remolom

БЕСКОНТАКТНЫЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

МАШИНЫ

ПЕРЕМЕННОГО ТО С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ НА РОТОРЕ

Бесконтактные электрические машины с постоянными магнитами (ПМ), называемые также бесконтактными машинами с магнитоэлектрическим индуктором, — первый тип электромеханического преобразователя энергии, созданного человеком. Еще в 1831 г. М. Фарадей демонстрировал принцип электромагнитной индукции с помощью устройств, содержащих неподвижные обмотки и перемещающиеся постоянные магниты. Начиная с 1832 г. различными исследователями предлагается целый ряд оригинальных конструкций электрических машин с ПМ, которые использовались для получения переменного тока. Однако потом такие машины в электроэнергетике были практически полностью вытеснены машинами с электромагнитным возбуждением. Это объяснялось тем, что по энергетическим и массогабаритным показателям ПМ значительно уступали электромагнитам. В последние десятилетия положение существенно изменилось, так как появились ПМ с относительно высокими удельными энергиями, реализуемые на основе сплавов железа с кобальтом, молибденом, хромом, никелем и другими материалами. Показатели ПМ из таких сплавов лишь незначительно уступают показателям электромагнитов, что привело к своеобразному «второму рождению» машин с магнитоэлектрическими индукторами. Еще более заметно ситуация изменилась в пользу машин с ПМ начиная с 70-х годов, когда началось промышленное освоение и внедрение высококоэрцитивных магнитов на основе редкоземельных материалов (РЗМ)—интерметаллических соединений самария с кобальтом БшСоб, самария с празеодимом и кобальтом 5то,5Рго,5Со5 и др. Выпуск таких материалов быстро расширяется с каждым годом. По массогабаритным и энергетическим показателям ПМ на основе РЗМ не только не уступают, но в ряде случаев превосходят электромагниты. Хотя магниты из РЗМ обладают высокой стоимостью, совершенствование технологии производства соединений с РЗМ позволяет ожидать их заметного удешевления в ближайшие годы, что будет спо-способствовать более широкому применению БЭМ с ПМ в электроэнергетических установках и электроприводе.

Бесконтактные машины с ПМ обладают простой электрической схемой, не потребляют энергии на возбуждение и имеют повышенный КПД, отличаются высокой надежностью работы, менее чувствительны к действию реакции якоря, чем обычные машины. Их недостатки связаны с невысокими регулировочными качествами из-за того, что рабочий поток постоянных магнитов нельзя изменять в широких пределах. Однако во многих случаях эта особенность не является определяющей и не препятствует широкому применению БЭМ с ПМ в качестве высокоэффективных синхронных генераторов и двигателей для транспортных установок, летательных аппаратов, передвижных энергоблоков и т. п. Индукторы с ПМ широко используются в бесконтактных двигателях постоянного тока (см. § 5.10).

Несмотря на быстро растущий интерес к электрическим машинам с ПМ, они недостаточно полно описаны в учебной литературе. Большинство учебников и учебных пособий по электрическим машинам либо вообще не содержат сведений по машинам с ПМ, либо предлагают их беглое описание, что не соответствует научной и практической значимости этих устройств в электромеханике и электроэнергетике.

Природа ферромагнитных материалов

В БЭМ с ПМ магнитная цепь состоит из ферромагнитных материалов двух типов: магнитомягких и магнитотвердых. Ферромагнитные материалы характеризуются способностью намагничиваться во внешнем магнитном поле и усиливать его благодаря тому, что материалы состоят из макроскопических намагниченных областей — доменов с размерами порядка 10^_3 см. При появлении внешнего магнитного поля происходит, во-первых, смещение границ доменов — объемный рост доменов, направление намагниченности которых совпадает с направлением внешнего поля, во-вторых, поворот остальных доменов в сторону внешнего поля. Этим процессам препятствует тепловое движение атомов в кристаллической решетке вещества, поэтому магнитные свойства материалов ухудшаются с ростом температуры. При превышении некоторого критического значения температуры, называемого точкой Кюри, доменная структура материала нарушается и его магнитные свойства не проявляются. Типичные значения температуры составляют 700...900°С.

При слабых внешних полях намагниченность вещества примерно пропорциональна внешней магнитной напряженности Я, а зависимость индукции Б, характеризующей полное поле (созданное внешней напряженностью Я и намагниченностью вещества), от напряженности близка к линейной. При больших Я, когда ориентация большей части доменов упорядочена, наступает насыще

ние материала, и рост п приводит лишь к незначительному увеличению В. Индукция, при которой достигается практически полная ориентация доменов вдоль внешнего поля, называется индукцией насыщения В₅. Ей соответствует напряженность Я₅.

Процессы намагничивания (смещение границ и поворот доменов вдоль поля) обычно необратимы. Это означает, что изменение доменной структуры при прямом и обратном изменении внешнего магнитного поля идет по разным путям, р с некоторым запаздыванием по отношению к изменению поля. Условно можно говорить о проявлении некоторого внутреннего трения, препятствующего изме-

рСППС1и 1рспил, прсил 1^.1 СуЛЛ-ЦСЛ и ПчЭШСинению состояния материала. Поэтому зависимость магнитной индукции В (полного поля) от внешней магнитной напряженности Я имеет вид петли гистерезиса (рис. 2.1).

При увеличении Я от —Н₃ до +Я₅ индукция растет по нижней границе петли, а при уменьшении Я снижается по верхней. Количественно петля гистерезиса характеризуется следующими основными параметрами: индукцией насыщения В₈\ остаточной индукцией В_г, т. е. индукцией, сохраняющейся в материале при Я== = 0 после снятия внешней МДС; коэрцитивной силой Н_с — внешней отрицательной магнитной напряженностью, полностью размагничивающей материал. Важнейшая характеристика ферромагнетика— магнитная проницаемость р = В/Я применительно к основной кривой намагничивания, на которой размещаются вершины симметричных петель гистерезиса с максимальными напряженностями, меньшими Яя. Эта кривая проходит через начало координат и на рис. 2.1 показана пунктиром.

Магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса, магнитотвердые — широкую. Магнитомягкие материалы изготовляются на основе низкоуглеродистой стали (технически чистого железа), железоникелевых и железокобальтовых сплавов. В электротехнических устройствах используется листовая электротехническая сталь с примесью кремния, благодаря которой снижается Я_с и увеличивается удельное электрическое сопротивление стали, что важно для борьбы с вихревыми токами.

Магнитотвердые материалы, применяемые в электроэнергетических устройствах, изготовляются из литых сплавов на основе железа, алюминия, никеля, кобальта (сплавы альнико). В настоящее время внедряются высококоэрцитивные материалы на основе редкоземельных материалов (БтСоб и др.). В табл. 2.1 приведены характерные средние показатели магнитомягких и магнитотвердых материалов.

Функции магнитомягких и магнитотвердых материалов, как правило, различны. Из табл. 2.1 следует, что магнитомягкие материалы в ненасыщенном состоянии обладают высокой проницаемостью ц. Как известно, каждый участок магнитной цепи в электрической машине характеризуется магнитной проводимостью А_м ==р5// [или обратной величиной — магнитным сопротивлением /?_м=//(ц5)], где 5 — площадь поперечного сечения участка; /— длина участка. Магнитная проводимость Ам определяет связь между МДС и магнитным потоком Ф цепи: Ф=Л_М/⁷. Помещая на пути потока сердечники с высокой проницаемостью ц, можно существенно увеличить Ам и повысить эффективность использования располагаемой МДС /\ Поэтому в большинстве электрических машин применяются магнитомягкие стальные сердечники.

Магнитотвердые материалы имеют высокие значения Н_с и позволяют создавать магнитный поток за счет своей намагниченности в отсутствие обмоток возбуждения. Из магнитотвердых материалов изготовляют постоянные магниты. Магнитная проводимость постоянных магнитов низка из-за малых значений ц, поэтому их использование в качестве магнитопроводов нерационально.

§ 2.3. Процессы намагничивания магнитотвердых материалов и их параметры

Для уяснения особенностей работы систем с ПМ рассмотрим следующую физическую модель. Пусть имеется магнитотвердый замкнутый сердечник С, например в форме кольца, на котором размещена обмотка возбуждения с хю витками (рис. 2.2, а, состоя-

ние 1). Подадим напряжение на обмотку, создав в ней намагничивающий ток и Тогда внутри кольца появится положительная напряженность Я₅. Согласно закону полного тока Я₅/==ш или Я₅ = = ш//, где I — длина средней линии кольца. Напряженности Н₈ соответствует индукция внутри кольца В₅. Рабочая точка в координатах В и Я находится в первом квадранте в положении 1 (рис. 2.2, б). Удалим или отключим обмотку возбуждения (рис. 2.2, а, состояние 2). Тогда £=0, Я=0, В = В_Г. Рабочая точка переместится в положение 2 (рис. 2.2, б). Внутри кольца за счет сохранившейся ориентации доменов есть поле В_г. Внешнее поле отсутствует.

Вырежем теперь в кольце зазор б (рис. 2.2, а, состояние 5). Внутри зазора существует некоторая индукция В_й за счет остаточной нахмагниченности стали. Пусть эта индукция направлена вниз и считается положительной. Тогда напряженность в зазоре Я_й=В_й/|хо, где |ю = 4я*10-⁷ Гн/м — магнитная постоянная. Так как ро>0, имеем Н₆>0, т. е. напряженность Н₆ в зазоре направлена вниз. По закону полного тока Я_м/ + Я_й6 = 0, где Я_м и I соответственно напряженность в магните и длина магнита вдоль линий ноля. Имеем Я_м= (—6/1)Н_б, т. е. Я_м<0.

С другой стороны, магнитные линии индукции В должны быть непрерывными, как это следует из уравнения сНуВ = 0, следовательно, полям В₆ и В_м соответствуют одни и те же линии поля кольцевой формы. Так как В_й>0, то и В_м>0. Таким образом, рабочая точка при переходе от второго режима к третьему опускается по петле гистерезиса в положение 3 (рис. 2.2,6), когда В_м>0, Я_м<0. Происходит размагничивание материала. Чем больше зазор, тем больше по модулю отрицательная напряженность Я_м и тем ниже по петле гистерезиса опускается рабочая точка.

крупных магнитов, в частности для БЭМ относительно большой мощности.

Ко второй группе магнитотвердых материалов относятся деформируемые сплавы на основе железа, кобальта, молибдена (М), хрома (X), никеля и других металлов. Они имеют

Таблица 22

Марка сплава    ку_{м    тах>}    кДж/м³    В_г,    Тл    #_с,    кА/м    V

Труднодеформируемые литые и металлокерамические сплавы (альнико)

ЮН13ДК24С    18    1,3    36    0,77

ЮН15ДК24    18    1,15    52    0,7

ЮН13ДК25А    28    1,4    44    0,9

ЮН15ДК25БА    28    1,25    62    0,72

ЮНДК31ТЗБА    32    1,15    92    0,6

ЮНДК35Т5БА    36    1,02    110    0,64

ЮНДК35Т5АА    40    1,05    115    0,66

ЮНДК40Т8АА    32    0,9    145    0,5

Деформируемые сплавы

52 К13Ф (викал- До 14    1    ...    0,9    32    ...38    0,5

лой)

30X25 КМ    15...20    1...    1,25    48    ...80    0,53

25Х15КА    10... 17,5    1...    1,25    35    ...45    0,6

Пл К78 (платинакс) 32 ...47,5    0,7    ...0,8    1    300    ...400    0,3

Металлокерамические соединения

ММК6    5    0,65    44    0,35

ММК8    14    1,1    40    0,64

ММКП    16    0,7    128    0,36

Магнитотвердые ферриты

7БИ300    3,5    0,2    140    0,25

24БА210    12    0,37    205    0,316

28БА190    14    0,39    185    0,39

28СА250    14    0,39    240    0,3

30РА190    15    0,4    185    0,4

Соединения на основе РЗМ

КС 37    55    >0,77    >540    0,26

КС 37А    65    >0,82    >560    0,28

КСП 37    65    0,9    520    0,28

КСП 37А    72,5    0,9    500    0,32

хорошие технологические и механические свойства и используются для изготовления магнитов сложной формы. Наилучшие показатели среди материалов этой группы у платинакса, но он дорогой и применяется для изготовления миниатюрных магнитов.

Третья группа магнитотвердых материалов включает в себя материалы металлокерамические (ММК), изготовляемые методами порошковой металлургии с высокой производительностью при отсутствии технологических потерь материалов. Из-за повышенной пористости эти материалы имеют ухудшенные магнитные параметры, однако из них легко изготовляются сложные магнитные системы.

К четвертой группе магнитотвердых материалов относятся магнитотвердые ферриты, которые также обычно изготовляются методами порошковой технологии. В обозначениях (табл. 2.2): Б — бариевый, К — кобальтовый, С — стронциевый, А — анизотропный, Р — легированный редкоземельными материалами; первая цифра примерно равна 2w_max. Хотя магнитные свойства бариевых ферритов невысокие, они весьма дешевы (дешевле сплавов альнико примерно в 10 раз) и широко применяются в электрических машинах малой мощности. Удельное сопротивление бариевых ферритов на много порядков выше, чем у металлов, что практически исключает возникновение в них вихревых токов и соответствующих потерь. Особенно рационально использовать бариевые ферриты при высоких частотах. Из феррита бария изготовляются эластичные магнитные материалы, в которых применяется резиновая основа с наполнителем из мелкого порошка феррита. Такой материал легко режется, сгибается, штампуется и т. п. Типичные параметры эластичных магнитов:    w_Mm    ах<2 кДж/м³; В_гж

«0,14...0,15 Тл; #с<100 кА/м; p« 10⁴ Ом-м — удельное электрическое сопротивление.

Материалы пятой группы, являющиеся интерметаллическими соединениями на основе редкоземельных материалов типа соединений самария (в обозначениях — С) с кобальтом (К) и с празеодимом (П), обладают наивысшими магнитными свойствами. Буква «А» в обозначении соответствует улучшенной текстуре соединения. Эти материалы дороги и сложны в производстве, однако их технология быстро совершенствуется, а стоимость снижается. По своим свойствам они являются наилучшими материалами для постоянных магнитов, используемых в БЭМ энергетического назначения. В настоящее время осваивается выпуск магнитов из РЗМ с Я_г=0,9...1 Тл и Я_с=800...900 кА/м.

Природа высокой магнитной твердости соединений РЗМ связана с тем, что в них имеются частые включения магнитомягкой фазы, которые задерживают деформацию доменных стенок магнитотвердого материала при внешних размагничивающих воздействиях. Стоимость SmCos достигает нескольких сотен рублей за 1 кг.

Особые перспективы среди материалов последней группы имеют недавно открытые магнитотвердые сплавы типа фенебор на основе железа (Fe), неодима (Nd) и бора (В), не содержащие остродефицитного кобальта и обладающие хорошими технологическими качествами. Например, для сплава ШгБенВ имеем: w_M max= 120 кДж/м³ Я_г=1,18 Тл, Н_с=744 кА/м, у=0,27; для сплава NdisFeyyBs соответственно 145 кДж/м³; 1,23 Тл; 880 кА/м; 0,27. В США получен сплав фенебор типа ЫЕОМАХ-35, у которого т_м шах—142 кДж/м³; В_г= = 1,24 Тл; Н_с = 926 кА/м.

При промышленном производстве стоимость сплавов фенебор близка к стоимости сплавов альнико. Она существенно ниже, чем у магнитов на основе самария и кобальта. В настоящее время ведутся интенсивные работы по совершенствованию характеристик и промышленному освоению сплавов фенебор. Пока они уступают самарий-кобальтовым магнитам по температуре Кюри (около 330 °С у фенебора и 725 °С у БтСоб) и температурной стабильности. Их недостатком является также сильная подверженность коррозии.

Обратимые изменения индукции постоянных магнитов при изменении температуры (в процентах на один градус) характеризуются температурным коэффициентом а в, типичные значения которого при температурах от —100 до 4-200^оС составляют 0,02...0,06%/град. При низких температурах (менее 0°С) обычно ая>0, а при высоких (более 100°С) ав<0, т. е. магнитные свойства ухудшаются при повышении температуры. Наилучшей термической устойчивостью обладают материалы типа ЮНДК, имеющие при обычных условиях ав&0,02%/град и температуру Кюри до 850 °С. У магнитов на основе РЗМ а в может достигать 0,06...0,08%/град.

Отметим, что постоянные магниты подвержены так называемому «магнитному старению», когда показатели магнита в нормальных условиях могут изменяться от долей процента до нескольких процентов за один год.

§ 2.4. Совместная работа постоянного магнита с внешней

магнитной цепью

Обычно постоянный магнит работает совместно с внешней магнитной цепью, содержащей ферромагнитные сердечники с обмотками, отделенные от магнита воздушными зазорами. Простейшая модель магнита с внешней цепью приведена на рис. 2.5. Магнитный поток Ф_м, создаваемый магнитом, состоит из основного рабочего потока в зазоре Ф_б, замыкающегося через магнит, зазоры и сердечник, а также потока рассеяния Ф₀, замыкающегося вокруг магнита и не попадающего в сердечник.

Расчет поля рассеяния в системах с постоянными магнитами — сложная задача, требующая использования громоздких вычислительных методов или моделирующих установок. В инженерной практике условно считают, что поток рассеяния проходит по всей длине магнита и исходит из рабочей поверхности полюса магнита, причем значение потока рассеяния пропорционально МДС магни-

г«о Г _ Ы    1

Значение Ф„ обычно учитывают с помощью коэффициента рассеяния &о=Фм/Фб= (Ф_в+Фо)/Фв= 1 + Ф₀/Ф_в. Потоки Ф₄ и Ф„ в сумме определяют внешний по отношению к магниту ПОТОК Фвн= = Фв + Ф₀. Очевидно,

Фвн=Фм-    (2.8)

Это соотношение является первым условием совместной работы магнита с внешней цепью.

Рассмотрим замкнутый контур Я, являющийся некоторой .средней линией для потока Ф_б. Согласно закону полного тока при обесточенной обмотке на сердечнике имеем фН*Д=0. Если считать,

£

что    в пределах    магнита,    зазора и сердечника поле    однородное, то

Нм (2/_м)    Нь (2/{) 4- Н_сг (2/_ст)=0,    (2.9)

где    Я_м,    Я_в,    Я_ст    — магнитные напряженности в магните,    зазорах и

стальном сердечнике; /_м, /о и /_ст — длины участков контура Ь соответственно в пределах магнита, зазоров и сердечника, приходящиеся на один полюс.

Если обозначить МДС, соответствующую внешней цепи для одного полюса, /⁷вн = Я_б6 + Я_Ст/ст и учесть, что Я_м<0, а МДС магнита на один полюс Ям=Я_м/_м<0, то из (2.9) следует

^м^вн,    (2.10)

т. е. развиваемая магнитом МДС затрачивается на преодоление МДС внешней цепи. Соотношение (2.10) является вторым условием работы ПМ с внешней цепью.

Положение рабочей точки магнита находится следующим образом. Пусть заданы кривая размагничивания и линия возврата магнита в координатах Я и Я (значения Я принимаются положительными). Так как поток и МДС отличаются от индукции и напряженности ПОСТОЯННЫМИ множителями, Т. е. Фм = Я_м5м И /⁷м = Я_м/м,

57