Скачать книгу из которой взят данный материал

§2.10. Применение БЭМ с постоянными магнитами

В последнее время благодаря созданию высококоэрцитивных магнитотвердых материалов с большой магнитной энергией существенно повысился интерес к энергетическим БЭМ с постоянными магнитами. Бесконтактные электрические машины с постоянными магнитами начинают широко применяться в автономных энергетических установках, на транспорте, на летательных аппаратах и в

Рис. 2.31. Подмагничивающая обмотка с активной частью, размещенной в полом валу

других областях как высоконадежные генераторы и двигатели. На их основе эффективно реализуются вентильные генераторы и бесконтактные двигатели постоянного тока (см. гл. 5). Широкое распространение получили БЭМ с постоянными магнитами в элек-тромашинных преобразователях электроэнергии (преобразователях рода тока, частоты, числа фаз и т. п.), используемых как в стационарных, так и в бортовых энергоустановках.

Хорошие перспективы открываются перед генераторами с постоянными магнитами на основе РЗМ в авиационной энергетике. Как известно, авиационные электрические генераторы приводятся во вращение от авиадвигателей, у которых частота вращения вала во время полета существенно изменяется. Для стабилизации частоты генерируемого тока во многих случаях применяют привод постоянной частоты вращения (ППЧВ) гидравлического или пневматического типа, который помещается между авиадвигателем и электрическим генератором, обеспечивая постоянную частоту вращения генератора. Из-за сложности конструкции ППЧВ надежность такой системы обычно недостаточно высокая, а стоимость— большая. Поэтому в последние годы наряду с совершенствованием ППЧВ разрабатывают системы ПСПЧ (переменная скорость — постоянная частота), в которых генератор связывается

непосредственно с авиадвигателем и вращается с переменной скоростью, а генерируемый ток преобразуется в полупроводниковом преобразователе частоты так, что его частота сохраняется постоянной. Как показали исследования, использование в схемах с ПСПЧ генераторов с ПМ при увеличении числа полюсов и фаз весьма перспективно. Одно из интересных направлений при разработке подобных авиационных генераторов связано с отказом от выполнения генератора в виде самостоятельного конструктивного агрегата и его поэлементном рассредоточении внутри первичной силовой установки, например турбореактивном авиадвигателе. Постоянные магниты из РЗМ крепят непосредственно на валу компрессора авиадвигателя, а якорь размещают на корпусе авиадвигателя в наиболее удобных для этой цели местах. Такая электрическая машина, органически объединенная с первичной силовой установкой (т. е. имеющая интегральное исполнение), обладает повышенным КПД, имеет меньшее число конструктивных деталей и узлов (в ней нет специальных подшипников, уплотнений, боковых щитов, отдельного корпуса и т. д.) и, что весьма важно, может использоваться не только как генератор, но и как стартер (в режиме электродвигателя) для запуска первичной установки. По расчетам подобный генератор в интегральном исполнении с магнитами из материала БтСоб при мощностях 5«

60... 120 кВ-А, частотах вращения я«5300 об/мин и канальном масляном охлаждении якоря имеет удельную массу т*« «0,3 кг/(кВ-А).

Генераторы в обычном автономном исполнении с постоянными магнитами типа ЮНДК при интенсивном воздушном охлаждении, частоте вращения я«8000... 12 ООО об/мин, мощностях 5«20.,. 60 кВ-А имеют удельные массы т*« 1,2... 1,6 кг/(кВ-А). Применение магнитов на основе РЗМ позволяет заметно уменьшить т*. Так, генератор с магнитами из РЗМ мощностью 5=105 кВ-А, частотой вращения т = 6000 об/мин (/=2000 Гц) и жидкостным охлаждением якоря имеет удельную массу т* = 0,343 кг/(кВ-А) и КПД г] = 0,89. Коэффициент полезного действия генераторов можно также повысить за счет криогенного охлаждения. Например, у генераторов с РЗМ и испарительной системой охлаждения на жидком азоте при мощностях 5 = 80... 120 кВ-А КПД возрастает до 95% при удельной массе порядка 0,35 кг/(кВ-А) (без учета системы охлаждения).

Особенно компактными и легкими получаются генераторы термоинерционного типа с постоянными магнитами из РЗМ. Например, генератор объемом 150 см³ в минутном режиме может развивать мощность 1 кВт при я = 3000 об/мин. Успешно внедряются высокооборотные генераторы с магнитами из РЗМ с частотами вращения я=70 000 ... 120 000 об/мин при мощностях 0,5 ... 4 кВ-А.

Имеются сообщения о разработке в США компактных бортовых генераторов с ПМ из РЗМ: генератора мощностью 110 кВт с удельной массой 0,15 кг/кВт и крупного авиационного генератора мощностью 10 МВ-А с частотой вращения 16 000 об/мин, напряжением 1565 В, частотой тока 1870 Гц, обладающего удельной массой 0,05 кг/кВт.

ішштш і
ГФ Л/ %	і	N 5

Рис. 2.32. Зависимость удельной массы активных материалов от мощности генераторов с постоянными магнитами (а) и конструкция кинетического аккумулятора энергии (б)

В диапазоне мощностей от 20 до 100 кВ-А удельные массы активных материалов для генераторов с магнитами из РЗМ согласно данным В. А. Балагурова и Ф. Ф. Галтеева, имеют характерные значения от 0,5 до 0,2 кг/(кВ-А) (рис. 2.32, а).

Таблица 23

Мощность, кВт	Асинхронные двигатели			Синхронные двигатели с постоянными магнитами
	п, об/мин	СОБ ф	кпд, %	п, об/мин	СОБ ф	кпд, %
1,5	1410	0,78	75,0	1500	0,85	82
4,5	1420	0,83	79,5	1500	0,90	86
11	1450	0,83	86,2	1500	0,90	91
18,5	1450	0,85	88,0	1500	0,90	92

В настоящее время широко внедряются в различные области техники двигатели энергетического назначения с постоянными магнитами. Во Франции разработана серия двигателей с магнитами из РЗМ мощностью 0,37... 18,5 кВт для применения их в металлургической и химической промышленности, а также в вентиляторах, насосах, кондиционерах. Сравнительные данные некоторых двигателей и их аналогов в виде асинхронных двигателей приведены в табл. 2.3. Применение постоянных магнитов привело к снижению потерь на 30...40% и заметному увеличению КПД и соэф (см. табл. 2.3).

В Японии созданы двигатели с дешевыми постоянными магнитами из бариевого феррита, обладающие высокими КПД и соэф. Например, двигатель мощностью 1 кВт (п—12 000 об/мин) имеет г] = 0,89, созф = 0,92, а у аналогичного асинхронного двигателя ^ = 0,76, созф = 0,84. Ведутся работы по созданию мощных высокооборотных двигателей дисковой конструкции с ПМ, а также тихоходных двигателей для привода судовых винтов. Так, в США спроектирован двигатель с конструкцией ротора, подобной приведенной на рис. 2.22, б, мощностью 30 МВт и частотой вращения я=168 об/мин. Диаметр ротора двигателя 2,5 м; удельная масса т*=1,34 кг/кВт. Двигатели с постоянными магнитами широко используют в системах управления и автоматики.

Особая роль отводится БЭМ с ПМ при разработке летательных аппаратов с полностью электрифицированным оборудованием, на которых пневмо- и гидроприводы заменены высокоэффективным электроприводом. Основной источник электроэнергии на таких летательных аппаратах — генераторы с постоянными магнитами (главным образом на основе РЗМ) мощностью 150 ...300 кВт и выше. Предполагается, что такие генераторы одновременно будут выполнять роль стартеров мощных авиадвигателей.

Особенностью мощных генераторов с ПМ на транспортных установках (особенно в авиации) является их повышенная пожароопасность. Так как при коротком замыкании невозможно резко уменьшить магнитный поток и напряжение (как в генераторах с обмотками возбуждения), то приходится в ряде случаев предусматривать механическое расцепление генератора и привода, что существенно усложняет конструкцию энергоустановки.

Значительную роль в системах полностью электрифицированных летательных аппаратов играют вентильные двигатели с ПМ на основе РЗМ (см. § 5.3), составляющие основу бортовых электроприводов.

Бесконтактные электрические машины с ПМ представляют большой интерес для кинетических аккумуляторов энергии, используемых, например, на космических аппаратах по следующей схеме. БЭМ с маховиком питается через преобразователь от солнечной батареи на освещенных участках траектории аппарата и в режиме электродвигателя раскручивается до больших частот вращения. При движении аппарата по затененному участку траектории БЭМ переходит в режим генератора и снабжает электроэнергией системы аппарата в течение необходимого времени. На рис. 2.32, б показан разрез одной из конструкций кинетического аккумулятора, в котором БЭМ совмещена с маховиком. Статор машины содержит беспазовый сердечник 1 с якорной обмоткой 2, а на роторе размещаются магниты 3 с кольцевым сердечником 4, примыкающим изнутри к ступице 5 маховика 6. Благодаря наружному расположению маховика обеспечиваются большой момент инерции и высокая прочность ротора машины.

§ 2.11. Алгоритмы и примеры расчета синхронных машин

с постоянными магнитами

Рассмотрим некоторые варианты расчета синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов для автономных электроэнергетических установок (АЭУ). Расчетные алгоритмы таких генераторов обладают рядом особенностей по сравнению со стандартными методиками. Главная из них связана с поиском наилучших вариантов по критериям технического задания на проектирование АЭУ в целом как единой системы. При этом, как правило, рассматривается значительное число расчетных вариантов машины с различными конструктивными исполнениями и из них отбираются наиболее рациональные для дальнейшей углубленной проработки (например, с применением соответствующих САПР).

Речь идет, таким образом, об ускоренном расчете основных показателей машин с учетом как традиционных, так и специфических ограничений, диктуемых согласованием характеристик машины и АЭУ в целом. Естественно, предварительные оценки основных показателей машины впоследствии должны дополняться и уточняться на основе подробных расчетов электрических, прочностных и тепловых характеристик машины на основе традиционных методик.

Поскольку расчетные алгоритмы должны быть относительно универсальными, большая роль в них отводится безразмерным параметрам и показателям, которые имеют наглядный физический смысл и могут выбираться как с учетом имеющихся рекомендаций (далеко не полных для электрических машин АЭУ), так и на основе достаточно очевидных интуитивных инженерных представлений.

Рассмотрим особенности расчетных алгоритмов машин с ПМ применительно к синхронным генераторам. Расчет синхронных двигателей может проводиться на аналогичной основе. Пусть требуется провести приближенный расчет синхронного генератора с ПМ на заданные номинальные значения мощности 5_НОм, числа фаз т, напряжения и_ном, коэффициента мощности соэф. Характеристики ПМ считаются известными (В_г, #_с, а, рв*).

Можно выделить четыре схемы расчета машины на заданную мощность в зависимости от требований технического задания.

В первой расчетной схеме генератор рассчитывается под известный первичный привод с фиксированной частотой вращения п и должен вырабатывать ток заданной частоты /.

Вторая расчетная схема предусматривает работу генератора с максимально допустимой окружной скоростью ротора Vmax и соответственно с предельными механическими напряжениями. Задание о_тах связано с минимизацией размеров и массы генератора (см. § 1.3).

Третья расчетная схема помимо задания у_тах предполагает фиксирование электромеханической постоянной Г/, характеризующей быстроту запуска установки.

Частота тока / во второй и третьей схемах жестко не ограничена, так как в ряде случаев АЭУ могут работать при изменяющихся / (например, при нагревательных, осветительных и других нагрузках) или содержать потребители, рассчитанные на частоту, определяемую в процессе расчета генератора.

В четвертой расчетной схеме машины заданы значения п и Г/. Для нахождения главных размеров генератора во всех случаях вначале определяются значения £₀* и /к* (см. § 2.7). В общем виде они могут рассчитываться по (2.23), (2.24) на основе относительных магнитных проводимостей АД Л₀*, Л_ста и параметров а и |хв*. При этом число пар полюсов р считается известным. “ расчет ведется по первой схеме, то р = 60//я. При

использовании второй и третьей расчетных схем вначале р задается из общих соображений, а затем при необходимости находится р₀рг путем дополнительных расчетов (см. § 2.7).

Рассмотрим вначале генератор с тангенциально намагниченными ПМ на основе РЗМ (рис. 2.33, а), применяемый в АЭУ мощностью от десятков до сотен киловатт. В этом случае |Хв*=1, а=0 и расчет Е₀* и /_к* осуществляется по (2.30) и (2.31). Определим вначале относительные размеры магнитов для фиксированного значения р, считая, что диаметр й внутренней втулки, к которой примыкают магниты, превышает на Д диаметр на котором пересекаются продолжения сторон соседних магнитов. Относительный показатель Д*=Д/£) учитывает технологические факторы (обычно Д*«0,1...0,2). Так как немагнитная вставка наружного цилиндра, примыкающая к магниту, имеет примерно тот же тангенциальный размео, что и магнит, то пй—жГ«2ра_рт, т= = я£/(2р), откуда й'«(1—а*)А где а_р—Ь_Р!% — конструктивный коэффициент полюсного перекрытия (обычно а_р& 0,6 ...0,7 для магнитов на основе РЗМ).

С учетом соотношения й=сГ+Д = 7)(1—сс_р+Л*) радиальная высота магнита &_м=0,5(/)—й)=0,5(сср—Д*)£>.

Относительные размеры магнита — высота и тангенциальная длина соответственно

(2.40)

95