Генераторы с возбуждением постоянными магнитами. Генератор на постоянных магнитах. Виды и свойства постоянных магнитов

Дмитрий Левкин

Главное отличие между синхронным двигателем с постоянными магнитами (СДПМ) и заключается в роторе. Проведенные исследования показывают, что СДПМ имеет примерно на 2% больше, чем высоко эффективный (IE3) асинхронный электродвигатель, при условии, что статор имеет одинаковую конструкцию, а для управления используется один и тот же . При этом синхронные электродвигатели с постоянными магнитами по сравнению с другими электродвигателями обладают лучшими показателями: мощность/объем, момент/инерция и др.

Конструкции и типы синхронного электродвигателя с постоянными магнитами

Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, как и любой , состоит из ротора и статора. Статор - неподвижная часть, ротор - вращающаяся часть.

Обычно ротор располагается внутри статора электродвигателя, также существуют конструкции с внешним ротором - электродвигатели обращенного типа.

Конструкции синхронного двигателя с постоянными магнитами: слева - стандартная, справа обращенная.

Ротор состоит из постоянных магнитов. В качестве постоянных магнитов используются материалы с высокой коэрцитивной силой.

По конструкции ротора синхронные двигатели делятся на:

Электродвигатель с неявно выраженными полюсами имеет равную индуктивность по продольной и поперечной осям L d = L q , тогда как у электродвигателя с явно выраженными полюсами поперечная индуктивность не равна продольной L q ≠ L d .

Сечение роторов с разным отношением Ld/Lq. Черным обозначены магниты. На рисунке д, е представлены аксиально-расслоенные роторы, на рисунке в и з изображены роторы с барьерами.

Также по конструкции ротора СДПМ делятся на:
• синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов
  (англ. SPMSM - surface permanent magnet synchronous motor) ;
• синхронный двигатель со встроенными (инкорпорированными) магнитами
  (англ. IPMSM - interior permanent magnet synchronous motor) .

Ротор синхронного двигателя c поверхностной установкой постоянных магнитов

Ротор синхронного двигателя со встроенными магнитами

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Наиболее распространены конструкции с двух- и трехфазной обмоткой.

В зависимости от конструкции статора синхронный двигатель с постоянными магнитами бывает:
• с распределенной обмоткой;
• с сосредоточенной обмоткой.

Распределенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 2, 3,...., k.

Сосредоточенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 1. При этом пазы расположены равномерно по окружности статора. Две катушки, образующие обмотку, можно соединить как последовательно, так и параллельно. Основной недостаток таких обмоток - невозможность влияния на форму кривой ЭДС .

Схема трехфазной распределенной обмотки

Схема трехфазной сосредоточенной обмотки

Форма обратной ЭДС электродвигателя может быть:
• трапецеидальная;
• синусоидальная.

Форма кривой ЭДС в проводнике определяется кривой распределения магнитной индукции в зазоре по окружности статора.

Известно, что магнитная индукция в зазоре под явно выраженным полюсом ротора имеет трапециидальную форму. Такую же форму имеет и наводимая в проводнике ЭДС. Если необходимо создать синусоидальную ЭДС, то полюсным наконечникам придают такую форму, при которой кривая распределения индукции была бы близка к синусоидальной. Этому способствуют скосы полюсных наконечников ротора .

Принцип работы синхронного двигателя основан на взаимодействии статора и постоянного магнитного поля ротора.

Запустить

Остановить

Вращающееся магнитное поле синхронного электродвигателя

Магнитное поле ротора, взаимодействуя с синхронным переменным током обмоток статора, согласно , создает , заставляя ротор вращаться ().

Постоянные магниты, расположенные на роторе СДПМ, создают постоянное магнитное поле. При синхронной скорости вращения ротора с полем статора, полюса ротора сцепляются с вращающимся магнитным полем статора. В связи с этим СДПМ не может сам запуститься при подключении его напрямую к сети трехфазного тока (частота тока в сети 50Гц).

Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами

Для работы синхронного двигателя с постоянными магнитами обязательно требуется система управления, например, или сервопривод. При этом существует большое количество способов управления реализуемых системами контроля. Выбор оптимального способа управления, главным образом, зависит от задачи, которая ставится перед электроприводом. Основные методы управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами приведены в таблице ниже.

Управление				Преимущества	Недостатки
Синусоидальное				Простая схема управления
			С датчиком положения	Плавная и точная установка положения ротора и скорости вращения двигателя, большой диапазон регулирования	Требуется датчик положения ротора и мощный микроконтроллер системы управления
			Без датчика положения	Не требуется датчик положения ротора. Плавная и точная установка положения ротора и скорости вращения двигателя, большой диапазон регулирования, но меньше, чем с датчиком положения	Бездатчиковое полеориентированное управление во всем диапазоне скоростей возможно только для СДПМ с ротором с явно выраженными полюсами, требуется мощная система управления
				Простая схема управления, хорошие динамические характеристики, большой диапазон регулирования, не требуется датчик положения ротора	Высокие пульсации момента и тока
Трапециидальное	Без обратной связи			Простая схема управления	Управление не оптимально, не подходит для задач, где нагрузка меняется, возможна потеря управляемости
	С обратной связью	С датчиком положения (датчиками Холла)		Простая схема управления	Требуются датчики Холла. Имеются пульсации момента. Предназначен для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС средний момент ниже на 5%.
		Без датчика		Требуется более мощная система управления	Не подходит для работы на низких оборотах. Имеются пульсации момента. Предназначен для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС средний момент ниже на 5%.

Популярные способы управления синхронным двигателем с постоянными магнитами

Для решения несложных задач обычно используется трапециидальное управление по датчикам Холла (например - компьютерные вентиляторы). Для решения задач, которые требуют максимальных характеристик от электропривода, обычно выбирается полеориентированное управление.

Трапециидальное управление

Одним из простейших методов управления синхронным двигателем с постоянными магнитами является - трапецеидальное управление. Трапециидальное управление применяется для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС. При этом этот метод позволяет также управлять СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС, но тогда средний момент электропривода будет ниже на 5%, а пульсации момента составят 14% от максимального значения. Существует трапециидальное управление без обратной связи и с обратной связью по положению ротора.

Управление без обратной связи не оптимально и может привести к выходу СДПМ из синхронизма, т.е. к потери управляемости.

Управление с обратной связью можно разделить на:
• трапециидальное управление по датчику положения (обычно - по датчикам Холла);
• трапециидальное управление без датчика (бездатчиковое трапециидальное управление).

В качестве датчика положения ротора при трапециидальном управлении трехфазного СДПМ обычно используются три датчика Холла встроенные в электродвигатель, которые позволяют определить угол с точностью ±30 градусов. При таком управление вектор тока статора принимает только шесть положений на один электрический период, в результате чего на выходе имеются пульсации момента.

Существует два способа определения положения ротора:
• по датчику положения;
• без датчика - посредством вычисления угла системой управления в реальном времени на основе имеющейся информации.

Полеориентированное управление СДПМ по датчику положения

В качестве датчика угла используются следующие типы датчиков:
• индуктивные: синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), редуктосин, индуктосин и др.;
• оптические;
• магнитные: магниторезистивные датчики.

Полеориентированное управление СДПМ без датчика положения

Благодаря бурному развитию микропроцессоров с 1970-х годов начали разрабатываться бездатчиковые векторные методы управления бесщеточными переменного тока. Первые бездатчиковые методы определения угла были основаны на свойстве электродвигателя генерировать обратную ЭДС во время вращения. Обратная ЭДС двигателя содержит в себе информацию о положении ротора, поэтому вычислив величину обратной ЭДС в стационарной системе координат можно рассчитать положение ротора. Но, когда ротор не подвижен, обратная ЭДС отсутствует, а на низких оборотах обратная ЭДС имеет маленькую амплитуду, которую сложно отличить от шума, поэтому данный метод не подходит для определения положения ротора двигателя на низких оборотах.

Существует два распространенных варианта запуска СДПМ:
• запуск скалярным методом - запуск по заранее определенной характеристики зависимости напряжения от частоты. Но скалярное управление сильно ограничивает возможности системы управления и параметры электропривода в целом;
• – работает только с СДПМ у которого ротор имеет явно выраженные полюса.

На текущий момент возможно только для двигателей с ротором с явно выраженными полюсами.

Синхронные машины с постоянными магнита­ми (магнитоэлектрические) не имеют обмотки воз­буждения на роторе, а возбуждающий магнитный поток у них создается постоянными магнитами, рас­положенными на роторе. Статор этих машин обыч­ной конструкции с двух- или трехфазной обмоткой.

Применяют эти машины чаще всего в качестве двигателей небольшой мощности. Синхронные ге­нераторы с постоянными магнитами применяют ре­же, главным образом в качестве автономно рабо­тающих генераторов повышенной частоты, малой и средней мощности.

Синхронные магнитоэлектрические двигате­ли. Эти двигатели получили распространение в двух конструктивных исполнениях: с радиальным и акси­альным расположением постоянных магнитов.

При радиальном расположении по­стоянных магнитов пакет ротора с пусковой клет­кой, выполненный в виде полого цилиндра, закреп­ляют на наружной поверхности явно выраженных полюсов постоянного магнита 3. В цилиндре делают межполюсные прорези, предотвращающие замыка­ние потока постоянного магнита в этом цилиндре (рис. 23.1, ).

При аксиальном расположении маг­нитов конструкция ротора аналогична конструкции ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя. К торцам этого ротора прижаты кольцевые постоян­ные магниты (рис. 23.1, ).

Конструкции с аксиальным расположением маг­нита применяют в двигателях малого диаметра мощностью до 100 Вт; конструкции с радиальным расположением магнитов применяют в двигателях большего диаметра мощностью до 500 Вт и более.

Физические процессы, протекающие при асин­хронном пуске этих двигателей, имеют некоторую осо­бенность, обусловленную тем, что магнитоэлектриче­ские двигатели пускают в возбужденном состоянии. Поле постоянного магнита в процессе разгона ротора наводит в обмотке статора ЭДС
, частота которой увеличивается пропор­ционально частоте вращения ротора. Эта ЭДС наводит в обмотке статора ток, взаимодействующий с полем постоянных магнитов и создающий тормозной момент
, направленный встречно вращению ротора.

Рис. 23.1. Магнитоэлектрические синхронные двигатели с радиальным (а) и

аксиальным (б) расположением постоянных магнитов:

1 - статор, 2 - короткозамкнутый ротор, 3 - постоянный магнит

Таким образом, при разгоне двигателя с постоянными магни­тами на его ротор действуют два асинхронных момента (рис. 23.2): вращающий
(от тока , поступающего в обмотку статора из сети) и тормозной
(от тока , наведенного в обмотке статораполем постоянного магнита).

Однако зависимость этих моментов от частоты вращения ро­тора (скольжения) различна: максимум вращающего момента
соответствует значительной частоте (небольшому скольжению), а максимум тормозного момента М Т - малой частоте вращения (большому скольжению). Разгон ротора происходит под действи­ем результирующего момента
, который имеет зна­чительный «провал» в зоне малых частот вращения. Из приведен­ных на рисунке кривых видно, что влияние момента
на пусковые свойства двигателя, в частности на момент входа в син­хронизм М вх , значительно.

Для обеспечения надежного пуска двигателя необходимо, чтобы минимальный результирующий момент в асинхронном ре­жиме
и момент входа в синхронизмМ вх , были больше момента нагрузки. Форма кривой асинхронного момента магнитоэлектри­ческого

Рис.23.2. Графики асинхронных моментов

магнитоэлектрического синхронного двигателя

двигателя в значительной степени зависит от активного сопротивления пусковой клетки и от степени возбужденности дви­гателя, характеризуемой величиной
, гдеЕ 0 - ЭДС фазы статора, наведенная в режиме холостого хода при вра­щении ротора с синхронной частотой. С увеличением «провал»в кривой момента
увеличивается.

Электромагнитные процессы в магнитоэлектрических син­хронных двигателях в принципе аналогичны процессам в син­хронных двигателях с электромагнитным возбуждением. Однако необходимо иметь в виду, что постоянные магниты в магнито­электрических машинах подвержены размагничиванию действием магнитного потока реакции якоря. Пусковая обмотка несколько ослабляет это размагничивание, так как оказывает на постоянные магниты экранирующее действие.

Положительные свойства магнитоэлектрических синхронных двигателей - повышенная устойчивость работы в синхронном режиме и равномерность частоты вращения, а также способность синфазного вращения нескольких двигателей, включенных в одну сеть. Эти двигатели имеют сравнительно высокие энергетические показатели (КПД и
,).

Недостатки магнитоэлектрических синхронных двигателей - повышенная стоимость по сравнению с синхронными двигателями других типов, обусловленная высокой стоимостью и сложностью обработки постоянных магнитов, выполняемых из сплавов, обла­дающих большой коэрцитивной силой (ални, алнико, магнико и др.). Эти двигатели обычно изго­товляют на небольшие мощности и применяют в приборостроении и в устройствах автоматики для привода механизмов, требующих по­стоянства частоты вращения.

Синхронные магнитоэлек­ трические генераторы . Ротор та­кого генератора выполняют при малой мощности в виде «звездоч­ки» (рис. 23.3, а ), при средней мощности - с когтеобразными полюсами и цилиндрическим постоянным магнитом (рис. 23.3, б). Ротор с когтеобразными полюсами дает возможность получить генератор с рассеянием полюсов, ограничивающим ударный ток при внезапном коротком замыкании генератора. Этот ток представляет большую опасность для постоянного магнита ввиду сильного размагничивающего действия.

Помимо недостатков, отмеченных при рассмотрении магнитоэлектрических синхронных двигателей, генераторы с постоянны­ми магнитами имеют еще один недостаток, обусловленный отсутствием обмотки возбуждения, а поэтому регулировка напряжения в магнитоэлектрических генераторах практически невозможна. Это затрудняет стабилизацию напряжения генератора при измене­ниях нагрузки.

Рис.23.3. Роторы магнитоэлектрических синхронных генераторов:

1 – вал; 2 – постоянный магнит; 3 – полюс; 4 – немагнитная втулка

Область деятельности(техники), к которой относится описываемое изобретение

Ноу-хау разработки, а именно данное изобретение автора относится к области электромашиностроения, в частности к синхронным генераторам с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в автономных источниках электроэнергии на автомобилях, катерах, а также в автономных источниках электропитания потребителей переменным током как стандартной промышленной частоты, так и повышенной частоты и в автономных энергоустановках в качестве источника сварочного тока для проведения электродуговой сварки в полевых условиях.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Известен синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженными размещенными на них электрическими катушками с якорной обмоткой статора, а также установленный на опорном валу с возможностью вращения в упомянутых опорных подшипниках возбуждения (см., напр., А.И.Вольдек, "Электрические машины", изд. Энергия, Ленинградское отделение, 1974 г., с.794).

Недостатками известного синхронного генератора являются значительная металлоемкость и большие габариты, обусловленные значительными металлоемкостью и габаритами массивного цилиндрической формы ротора, выполненного с постоянными магнитами возбуждения из магнитотвердых сплавов (типа ални, алнико, магнико и др.).

Известен также синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженными размещенными на них электрическими катушками с якорной обмоткой статора, установленный с возможностью вращения вокруг кольцевого магнитопровода статора со смонтированным на внутренней боковой стенке кольцевым магнитным вкладышем с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами, охватывающий полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки указанного кольцевого магнитопровода статора (см., напр., патент РФ № 2141716, кл. Н 02 К 21/12 по заявке № 4831043/09 от 02.03.1988 г.).

Недостатком известного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов являются узкие эксплуатационные параметры, обусловленные отсутствием возможности регулирования активной мощности синхронного генератора, поскольку в конструктивном исполнении данного синхронного индукторного генератора отсутствует возможность оперативного изменения величины общего магнитного потока, создаваемого отдельными постоянными магнитами указанного кольцевого магнитного вкладыша.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженными размещенными на них электрическими катушками с многофазной якорной обмоткой статора, установленный на опорном валу с возможностью вращения в упомянутых опорных подшипниках вокруг кольцевого магнитопровода статора кольцевой ротор со смонтированным на внутренней боковой стенке кольцевым магнитным вкладышем с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами из p-пар, охватывающим полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки указанного кольцевого магнитопровода статора (см. патент РФ № 2069441, кл. Н 02 К 21/22 по заявке № 4894702/07 от 01.06.1990 г.).

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Недостатком известного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов являются также узкие эксплуатационные параметры, обусловленные как отсутствием возможности регулирования активной мощности синхронного индукторного генератора, так и отсутствием возможности регулирования величины выходного напряжения переменного тока, что затрудняет возможность использования его в качестве источника сварочного тока при электродуговой сварке (в конструкции известного синхронного генератора отсутствует возможность оперативного изменения величины общего магнитного потока отдельных постоянных магнитов, образующих между собой кольцевой магнитный вкладыш).

Целью настоящего изобретения является расширение эксплуатационных параметров синхронного генератора путем обеспечения возможности регулирования как его активной мощности, так и возможности регулирования напряжения переменного тока, а также обеспечения возможности использования его в качестве источника сварочного тока при проведении электродуговой сварки на различных режимах.

Поставленная цель достигается тем, что синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженными размещенными на них электрическими катушками с многофазной якорной обмоткой статора, установленный на опорном валу с возможностью вращения в упомянутых опорных подшипниках вокруг кольцевого магнитопровода статора кольцевой ротор со смонтированным на внутренней боковой стенке кольцевым магнитным вкладышем с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами из p-пар, охватывающим полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки указанного кольцевого магнитопровода статора, в нем несущий узел статора выполнен из группы одинаковых модулей с указанными кольцевым магнитопроводом и кольцевым ротором, смонтированных на одном опорном валу с возможностью их разворота друг относительно друга вокруг оси, соосной с опорным валом, и снабжены кинематически связанным с ними приводом углового разворота их друг относительно друга, а одноименные фазы якорных обмоток в модулях несущего узла статора соединены между собой, образуя общие фазы якорной обмотки статора.

Дополнительным отличием предложенного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов является то, что одноименные магнитные полюсы кольцевых магнитных вкладышей кольцевых роторов в смежных модулях несущего узла статора расположены конгруэнтно друг другу в одних радиальных плоскостях, а концы фаз якорной обмотки в одном модуле несущего узла статора соединены с началами одноименных фаз якорной обмотки в другом смежном модуле несущего узла статора, образуя в соединении между собой общие фазы якорной обмотки статора.

Кроме того, каждый из модулей несущего узла статора включает кольцевую втулку с наружным упорным фланцем и стакан с центральным отверстием в торце, а кольцевой ротор в каждом из модулей несущего узла статора включает кольцевую обечайку с внутренним упорным фланцем, в которой установлен упомянутый соответствующий кольцевой магнитный вкладыш, при этом указанные кольцевые втулки модулей несущего узла статора сопряжены своей внутренней цилиндрической боковой стенкой с одними из упомянутых опорных подшипников, другие из которых сопряжены со стенками центральных отверстий в торцах указанных соответствующих стаканов, кольцевые обечайки кольцевого ротора жестко соединены с опорным валом посредством крепежных узлов, а кольцевой магнитопровод в соответствующем модуле несущего узла статора смонтирован на указанной кольцевой втулке, жестко скрепленной своим наружным упорным фланцем с боковой цилиндрической стенкой стакана и образующей совместно с последним кольцевую полость, в которой размещен указанный соответствующий кольцевой магнитопровод с электрическими катушками соответствующей якорной обмотки статора. Дополнительным отличием предложенного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов является то, что каждый из крепежных узлов, соединяющих кольцевую обечайку кольцевого ротора с опорным валом, включает смонтированную на опорном валу ступицу с фланцем, жестко скрепленным с внутренним упорным фланцем соответствующей кольцевой обечайки.

Дополнительным отличием предложенного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов является то, что привод углового разворота модулей несущего узла статора друг относительно друга смонтирован посредством опорного узла на модулях несущего узла статора.

Кроме того, привод углового разворота друг относительно друга модулей несущего узла статора выполнен в виде винтового механизма с ходовым винтом и гайкой, а опорный узел привода углового разворота секций несущего узла статора включает закрепленные на одном из упомянутых стаканов опорную проушину, а на другом стакане опорную планку, при этом ходовой винт шарнирно связан двухстепенным шарниром одним концом посредством оси, параллельной оси упомянутого опорного вала, с указанной опорной планкой, выполненной с расположенной по дуге окружности направляющей прорезью, а гайка винтового механизма шарнирно связана одним концом с упомянутой проушиной, выполнена на другом конце с хвостовиком, пропущенным через направляющую прорезь в опорной планке, и снабжена стопорным элементом.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен общий вид предложенного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов в продольном разрезе;

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

На фиг.2 - Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, вид А;

На фиг.3 изображена схематически магнитная цепь возбуждения синхронного генератора в варианте исполнения с трехфазными электрическими цепями якорных обмоток статора в исходном начальном положении (без углового смещения соответствующих одноименных фаз в модулях несущего узла статора) для числа пар полюсов статора р=8;

На фиг.4 - то же, с фазами трехфазных электрических цепей якорных обмоток статора, развернутыми друг относительно друга в угловом положении на угол, равный 360/2р градусов;

На фиг.5 изображен вариант электрической схемы соединений якорных обмоток статора синхронного генератора с соединением фаз генератора звездой и последовательным соединением одноименных фаз в общих образованных ими фазах;

На фиг.6 изображен другой вариант электрической схемы соединений якорных обмоток статора синхронного генератора с соединением фаз генератора треугольником и последовательным соединением одноименных фаз в общих образованных ими фазах;

схематически векторная диаграмма изменения величины фазных напряжений синхронного генератора при угловом развороте соответствующих одноименных фаз якорных обмоток статора (соответственно и модулей несущего узла статора) на соответствующий угол и при соединении указанных фаз по схеме "звезда"

На фиг.7 изображена схематически векторная диаграмма изменения величины фазных напряжений синхронного генератора при угловом развороте соответствующих одноименных фаз якорных обмоток статора (соответственно и модулей несущего узла статора) на соответствующий угол и при соединении указанных фаз по схеме "звезда";

то же, при соединении фаз якорных обмоток статора по схеме "треугольник"

На фиг.8 - то же, при соединении фаз якорных обмоток статора по схеме "треугольник";

диаграмма с графиком зависимости выходного линейного напряжения синхронного генератора от геометрического угла разворота одноименных фаз якорных обмоток статора с приведением соответствующего электрического угла поворота вектора напряжения в фазе для соединения фаз по схеме "звезда"

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

На фиг.9 изображена диаграмма с графиком зависимости выходного линейного напряжения синхронного генератора от геометрического угла разворота одноименных фаз якорных обмоток статора с приведением соответствующего электрического угла поворота вектора напряжения в фазе для соединения фаз по схеме "звезда";

диаграмма с графиком зависимости выходного линейного напряжения синхронного генератора от геометрического угла разворота одноименных фаз якорных обмоток статора с приведением соответствующего электрического угла поворота вектора напряжения в фазе для соединения фаз по схеме "треугольник"

На фиг.10 изображена диаграмма с графиком зависимости выходного линейного напряжения синхронного генератора от геометрического угла разворота одноименных фаз якорных обмоток статора с приведением соответствующего электрического угла поворота вектора напряжения в фазе для соединения фаз по схеме "треугольник".

Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов содержит несущий узел статора с опорными подшипниками 1, 2, 3, 4, на котором смонтирована группа одинаковых кольцевых магнитопроводов 5 (например, в виде монолитных дисков из порошкового композиционного магнитомягкого материала) с полюсными выступами по периферии, снабженными размещенными на них электрическими катушками 6 с многофазными (например, трехфазными, а в общем случае m-фазными) якорными обмотками 7, 8 статора, установленную на опорном валу 9 с возможностью вращения в упомянутых опорных подшипниках 1, 2, 3, 4 вокруг несущего узла статора группу одинаковых кольцевых роторов 10, со смонтированными на внутренних боковых стенках кольцевыми магнитными вкладышами 11 (например, в виде монолитных магнитных колец из порошкового магнитоанизотропного материала) с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами из p-пар (в данном варианте исполнения генератора число пар p магнитных полюсов равно 8), охватывающими полюсные выступы с электрическими катушками 6 якорных обмоток 7, 8 указанных кольцевых магнитопроводов 5 статора. Несущий узел статора выполнен из группы одинаковых модулей, каждый из которых включает кольцевую втулку 12 с наружным упорным фланцем 13 и стакан 14 с центральным отверстием "а" в торце 15 и с боковой цилиндрической стенкой 16. Каждый из кольцевых роторов 10 включает кольцевую обечайку 17 с внутренним упорным фланцем 18. Кольцевые втулки 12 модулей несущего узла статора сопряжены своей внутренней цилиндрической боковой стенкой с одними из упомянутых опорных подшипников (с опорными подшипниками 1, 3), другие из которых ( 2, 4) сопряжены со стенками центральных отверстий "а" в торцах 15 указанных соответствующих стаканов 14. Кольцевые обечайки 17 кольцевых роторов 10 жестко соединены с опорным валом 9 посредством крепежных узлов, а каждый из кольцевых магнитопроводов 5 в соответствующем модуле несущего узла статора смонтирован на указанной кольцевой втулке 12, жестко скрепленной своим наружным упорным фланцем 13 с боковой цилиндрической стенкой 16 стакана 14 и образующей совместно с последним кольцевую полость "б", в которой размещен указанный соответствующий кольцевой магнитопровод 5 с электрическими катушками 6 соответствующей якорной обмотки (якорные обмотки 7, 8) статора. Модули несущего узла статора (образующие эти модули кольцевые втулки 12 со стаканами 14) установлены с возможностью их разворота друг относительно друга вокруг оси, соосной с опорным валом 9, и снабжены кинематически связанным с ними приводом углового разворота их друг относительно друга, смонтированным посредством опорного узла на модулях несущего узла статора. Каждый из крепежных узлов, соединяющих кольцевую обечайку 17 соответствующего кольцевого ротора 10 с опорным валом 9, включает смонтированную на опорном валу 9 ступицу 19 с фланцем 20, жестко скрепленным с внутренним упорным фланцем 18 соответствующей кольцевой обечайки 17. Привод углового разворота модулей несущего узла статора друг относительно друга в представленном частном варианте исполнения выполнен в виде винтового механизма с ходовым винтом 21 и гайкой 22, а опорный узел привода углового разворота секций несущего узла статора включает закрепленные на одном из упомянутых стаканов 14 опорную проушину 23, а на другом стакане 14 опорную планку 24. Ходовой винт 21 шарнирно связан двухстепенным шарниром (шарниром с двумя степенями свободы) одним концом "в" посредством оси 25, параллельной оси O-O1 упомянутого опорного вала 9, с указанной опорной планкой 24, выполненной с расположенной по дуге окружности направляющей прорезью "г", а гайка 22 винтового механизма шарнирно связана одним концом с упомянутой опорной проушиной 23, выполнена на другом конце с хвостовиком 26, пропущенным через направляющую прорезь "г" в опорной планке 24, и снабжена стопорным элементом 27 (стопорной гайкой). На конце гайки 22, шарнирно связанном с опорной проушиной 23, установлен дополнительный стопорный элемент 28 (дополнительная стопорная гайка). Опорный вал 9 снабжен вентиляторами 29 и 30 охлаждения якорных обмоток 7, 8 статора, один из которых (29) расположен на одном из концов опорного вала 9, а другой (30) размещен между секциями несущего узла статора и смонтирован на опорном валу 9. Кольцевые втулки 12 секций несущего узла статора выполнены с вентиляционными отверстиями "д" на наружных упорных фланцах 13 для прохождения потока воздуха в соответствующие кольцевые полости "б", образованные кольцевыми втулками 12 и стаканами 14, и для охлаждения тем самым якорных обмоток 7 и 8, размещенных в электрических катушках 6 на полюсных выступах кольцевых магнитопроводов 5. На конце опорного вала 9, на котором расположен вентилятор 29, смонтирован шкив 31 клиноременной передачи для приведения во вращение кольцевых роторов 10 синхронного генератора. Вентилятор 29 закреплен непосредственно на шкиве 31 клиноременной передачи. На другом конце ходового винта 21 винтового механизма установлена рукоятка 32 ручного управления винтовым механизмом привода углового разворота модулей несущего узла статора друг относительно друга. Одноименные фазы (А1, В1, С1 и А2, В2, С2) якорных обмоток в кольцевых магнитопроводах 5 модулей несущего узла статора соединены между собой, образуя общие фазы генератора (соединение одноименных фаз в общем виде как последовательное, так и параллельное, а также компаундное). Одноименные магнитные полюсы ("северные" и соответственно "южные") кольцевых магнитных вкладышей 11 кольцевых роторов 10 в смежных модулях несущего узла статора расположены конгруэнтно друг другу в одних радиальных плоскостях. В представленном варианте исполнения концы фаз (A1, B1, C1) якорной обмотки (обмотки 7) в кольцевом магнитопроводе 5 одного модуля несущего узла статора соединены с началами одноименных фаз (А2, В2, С2) якорной обмотки (обмотки 8) в смежном другом модуле несущего узла статора, образуя в последовательном соединении между собой общие фазы якорной обмотки статора.

Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов работает следующим образом.

От привода (например, от двигателя внутреннего сгорания, преимущественно дизеля, на чертеже не показано) через шкив 31 клиноременной передачи вращательное движение передается к опорному валу 9 с кольцевыми роторами 10. При вращении кольцевых роторов 10 (кольцевых обечаек 17) с кольцевыми магнитными вкладышами 11 (например, монолитными магнитными кольцами из порошкового магнитоанизотропного материала) создаются вращающиеся магнитные потоки, пронизывающие воздушный кольцевой зазор между кольцевыми магнитными вкладышами 11 и кольцевыми магнитопроводами 5 (например, монолитными дисками из порошкового композиционного магнитомягкого материала) модулей несущего узла статора, а также пронизывающие радиальные полюсные выступы (на чертеже условно не показаны) кольцевых магнитопроводов 5. При вращении кольцевых роторов 10 осуществляется также попеременное прохождение "северных" и "южных" чередующихся магнитных полюсов кольцевых магнитных вкладышей 11 над радиальными полюсными выступами кольцевых магнитопроводов 5 модулей несущего узла статора, вызывающее пульсации вращающегося магнитного потока как по величине, так и по направлению в радиальных полюсных выступах указанных кольцевых магнитопроводов 5. При этом в якорных обмотках 7 и 8 статора наводятся переменные электродвижущие силы (ЭДС) с взаимным сдвигом по фазе в каждой из m-фазных якорных обмоток 7 и 8 на угол, равный 360/m электрических градусов, а для представленных трехфазных якорных обмоток 7 и 8 в фазах их (А1, В1, С1 и А2, В2, С2) индуктируются синусоидальные переменные электродвижущие силы (ЭДС) со сдвигом по фазе между собой на угол 120 градусов и с частотой, равной произведению числа пар (р) магнитных полюсов в кольцевом магнитном вкладыше 11 на частоту вращения кольцевых роторов 10 (для числа пар магнитных полюсов р=8 индуктируются переменные ЭДС преимущественно повышенной частоты, например с частотой 400 Гц). Переменный ток (например, трехфазный или в общем случае m-фазный), протекающий по общей якорной обмотке статора, образованной указанным выше соединением между собой одноименных фаз (А1, В1, С1 и А2, В2, С2) якорных обмоток 7 и 8 в смежных кольцевых магнитопроводах 5, подается на выходные электрические силовые разъемы (на чертеже не показаны) для подключения приемников электрической энергии переменного тока (например, для подключения электродвигателей, электроинструмента, электронасосов, нагревательных приборов, а также для подключения электросварочного оборудования и т.д.). В представленном варианте исполнения синхронного генератора выходное фазное напряжение (Uф) в общей якорной обмотке статора (образованной соответствующим указанным выше соединением между собой одноименных фаз якорных обмоток 7 и 8 в кольцевых магнитопроводах 5) в исходном начальном положении модулей несущего узла статора (без углового смещения друг относительно друга этих модулей несущего узла статора и соответственно без углового смещения друг относительно друга кольцевых магнитопроводов 5 с полюсными выступами по периферии) равно сумме по модулю отдельных фазных напряжений (Uф1 и Uф2) в якорных обмотках 7 и 8 кольцевых магнитопроводов модулей несущего узла статора (в общем случае суммарное выходное фазное напряжение Uф генератора равно геометрической сумме векторов напряжений в отдельных одноименных фазах А1, В1, С1 и А2, В2, С2 якорных обмоток 7 и 8, см. фиг.7 и 8 с диаграммами напряжений). При необходимости изменения (уменьшения) величины выходного фазного напряжения Uф (и соответственно выходного линейного напряжения U л) представленного синхронного генератора для питания определенных приемников электроэнергии с пониженным напряжением (например, для электродуговой сварки переменным током на определенных режимах) осуществляется угловой разворот отдельных модулей несущего узла статора друг относительно друга на определенный угол (заданный или оттарированный). При этом стопорный элемент 27 гайки 22 винтового механизма привода углового разворота модулей несущего узла статора расфиксируется и посредством рукоятки 32 приводится во вращение ходовой винт 21 винтового механизма, вследствие чего осуществляется угловое перемещение гайки 22 по дуге окружности в прорези "г" опорной планки 24 и разворот на заданный угол одного из модулей несущего узла статора по отношению к другому модулю этого несущего узла статора вокруг оси O-O1 опорного вала 9 (в представленном варианте исполнения синхронного индукторного генератора осуществляется разворот модуля несущего узла статора, на котором смонтирована опорная проушина 23, при этом другой модуль несущего узла статора с опорной планкой 24, имеющей прорезь "г", находится в неподвижном положении, т.е. закреплен на каком-либо основании, на представленном чертеже условно не показано). При угловом развороте модулей несущего узла статора (кольцевых втулок 12 со стаканами 14) друг относительно друга вокруг оси O-O1 опорного вала 9 осуществляется также разворот кольцевых магнитопроводов 5 с полюсными выступами по периферии друг относительно друга на заданный угол, вследствие чего осуществляется также и разворот на заданный угол друг относительно друга вокруг оси O-O1 опорного вала 9 самих полюсных выступов (на чертеже условно не показаны) с электрическими катушками 6 многофазных (в данном случае трехфазных) якорных обмоток 7 и 8 статора в кольцевых магнитопроводах. При развороте полюсных выступов кольцевых магнитопроводов 5 друг относительно друга на заданный угол в пределах 360/2р градусов происходит пропорциональный поворот векторов фазных напряжений в якорной обмотке подвижного модуля несущего узла статора (в данном случае происходит поворот векторов фазных напряжений Uф2 в якорной обмотке 7 модуля несущего узла статора, имеющей возможность углового разворота) на вполне определенный угол в пределах 0-180 электрических градусов (см. фиг.7 и 8), что приводит к изменению результирующего выходного фазного напряжения Uф синхронного генератора в зависимости от электрического угла поворота векторов фазных напряжений Uф2 в фазах А2, В2, С2 одной якорной обмотки 7 статора относительно векторов фазных напряжений Uф1 в фазах A1, B1, C1 другой якорной обмотки 8 статора (данная зависимость имеет расчетный характер, вычисляемый решением косоугольных треугольников и определяется следующим выражением:

Диапазон регулирования выходного результирующего фазного напряжения Uф представленного синхронного генератора для случая, когда Uф1=Uф2, будет изменяться от 2Uф1 до 0, а для случая, когда Uф2

Выполнение несущего узла статора из группы одинаковых модулей с указанными кольцевым магнитопроводом 5 и кольцевым ротором 10, смонтированных на одном опорном валу 9, а также установка модулей несущего узла статора с возможностью их разворота друг относительно друга вокруг оси, соосной с опорным валом 9, снабжение модулей несущего узла статора кинематически связанным с ними приводом углового разворота их друг относительно друга и соединение между собой одноименных фаз якорных обмоток 7 и 8 в модулях несущего узла статора с образованием общих фаз якорной обмотки статора позволяют расширить эксплуатационные параметры синхронного генератора за счет обеспечения возможности регулирования как его активной мощности, так и обеспечения возможности регулирования выходного напряжения переменного тока, а также обеспечения возможности использования его в качестве источника сварочного тока при проведении электродуговой сварки на различных режимах (путем обеспечения возможности регулирования величины сдвига фаз напряжения в одноименных фазах А1, В1, С1 и А2, В2, С2, а в общем случае в фазах Ai, Bi, Ci якорных обмоток статора в предложенном синхронном генераторе). Предложенный синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов может быть использован при соответствующей коммутации якорных обмоток статора для снабжения электроэнергией самых различных приемников переменного многофазного электрического тока с различными параметрами питающего напряжения. Кроме того, дополнительное расположение одноименных магнитных полюсов ("северный" и соответственно "южный") кольцевых магнитных вкладышей 11 в смежных кольцевых роторах 10 конгруэнтно друг другу в одних радиальных плоскостях, а также соединение концов фаз A1, B1, C1 якорной обмотки 7 в кольцевом магнитопроводе 5 одного модуля несущего узла статора с началами одноименных фаз А2, В2, С2 якорной обмотки 8 в смежном модуле несущего узла статора (последовательное соединение между собой одноименных фаз якорной обмотки статора) обуславливают возможность обеспечения плавного и эффективного регулирования выходного напряжения синхронного генератора от максимального значения (2U ф1, а в общем случае для числа n секций несущего узла статора nU ф1) до 0, что может быть использовано также для снабжения электроэнергией специальных электрических машин и установок.

Формула изобретения

1. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженными размещенными на них электрическими катушками с многофазной якорной обмоткой статора, установленный на опорном валу с возможностью вращения в упомянутых опорных подшипниках вокруг кольцевого магнитопровода статора кольцевой ротор со смонтированным на внутренней боковой стенке кольцевым магнитным вкладышем с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами из p-пар, охватывающим полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки указанного кольцевого магнитопровода статора, отличающийся тем, что несущий узел статора выполнен из группы одинаковых модулей с указанными кольцевым магнитопроводом и кольцевым ротором, смонтированными на одном опорном валу, при этом модули несущего узла статора установлены с возможностью их разворота друг относительно друга вокруг оси, соосной с опорным валом, и снабжены кинематически связанным с ними приводом углового разворота их друг относительно друга, а одноименные фазы якорных обмоток в модулях несущего узла статора соединены между собой, образуя общие фазы якорной обмотки статора.

2. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов по п.1, отличающийся тем, что одноименные магнитные полюсы кольцевых магнитных вкладышей кольцевых роторов в смежных модулях несущего узла статора расположены конгруэнтно друг другу в одних радиальных плоскостях, а концы фаз якорной обмотки в одном модуле несущего узла статора соединены с началами одноименных фаз якорной обмотки в другом, смежном модуле несущего узла статора, образуя в соединении между собой общие фазы якорной обмотки статора.

3. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов по п.1, отличающийся тем, что каждый из модулей несущего узла статора включает кольцевую втулку с наружным упорным фланцем и стакан с центральным отверстием в торце, а кольцевой ротор в каждом из модулей несущего узла статора включает кольцевую обечайку с внутренним упорным фланцем, в которой установлен упомянутый соответствующий кольцевой магнитный вкладыш, при этом указанные кольцевые втулки модулей несущего узла статора сопряжены своей внутренней цилиндрической боковой стенкой с одними из упомянутых опорных подшипников, другие из которых сопряжены со стенками центральных отверстий в торцах указанных соответствующих стаканов, кольцевые обечайки кольцевого ротора жестко соединены с опорным валом посредством крепежных узлов, а кольцевой магнитопровод в соответствующем модуле несущего узла статора смонтирован на указанной кольцевой втулке, жестко скрепленной своим наружным упорным фланцем с боковой цилиндрической стенкой стакана и образующей совместно с последним кольцевую полость, в которой размещен указанный соответствующий кольцевой магнитопровод с электрическими катушками соответствующей якорной обмотки статора.

4. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что каждый из крепежных узлов, соединяющих кольцевую обечайку кольцевого ротора с опорным валом, включает смонтированную на опорном валу ступицу с фланцем, жестко скрепленным с внутренним упорным фланцем соответствующей кольцевой обечайки.

5. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов по п.4, отличающийся тем, что привод углового разворота модулей несущего узла статора друг относительно друга смонтирован посредством опорного узла на модулях несущего узла статора.

6. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов по п.5, отличающийся тем, что привод углового разворота друг относительно друга модулей несущего узла статора выполнен в виде винтового механизма с ходовым винтом и гайкой, а опорный узел привода углового разворота модулей несущего узла статора включает закрепленные на одном из упомянутых стаканов опорную проушину, а на другом стакане опорную планку, при этом ходовой винт шарнирно связан двухстепенным шарниром одним концом посредством оси, параллельной оси упомянутого опорного вала, с указанной опорной планкой, выполненной с расположенной по дуге окружности направляющей прорезью, а гайка винтового механизма шарнирно связана одним концом с упомянутой проушиной, выполнена на другом конце с хвостовиком, пропущенным через направляющую прорезь в опорной планке, и снабжена стопорным элементом.

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!

Целью данной работы является выяснение энергетических особенностей сверхединичных синхронных генераторов на постоянных магнитах, и, в частности, влияние тока нагрузки, создающего размагничивающее поле (реакцию якоря), на нагрузочную характеристику таких генераторов. Испытанию подвергались два дисковых синхронных генератора различной мощности и конструкции. Первый генератор представлен малым синхронным дисковым генератором с одним магнитным диском диаметром 6 дюймов, с шестью парами полюсов, и обмоточным диском с двенадцатью обмотками. Этот генератор изображен на испытательном стенде (Фото №1), и его полные испытания описаны в моей статье под названием: ,Экспериментальные исследования энергетической эффективности получения электрической энергии из магнитного поля постоянных магнитов». Второй генератор представлен большим дисковым генератором с двумя магнитными дисками диаметром 14 дюймов, с пятью парами полюсов, и обмоточным диском с десятью обмотками. Этот генератор еще не был комплексно испытан, и изображен на фото №3, самостоятельной электрической машиной, рядом с испытательным стендом маленького генератора. Вращение этого генератора производилось двигателем постоянного тока, установленным на его корпусе.
Выходные переменные напряжения генераторов выпрямлялись, сглаживались конденсаторами большой емкости, и измерение токов и напряжений в обеих генераторах производилось на постоянном токе цифровыми мультиметрами типа DT9205A.Для малого генератора измерения производились на стандартной частоте переменного тока в 60Гц, что для малого генератора соответствовало 600 об/мин. Для малого генератора измерения также производились и на кратной частоте в 120 Гц, что соответствовало 1200 об/мин. Нагрузка в обеих генераторах была чисто активной. В маленьком генераторе с одним магнитным диском магнитная цепь была разомкнута, а воздушный зазор между ротором и статором составлял около 1 мм. В большом генераторе, с двумя магнитными дисками, магнитная цепь была замкнута, а обмотки помещались в воздушном зазоре 12 мм.
При описании физических процессов в обеих генераторах, аксиомой является то, что у постоянных магнитов магнитное поле неизменно, и его нельзя ни уменьшить, ни увеличить. Это важно учитывать при анализе характера внешних характеристик этих генераторов. Поэтому в качестве переменной будем рассматривать только изменяющееся размагничивающее поле нагрузочных обмоток генераторов. Внешняя характеристика маленького генератора, при частоте 60 Гц, приведена на рис.1, на котором также изображена кривая выходной мощности генератора Рген, и кривая КПЭ. Характер кривой внешней характеристики генератора может быть объяснен, исходя из следующих соображений — если величина магнитного поля на поверхности полюсов магнитов и неизменна, то по мере удаления от этой поверхности она уменьшается, и, находясь вне тела магнита, может изменяться. При малых токах нагрузки поле нагрузочных обмоток генератора взаимодействует с ослабленной, рассеяной частью поля магнитов и сильно уменьшает его. В результате их общее поле сильно уменьшается, и выходное напряжение резко падает по параболе, поскольку мощность размагничивающего тока пропорциональка его квадрату. Это подтверждает и картина магнитного поля магнита и обмотки, полученная с помощью железных опилок. На фото №1 видна картина только самого магнита, и четко видно, что силовые линии поля сосредоточены у полюсов, в виде сгустков опилок. Ближе к центру магнита, где поле вообще нулевое, поле сильно ослабевает, так, что не может даже сдвинуть опилки. Вот это ослабленное поле и обнуляет реакция якоря обмотки, при малом токе в 0,1А, как это видно на фото №2. С дальнейшим увеличением тока нагрузки уменьшаются и более сильные поля магнита, находящиеся ближе к их полюсам, но уменьшать дальше, все возрастающее поле магнита, обмотка не может, и кривая внешней характеристики генератора постепенно выпрямляется, и превращается в прямую зависимости выходного напряжения генератора от тока нагрузки. Причем на этой линейной части нагрузочной характеристики, напряжения под нагрузкой уменьшаются меньше чем на нелинейной, и внешняя характеристика становится жеще. Она приближается к характеристике обычного синхронного генератора, но с меньшим начальным напряжением. В промышленных синхронных генераторах допускается до 30% падения напряжения под номинальной нагрузкой. Посмотрим же какие проценты падения напряжения у маленького генератора при 600 и 1200 об/мин. При 600 оборотах, напряжение его холостого хода составляло 26 Вольт, а под током нагрузки в 4 Ампера, упало до 9 Вольт, тоесть уменьшилось на 96,4% — это очень высокое падение напряжения, более чем в три раза превашающее норму. При 1200 оборотах, напряжение холостого хода стало уже 53,5 Вольт, а под тем-же током нагрузки в 4 Ампера, упало до 28 Вольт, тоесть уменьшилось уже на 47,2% — это уже ближе к допустимым 30%. Однако рассмотрим численные изменения жесткости внешней характеристики этого генератора в широком диапазоне нагрузок. Жесткость нагрузочной характеристики генератора определяется скоростью падения выходного напряжения под нагрузкой, поэтому просчитаем её, начиная от напряжения холостого хода генератора. Резкий и нелинейный спад этого напряжения наблюдается примерно до тока в один Ампер, и наиболее ярко выражен до тока в 0,5 Ампера. Так, при токе нагрузки в 0,1 Ампера, напряжение равно 23 Вольта и падает, по сравнению с напряжением холостого хода в 25 Вольт, на 2 Вольта, тоесть скорость падения напряжения составляет 20 В/A. При токе нагрузки в 1.0 Ампера напряжение уже равно 18 Вольт, и падает на 7 Вольт, по сравнению с напряжением холостого хода, тоесть скорость падения напряжения составляет уже 7 В/А, тоесть она уменьшилась в 2,8 раза. Такое повышение жесткости внешней характеристики продолжается и при дальнейшем увеличении нагрузки генератора. Так, при токе нагрузки в 1.7 Ампера, напряжение падает с 18 Вольт до 15,5 Вольт, тоесть скорость падения напряжения составляет уже 3,57 В/А, а при токе нагрузки в 4 Ампера, напряжение с 15,5 Вольт падает до 9 Вольт, тоесть скорость падения напряжения уменьшается до 2,8 В/А. Такой процесс сопровождается и постоянным увеличением выходной мощности генератора (Рис. 1), при одновременном повышением жесткости его внешней характеристики. Повышение выходной мощности, при этих 600 об/мин, обеспечивает при этом и достаточно высокий КПЭ генератора в 3,8 единиц. Аналогичные процессы происходят и при двойной синхронной скорости генератора (Рис. 2), тоже сильное квадратурное снижение выходного напряжения при малых токах нагрузки, с дальнейшим повышением жесткости его внешней характеристики с увеличением нагрузки, отличия только в численных значениях. Возьмем только два крайних случая нагрузки генератора — минимального и максимального токов. Так при минимальном токе нагрузки в 0,08 А, напряжение равно 49,4 В, и падает, по сравнению с напряжением в 53,5 В на 4,1 В. Тоесть скорость падения напряжения составляет 51,25 В/А, и более чем в два раза превышает эту скорость при 600 об/мин. При максимальном токе нагрузки в 3,83 А, напряжение уже равно 28,4 В, и падает, по сравнению с 42 В при токе в 1,0 А, на 13,6 В. Тоесть скорость падения напряжения составила 4,8 В/А, и в 1,7 раза превышает эту скорость при 600 об/мин. Из этого можно сделать вывод, что увеличение скорости вращения генератора значительно снижает жесткость его внешней характеристики на её начальном участке, но не значительно снижает её на линейном участке его нагрузочной характеристики. Характерно, что при этом, при полной нагрузке генератора в 4 Ампера, процентное падение напряжения оказывается при этом меньше чем при 600 оборотах. Это объясняется тем, что выходная мощность генератора пропорциональна квадрату генерируемого напряжения, тоесть оборотам ротора, а мощность размагничивающего тока пропорциональна квадрату тока нагрузки. Поэтому при номинальной, полной нагрузке генератора размагничивающая мощность, по отношению к выходной, оказывается меньше, и прцентное падение напряжения снижается. Главной положительной особенностью более высокой скорости вращения маленького генератора является существенное повышение его КПЭ. При 1200 об/мин КПЭ генератора увеличился, с 3,8 единиц при 600 об/мин, до 5,08 единиц.
Большой генератор концептуально имеет иную конструкцию, основанную на применении второго закона Кирхгофа в магнитных цепях. Этот закон гласит, что если в магнитной цепи имеются два, или несколько источников МДС (в виде постоянных магнитов), то в магнитном контуре эти МДС алгебраически суммируются. Поэтому, если мы возьмем два одинаковых магнита, и одни их разноименные полюса соеденим магнитопроводом, то в воздушном зазоре других двух разноименных полюсов возникает удвоенная МДС. Этот принцип и положен в конструкцию большого генератора. Такие же плоские по форме обмотки, как и в магеньком генераторе, и помещены в этот образовавшийся воздушный зазор с двойной МДС. Как повлияло это на внешнюю характеристику генератора показали его испытания. Испытания этого генератора производились на стандартной частоте в 50Гц, что, так-же, как и в маленьком генераторе, соответствует 600 об/мин. Была сделана попытка сравнить внешние характеристики этих генераторов при одинаковых напряжениях их холостого хода. Для этого скорость вращения большого генератора была понижена до 108 об/мин, и его выходное напряжение понизилось до 50 Вольт, напряжения близкого к напряжению холостого хода маленького генератора при скорости вращения 1200 об/мин. Полученная таким образом внешняя характеристика большого генератора приведена на том-же рисунке №2, где изображена и внешняя характеристика маленького генератора. Сравнение этих характеристик показывает, что при таком, очень низком выходном напряжении для большого генератора, его внешняя характеристика оказывается очень мягкой, даже по сравнения не со столь жесткой внешней характеристикой маленького генератора. Поскольку оба сверединичных генератора способны к самовращению, то предстояло выяснить, что требуется для этого в их энергетических характеристиках. Поэтому проводилось и экспериментальное исследовани мощности, потребляемой приводным электродвигателем, без потребления свободной энергии от большого генератора, тоесть измерение потерь холостого хода генератора. Эти исследования проводились для двух разных передаточных отношений понижающего редуктора между валом электродвигателя и валом генератора, с целью их влияния на потребляемую мощность холостого хода генератора. Все эти измерения проводились в диапазоне от 100 до 1000 об/мин. Измерялось напряжение питания приводного электродвигателя, потребляемый им ток, и рассчитывалась мощность холостого хода генератора, при передаточных отношениях редуктора равных 3,33 и 4,0. На рис.№3 приведены графики изменений этих величин. Напряжение питания приводного электродвигателя линейно возрастало с увеличением оборотов при обеих редукторных отношениях, а потребляемый ток имел небольшую нелинейность, вазванную квадратичной зависимостью электрической составляющей мощности от тока. Механическая же составляющая потребляемой мощности, как известно, линейно зависит от скорости вращения. Замечено, что повышение передаточного отношения редуктора снижает потребляемый ток во всем диапазоне скоростей, и особенно при больших скоростях. И это естественно сказывается и на потребляемой мощности — эта мощность снижается пропорционально увеличению передаточного отношения редуктора, и в данном случае примерно на 20%. Внешняя характеристика большого генератора снималась только при передаточном отношении равном четырем, но при двух значениях оборотов — 600 (частота 50 Гц) и 720 (частота 60 Гц). Эти нагрузочные характеристики приведены на рис.4. Это характеристики, в отличие от характеристик маленького генератора, имеют линейный характер, с очень малым падением напряжения под нагрузкой. Так при 600 об/мин напряжение холостого хода в 188 В под током нагрузки 0,63 А упало на 1,0 В. При 720 об/мин напряжение холостого хода в 226 В под током нагрузки 0,76 А упало тоже на 1,0 В. При дальнейшем увеличении нагрузки генератора эта закономерность сохранялась, и можно считать что скорость падения напряжения составляет примерно 1 В на Ампер. Если посчитать процентное падение напряжения, то для 600 оборотов оно составляло 0,5%, а для 720 оборотов 0,4%. Это падение напряжения обусловлено только падением напряжения на активном сопротивлении цепи обмотки генератора — самой обмотки, выпрямителя и соеденительных проводов, а оно равно примерно 1,5 Ом. Размагничивающее действие генераторной обмотки под нагрузкой при этом не проявлялось, или проявлялось очень слабо при больших токах нагрузки. Это объясняется тем, что удвоенное магнитное поле, в столь узком воздушном зазоре, где и находится обмотка генератора, реакция якоря не может преодолеть, и непряжение генерируется в.этом удвоенном магнитном поле магнитов. Главной отличительной особенностью внешних характеристик большого генератора является то, что и при малых токах нагрузки они линейны, нет резких падений напряжения, как в маленьком генераторе, и это объясняется тем, что существующая реакция якоря не может проявить себя, не может преодолеть поле постоянных магнитов. Поэтому можно сделать следующие рекомендации для разработчиков генераторов СЕ на постоянных магнитах:

1. Ни в каком случае не применяйте в них разомкнутых магнитных цепей, это приводит к сильному рассеиванию и недоиспользованию магнитного поля.
2. Поле рассеивания легко преодолевается реакцией якоря, что приводит к резкому смягчению внешней характеристики генератора, и невозможности снять с генератора расчетную мощность.
3. Мощность генератора вы можете удвоить, при одновременном увеличении жесткости внешней характеристики, применив в его магнитной цепи два магнита, и создав поле с удвоенной МДС.
4. В этом поле с удвоенной МДС нельзя помещать катушки с ферромагнитными сердечниками, ибо это приводит к магнитному соединению двух магнитов, и исчезновению эффекта удвоения МДС.
5. В электроприводе генератора применяйте такое передаточное отношение редуктора, которое наиболее эффективно позволит вам уменьшить потери на входе генератор на холостом ходу.
6. Рекомендую дисковую конструкцию генератора, это наиболее простая конструкция, доступная в изготовлении в домашних условиях.
7. Дисковая конструкция позволяет использовать корпус и вал с подшибниками от обычного электродвигателя.

И наконец пожелаю вам упорства и терпения в создании
реально действующего генератора.

Содержание:

В современных условиях предпринимаются постоянные попытки усовершенствования электромеханических устройств, снижения их массы и габаритных размеров. Одним из таких вариантов является генератор на постоянных магнитах, представляющий собой достаточно простую конструкцию с высоким коэффициентом полезного действия. Основная функция данных элементов заключается в создании вращающегося магнитного поля.

Виды и свойства постоянных магнитов

С давних пор были известны постоянные магниты, получаемые из традиционных материалов. В промышленности впервые начал использоваться сплав алюминия, никеля и кобальта (алнико). Это дало возможность применять постоянные магниты в генераторах, двигателях и других видах электрооборудования. Особенно широкое распространение получили ферритовые магниты.

Впоследствии были созданы самарий-кобальтовые жесткие магнитные материалы, энергия которых обладает высокой плотностью. Вслед за ними произошло открытие магнитов на основе редкоземельных элементов - бора, железа и неодима. Плотность их магнитной энергии значительно выше, чем самарий-кобальтового сплава при значительно низкой стоимости. Оба вида искусственных материалов успешно заменяют электромагниты и применяются в специфических областях.Неодимовые элементы относятся к материалам нового поколения и считаются наиболее экономичными.

Принцип работы устройств

Главной проблемой конструкции считался возврат вращающихся деталей в исходной положение без существенных потерь крутящего момента. Данная проблема была решена с помощью медного проводника, по которому был пропущен электрический ток, вызывающий притяжение. При отключении тока, действие притяжения прекращалось. Таким образом, в устройствах этого типа использовалось периодическое включение-отключение.

Повышенный ток создает увеличенную силу притяжения, а та, в свою очередь, участвует в выработке тока, проходящего через медный проводник. В результате циклических действий, устройство, кроме совершения механической работы, начинает производить электрический ток, то есть выполнять функции генератора.

Постоянные магниты в конструкциях генераторов

В конструкциях современных устройств, кроме постоянных магнитов применяются электромагниты с в катушке. Такая функция комбинированного возбуждения позволяет получить необходимые регулировочные характеристики напряжения и частоты вращения при пониженной мощности возбуждения. Кроме того, уменьшается величина всей магнитной системы, что делает подобные устройства значительно дешевле по сравнению с классическими конструкциями электрических машин.

Мощность устройств, в которых используются данные элементы может составлять только несколько киловольт-ампер. В настоящее время ведутся разработки постоянных магнитов с лучшими показателями, обеспечивающими постепенный рост мощности. Подобные синхронные машины используются не только в качестве генераторов, но и как двигатели различного назначения. Они широко применяются в горнодобывающей и металлургической отрасли, тепловых станциях и других сферах. Это связано с возможностью работы синхронных двигателей с различными реактивными мощностями. Сами они работают с точной и постоянной скоростью.

Станции и подстанции функционируют вместе со специальными синхронными генераторами, которые в режиме холостого хода обеспечивают выработку только реактивной мощности. В свою очередь, обеспечивает работу асинхронных двигателей.

Генератор на постоянных магнитах работает по принципу взаимодействия магнитных полей движущегося ротора и неподвижного статора. Не до конца изученные свойства этих элементов позволяют работать над изобретением других электротехнических устройств, вплоть до создания безтопливного .