remolom

§ 2.7. Рабочая диаграмма магнита в синхронной БЭМ.

Схема замещения магнитной цепи БЭМ с постоянными магнитами

Рассмотрим простейшую модель синхронного генератора с постоянными магнитами, изображенную на рис. 2.13, и построим

для нее оабочую лиагоамму магнита.

11VV    1J AV-/ дпиі puiumj шиї ІДИ 1 и.

Рабочая диаграмма магнита и основное расчетное уравнение БЭМ с ПМ. Рабочая диаграмма позволяет определить состояние магнита во всем диапазоне рабочих режимов машины и найти параметры, необходимые для построения векторных диаграмм и характеристик машины. Диаграмму рационально строить для безразмерных относительных величин в координатах h (по оси абсцисс) и b (по оси ординат), которые изменяются в пределах от 0 до 1. Координата h соответствует относительной магнитной напряженности Я* и зависящим от нее величинам — МДС F* и току /*. Координа-

та Ь соответствует относительной магнитной индукции В* и зависящим от нее величинам — потоку Ф* и ЭДС Е* (а также напряжению и*). Масштабы для Я, Л, Л, Ф введены в § 2.6, а для ЭДС и тока определяются ниже.

Предполагается, что стабилизация магнитов в машине осуществляется током к. з., создающим предельную размагничивающую МДС Л_ПР (см. § 2.4). Построение диаграммы (рис. 2.14) начнем с основной приведенной кривой размагничивания 1 магнита Ф_м* (Л_м*),

А/1

Схема замещения магнитной цепи БЭМ с ПМ. Аналитическое исследование машин с ПМ эффективно осуществляется с помощью схем замещения, в которых используется известная аналогия между МДС и ЭДС, магнитным потоком и током, магнитной и омической проводимостями. Простейшей модели генератора, показанной на рис. 2.13, соответствует схема замещения, изображенная на

1II ПII п оиоир О.-

та ФмЧ^м*) с осью Н (см. рис. 2.14, б). При введении й'мф в схему замещения реальная МДС на концах магнита находится как /⁷М = = ^мф—Фм/Л_м, где Лм = цв5_м//м, т. е. _м и Ф_м линейно зависят друг от друга. При таком представлении МДС магнита можно пользоваться линейной схемой замещения, показанной на рис. 2.17, лишь при условии, что рабочая точка на линии возврата не смещается левее точки Л (см. рис. 2.14). Магнитодвижущая сила якоря Р'ай (приведенная к эквивалентной МДС индуктора) изображена на рис. 2.17 для случая размагничивающей реакции якоря.

С помощью схемы замещения, например, можно легко получить значения Л₀* и Л_к*. При холостом ходе F^/ad = 0 и при ненасыщенном сердечнике якоря (Ла-^оо) ИЗ рИС. 2.17 следует Ло* = Лй*+ ЛД что совпадает с (2.21). При коротком замыкании из-за размагничивающей реакции якоря имеем Ф_а~0 и из рис. 2.17 находим выражение для Л_к*, совпадающее с (2.22).

Из схемы замещения удобно находить оптимальные режимы работы ПМ. Пусть, например, нужно найти условия, при которых максимальна энергия, развиваемая ПМ в рабочем зазоре. Такому режиму при ¥'_аа = 0 и Л_а-^оо соответствует максимум Фб²/Л_б (максимум 1₆²Я₆ в соответствующей электрической схеме). Выражая Ф_й через Тмф, Л_м, Л_а и Л_б по общим правилам теории цепей и используя условие к (Фб²/Лб) /б?Лб=0, получаем Л_б ор1=Лм+Л_а. Для ПМ с линейной характеристикой размагничивания имеем в относительных единицах Лм* = цв*=1 и Л*6 оЦ= 1+ЛД что совпадает с полученной в § 2.6 формулой.

Магнитные проводимости в схеме замещения находятся следующим образом. Значение Л_в, соответствующее расчетному зазору 6'=6_в6(&б>1), есть Л_б=р₀5_б/6^/=ротаа//6', где а_б — коэффициент полюсного перекрытия; т— полюсное деление; I — осевая длина полюса. Проводимость рассеяния магнита определяется на основе исследования его поля рассеяния. Для магнитов несложной формы Л_а может с достаточной точностью находиться простым методом вероятных путей потока.

Пусть, например, магнит выполнен в виде сплошной звездочки с достаточно большой осевой длиной I, как показано на рис. 2.18, а. Основной вклад в Ф_а дает поток Ф/ между боковыми поверхностями выступов. Считают, что наиболее вероятная форма линии магнитной индукции для Ф/ — дуги окружностей с центрами на линии пересечения боковых поверхностей (например, линии 00'). Это предположение достаточно хорошо согласуется с практикой. Тогда между зачерненными полосками шириной с1х на двух смежных боковых поверхностях выступов элементарный поток рассеяния

йФ а =

где Л* — МДС одного магнита на высоте х(Р_х~РмХ/к); йА/— = \1оШх/(0,25лх)—элементарная магнитная проводимость; Ых — поперечное сечение зоны с йФ_а'\ 0,25ях — длина участка линии поля на один полюс, равная 1/8 длины окружности 2лх.

После интегрирования йФ₀^г с учетом О^х^/1 запишем

Ф^^/л)/⁷^/.

Соответствующая потоку Ф</ (между двумя соседними боковыми поверхностями полюсов) магнитная проводимость на один полюс

Ла = Фа/^_м=4[У/я.

7 А

§ 2.8. Конструкция синхронных машин с постоянными магнитами

Статор бесконтактных синхронных машин с постоянными магнитами имеет практически такую же конструкцию, что и в обычных синхронных машинах с полюсами на роторе. Обычно он содержит шихтованный цилиндрический магнитопровод 1, на внутренней поверхности которого размещается якорная обмотка 2 (рис. 2.19, а). Если в машине используются обычные постоянные магниты, то внутренняя поверхность сердечника статора содержит

ПЯЗЫ    Г*    ^бттями    О    10    И ПЯЯЯУ ПЯЯМРТТТЯТОТ

Рис. 2.19. Якорь синхронной машины (а) и его активная зона в пазовой (б) и беспазовой (в) конструкциях

проводники якорной обмотки, а зубцы обеспечивают уменьшение расчетного немагнитного рабочего зазора между статором и ротором, причем конструктивный зазор между вершинами зубцов статора и ротором обычно выбирается минимально возможным в отличие от обычных синхронных машин. Если же в машине используются высококоэрцитивные магниты на базе РЗМ (типа БтСоб), то внутренняя поверхность сердечника статора может выполняться как с пазами, так и без них (гладкой); в последнем случае обмотку якоря укладывают на внутреннюю поверхность статора сплошным слоем (рис. 2.19, в). Такую конструкцию якоря называют беспазовой. Возможность ее реализации определяется тем, что при определенных условиях (см. § 2.7) показатели СМ с магнитами из РЗМ становятся малочувствительными к значению б. Применение беспазовой конструкции якоря позволяет в ряде случаев повысить линейные нагрузки в якорной обмотке и улучшить массогабаритные показатели машины. Однако крепление ОЯ при этом существенно усложняется, поскольку в отличие от обычной конструкции, где электромагнитные силы действуют в основном на зубцы, в беспазовом якоре эти силы действуют непосредственно на ОЯ. Обмотка якоря на статоре может закрепляться высокопрочными клеями или с помощью штифтов в расточке статора, на которые она насаживается. Возможна укладка ОЯ в специальные неглубокие технологические пазы. В некоторых случаях ОЯ изготовляется в виде замоноличенного цилиндра, на который наматывается из магнитомягкой проволоки сердечник статора, однако его магнитное сопротивление при этом существенно возрастает. Основная специфика синхронных машин с ПМ связана с конструкцией ротора, несущего постоянные магниты. Рассмотрим наиболее распространенные конструкции роторов.

Звездообразный ротор. Типичная конструкция звездообразного ротора (рис. 2.20, а) содержит литой постоянный магнит в форме звездочки 7, который крепится на валу с помощью заливки немагнитным сплавом 2 (на основе цинка или алюминия). Магнит может непосредственно отливаться на валу. Достоинства ротора — простота и высокая степень заполнения его объема магнитом.

Однако такая конструкция ротора обладает и серьезными недостатками. Во-первых, ротор имеет низкую механическую прочность из-за хрупкости магнитотвердых сплавов и остаточных механических напряжений при отливке. Поэтому максимально допустимые окружные скорости ротора составляют 40... 50 м/с. Если заданы частота тока и, следовательно, частота вращения ротора, то ограничение по скорости приводит к ограничению по максимальному диаметру ротора и соответственно по максимальной МДС магнита и по предельной мощности машины. Поэтому ротор-звездочку применяют обычно при относительно малых мощностях машины (до10кВ-А).

Во-вторых, рабочие индукции для ротора не превышают 0,2 ...0,4 Тл. Это ограничение связано с тем, что ротор слабо защищен от внешних размагничивающих воздействий (например, при коротком замыкании генератора) и рабочая точка магнита должна находиться на низколежащей линии возврата с достаточным удалением от основной кривой размагничивания (см. § 2.3). В-третьих, ротор обладает способностью намагничиваться поперечной реакцией якоря. На рис. 2.20 пунктиром показана линия магнитной индукции поперечной реакции якоря B_aq, создаваемой МДС F_aq. Так как материал ротора магнитотвердый, то после снятия Faq он остается намагниченным в поперечном направлении (полюсы N' и 5^х) в течение неопределенного времени. Подобное намагничивание искажает основное поле машины и может нарушить ее нормальную работу. В-четвертых, процесс намагничивания звездообразных магнитов сложный, причем спинка звездочки обычно намагничивается не полностью, поэтому может являться балластным участком, ухудшающим использование магнита.

Если звездообразный ротор используется в двигателе, то обычно на нем размещается короткозамкнутая обмотка для обеспечения асинхронного пуска. Одна из конструкций такого ротора приведена на рис. 2.20, б. Пусковая обмотка содержит продольные стержни 1 (медные или алюминиевые), закрепленные по торцам в кольцах 2 и уложенные в пазы пакета 3. Пакет состоит из отдельных секторов, скрепленных стержнями 1 и кольцами 2. Каждый сектор примыкает к полюсу звездообразного ротора 4.

Рис. 2.21. Когтеобразный ротор с постоянным магнитом (а) и сдвоенный когтеобразный ротор (б)

В двигателях также применяют конструкции ротора, в котором ПМ и пусковая короткозамкнутая обмотка со стальным пакетом примыкают друг к другу не радиально, а вдоль оси, что позволяет уменьшить диаметр активной зоны.

При двухполюсных магнитах можно применять безвальную конструкцию ротора (рис. 2.20, в). На цельнолитой магнит 1 напрессовывается оболочка 2, к которой с двух сторон привариваются торцовые пластины 3 с соосными полувалами 4.

Когтеобразный ротор. Когтеобразный ротор (рис. 2.21, а) состоит из цилиндрического постоянного магнита 1, к торцам которого примыкают шайбы 2 и 4 из магнитомягкой стали, имеющие когтеобразные выступы 3 и 5. Выступы левой шайбы чередуются по окружности с выступами правой шайбы. Каждая шайба и ее выступы приобретают магнитную полярность сопряженного с ними полюса магнита, поэтому когтеобразные выступы по отношению к статору образуют систему полюсов с чередующейся полярностью, как в обычном синхронном генераторе. На рис. 2.21 показаны линии магнитной индукции для рабочего потока Ф_б и потока рассеяния Ф₀; поток Ф_а тем больше, чем меньше азимутальный зазор между выступами.

Главным достоинством ротора является то, что постоянный магнит защищен магнитомягкими элементами от внешних полей (см. § 2.5), а его первоначальное намагничивание осуществляется в собранном виде внешним однородным полем. Поэтому степень использования магнита достаточно высокая и рабочие индукции Вб«0,6... 0,7 Тл. Кроме того, магнит имеет простую форму и расположен вблизи центра ротора, что позволяет реализовать окружные скорости ротора до 80... 100 м/с, поскольку наружные магнитомягкие элементы обладают достаточной механической прочностью. Поэтому мощность машин с когтеобразным ротором может достигать 10...20 кВ-А.

Рис. 2.22. Роторы с призматическими магнитами с радиальным (а) и тангенциальным (б) намагничиванием

Недостатки ротора — пониженная степень заполнения его объема постоянным магнитом, возможность отгиба концов когтеобразных выступов из-за центробежных сил, повышенные радиальные размеры. Последнее определяется тем, что машины с таким ротором относятся к классу машин с радиально-осевым потоком (см. § 1.3 и 3.2) и их диаметр должен быть достаточным, чтобы вдоль оси машины мог пройти рабочий поток всех полюсных выступов одной полярности.

Показатели ротора с когтеобразными полюсами могут быть улучшены в конструкции с параллельным включением двух цилиндрических магнитов, как показано на рис. 2.21, б (сдвоенный когтеобразный ротор). В такой конструкции можно примерно вдвое уменьшить поток каждого магнита и сократить диаметр магнитов.

Ротор с призматическими магнитами. Существует две модификации роторов с призматическими магнитами — с радиальным и тангенциальным намагничиванием.

Одна из возможных конструкций высокоскоростного ротора с радиальным намагничиванием приведена на рис. 2.22, а. Ротор содержит расположенные радиально постоянные магниты 1 призматической формы, которые намагничены по радиусу и примыкают своими внутренними торцами к магнитомягкой втулке 5, а наружными торцами — к магнитомягким участкам 3 наружного сварного цилиндра, содержащего вставки 2 из немагнитного материала. В участках 3, выполняющих роль полюсных наконечников, может размещаться демпферная (успокоительная) обмотка 4, выполняющая несколько функций. Обмотка улучшает защиту магнита от нестационарных размагничивающих воздействий (см. § 2.5); предотвращает колебания ротора по отношению к синхронно-вра-щающемуся полю якоря и гасит встречно-вращающиеся составляющие поля (например, составляющие поля от высших гармоник МДС якоря, встречное поле в однофазных машинах и др.)* С помощью обмотки обеспечивается асинхронный пуск машины в двигательном режиме. Полости между полюсами могут заливаться легким немагнитным сплавом 6. Наружный сварной цилиндр обеспечивает высокую механическую прочность ротора, вследствие чего окружные скорости могут достигать 150 м/с и более. Благодаря хорошему экранированию магнитов от внешних полей и их простой форме рабочие индукции составляют 0,6 ...0,8 Тл. Призматическая форма магнитов обеспечивает направленную кристаллизацию ферромагнетика, что существенно улучшает его магнитные свойства.

В роторе с тангенциальным намагничиванием (рис. 2.22, б) магниты 1 также располагаются по радиусу и примыкают внутренними торцами к немагнитной втулке 2, а наружными торцами— к немагнитным вставкам 3 наружного сварного цилиндра, содержащего также магнитомягкие участки 4 в межполюсных зонах. Между магнитами находятся секторы 5 из магнитомягкой стали, примыкающие изнутри к участкам 4 наружного цилиндра и выполняющие роль полюсов по отношению к якорю на статоре. Примерный вид линий магнитной индукции для рабочего потока Фб и потока рассеяния Ф_а показан на рис. 2.22, б пунктирными линиями.

Такая конструкция особенно рациональна при использовании высококоэрцитивных магнитов на основе редкоземельных материалов (типа БшСоб), которые могут быть слабочувствительны к величине немагнитного зазора в магнитной цепи. Длина магнита /_м вдоль поля мала, так как требуемая МДС ^_м = #_м/_м обеспечивается за счет больших Я_м. Малые /_м позволяют создавать компактные многополюсные конструкции роторов с тангенциальным намагничиванием для машин с повышенной частотой, что, как уже отмечалось, способствует снижению требуемого объема магнитов при заданной мощности бесконтактных электрических машин.

Важная особенность конструкции с тангенциальным намагничиванием— возможность получения с ее помощью рабочих индукций в зазоре В₆, превышающих индукцию В_м в магните (и даже остаточную индукцию В_г). Это связано с тем, что благодаря непрерывности линий магнитного поля поток, входящий в сектор 5 через боковые торцы двух смежных магнитов 1, приблизительно равен потоку, выходящему из сектора через его границу, площадь которой может быть существенно меньше удвоенной площади бокового торца магнита. Если Ь_м — ширина магнита (по радиусу), а Ь_р — наружная ширина полюсного сектора (рис. 2.22, б), то без учета потоков рассеяния имеем 2Ф_м=Фб или 2В_мЬ_мжВ₆Ь_Р, откуда В₆ж2Ь_мВ_м/Ь_р. Таким образом, при (2Ь_М/Ь_Р)>1, что легко обеспечивается на практике, имеем Вь>В_м. Благодаря применению высококоэрцитивных магнитов якорь для рассматриваемого ротора в ряде случаев может выполняться беспазовым.

В конструкциях, показанных на рис. 2.22, а, б, наружный сварной цилиндр обеспечивает высокие окружные скорости ротора, а магнитомягкие полюсные элементы — хорошую защиту магнитов от внешних размагничивающих воздействий.

Недостатком конструкций ротора со сварным наружным цилиндром являются значительные поверхностные потери от зубцовых гармоник поля, наводящих в цилиндре большие вихревые токи. Эти потери, очевидно, отсутствуют при беспазовой конструкции якоря.

В машинах небольшой мощности (особенно при беспазовой конструкции якоря) вместо сварного цилиндра на рис. 2.22 может применяться сплошная оболочка (бандаж) из прочного немагнитного материала (например, титана). Перспективны конструкции роторов, у которых на наружную поверхность магнитов наматывается нитяной бандаж из высокопрочного органического волокна или других материалов. По оценкам, в таких конструкциях достижима окружная скорость до 400 м/с. Если наружный бандаж наматывается из проволочной стали 12Х18Н9Т, то немагнитные участки в нем могут создаваться специальной термообработкой. В ряде случаев эффективны бандажи из углеродного волокна и волокна бора.

Роторы с призматическими магнитами позволяют повысить мощность машин до 100 кВ-А и более.

§ 2.9. Особенности синхронных БЭМ с постоянными магнитами.

Регулирование и стабилизация напряжения синхронных

генераторов с постоянными магнитами

Синхронные машины с постоянными магнитами по сравнению с обычными синхронными машинами обладают рядом особенностей. Машины с ПМ не допускают форсировки возбуждения, как машины с обмотками возбуждения для автономных установок.

Поэтому при режимах работы, рассчитанных на периодические значительные перегрузки (например, двукратные в авиационных системах), машины с ПМ приходится рассчитывать на увеличенные мощности по сравнению с машинами, имеющими электромагнитный индуктор.

В машинах с постоянными магнитами из обычных материалов необходимо иметь минимальный рабочий зазор, в то время как в обычных синхронных машинах зазор должен быть достаточно

большим, чтобы параметр Ха имел пониженные значения и машина обладала необходимой устойчивостью по отношению к размагничивающей реакции якоря. Как указывалось выше, мощность машины с ПМ возрастает с уменьшением зазора, а пониженные значениях Ха в них обеспечиваются благодаря относительно низкой магнитной проводимости по оси й из-за малых значений рв. При использовании высококоэрцитивных магнитов из РЗМ зазор может быть увеличен.

Роль потоков рассеяния в обычных синхронных машинах, как правило, негативная и их стремятся сделать возможно малыми. В синхронных машинах с постоянными магнитами потоки рассеяния могут создавать полезные эффекты. Так, из рабочей диаграммы магнита (см. рис. 2.14) следует, что чем выше рассеяние магнитов Л_а и якоря А₀а, тем меньше координата к_в точки режима короткого замыкания и, следовательно, выше точка отхода номинальной линии возврата Л. Таким образом, рассеяние ослабляет снижение параметров магнита из-за размагничивающей реакции якоря, способствует его стабильной работе. Аналогичный вывод следует непосредственно из схемы замещения (рис. 2.17). Чем выше Л_а и Л_аа, тем сильнее шунтирована ими МДС якоря Р'_аа, тем слабее ее влияние на поток Ф_м магнита. С помощью схемы замещения легко оценить количественное влияние Л_а и А_аа на рабочие параметры магнита. В машинах с ПМ часто искусственно увеличивают магнитные проводимости рассеяния, используя, например, более широкие полюсные наконечники, чем в обычных синхронных машинах. Если в последних конструктивный коэффициент полюсного перекрытия а_р= = Ьр/х—0,65... 0,75, то в машинах с постоянными магнитами а_р — = 0,8... 0,9 (Ь_р — ширина полюсного наконечника; т — полюсное деление).

Следующее отличие связано с тем, что в обычных синхронных машинах всегда Ха^Х_д, а в машинах с постоянными магнитами, армированными магнитомягкими наконечниками, как правило,

82