смещены на половину зубцового деления λ относительно другой секции (рисунок ниже). Из-за этого смещения ротор фактически имеет 96 перемежающихся полюсов противоположной полярности.
Ротор гибридного шагового двигателя
Зубья на полюсах статора соответствуют зубьям ротора, исключая отсутствующие зубья в пространстве между полюсами. Таким образом один полюс ротора, скажем южный полюс, можно выровнять со статором в 48 отдельных положениях. Однако зуб южного полюса ротора смещен относительно северного зуба на половину зубцового деления. Поэтому ротор может быть выставлен со статором в 96 отдельных положениях.
Соседние фазы статора гибридного шагового двигателя смещены друг относительно друга на одну четверть зубцового деления λ. В результате ротор перемещается с шагом в четверть зубцового деления во время переменного возбуждения фаз. Другими словами для такого двигателя на один оборот приходится 2x96=192 шага.
engineering-solutions.ru
Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор - неподвижная часть, ротор - вращающаяся часть. Статор обычно имеет стандартную трехфазную обмотку, а ротор выполнен с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения соединена с контактными кольцами к которым через щетки подходит питание.
Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения (щетки не показаны)
Постоянная механическая характеристика синхронного электродвигателя достигается за счет взаимодействия между постоянным и вращающимся магнитным полем. Ротор синхронного электродвигателя создает постоянное магнитное поле, а статор – вращающееся магнитное поле.
Работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора
На обмотки катушек статора подается трехфазное переменное напряжение. В результате создается вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью пропорциональной частоте питающего напряжения. Подробнее о том, как посредством трехфазного напряжения питания образуется вращающееся магнитное поле можно прочитать в статье "Трехфазный асинхронный электродвигатель".
Взаимодействие между вращающимся (у статора) и постоянным (у ротора) магнитными полями
Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока через контактные кольца. Магнитное поле создаваемое вокруг ротора возбуждаемое постоянным током показано ниже. Очевидно, что ротор ведет себя как постоянный магнит, так как имеет такое же магнитное поле (в качестве альтернативы можно представить, что ротор сделан из постоянных магнитов). Рассмотрим взаимодействие ротора и вращающегося магнитного поля. Предположим вы придали ротору начальное вращение в том же направлении как у вращающегося магнитного поля. Противоположные полюса вращающегося магнитного поля и ротора будут притягиваться друг к другу и они будут сцепляться с помощью магнитных сил. Это значит, что ротор будет вращаться с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, то есть ротор будет вращаться с синхронной скоростью.
Магнитные поля ротора и статора сцепленные друг с другом
Скорость с которой вращается магнитное поле может быть вычислена по следующему уравнению:
,
Это значит, что скорость синхронного электродвигателя может очень точно контролироваться изменением частоты питающего тока. Таким образом эти электродвигатели подходят для высокоточных приложений.
Если ротор не имеет начального вращения, ситуация отличается от описанной выше. Северный полюс магнитного поля ротора будет притягиваться к южному полюсу вращающегося магнитного поля, и начнет двигаться в том же направлении. Но так как ротор имеет определенный момент инерции, его стартовая скорость будет очень низкой. За это время южный полюс вращающегося магнитного поля будет замещен северным полюсом. Таким образом появятся отталкивающие силы. В результате чего ротор начнет вращаться в обратную сторону. Таким образом ротор не сможет запуститься.
Чтобы реализовать самозапуск синхронного электродвигателя без системы управления между наконечниками ротора размещается "беличья клетка", которая также называется демпферной обмоткой. При запуске электродвигателя катушки ротора не возбуждаются. Под действием вращающегося магнитного поля, индуцируется ток в витках "беличьей клетки" и ротор начинает вращаться подобно тому, как запускаются асинхронные двигатели.
Когда ротор достигает своей максимальной скорости, подается питание на обмотку возбуждения ротора. В результате, как говорилось ранее, полюса ротора сцепляются с полюсами вращающегося магнитного поля и ротор начинает вращаться с синхронной скоростью. При вращении ротора с синхронной скоростью, относительное движение между белечьей клеткой и вращающимся магнитным полем равно нулю. Это значит, что отсутствует ток в короткозамкнутых витках, а следовательно "беличья клетка" не оказывает воздействия на синхронную работу электродвигателя.
Синхронные электродвигатели имеют постоянную скорость независящую от нагрузки (при условии что нагрузка не превышает макимально допустимую). Если момент нагрузки больше, чем момент создаваемый самим электродвигателем, то он выйдет из синхронизма и остановиться. Низкое напряжение питания и низкое напряжение возбуждения также могут быть причинами выхода двигателя из синхронизма.
Синхронные электродвигатели могут также использоваться для улучшения коэффициента мощности системы. Когда единственной целью использования синхронных электродвигателей является улучшение коэффициента мощности их называют синхронными компенсаторами. В таком случае вал электродвигателя не соединяется с механической нагрузкой и вращается свободно.
engineering-solutions.ru
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ВАСО7 Электродвигатели асинхронные трехфазные с короткозамкнутым ротором вертикальные взрывозащищенные ВАСО7 предназначены для безредукторного привода аппаратов воздушного охлаждения.
1 Асинхронные электрические машины Лекции профессора Полевского В.И. Устройство и принцип действия 3- фазных асинхронных двигателей Лекция 1 Асинхронные машины (АМ) в настоящее время являются самыми распространенными
Ветрогенератор типа СГВ 310-40-60 В.М.Гандшу В настоящее время во всех развитых странах, и в России в том числе, ведутся интенсивные поиски альтернативных возобновляемых и экологически чистых источников
Электродвигатель серии NYS 3.2.1 Общие сведения об электродвигателе серии NYS 3.2.1.1 Электродвигатель NYS представляет собой вентильный электродвигатель переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов,
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ» «Утверждаю» Директор
УДК 61.313.181 В.В. НАНИЙ, канд. техн. наук, доц., НТУ "ХПИ", Харьков А.Г. МИРОШНИЧЕНКО, канд. техн. наук, доц., НТУ "ХПИ", Харьков В.Д. ЮХИМЧУК, канд. техн. наук, проф., НТУ "ХПИ", Харьков А.А. ДУНЕВ,
РЕФЕРАТ Выпускная квалификационная работа 113 с., 10 рис., 17 табл., 40 источника, 4 прил. Ключевые слова: синхронный генератор, ротор, статор, магнитоэлектрический, телеметрия, воздушный зазор, ресурсосбережение,
РЕФЕРАТ Выпускная квалификационная работа 90с., 12 рис., 11табл., 27 источников, 6 прил. Ключевые слова: Синхронный генератор, беспазовое исполнение, постоянные магниты, ротор, воздушный зазор. Объектом
ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКУ Задача 1. В схеме R 1 = R 3 = 40 Ом, R 2 = 20 Ом, R 4 = 30 Ом, I 3 = 5 А. Вычислить напряжение источника U и ток I 4. Зная ток I 3 (ток в резисторе R 3 ) по закону Ома найдем
Виниченко Д.А. Основные проблемы и направления тягового электромашиностроения // Академия педагогических идей «Новация». 2018. 01 (январь). АРТ 46-эл. 0,2 п. л. URL: http://akademnova.ru/page/875548 УДК
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ» Зеленодольский институт машиностроения
ЛУКОВ Н. М., РОМАШКОВА О.Н, КОСМОДАМИАНСКИЙ А. С. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА ЛОКОМОТИВА С МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ ДИЗЕЛЬ- ГЕНЕРАТОРОМ И ПОЛЮСОПЕРЕКЛЮЧАЕМЫМИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ С КОРОТКО
МЕТОДИЧЕСКОЕ УКАЗАНИЕ 2 системы и технологии» Тема 1. Линейные цепи постоянного тока. 1. Основные понятия: электрическая цепь, элементы электрической цепи, участок электрической цепи. 2. Классификация
вестник Югорского государственного университета 2009 г. Выпуск 2 (1). С. 5 9 МОДЕЛИРОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С УЧЕТОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВИБРОВОЗМУЩАЮЩИХ СИЛ А. В. Беспалов УДК 621.1 Электрическая машина
Направление 154 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Магистерская программа 154.15 Приводы и системы управления технологическими машинами и оборудованием Руководитель программы д.т.н., проф. Ванин В.
МИНИСТЕРСТВО ОБРЗОВНИЯ И НУКИ РФ ФЕДЕРЛЬНОЕ ГОСУДРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРЗОВТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНЛЬНОГО ОБРЗОВНИЯ УФИМСКИЙ ГОСУДРСТВЕННЫЙ ВИЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КОМПЛЕКТ ТТЕСТЦИОННЫХ
Общие сведения об электродвигателях Электродвигатель. Виды электродвигателей и их конструктивные особенности. Устройство и принцип действия электродвигателя Электродвигатель преобразует электроэнергию
CÐÅÄÍÅÅ ÏÐÎÔÅÑÑÈÎÍÀËÜÍÎÅ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÅ М. М. КАЦМАН СБОРНИК ЗАДАЧ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ МАШИНАМ Рекомендовано Федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» (ФГАУ
1 Синхронные электрические машины Общие сведения и элементы конструкции Лекции профессора Полевского В.И. Синхронными машинами называются электрические машины переменного тока, у которых магнитное поле,
138 Лекция 13. ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ План 1. Технико-экономические преимущества трехфазных цепей. 2. Соединение звездой и треугольником. 3. Симметричный и несимметричный режимы работы трехфазной цепи. 4. Заключение.
docplayer.ru
УДК 621.313 И.Н. РАДИМОВ, канд. техн. наук, В.В. РЫМША, д-р техн. наук, ЧАН ТХИ ТХУ ХЫОНГ, аспирантка (г. Одесса) СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ МОДИФИКАЦИЙ ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПОСТОЯННЫМИ
УДК 621.313 ББК 31.261 И 85 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ TECHNICAL SCIENCES Кашин Я.М. Кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой электротехники и электрических машин Кубанского государственного технологического
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ» «Утверждаю» Директор
Тема 0. Основы электропривода Вопросы темы. Электропривод: определение, состав, классификация.. Номинальные параметры электрических машин. 3. Режимы работы электродвигателей. 4. Выбор типа и мощности электродвигателя..
138 Лекция 13. ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ План 1. Технико-экономические преимущества трехфазных цепей. 2. Соединение звездой и треугольником. 3. Симметричный и несимметричный режимы работы трехфазной цепи. 4. Заключение.
МИНИСТЕРСТВО ОБРЗОВНИЯ И НУКИ РФ ФЕДЕРЛЬНОЕ ГОСУДРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРЗОВТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНЛЬНОГО ОБРЗОВНИЯ УФИМСКИЙ ГОСУДРСТВЕННЫЙ ВИЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КОМПЛЕКТ ТТЕСТЦИОННЫХ
1 Асинхронные электрические машины Лекции профессора Полевского В.И. Устройство и принцип действия 3- фазных асинхронных двигателей Лекция 1 Асинхронные машины (АМ) в настоящее время являются самыми распространенными
1 Синхронные электрические машины Общие сведения и элементы конструкции Лекции профессора Полевского В.И. Синхронными машинами называются электрические машины переменного тока, у которых магнитное поле,
УДК 61.313.181 В.В. НАНИЙ, канд. техн. наук, доц., НТУ "ХПИ", Харьков А.Г. МИРОШНИЧЕНКО, канд. техн. наук, доц., НТУ "ХПИ", Харьков В.Д. ЮХИМЧУК, канд. техн. наук, проф., НТУ "ХПИ", Харьков А.А. ДУНЕВ,
вестник Югорского государственного университета 2009 г. Выпуск 2 (1). С. 5 9 МОДЕЛИРОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С УЧЕТОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВИБРОВОЗМУЩАЮЩИХ СИЛ А. В. Беспалов УДК 621.1 Электрическая машина
Общие сведения об электродвигателях Электродвигатель. Виды электродвигателей и их конструктивные особенности. Устройство и принцип действия электродвигателя Электродвигатель преобразует электроэнергию
7. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ 7.1. Основные понятия Асинхронные машины относятся к классу электрических машин переменного тока. Мощность асинхронных машин может быть от долей ватта до нескольких тысяч киловатт.
МЕТОДИЧЕСКОЕ УКАЗАНИЕ 2 системы и технологии» Тема 1. Линейные цепи постоянного тока. 1. Основные понятия: электрическая цепь, элементы электрической цепи, участок электрической цепи. 2. Классификация
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ» Зеленодольский институт машиностроения
Электродвигатель серии NYS 3.2.1 Общие сведения об электродвигателе серии NYS 3.2.1.1 Электродвигатель NYS представляет собой вентильный электродвигатель переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов,
CÐÅÄÍÅÅ ÏÐÎÔÅÑÑÈÎÍÀËÜÍÎÅ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÅ М. М. КАЦМАН СБОРНИК ЗАДАЧ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ МАШИНАМ Рекомендовано Федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» (ФГАУ
docplayer.ru
Наше предприятие Орион-мотор специализируется на инновационных проектах в области систем электропривода, технологии и автоматизации производства (разработка и изготовление).
У нас имеются новые технические решения по линейным и роторным синхронным моторам на постоянных магнитах (прямой привод), по энергосберегающим и регулируемым асинхронным двигателям, а также по координатным системам, электроприводам и оборудованию для различных отраслей промышленности, в том числе для станкостроения, электроники, металлургии и электротранспорта.
БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
С ПОСТОЯННЫМ МАГНИТОМ
Франк Дж. Бартос
Применение больших двигателей переменного тока с постоянным магнитом (ПМ) при решении серьезных промышленных и оборонных задач становится более заметным. Их количество ограничено скорее рядом рыночных проблем, чем технологией. Большая плотность мощности и эффективность - вот главные преимущества таких двигателей.
Бесколлекторные двигатели с постоянным магнитом (ПМ) лучше известны в отраслях, где требуются сравнительно небольшие габариты и низкая потребляемая мощность. Такие двигатели могут иметь практически любой размер без каких-либо технологических ограничений. Большие бесколлекторные двигатели с ПМ не являются чем-то совершенно новым. Они поставляются отдельными производителями, стремящимися преодолеть экономические трудности, которые еще недавно ограничивали ассортимент таких двигателей.
Большие бесколлекторные двигатели с ПМ имеют ряд преимуществ, среди которых можно назвать большую плотность мощности и высокую эффективность из-за отсутствия потерь в роторе. Выгоды от их использования связаны с ценой, поскольку затраты на производство и стоимость материалов, включая высокоэффективные магниты, быстро растут. Для управления бесколлекторными двигателями с ПМ также необходим частотно-регулируемый привод (VFD). Тем не менее, анализ показателей затрат и результатов показывает, что двигатели с ПМ более предпочтительны по сравнению с альтернативными технологиями (см. ниже) для отраслей промышленности с тяжелым режимом работы, судовых двигателей, в военной/ оборонной области и в других секторах, число которых постоянно растет.
Всесторонний анализ потенциального применения является главным для обоснования затрат и результатов. Этому могут помочь недавние улучшения. Известная эксплуатационная готовность приводов в сочетании с такой существенной тенденцией, как снижение цены на приводы и магнитные материалы наводит на мысль о том, что все больше таких двигателей будет эксплуатироваться в ближайшем будущем. Лучшая осведомленность пользователей о больших двигателях с ПМ будет способствовать такому росту применения.
Компания DRS Technologies Inc., известный разработчик и производитель больших бесколлекторных двигателей с ПМ, начала применять некоторые из своих разработок в области силовых систем в оборонной промышленности, на промышленных предприятиях, на судах и на транспорте. Усовершенствования в области технологии магнитов и частотно-регулируемых приводов, необходимых для запуска и работы двигателей с ПМ, позволили создать двигатели больших размеров. Приводы, использующиеся в DRS, являются приводами высокого напряжения (1,5-6,6 кВ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и векторным или бездатчиковым векторным управлением.
Эдгар С. Тэкстон, главный инженер и руководитель отдела проектирования систем в компании DRS Power Technologies, отмечает, что в последние десять лет произошло значительное улучшение надежности VFD наряду с увеличением номинальной мощности, которая может достигать 60 МВт и более. Увеличение мощности отчасти связано с появлением современных устройств коммутации мощности, таких как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры с полным управлением по затвору (IGCT). "Двигатели с ПМ в полной мере проявляют себя в тех областях, где необходимы VFD или там, где управление с регулируемой частотой дает преимущества в эксплуатации, которые перевешивают высокую стоимость VFD", - говорит Э. С. Тэкстон.
Если говорить о магнитных материалах, нужно отметить, что их коррозионная стойкость, механические свойства и температурный диапазон значительно улучшились. В результате машины с ПМ могут эксплуатироваться как в отраслях промышленности с тяжелым режимом работы, так и в военной области. "Стоимость постоянных магнитов из редкоземельных металлов за последние десять лет снизилась в пять раз, в то время как соответствующая удельная намагничивающая сила возросла в три раза" - поясняет Тэкстон. Это означает улучшение показателей соотношения затрат и результатов в 15 раз и является существенным для постоянной "доступности по цене''.
Еще одна компания, имеющая длительную историю производства высокоэффективных бесколлекторных двигателей с ПМ (и приводов) - это Powertec Industrial Motors Inc. В настоящее время она достигла уровня 300 кВт для стандартной продукции. Основные области применения связаны с военной и оборонной отраслями, а также с применением в промышленном производстве со взрывоопасными условиями. Одно время компания производила бесколлекторные двигатели постоянного тока мощностью до 450 кВт. В этих машинах с наружным диаметром около 65 см использовались ферритовые постоянные магниты. Они поставлялись с воздушным или жидкостным охлаждением. Такие двигатели относятся к заказной продукции, и в настоящее время серийно не выпускаются. В 2006 г. планируется выпустить новую модель мощностью до 750 кВт.
В Powertec согласны с тем, что между двигателями и приводами существует определенная взаимосвязь. Раньше большие мощные IGBT-приводы, способные работать с бесколлекторными двигателями, были недоступны из-за высоких цен. "За последние пять лет это положение существенно изменилось. Теперь такие приводы стали доступнее по более приемлемым ценам'', - отмечает Эд Ли, главный исполнительный директор Powertec. Для управления двигателями в компании используются низковольтные приводы (до 600В).
Тем не менее, в Powertec считают, что причины нехватки больших двигателей с ПМ связаны в большей мере с рыночными, а не с технологическими факторами. "Несмотря на то, что большие двигатели с ПМ доступны, они имеют высокую стоимость по сравнению со стандартными двигателями. По этой причине, вне зависимости от того, что эффективность, меньшие габариты (высокая плотность мощности) и более высокие динамические характеристики являются важными при эксплуатации, покупатель не будет тратить лишние деньги'', - утверждает Ли. В результате этого производителей таких двигателей все еще не так много.
На сегодняшний день, отмечает Ли, в промышленных двигателях используются два наиболее доступных редкоземельных магнитных материала: неодим-железо-бор (Nd-Fe-B) и самарий-кобальт. Они близки по магнитной проницаемости, однако самарий-кобальт имеет лучшие характеристики при высокой температуре. Несмотря на то, что цена на магниты из Nd-Fe-B за последние пять-семь лет существенно снизилась, этот материал остается более дорогостоящим по сравнению с равноценными материалами, которые используются в роторах асинхронного двигателей переменного тока. "Стоимость магнита и низкий объем производства оказывают влияние на то, что цена бесколлекторных двигателей с ПМ остается высокой. Это, соответственно, оказывает влияние на недостаточный спрос на эти двигатели", - делает вывод Ли.
В Automation & Drives Div. Siemens AG считают, что большие двигатели с ПМ в основном применяются для работы с высоким крутящим моментом. Такие двигатели имеют конструкцию с непосредственным приводом (без коробки передач). "Это связано с тем, что, заботясь о сокращении издержек производства, производители все больше внимания уделяют снижению расходов на техническое обслуживание своих фондов", - поясняет Роберт Ленинг, менеджер по большим двигателям переменного тока в Siemens A&D Large Drives Div. "Один из шагов в данном направлении - это использование технологии прямого привода, которая позволяет обходиться без коробки скоростей, - отмечает Ленинг. - По сравнению с двигателями, коробки скоростей требуют более тщательного обслуживания и пристального наблюдения, они также имеют более низкий ресурс работы''.
Далее он указывает на низкоскоростную модель высокомоментных двигателей от Siemens, замечая: "По нашему мнению, большие двигатели с ПМ с номинальной частотой вращения от 800 до почти 5000 об/мин не имеют реальных преимуществ перед стандартными асинхронными машинами''. Технология на основе ПМ также может быть "интересна" для электродвигателей с высоким числом оборотов, например 10000 об/мин и выше. В этом случае их эффективность выше, чем у асинхронных двигателей. По его словам, однако, применение двигателей с данной технологией в этой области обычно очень специфично. Ленинг упоминает также, что стоимость высокоэффективных магнитов снижается, что делает технологию двигателя с ПМ более привлекательной. Несмотря на это, полная технология прямого привода пока еще дороже по сравнению с асинхронными двигателями. "Следовательно, двигатели с ПМ вряд ли заменят в обозримом будущем традиционные асинхронные двигатели для стандартных приложений'', - говорит он, отмечая также усовершенствование средств проектирования и "ноу-хау" для разработки двигателей с ПМ, на котором основана эта линейка устройств.
В Yaskawa Electric соглашаются с мнением, что не существует технических барьеров для создания больших бесколлекторных двигателей с ПМ в диапазоне до 100 кВт. Проблемы в основном носят экономический характер. Обсуждения с потребителями и ссылки на мощные двигатели встречаются часто, однако это изделие не относится к числу типовых или "серийных". Yaskawa предоставляет экономические характеристики и обеспечивает надежность технологии двигателя с внутренним постоянным магнитом (IPM), использующейся в мощных двигателях на протяжении нескольких лет. Кроме этого, компания использует серводвигатели с IPM в своих станках (последнюю статью о серводвигателях с IPM см.: Control Engineering Россия, 2006 г., № 2, стр. 17-21).
На производителей этих устройств все большее влияние оказывает экономическая необходимость сокращения времени вывода нового изделия на рынок. В компании утверждают, что для того, чтобы помочь потребителям извлечь выгоду из применения цифровых сервосистем в процессах и механизмах с высокой мощностью, Yaskawa распространяет технологию двигателей с IPM на свое производственное оборудование для повышения номинальной мощности.
Итальянская компания Oemer Motori Elettrici Spa - еще один производитель, больших бесколлекторных двигателей с ПМ. Компания, в частности, предлагает безредукторные электродвигатели с большим пусковым моментом с диапазоном мощности до 300 кВт и числом оборотов до 500 об/мин, трехфазные серводвигатели с жидкостным охлаждением мощностью до 318 кВт при 5000 об/мин, и высокопроизводительные блоки, которые достигают мощности на выходе свыше 1 МВт при номинальной скорости до 2600 об/мин для скоростных промышленных приложений. Линейка продукции Oemer была представлена на выставке SPS/IPC/Drives в Германии в ноябре 2005 г.
По данным DRS Technologies двигатели с ПМ на 1-2% превосходят по КПД асинхронные двигатели и синхронные двигатели при полной нагрузке и на 10-15% - при неполной нагрузке. Эффективность обеспечивается за счет полного возбуждения ротора без тока и отсутствия соответствующих потерь на всех скоростях. В качестве примера Тэкстон приводит низкоскоростной двигатель корабельной силовой установки, достигающий поразительного КПД -99,3%!
При этом упрощается охлаждение двигателя, поскольку тепло, исходящее от ротора, незначительно. Охлаждение необходимо только для статора и, поскольку он является "внешней структурой" более предпочтительным становится водяное охлаждение. Упрощение схемы охлаждения также приводит к гибкой геометрии двигателя. "Машины с ПМ поддерживают намного более широкий диапазон соотношений размеров, чем стандартные двигатели. Возможны короткие, с большим диаметром и длинные, узкие машины, так же как и радиальные (традиционные) и аксиальные (дисковые) модели с воздушным зазором", - говорит он.
Габариты и вес компактных бесколлекторных двигателей с ПМ уменьшаются на 1/2 - 1/3 по сравнению с габаритами традиционных двигателей. Кроме того, их характеризует простота, поскольку обмотка есть только у статора, что увеличивает надежность. В отличие от этого асинхронные двигатели имеют роторную и статорную обмотку, в то время как синхронные двигатели с фазным полем (WFS) конструктивно еще более сложны. Они включают основной статор, основной ротор, ротор-возбудитель, обмотки статора-возбудителя и, в большинстве случаев, вращающийся выпрямитель, поясняет Тэкстон.
В DRS Technologies продемонстрировали опытные образцы двигателей с ПМ, которые достигают более высокой мощности для заданной скорости по сравнению с традиционными машинами, что дает большую гибкость в согласовании нагрузки и избавляет от необходимости использования передаточных механизмов (в конструкции двигателя с прямым приводом). "Двигатели с ПМ имеют ту же стоимость, что и стандартные машины. До тех пор, пока есть необходимость использовать VFD, существует минимальное основание для выбора стандартной машины'',- продолжает Такстон.
В Powertec преимущества больших бесколлекторных двигателей видят в более высоком КПД, высокой плотности мощности (меньшем объеме, приходящемся на выходную мощность) и в более высоких динамических характеристиках. КПД бесколлекторных двигателей с ПМ на 3% превосходит аналогичный показатель асинхронных двигателей переменного тока. Ли указывает на то, что эта разница может быть и меньше, если будут предприняты все меры для минимизации потерь в асинхронных двигателях (как это сделано, например, в особых энергосберегающих конструкциях).
"Однако такие асинхронные двигатели с низким скольжением вряд ли будут удобными для работы прямо от сети без привода из-за очень высокого начального тока и пониженного пускового момента, - добавляет Ли. - С другой стороны, бесколлекторные двигатели с ПМ также не могут работать прямо от сети, поскольку они должны подключаться с определением положения вала".
В Siemens главные преимущества применения больших бесколлекторных двигателей с ПМ видят в более низких эксплуатационных расходах, более высокой общей работоспособности системы и меньшей рабочей площади. Отсутствие коробки скоростей помогает в различных областях: более низкие расходы на техническое обслуживание и более высокая эффективность электропривода, благодаря меньшим потерям мощности, а также меньшая сложность системы.
Управление большими двигателями с ПМ не представляет особых сложностей. Приводы с ШИМ сейчас обеспечивают уровень управления, соответствующий решению ответственных задач промышленного производства, а также позволяют снизить мощность гармоник системы и повысить коэффициент мощности.
По мнению Тэкстона из DRS высокая плотность мощности для большинства бесколлекторных двигателей с ПМ обусловлена большим, чем у стандартных двигателей, числом полюсов. "Двигатели с ПМ могут иметь в три раза больше полюсов, чем WFS-двигатель того же диаметра''. Это позволяет сделать двигатель более легким, малогабаритным и с более гибкой геометрией.
Вместе с тем, наличие большего числа полюсов означает, что VFD должен вырабатывать более высокие частоты. Для определенной скорости и двигателя с ПМ показатель 415 Гц на входе не является исключительным. "У высокоскоростных мощных двигателей этот показатель может быть основным для разработки топологии сети УГВ, также как и диапазон частот устройств управления'',- добавляет к сказанному Тэкстон.
В Powertec отмечают, что помимо необходимости коммутации бесколлекторного двигателя с ПМ с учетом его положения, другие проблемы в управлении этими двигателями такие же, что и у асинхронных двигателей той же мощности. По словам Ли, около половины используемых в настоящее время приводов настраиваются на тип двигателя с помощью программных алгоритмов управления коммутацией для бесколлекторных двигателей и управления скольжением для асинхронных двигателей.
"Эта процедура сведена к выбору в меню'', - утверждает Ли. Он ссылается на способность бесколлекторного двигателя работать в качестве генератора с возбуждением от ПМ. "Там, где благодаря установке режима высоких скоростей имеют место скорости двигателя выше "базовой скорости'', генерируемое напряжение может значительно превысить допустимый уровень, предусмотренный конструкцией шины'',- утверждает Ли. Это может нанести вред только в некоторых редких случаях, но должно быть согласовано при установке.
В Siemens сходятся во мнении, что проблемы управления не отличаются существенно от тех же проблем с асинхронными двигателями. Бесколлекторные двигатели с ПМ работают под управлением VFD с незначительно измененным алгоритмом программы.
В DRS Technologies недавно прошел испытания на полной мощности в 36,5 МВт, 127 об/мин корабельный двигатель для ВМС США, который создавал крутящий момент более 2700000 Нм. В Canopy Technologies LLC, совместном предприятии DRS и Elliott Company Inc. (50/50), которое является ведущим производителем скоростного электропривода, завершено испытание промышленного двигателя (первое фото) мощностью 11,4 МВт (6225 об/мин). Утверждается, что это два самых мощных двигателя с ПМ в мире. Большие высокоэффективные двигатели с ПМ находят наилучшее применение в больших морских судах. Их использование особенно привлекательно из-за растущей стоимости топлива. DRS также производит высокоэффективные двигатели с ПМ, которые, как сообщается, достигают свыше 1,65 кВт/кг в диапазоне мощностей 380-750 кВт.
Среди множества сфер применения Powertec упоминает новую Advanced Gun System ВМС США для программы Stealth Destroyer, где используется множество больших высокодинамичных бесколлекторных двигателей с ПМ. Двигатель поднятия по высоте, имеющий диаметр всего 30 см, развивает крутящий момент более 1080 Нм при пиковой скорости 2000 об/мин (свыше 220 кВт в пике). По данным Powertec ВМС рекомендует использование бесколлекторных двигателей там, где это только возможно - в новых или модернизируемых приложениях - благодаря их меньшим размерам и массе.
Еще одна сфера применения включает надежное управление азимутом и углом места гигантской антенны весом 1800 т, входящей в систему Missile Defense Antenna. Для обеспечения необходимой мощности и высокой динамики были поставлены восемь бесколлекторных двигателей мощностью 170 кВт, управляющие азимутом, и четыре двигателя мощностью 37 кВт, управляющие углом места. Таким образом, общая мощность двигателей составляла 1500 кВт.
Двигатель с воздушным охлаждением от Powertec мощностью 300 кВт со станиной NEMA 3213T (40 см в диаметре), показанный ранее - это иллюстрация компактности этих машин. Вентилятор и распределительная коробка показаны в пропорции с реальным двигателем. Распределительная коробка кажется огромной из-за требований NEMA к ее объему при подключении многочисленных проводов.
Состояние технологии бесколлекторных двигателей с ПМ представляет собой своего рода головоломку. Несколько лет назад журнал Control Engineering отмечал, что по мере роста спроса могли бы производиться все более мощные двигатели. В журнале был поставлен вопрос: "Если такие двигатели будут созданы, появятся ли пользователи?" Эд Ли из Powertec формулирует эту мысль таким образом: "По мере того, как все большее число потребителей захотят иметь и начнут приобретать эти двигатели, тем большее количество двигателей более крупных размеров появится на рынке''.
( control engineering usa )
orionmotor.narod.ru
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
Введение.
Назначение и область применения.
Устройство.
Принцип работы синхронной машины.
Особенности пуска двигателей с постоянными магнитами.
Уравнение ЭДС и момент двигателя в синхронном режиме.
Двигатели с радиальным расположением магнитов.
Характеристики магнитотвердых материалов, применяемых в магнитных системах Синхронных машин.
Заключение.
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 
(рис. 1). Поле ротора также можно изобразить в виде п
остоянного магнита, вращающегося синхронно с полем 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 
(осевая составляющая) и перпендикулярно оси полюсов 
(тангенциальная составляющая). Осевые составляющие взаимно компенсируются, а тангенциальные создают вращающий момент 
, 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.
В
ращающий 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 
. Отличие от возбужденного ротора будет состоять в том, что тангенциальная сила будет функцией двойного угла . Это отличие возникает вследствие того, что у возбужденного ротора возможно только одно положение устойчивого равновесия при 
, а невозбужденный ротор может находиться в равновесии 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
(3.2)
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
(3.2')
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:
Достаточно высокая остаточная индукция Вя, коэрцитивная сила Нс, энергетическое произведение ВdHD(ВdиHD –координаты экстремальной точки, определяющий максимум произведения) м тем, чтобы получить уменьшенную массу и объем машины.
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.
Эффективное противодействие размагничивающим полям при пусках и перегрузках двигателя.
Стабильность магнитных свойств во времени.
Стабильность магнитных свойств при изменении окружающей температуры в диапазоне: по крайней мере от -40, -500 С до +2000,2500С
Умеренная стоимость.
Из известных в настоящее время магнитотвердых материалов, в свете указанных требований, целесообразно рассматривать следующие группы:
не деформируемые сплавы на основе системы Fe-Al-Ni(Ални) и Fe-Al-Ni-Co (Алнико): литые и металлокерамические.
Микропорошковые композиции, например, из порошков Fe и Fe---Co, особенно с удлиненными частицами.
Микропорошковые композиции на основе редкоземельных элементов, например, из порошков SmCo5
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 (ВdHd) 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.
Реферат Электродвигатели Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического регулирования и управления, в быту. Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую, и наоборот. Машина, преобразующая механическую энергию в электрическую, называются генератором.
Реферат Асинхронные электродвигатели Асинхронные двигатели - наиболее распространенный вид электрических машин, потребляющих в настоящее время около 40% всей вырабатываемой электроэнергии. Их установленная мощность постоянно возрастает.
Реферат Электропривод XXI век - это мир техники. Могучие машины добывают из недр земли миллионы тонн угля, руды, нефти. Мощные электростанции вырабатывают миллиарды киловатт-часов электроэнергии. Тысячи фабрик и заводов изготавливают одежду, радиоприемники, телевизоры, велосипеды, автомобили, часы и другую необходимую продукцию. Телеграф, телефон и радио соединяет нас со всем миром.
nreferat.ru
