Синхронные генераторы с постоянными магнитами. Экспериментальные исследования энергетической эффективности сверхединичных синхронных генераторов на постоянных магнитах Генераторы с возбуждением постоянными магнитами

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.

Настоящее изобретение относится к области электротехники, а именно к бесколлекторным электрическим машинам, в частности электрогенераторам постоянного тока, и может быть использовано в любой области науки и техники, где требуются автономные источники питания. Технический результат - создание компактного высокоэффективного электрического генератора, который позволяет при сохранении относительно простой и надежной конструкции широко варьировать выходные параметры электрического тока в зависимости от условий эксплуатации. Сущность изобретения состоит в том, что бесколлекторный синхронный генератор с постоянными магнитами состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых включает ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, устройство для выпрямления электрического тока. Постоянные магниты закреплены на магнитопроводе таким образом, что образуют два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью. Электромагниты сориентированы поперек названных рядов полюсов так, что каждая из катушек электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора. Количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению: n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. Количество электромагнитов в генераторе обычно не превышает число (n-2). 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

Рисунки к патенту РФ 2303849

Настоящее изобретение относится к бесколлекторным электрическим машинам, в частности электрогенераторам постоянного тока, и может быть использовано в любой области науки и техники, где требуются автономные источники питания.

Синхронные машины переменного тока получили самое широкое распространение как в сфере производства, так и в сфере потребления электрической энергии. Все синхронные машины обладают свойством обратимости, то есть каждая из них может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Синхронный генератор содержит статор, обычно это полый шихтованный цилиндр с продольными пазами на внутренней поверхности, в которых расположена обмотка статора, и ротор, представляющий собой постоянные магниты чередующейся полярности, расположенные на валу, который может приводиться в движение тем или иным способом. В промышленных генераторах большой мощности для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения, расположенную на роторе. В синхронных генераторах относительно небольшой мощности применяют постоянные магниты, расположенные на роторе.

При неизменной частоте вращения форма кривой ЭДС, вырабатываемой генератором, определяется только законом распределения магнитной индукции в зазоре между ротором и статором. Поэтому для получения напряжения на выходе генератора определенной формы и для эффективного преобразования механической энергии в электрическую используют различную геометрию ротора и статора, а также подбирают оптимальное количество постоянных магнитных полюсов и число витков обмотки статора (US 5117142, US 5537025, DE 19802784, ЕР 0926806, WO 02/003527, US 2002153793, US 2004021390, US 2004212273, US 2004155537). Перечисленные параметры не являются универсальными, а выбираются в зависимости от условий эксплуатации, что зачастую ведет к ухудшению других характеристик электрогенератора. Кроме того, сложная форма ротора или статора усложняет изготовление и сборку генератора и, как следствие, увеличивает себестоимость изделия. Ротор синхронного магнитоэлектрического генератора может иметь различную форму, например, при малой мощности ротор обычно выполняют в виде «звездочки», при средней мощности - с когтеобразными полюсами и цилиндрическими постоянными магнитами. Ротор с когтеобразными полюсами дает возможность получить генератор с рассеянием полюсов, ограничивающим ударный ток при внезапном коротком замыкании генератора.

В генераторе с постоянными магнитами затруднена стабилизация напряжения при изменении нагрузки (поскольку отсутствует обратная магнитная связь, как, например, в генераторах с обмоткой возбуждения). Для стабилизации выходного напряжения и выпрямления тока используют различные электрические схемы (GB 1146033).

Настоящее изобретение направлено на создание компактного высокоэффективного электрического генератора, который позволяет при сохранении относительно простой и надежной конструкции широко варьировать выходные параметры электрического тока в зависимости от условий эксплуатации.

Электрогенератор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, является бесколлекторным синхронным генератором с постоянными магнитами. Он состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых включает:

Ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов,

Статор, несущий четное число подковообразных (П-образных) электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга и имеющих по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки,

Устройство для выпрямления электрического тока.

Постоянные магниты закреплены на магнитопроводе таким образом, что образуют два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью. Электромагниты сориентированы поперек названных рядов полюсов так, что каждая из катушек электромагнита расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора. Количество полюсов в одном ряду, равное n, удовлетворяет соотношению: n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. Количество электромагнитов в генераторе обычно не превышает число n-2.

Устройство для выпрямления тока обычно представляет собой одну из стандартных выпрямительных схем, выполненных на диодах: двухполупериодную со средней точкой или мостовую, соединенную с обмотками каждого электромагнита. В случае необходимости может быть также использована иная схема выпрямления тока.

В зависимости от особенностей эксплуатации электрогенератора ротор может располагаться как с внешней стороны статора, так и внутри статора.

Электрогенератор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, может включать несколько идентичных секций. Количество таких секций зависит от мощности источника механической энергии (приводного двигателя) и требуемых параметров электрогенератора. Предпочтительно, чтобы секции были сдвинуты по фазе относительно друг друга. Это может достигаться, например, начальным сдвигом ротора в соседних секциях на угол , лежащий в диапазоне от 0° до 360°/n; или угловым сдвигом электромагнитов статора в соседних секциях относительно друг друга. Предпочтительно, чтобы электрогенератор также включал блок регулятора напряжений.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:

на Фиг.1(а) и (б) изображена схема электрогенератора, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, у которого ротор расположен внутри статора;

на Фиг.2 представлено изображение одной секции электрогенератора;

на Фиг.3 представлена принципиальная электрическая схема электрогенератора с двухполупериодной со средней точкой схемой выпрямления тока;

на Фиг.4 представлена принципиальная электрическая схема электрогенератора с одной из мостовых схем выпрямления тока;

на Фиг.5 представлена принципиальная электрическая схема электрогенератора с другой мостовой схемой выпрямления тока;

на Фиг.6 представлена принципиальная электрическая схема электрогенератора с другой мостовой схемой выпрямления тока;

на Фиг.7 представлена принципиальная электрическая схема электрогенератора с другой мостовой схемой выпрямления тока;

на Фиг.8 изображена схема электрогенератора с наружным исполнением ротора;

на Фиг.9 представлено изображение многосекционного генератора, выполненного в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.1(а) и (б) представлен электрогенератор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, который содержит корпус 1; ротор 2 с круговым магнитопроводом 3, на котором с одинаковым шагом закреплено четное число постоянных магнитов 4; статор 5, несущий четное число подковообразных электромагнитов 6, расположенных попарно напротив друг друга, и средство для выпрямления тока (не показано).

Корпус 1 электрогенератора обычно отливают из алюминиевого сплава или чугуна либо делают сварным. Монтаж электрогенератора в месте его установки осуществляют посредством лап 7 или посредством фланца. Статор 5 имеет цилиндрическую внутреннюю поверхность, на которой с одинаковым шагом крепятся идентичные электромагниты 6. В данном случае десять. Каждый из указанных электромагнитов имеет по две катушки 8 с последовательно встречным направлением обмотки, расположенных на П-образном сердечнике 9. Пакет сердечника 9 собирается из нарубленных пластин электротехнической стали на клею или склепывается. Выводы обмоток электромагнитов через одну из выпрямительных схем (не показано) подключаются к выходу электрогенератора.

Ротор 3 отделен от статора воздушным промежутком и несет четное число постоянных магнитов 4, расположенных таким образом, что образуются два параллельных ряда полюсов, равноудаленных от оси генератора и чередующихся по полярности в продольном и поперечном направлениях (Фиг.2). Количество полюсов в одном ряду удовлетворяет соотношению: n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д. В данном случае (Фиг.1) n=14 (k=1) и соответственно общее число постоянных магнитных полюсов равно 28. При вращении электрогенератора каждая из катушек электромагнитов проходит над соответствующим рядом чередующихся полюсов. Постоянные магниты и сердечники электромагнитов имеют форму такую, чтобы минимизировать потери и добиться однородности (насколько это возможно) магнитного поля в воздушном зазоре при работе электрогенератора.

Принцип действия электрогенератора, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, аналогичен принципу действия традиционного синхронного генератора. Вал ротора механически связан с приводным двигателем (источником механической энергии). Под действием вращающего момента приводного двигателя ротор генератора вращается с некоторой частотой. При этом в обмотке катушек электромагнитов в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводится ЭДС. Поскольку катушки отдельного электромагнита имеют разное направление обмотки и находятся в любой момент времени в зоне действия различных магнитных полюсов, то наводимая ЭДС в каждой из обмоток складывается.

В процессе вращения ротора магнитное поле постоянного магнита вращается с некоторой частотой, поэтому каждая из обмоток электромагнитов попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (S) магнитного полюса. При этом смена полюсов сопровождается изменением направления ЭДС в обмотках электромагнитов.

Обмотки каждого электромагнита соединены с устройством для выпрямления тока, которое обычно представляет собой одну из стандартных выпрямительных схем, выполненных на диодах: двухполупериодную со средней точкой или одну из мостовых схем.

На Фиг.3 представлена принципиальная электрическая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой, для электрогенератора с тремя парами электромагнитов 10. На Фиг.3 электромагниты пронумерованы от I до VI. Один из выводов обмотки каждого электромагнита и разноименный с ним вывод обмотки противоположного электромагнита подключены к одному выходу 12 генератора; другие выводы обмоток названных электромагнитов подключены через диоды 11 к другому выходу 13 генератора (при данном включении диодов выход 12 будет отрицательным, а выход - 13 положительным). То есть если для электромагнита I начало обмотки (В) подключается к отрицательной шине, то для противоположного ему электромагнита IV к отрицательной шине подключается конец обмотки (Е). Аналогично и для других электромагнитов.

На Фиг.4-7 представлены различные мостовые схемы выпрямления тока. Соединение мостов, выпрямляющих ток от каждого из электромагнитов, может быть параллельное, последовательное или смешанное. Вообще различные схемы используют для перераспределения выходных токовых и потенциальных характеристик электрогенератора. Один и тот же электрогенератор, в зависимости от режимов эксплуатации, может иметь ту или иную схему выпрямления. Предпочтительно, чтобы электрогенератор содержал дополнительный переключатель, позволяющий выбирать требуемый режим работы (схему соединения мостов).

На Фиг.4 представлена принципиальная электрическая схема электрогенератора с одной из мостовых схем выпрямления тока. Каждый из электромагнитов I-VI подключен к отдельному мосту 15, которые в свою очередь соединены параллельно. Общие шины подключены соответственно к отрицательному выходу 12 электрогенератора или к положительному 13.

На Фиг.5 представлена электрическая схема с последовательным соединением всех мостов.

На Фиг.6 представлена электрическая схема со смешанным соединением. Мосты, выпрямляющие ток от электромагнитов: I и II; III и IV; V и VI, соединены попарно последовательно. А пары в свою очередь соединены параллельно через общие шины.

На Фиг.7 представлена принципиальная электрическая схема электрогенератора, в которой отдельный мост выпрямляет ток от пары диаметрально противоположных электромагнитов. Для каждой пары диаметрально противоположных электромагнитов одноименные выводы (в данном случае «В») электрически соединены между собой, а оставшиеся выводы подсоединены к выпрямляющему мосту 15. Общее количество мостов равно m/2. Между собой мосты могут быть соединены параллельно и/или последовательно. На Фиг.7 изображено параллельное соединение мостов.

В зависимости от особенностей эксплуатации электрогенератора ротор может располагаться как с внешней стороны статора, так и внутри статора. На Фиг.8 изображена схема электрогенератора с наружным исполнением ротора (10 электромагнитов; 36=18+18 постоянных магнитов (k=2)). Конструкция и принцип действия такого электрогенератора аналогичны описанному выше.

Электрогенератор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, может включать несколько секций А, В и С (Фиг.9). Количество таких секций зависит от мощности источника механической энергии (приводного двигателя) и требуемых параметров электрогенератора. Каждая из секций соответствует одной из конструкций, описанных выше. Электрогенератор может включать как идентичные секции, так и секции, отличающиеся друг от друга числом постоянных магнитов и/или электромагнитов или схемой выпрямления.

Предпочтительно, чтобы идентичные секции были сдвинуты по фазе относительно друг друга. Это может достигаться, например, начальным сдвигом ротора в соседних секциях и угловым сдвигом электромагнитов статора в соседних секциях относительно друг друга.

Примеры реализации:

Пример 1. В соответствии с настоящим изобретением был изготовлен электрогенератор для питания электроприборов напряжением до 36 В. Электрогенератор выполнен с вращающимся внешним ротором, на котором размещено 36 постоянных магнитов (по 18 в каждом ряду, k=2), изготовленных из сплава Fe-Nd-В. Статор несет 8 пар электромагнитов, каждый из которых имеет по две катушки, содержащие по 100 витков провода ПЭТВ диаметром 0,9 мм. Схема включения - мостовая, с соединением одноименных выводов диаметрально противоположных электромагнитов (Фиг.7).

внешний диаметр - 167 мм;

напряжение на выходе - 36 В;

максимальный ток - 43 А;

мощность - 1,5 кВт.

Пример 2. В соответствии с настоящим изобретением был изготовлен электрогенератор для подзарядки блоков питания (пара батарей на 24 В) для электромобилей городского типа. Электрогенератор выполнен с вращающимся внутренним ротором, на котором размещено 28 постоянных магнитов (по 14 в каждом ряду, k=1), изготовленных из сплава Fe-Nd-В. Статор несет 6 пар электромагнитов, каждый из которых имеет по две катушки, содержащие по 150 витков, намотанных проводом ПЭТВ диаметром 1,0 мм. Схема включения - двухполупериодная со средней точкой (Фиг.3).

Электрогенератор обладает следующими параметрами:

внешний диаметр - 177 мм;

напряжение на выходе - 31 В (для зарядки 24 В блока аккумуляторов);

максимальный ток - 35А,

максимальная мощность - 1,1 кВт.

Дополнительно электрогенератор содержит автоматический регулятор напряжения на 29,2 В.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Электрогенератор, содержащий, по крайней мере, одну круговую секцию, включающую ротор с круговым магнитопроводом, на котором с одинаковым шагом закреплено четное количество постоянных магнитов, образующих два параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью, статор, несущий четное число подковообразных электромагнитов, расположенных попарно напротив друг друга, устройство для выпрямления электрического тока, где каждый из электромагнитов имеет по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки, при этом каждая из катушек электромагнитов расположена над одним из параллельных рядов полюсов ротора и количество полюсов в одном ряду равное n удовлетворяет соотношению

n=10+4k, где k - целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д.

2. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что количество электромагнитов статора m удовлетворяет соотношению m n-2.

3. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что устройство для выпрямления электрического тока содержит диоды, подключенные к, по крайней мере, одному из выводов обмоток электромагнитов.

4. Электрогенератор по п.3, отличающийся тем, что диоды подключены по двухполупериодной со средней точкой схеме.

5. Электрогенератор по п.3, отличающийся тем, что диоды подключены по мостовой схеме.

6. Электрогенератор по п.5, отличающийся тем, что количество мостов равно m, и они соединены между собой последовательно, или параллельно, или последовательно-параллельно.

7. Электрогенератор по п.5, отличающийся тем, что количество мостов равно m/2 и одни из одноименных выходов каждой пары диаметрально противоположных электромагнитов соединены между собой, а другие подключены к одному мосту.

8. Электрогенератор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что ротор расположен с внешней стороны статора.

9. Электрогенератор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что ротор расположен внутри статора.

10. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что содержит, по крайней мере, две идентичные секции.

11. Электрогенератор по п.10, отличающийся тем, что, по крайней мере, две секции сдвинуты по фазе относительно друг друга.

12. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что содержит, по крайней мере, две секции, различающиеся числом электромагнитов.

13. Электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит блок регулятора напряжений.

Владельцы патента RU 2548662:

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения, в частности к синхронным генераторам с возбуждением от постоянных магнитов. Технический результат: стабилизация выходного напряжения и активной мощности. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов содержит несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии. Магнитопровод снабжен размещенными на полюсных выступах электрическими катушками с многофазной якорной обмоткой статора. Кольцевой ротор установлен на опорном валу с возможностью вращения в опорных подшипниках вокруг кольцевого магнитопровода статора. На внутренней боковой стенке ротора смонтирован кольцевой магнитный вкладыш с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами из р-пар. Магнитный вкладыш выполнен в виде двух одинаковых колец, имеющих возможность перемещения в осевом направлении. Между кольцами расположен упругий элемент. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения, в частности к синхронным генераторам с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в автономных источниках электропитания как стандартной промышленной частоты, так и повышенной частоты, в электрических машинах и энергоустановках. В частности, заявляемый синхронный генератор может быть использован в качестве автономного источника энергии на автомобилях, катерах и других транспортных средствах.

Известен синхронный генератор, содержащий статор с системой проводников и ротор, имеющий систему возбуждения с постоянными магнитами, причем между статором и ротором находится активная поверхность - воздушный зазор, ротор выполнен в виде наружного ротора с активной поверхностью с внутренней стороны, ротор имеет, если смотреть по направлению вращательного движения, чередующиеся друг с другом по направлению вращения намагниченные постоянные магниты и участки из магнитопроводного материала, постоянные магниты выполнены из материала с магнитной проницаемостью, близкой к проницаемости воздуха, постоянные магниты, если измерять в направлении вращения, имеют увеличивающуюся с увеличением расстояния от активной поверхности ширину, а магнитопроводные участки - уменьшающуюся с увеличением расстояния от активной поверхности ширину, магнитопроводные участки имеют поверхность, через которую выходит магнитный поток и которая обращена к активной поверхности, причем она меньше, чем сумма поверхностей поперечного сечения магнитного потока обоих примыкающих к ней постоянных магнитов, в результате чего магнитный поток постоянных магнитов концентрируется к активной поверхности полюса статора, если измерять в направлении вращения, имеют почти такую же ширину, как поверхность магнитопроводных участков, через которую выходит магнитный поток (патент РФ №2141716, МПК Н02K 21/12, опубликовано 20.11.1991).

Известен синхронный генератор, содержащий многополюсный якорь, имеющий n полюсов (n - целое число) с обмотками, и систему возбуждения, образованную множеством постоянных магнитов. При этом постоянные магниты имеют (n-1) полюсов для создания магнитного поля возбуждения при вращении относительно якоря, причем постоянные магниты намагничены вдоль направления вращения, а полюса выполнены со скосом относительно вращения системы возбуждения (патент РФ №2069441, МПК Н02K 21/22, опубликовано 20.11.1996).

Общим недостатком данных синхронных генератора являются ограниченные функциональные возможности по стабилизации при увеличении нагрузки выходного напряжения и активной мощности, зависящих от величины общего магнитного потока. При этом в конструктивном исполнении данных генераторов отсутствуют элементы, позволяющие оперативно изменять величину общего магнитного потока, создаваемого отдельными постоянными магнитами кольцевого магнитного вкладыша.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения 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, снабженный размещенными на полюсных выступах электрическими катушками с многофазной якорной обмоткой статора, установленный на опорном валу с возможностью вращения в 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 р-пар, охватывающим полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки кольцевого магнитопровода статора. Несущий узел статора выполнен из группы одинаковых модулей с 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 (патент РФ №2273942, МПК Н02K 21/22, Н02K 21/12, опубликовано 27.07.2006).

Недостатком известного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов является необходимость использования группы модулей, что приводит к усложнению конструкции, увеличению массы и габаритов генератора. Это в свою очередь приводит к снижению эксплуатационных характеристики генератора.

Кроме того, также как и в упомянутых аналогах, в известном генераторе отсутствуют элементы, позволяющие оперативно изменять величину общего магнитного потока отдельных постоянных магнитов, образующих кольцевой магнитный вкладыш.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей синхронного генератора, за счет снабжения электроэнергией самых различных приемников переменного многофазного электрического тока с различными параметрами питающего напряжения.

Технический результат - стабилизация выходного напряжения и активной мощности, за счет введения в конструкцию синхронного генератора упругих элементов.

Технический результат достигается тем, что в синхронном генераторе с возбуждением от постоянных магнитов, содержащем несущий узел статора с подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженный размещенными на полюсных выступах электрическими катушками с многофазной якорной обмоткой статора, установленный на опорном валу с возможностью вращения в 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 р-пар, охватывающим полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки кольцевого магнитопровода статора, согласно изобретению, кольцевой магнитный вкладыш выполнен в виде двух одинаковых колец, имеющих возможность перемещения в осевом направлении, при этом между кольцами расположен упругий элемент.

При изменении нагрузки на генераторе ток, протекающий по якорной обмотке статора, изменяется, при этом изменяется сила притяжения, действующая на магнитные вкладыши. Последние в той ли иной степени втягиваются в воздушный зазор, сжимая упругий элемент, увеличивая или уменьшая тем самым общий магнитный поток. И за счет этого стабилизируется напряжение и активная мощность на зажимах обмотки статора генератора.

Упругий элемент может быть цельным, в виде волнообразной упругой шайбы или составным, в виде отдельных пружин.

Приведенный в качестве примера упругий элемент выполнен в виде пружин.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На фиг. 1 изображен общий вид предложенного синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов в продольном разрезе, с магнитными вкладышами в нерабочем положении.

На фиг. 2 представлен вид, когда магнитные вкладыши находятся в рабочем положении.

На обеих фигурах упругий элемент выполнен в виде пружин.

Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов содержит внутренний корпус 1 статора, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод 2 (например, в виде монолитного диска из порошкового композиционного магнитотвердого материала) с полюсными выступами по периферии, снабженный размещенными на них электрическими катушками (секциями) 3, с многофазными (например, трехфазными, а в общем случае n-фазными) якорными обмотками статора. На валу 4 с возможностью вращения на подшипниках 5, 6 вокруг несущего узла статора, установлен кольцевой ротор 7, со смонтированными на внутренней боковой стенке кольцевыми магнитными вкладышами 8 (например, в виде монолитных магнитных колец из порошкового магнитоанизотропного материала) с чередующимися в окружном направлении магнитными полюсами из р-пар, и выполненные в виде одинаковых по конструкции колец с возможностью перемещения в пазах 9 в направлении оси вращения, и исключающих их поворот относительно кольцевого ротора 7, разделенный упругим элементом 10, например пружинами сжатия. И охватывающие полюсные выступы с якорной обмоткой кольцевого магнитопровода статора. Кольцевой ротор 7 включает в себя кольцевые магнитные вкладыши 8, упругий элемент 10 и упорное кольцо 11. Статор включает в себя кольцевой магнитопровод 2, катушки якорной обмотки 3, внутренний корпус 1 и внешний корпус 12 с центральными отверстиями 13 в торце. Внутренний корпус 1 несущего узла статора сопряжен своей внутренней цилиндрической боковой стенкой с подшипником 5, а внешний корпус 12 с подшипником 6. Кольцевой ротор 7 соединен с валом 4. Кольцевой магнитопровод 2 (с обмотками 3) статора установлен на указанный внутренний корпус 1, который жестко закреплен с внешним корпусом 12, и образуют совместно с последним кольцевую полость 14. Вентилятор 15 для охлаждения якорных обмоток статора расположен на конце вала 4. На внешний корпус установлен кожух 16. Фазы (А, В, С) якорной обмотки 3 на кольцевом магнитопроводе 2 статора соединены между собой в электрическую схему.

Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов работает следующим образом.

От привода, например от двигателя внутреннего сгорания, через шкив клиноременной передачи (на чертеже не показан), вращательное движение передается к валу 4 с кольцевым ротором 7. При вращении кольцевого ротора 7 с кольцевыми магнитными вкладышами 8 создается вращающийся магнитный поток, пронизывающий воздушный кольцевой зазор между кольцевыми магнитными вкладышами 8 и кольцевым магнитопроводом 2 статора, а также пронизывающие радиальные полюсные выступы (на чертеже не показаны) кольцевого магнитопровода 2 статора. При вращении кольцевого ротора 7 осуществляется также попеременное прохождение "северных" и "южных" чередующихся магнитных полюсов кольцевых магнитных вкладышей 8 над радиальными полюсными выступами кольцевого магнитопровода 2 статора, вызывающее вращение магнитного потока как по величине, так и по направлению в радиальных полюсных выступах кольцевого магнитопровода 2. При этом в якорной обмотке 3 статора наводятся синусоидальная электродвижущая сила (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 8 на частоту вращения кольцевого ротора 7. Переменный ток (например, трехфазный), протекающий по якорной обмотке статора 3, подается на выходные электрические силовые разъемы (на чертеже не показаны) для подключения приемников электрической энергии переменного тока.

При увеличении нагрузки на генератор ток, протекающий по якорной обмотке статора 3, увеличивается, при этом увеличивается также сила притяжения, действующая на кольцевые магнитные вкладыши 8. Последние втягиваются в воздушный зазор, сжимая упругий элемент 10, усиливая магнитный поток кольцевых магнитных вкладышей 8. За счет этого стабилизируется напряжение на зажимах обмотки 3 статора генератора. Выполнение статора с указанными кольцевым магнитопроводом 2 и кольцевым ротором 7, смонтированным на одном валу 4, а также кольцевого ротора с возможностью втягивания кольцевых магнитных вкладышей 8 в воздушный зазор, позволяют стабилизировать выходное напряжение и активную мощность синхронного генератора в заданных пределах.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить стабилизацию как выходного напряжения, так и активной мощности при изменении электрической нагрузки генератора.

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.

Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, содержащий несущий узел статора с опорными подшипниками, на котором смонтирован кольцевой магнитопровод с полюсными выступами по периферии, снабженный размещенными на полюсных выступах электрическими катушками, с многофазной якорной обмоткой статора, установленный на опорном валу с возможностью вращения в 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 р-пар, охватывающим полюсные выступы с электрическими катушками якорной обмотки кольцевого магнитопровода статора, отличающийся тем, что магнитный вкладыш выполнен в виде двух одинаковых колец, имеющих возможность перемещения в осевом направлении, при этом между кольцами расположен упругий элемент.

Похожие патенты:

Данное изобретение относится к электрической машине (1) для гибридных или электрических транспортных средств. Машина содержит внешний ротор, статор (2), расположенный внутри ротора (3), ротор содержит несущий элемент (4) ротора, роторные пластины (5) и постоянные магниты (6), несущий элемент (4) ротора содержит первую, радиально проходящую часть (7) несущего элемента и вторую, проходящую в осевом направлении часть (8) несущего элемента, которая соединена с ним, вторая часть (8) несущего элемента несет роторные пластины (5) и постоянные магниты (6), а статор (2) имеет статорные пластины (9) и обмотки (10), обмотки образуют головки обмоток (11, 12), которые проходят в осевом направлении с обеих сторон над статорными пластинами (9), также имеет колесо (14) крыльчатки, которое соединено с несущим элементом (4) ротора.

Бесконтактные синхронные генераторы с постоянными магнитами (СГПМ) имеют простую электрическую схему, не потребляют энергии на возбуждение и имеют повышенный КПД, отличаются высокой надежностью работы, менее чувствительны к действию реакции якоря, чем обычные машины, их недостатки связаны с невысокими регулирующими свойствами через то, что рабочий поток постоянных магнитов нельзя изменять в широких пределах. Однако во многих случаях эта особенность не является определяющей и не препятствует широкому их применению.

Большинство СГПМ, применяемых в настоящее время, имеют магнитную систему с постоянными магнитами, которые вращаются. Поэтому магнитные системы отличаются друг от друга в основном конструкцией ротора (индуктора). Статор же СГПМ имеет практически такую ​​же конструкцию, что и в классических машинах переменного тока, обычно он содержит набранный из листов электротехнической стали цилиндрический магнитопровод, на внутренней поверхности которого расположены пазы для размещения обмотки якоря. В отличие от обычных синхронных машин рабочий промежуток между статором и ротором в СГПМ выбирают минимальным, исходя из технологических возможностей. Конструкция ротора в значительной степени определяется магнитными и технологическими свойствами магнитотвердые материала.

Ротор с цилиндрическим магнитом

Наиболее простым является ротор с монолитным цилиндрическим магнитом кольцеобразного типа (рис. 5.9, а). Магнит 1 выполнен литым, крепится на валу с помощью втулки 2, например, из сплава алюминия. Намагничивания магнита осуществляется в радиальном направлении на многополюсной установке намагничивающей. Поскольку механическая прочность магнитов небольшая, то при высоких линейных скоростях магнит помещают в оболочку (бандаж) из немагнитного материала.

Разновидностью ротора с цилиндрическим магнитом является сборный ротор из отдельных сегментов 1 из немагнитной стальной оболочкой 3 (рис. 5.9, б). Намагниченные радиально сегментные магниты 1 заключены на втулку 2 с магнитомьякиои стали и любым способом, например, с помощью клея, закреплены. Генераторы с ротором такой конструкции при стабилизации магнита в свободном состоянии имеют форму кривой ЭДС, близкую к синусоидальной. Преимуществом роторов с цилиндрическим магнитом является простота и технологичность конструкции. Недостатком - низкое использование объема магнита вследствие небольшой длины средней силовой линии полюса h и. С увеличением числа полюсов значение h и уменьшается и использования объема магнита ухудшается.

Рисунок 5.9 - Роторы с цилиндрическим магнитом: а - монолитный, б - сборный

Роторы с звездообразным магнитом

В СГПМ мощностью до 5 кВА широкое распространение получили роторы звездообразного типа с явно выраженная полюсами без полюсных башмаков (рис. 5.10, а). В такой конструкции магнит-звездочку чаще крепят на валу с помощью заливки немагнитным сплавом 2. Магнит может также видпиватися непосредственно на валу. Для снижения размагничивающей действия поля реакции якоря при ударном токе короткого замыкания на роторе в ряде случаев предполагается демпферная система 3. Последняя осуществляется, как правило, путем заливки ротора алюминием. При больших частотах вращения на магнит напрессовывается немагнитный бандаж.

Однако, при перегрузках генератора поперечная реакция якоря может вызвать несимметричное перемагничивания краев полюсов. Подобное перемагничивания искажает форму поля в рабочем промежутке и форму кривой ЭДС.

Одним из способов уменьшения действия поля якоря на поле магнита применение полюсных башмаков с Магнитомягкие стали. Изменяя ширину полюсных башмаков (регулируя поток рассеяния полюсов), можно добиться оптимального использования магнита. Кроме того, изменяя конфигурацию полюсных башмаков, можно получить необходимую форму поля в рабочем промежутке генератора.

На рис. 5.10, б приведена конструкция сборного ротора звездообразного типа с призматическими постоянными магнитами с полюсными башмаками. Радиально намагниченные магниты 1 установлены на втулке 2 с Магнитомягкие материала. На полюсе магнитов наложенные полюсные башмаки 3 с магнитной стали. Для обеспечения механической прочности ба

Рисунок 5.10 - Роторы звездообразного типа: а - без полюсных башмаков; б - сборный с полюсными башмаками

шмакы приварены к немагнитных вставок 4, образующей бандаж. Промежутки между магнитами могут заполняться алюминиевым сплавом или компаундом.

К недостаткам роторов звездообразного типа с полюсными башмаками следует отнести усложнение конструкции и уменьшение заполнения магнитами объема ротора.

Роторы с когтеобразные полюсами.

В генераторах с большим числом полюсов широко используется конструкция ротора с когтеобразные полюсами. Ногтеобразный ротор (рис. 5.11) содержит цилиндрический магнит 1, намагниченный в аксиальном направлении, размещенный на немагнитных втулке 2. К торцам магнита примыкают фланцы 3 и 4 с Магнитомягкие стали, имеют когтеобразные выступления, которые образуют полюса. Все выступления левого фланца является северными полюсами, а выступления правого фланца - южными. Выступления фланцев чередуются по окружности ротора, образуя многополюсную систему возбуждения. Мощность генератора можно значительно повысить, если применить модульный принцип, расположив на валу несколько магнитов с когтеобразные полюсами.

Недостатками роторов когтеобразные типа являются: относительная сложность конструкции, трудность намагничивания магнита в собранном роторе, большие потоки рассеяния, возможен отгиб концов выступлений при высоких частотах вращения, имела мера заполнения магнитом объема ротора.

Существуют конструкции роторов с различными комбинациями ПМ: с последовательным и параллельным включением МРС магнитов, с регулированием напряжения за счет осевого перемещения ротора относительно статора, системы совместного регулирования возбуждения СГПМ от ПМ и параллельно работающей электромагнитной обмоткой и др. Для безредукторных витроелектриних установок лучшим решением является применение СГПМ много-

Рисунок 5.11 - Ротор когтеобразные типа

полюсного исполнения. Есть опыт в Германии, Украине в других странах по разработке и применению тихоходных генераторов для безредукторных ВЭУ с частотой вращения 125-375 об / мин.

Из-за главного требования для безредукторной ВЭУ - иметь низкую частоту вращения генератора - габариты и масса СГПМ получаются завышенными по сравнению с высокооборотными генераторами с примерно одинаковой мощности. В корпусе 1 (рис. 5.12) расположен обычный статор 2 с обмоткой 3. Ротор (индуктор) 4 с наклеенными на внешней поверхности пластинками 5 из неодим-железо-бора установлен на валу 6 с подшипниками 7. Корпус 1 закреплен на основе 8, эт "связано с опорой ВЭУ, а ротор 4 соединен с валом ветротурбин (на рис. 5.12 не показаны).

При низких скоростях ветра для ВЭУ необходимо использовать генераторы с низкими скоростями вращения. В этом случае система часто не имеет редуктора и ось непосредственно соединена с осью электрического генератора. При этом возникает проблема получения достаточно высокой выходного напряжения и электрической мощности. Один из способов ее решения - многополюсный электрогенератор с ротором достаточно большого диаметра. Ротор электрогенератора при этом может быть выполнен с использованием постоянных магнитов. Электрогенератор с ротором на постоянных магнитах не имеет коллектора и щеток, ко-

Рисунок 5.12 - Конструктивная схема СГПМ для безредукторной ВЭУ: 1- корпус; 2 - статор; 3 - обмотка; 4 - ротор; 5 - пластинки постоянных магнитов с Nd-Fe-B; 6 - вал; 7 - подшипники; 8 - основа

ляет существенно повысить его надежность и время работы без обслуживания и ремонта.

Электрогенератор с ротором на постоянных магнитах может быть построен по разным схемам, отличающиеся друг от друга общим расположением обмоток и магнитов. Магниты с полярностью, что чередуется, располагаются на роторе генератора. Обмотки с направлением намотки, что чередуется, располагаются на статоре генератора. Если ротор и статор представляют из себя соосные диски, то такой тип генератора называют аксиальным или дисковым (рис. 5.13).

Если ротор и статор представляют из себя коаксиальные соосные цилиндры, то такой тип генератора называют радиальным или цилиндрическим (рис. 5.14). В генераторе радиального типа ротор может быть внутренним или внешним по отношению к статора.

Рисунок 5.13 - Упрощенная схема электрогенератора с ротором на постоянных магнитах аксиального (дискового) типа

Рисунок 5.14 - Упрощенная схема электрогенератора с ротором на постоянных магнитах радиального (цилиндрического) типа

Важная особенность синхронных генераторов с ПМ по сравнению с обычными синхронными генераторами - сложность регулирования выходного напряжения и его стабилизации. Если в обычных синхронных машинах можно плавно регулировать рабочий поток и напряжение, меняя ток возбуждения, то в машинах с постоянными магнитами такая возможность отсутствует, поскольку поток Ф находится в пределах заданной линии возврата и меняется незначительно. Для регулирования и стабилизации напряжения синхронных генераторов с постоянными магнитами приходится использовать специальные методы.

Один из возможных путей стабилизации напряжения синхронных генераторов - введение во внешнюю электрическую цепь генератора емкостных элементов, способствующих появлению продольно-намагничивая реакции якоря. Внешние характеристики генератора при емкостном характере нагрузки слабо меняются и даже могут содержать нарастающие участка. Конденсаторы, обеспечивающие емкостной характер нагрузки, включаются последовательно в цепь нагрузки непосредственно (рис. 5.15, а) или через пидвишучий трансформатор, который позволяет уменьшить массу конденсаторов за счет увеличения их рабочего напряжения и уменьшения тока (рис. S.1S, б). Возможно также параллельное включение конденсатора в круг генератора (рис. 5.15, е).

Рисунок 5.15 - включение стабилизирующих конденсаторов в круг синхронного генератора с постоянными магнитами

Хорошую стабилизацию выходного напряжения генератора с ПМ можно обеспечить с помощью резонансного контура, содержащего емкость С и дроссель насыщения L. Контур включается параллельно нагрузке, как показано на рис. 5.16, а в однофазном изображении. За счет насыщения дросселя его индуктивность падает с ростом тока и зависимость напряжения на дросселе от тока дросселя имеет нелинейный характер (рис. 5.16, б). В то же время зависимость напряжения на емкости от тока - линейная. В точке пересечения кривых и , что соответствует номинальному напряжению генера-

Рисунок 5.16 - стабилизация напряжения, синхронного генератора с постоянными магнитами с помощью резонансного контура: а - схема подключения контура; б - вольт-амперные характеристики (б)

тора , в контуре наступает резонанс токов, то есть и реактивный ток в контур извне не поступает.

Если напряжение снизится, то, как видно из рис. 4.15, б, при имеем , то есть контур забирает от генератора емкостный ток. Продольно-намагничивая реакция якоря, возникающая при этом, способствует росту U . Если же , то и контур забирает от генератора индуктивный ток. Продольно-размагничивающей реакция якоря приводит к снижению U.

В некоторых случаях для стабилизации напряжения генераторов используются дроссели насыщения (ДН), что пидмагничуються постоянным током от системы регулирования напряжения. При снижении напряжения регулятор увеличивает пидмагничуючий ток в дросселе, его индуктивность снижается из-за насыщения сердечника, уменьшается действие продольно- размагничивающей реакции якоря, а также падение напряжения на ДН, что способствует восстановлению выходного напряжения генератора.

Регулирования и стабилизации напряжения генераторов с ПМ можно эффективно осуществлять с помощью полупроводникового преобразователя, в каждой фазе которого есть два встречно-параллельно включенных тиристора. Каждая полуволна кривой напряжения перед преобразователем соответствует прямом напряжении на одном из тиристоров. Если система управления подает сигналы на включение тиристоров с некоторым запаздыванием, что соответствует углу управления . С ростом напряжения за преобразователем уменьшается, при снижении напряжения на зажимах генератора угол уменьшается так, чтобы напряжение по генератором . С помощью подобного преобразователя можно не только стабилизировать, но и регулировать выходное напряжение в широких пределах, изменяя угол . Недостаток описанной схемы - ухудшение качества напряжения при увеличении за счет появления высших гармоник.

Описанные способы регулирования и стабилизации напряжения связанные с применением в отношении тяжелых и громоздких внешних по отношению к генератору дополнительных устройств. Можно обеспечить достижение поставленной цели путем использования в генераторе дополнительной пидмагничуваючои обмотки (ПО) постоянного тока, меняет мере насыщения стальных магнито проводов и меняет, таким образом, внешнюю магнитную проводимость по отношению к магниту.

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