Генератор на постоянных магнитах. Синхронный двигатель с постоянными магнитами Синхронный генератор на постоянных магнитах характеристики

Возбуждение синхронной машины и её магнитные поля. Возбуждение синхронного генератора.

Обмотка возбуждения синхронного генератора (С.Г.) располагается на роторе и получает питание постоянным током от постороннего источника. Она создает основное магнитное поле машины, которое вращается вместе с ротором и замыкается по всему магнитопроводу. В процессе вращения это поле пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в них ЭДС Е10.
Для питания обмотки возбуждения мощных С.Г. используются специальные генераторы – возбудители. Если они установлены отдельно, то питание в обмотку возбуждения подается через контактные кольца и щеточный аппарат. Для мощных турбогенераторов возбудители (синхронные генераторы «обращенного типа») навешивают на вал генератора и тогда обмотка возбуждения, получает питание через полупроводниковые выпрями-тели, установленные на валу.
Мощность, затрачиваемая на возбуждение, составляет примерно 0,2 - 5% от номинальной мощности С.Г., причем меньшая величина – для крупных С.Г.
В генераторах средней мощности часто используют систему самовозбуждения – от сети обмотки статора через трансформаторы, полупроводниковые выпрямители и кольца. В очень малых С.Г. иногда используют постоянные магниты, но это не позволяет регулировать величину магнитного потока.

Обмотка возбуждения может быть сосредоточенной (у явнопо-люсных синхронных генераторов) или распределенной (у неявнополюсных С.Г.).

Магнитная цепь С.Г.

Магнитная система С.Г. – это разветвленная магнитная цепь, имеющая 2р параллельных ветвей. При этом магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения, замыкается по таким участкам магнитной цепи: воздушный зазор «?» – два раза; зубцовая зона статора hZ1 – два раза; спинка статора L1; зубцовый слой ротора «hZ2» - два раза; спинка ротора – «LОБ». В явнополюсных генераторах на роторе есть полюса ротора «hm» - два раза (вместо зубцового слоя) и крестовина LОБ (вместо спинки ротора).

На рисунке 1 видно, что параллельные ветви магнитной цепи симметричны. Видно также, что основная часть магнитного потока Ф замыкается по всему магнитопроводу и сцеплена как с обмоткой ротора, так и с обмоткой статора. Меньшая часть магнитного потока Фсигма(извените нету символа) замыкается только вокруг обмотки возбуждения, а затем по воздушному зазору не сцепляясь с обмоткой статора. Это магнитный поток рассеяния ротора.

Рисунок 1. Магнитные цепи С.Г.
явнополюсного (а) и неявнополюсного (б) типа.

В этом случае полный магнитный поток Фm равен:

где СИГМАm – коэффициент рассеяния магнитного потока.
МДС обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме холостого хода можно определить как сумму составляющих МДС, необходимых на преодоление магнитных сопротивлений в соответствующих участках цепи.

Наибольшим магнитным сопротивлением обладает участок воз-душного зазора, у которого магнитная проницательность µ0 = const постоянна. В представленной формуле wВ – это число последовательно соединенных витков обмотки возбуждения на пару полюсов, а IВО – ток возбуждения в режиме холостого хода.

Сталь магнитопровода с увеличением магнитного потока имеет свойство насыщения, поэтому магнитная характеристика синхронного генератора нелинейна. Эту характеристику как зависимость магнитного потока от тока возбуждения Ф = f(IВ) или Ф = f(FВ) можно построить путем расчета или снять опытным путем. Она имеет вид, показанный на рисунке 2.

Рисунок 2. Магнитная характеристика С.Г.

Обычно С.Г. проектируют так, чтобы при номинальном значении магнитного потока Ф магнитная цепь была насыщена. При этом участок «ав» магнитной характеристики соответствует МДС на преодолении воздушного зазора 2Fсигма, а участок «вс» – на преодоление магнитного сопротивления стали магнитопровода. Тогда отношение можно назвать коэффициентом насыщения магнитопровода в целом.

Холостой ход синхронного генератора

Если цепь обмотки статора разомкнута, то в С.Г. существует только одно магнитное поле - созданное МДС обмотки возбуждения.
Синусоидальное распределение индукции магнитного поля, необходимое для получения синусоидальной ЭДС обмотки статора, обеспечивается:
- в явнополюсных С.Г. формой полюсных наконечников ротора (под серединой полюса зазор меньше, чем под его краями)и скосом пазов статора.
- в неявнополюсных С.Г. – распределением обмотки возбужде-ния по пазам ротора под серединой полюса зазор меньше, чем под его краями и скосом пазов статора.
В многополюсных машинах применяют обмотки статора с дроб-ным числом пазов на полюс и фазу.

Рисунок 3. Обеспечение синусоидальности магнитного
поля возбуждения

Поскольку ЭДС обмотки статора Е10 пропорциональна магнитному потоку Фо, а ток в обмотки возбуждения IВО пропорционален МДС обмотки возбуждения FВО, нетрудно построить зависимость: Е0 = f(IВО) идентичную магнитной характеристике: Ф = f(FВО). Эту зависимость называют характеристикой холостого хода (Х.Х.Х.) С.Г. Она позволяет определять параметры С.Г., строить его векторные диаграммы.
Обычно Х.Х.Х. строят в относительных единицах е0 и iВО, т.е. те-кущее значение величин относят к их номинальным значениям

В этом случае Х.Х.Х. называют нормальной характеристикой. Интересно то, что нормальные Х.Х.Х. практически для всех С.Г. одинаковы. В реальных условиях Х.Х.Х. начинается не из начала координат, а из некоторой точки на оси ординат, которая соответствует остаточной ЭДС е ОСТ., обусловленной остаточным магнитным потоком стали магнитопровода.

Рисунок 4. Характеристика холостого хода в относительных единицах

Принципиальные схемы возбуждения С.Г. с возбуждением а) и с самовозбуждением б) показаны на рисунке 4.

Рисунок 5. Принципиальные схемы возбуждения С.Г.

Магнитное поле С.Г. при нагрузке.

Чтобы нагрузить С.Г. или увеличить его нагрузку, надо уменьшить электрическое сопротивление между зажимами фаз обмотки статора. Тогда по замкнутым цепям фазных обмоток под действием ЭДС обмотки статора потекут токи. Если считать, что эта нагрузка симметрична, то токи фаз создают МДС трехфазной обмотки, которая имеет амплитуду

и вращается по статору с частотой вращения n1, равной частоте вращения ротора. Это значит, что МДС обмотки статора F3Ф и МДС обмотки возбуждения FВ, неподвижная относительно ротора, вращаются с одинаковыми скоростями, т.е. синхронно. Иначе говоря, они неподвижны относительно друг друга и могут взаимодейст-вовать.
В то же время в зависимости от характера нагрузки эти МДС могут быть по-разному ориентированы относительно друг друга, что изменяет характер их взаимодействия и, следовательно, рабочие свойства генератора.
Отметим еще раз, что воздействие МДС обмотки статора F3Ф = Fa на МДС обмотки ротора FВ называется «реакция якоря».
В неявнополюсных генераторах воздушный зазор между ротором и статором является равномерным, поэтому индукция В1, созданная МДС обмотки статора, распределена в пространстве как и МДС F3Ф = Fa синусоидально независимо от положения ротора и обмотки возбуждения.
В явнополюсных генераторах воздушный зазор неравномерен как за счет формы полюсных наконечников, так и за счет междуполюсного пространства, заполненного медью обмотки возбуждения и изоляционными материалами. Поэтому магнитное сопротивление воздушного зазора под полюсными наконечниками значительно меньше, чем в области междуполюсного пространства. Ось полюсов ротора С.Г. называют его продольной осью d - d, а ось междуполюсного пространства – поперечной осью С.Г. q - q.
Это значит, что индукция магнитного поля статора и график её распределения в пространстве зависят от положения волны МДС F3Ф обмотки статора относительно ротора.
Допустим, что амплитуда МДС обмотки статора F3Ф = Fa совпадает с продольной осью машины d - d, а пространственное распределение этой МДС синусоидально. Положим также, что ток возбуждение равен нулю Iво = 0.
Для наглядности изобразим на рисунке линейную развертку этой МДС, из которой видно, что индукция магнитного поля статора в области полюсного наконечника достаточно велика, а в области междуполюсного пространства резко снижается практически до нуля из - за большого сопротивления воздуха.

Рисунок 6. Линейная развертка МДС обмотки статора по продольной оси.

Такое неравномерное распределение индукции с амплитудой В1dmax можно заменить синусоидальным распределением, но с меньшей амплитудой В1d1max.
Если максимальное значение МДС статора F3Ф = Fa совпадает с поперечной осью машины, то картина магнитного поля будет иной, что видно из рисунка линейной развертки МДС машины.

Рисунок 7. Линейная развертка МДС обмотки статора по поперечной оси.

Здесь также величина индукции в районе полюсных наконечни-ков больше, чем в области междуполюсного пространства. И вполне очевидно, что амплитуда основной гармоники индукции поля статора В1d1 по продольной оси больше амплитуды индукции поля В1q1, по поперечной оси. Степень уменьшения индукции В1d1 и В1q1, которое обусловлено неравномерностью воздушного зазора учитывают с помощью коэффициентов:

Они зависят от многих факторов и, в частности, от отношения сигма/тау(извените нету символа) (относительная величина воздушного зазора), от отношения

(коэффициент полюсного перекрытия), где вп – ширина полюсного наконечника, и от других факторов.

Трехфазный синхронный генератор переменного тока без магнитного залипания с возбуждением от постоянных неодимовых магнитов, 12 пар полюсов.

Очень давно еще в советские времена в журнале "Моделист Конструктор" была опубликована статья посвященная построению ветряка роторного типа. С тех пор у меня появилось желание построить что то подобное на своем дачном участке, но до реальных действий дело так и не дошло. Все изменилось с появлением неодимовых магнитов. Собрал кучу информации в интернете и вот что получилось.
Устройство генератора: Два стальных диска из низкоуглеродистой стали с наклеенными магнитами жестко соединены между собой через распорную втулку. В зазоре между дисками расположены неподвижные плоские катушки без сердечников. ЭДС индукции возникающая в половинках катушки противоположна по направлению и суммируется в общую ЭДС катушки. ЭДС индукции возникающая в проводнике движущемся в постоянном однородном магнитном поле определяется по формуле E=B·V·L где: B -магнитная индукция V -скорость перемещения L -активная длина проводника. V=π·D·N/60 где: D -диаметр N -скорость вращения. Магнитная индукция в зазоре между двумя полюсами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Генератор собран на нижней опоре ветряной турбины.

Схема трехфазного генератора, для простоты развернута на плоскость.

На рис. 2 показана схема расположения катушек когда их количество в два раза больше, правда в этом случае увеличивается и зазор между полюсами. Катушки перекрываются на 1/3 от ширины магнита. Если ширину катушек уменьшить на 1/6 тогда они встанут в один ряд и зазор между полюсами не изменится. Максимальный зазор между полюсами равен высоте одного магнита.

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.

В синхронных машинах этого типа постоянно направленное поле возбуждения образуется с помощью постоянных магнитов. Синхронные машины с постоянными магнитами не нуждаются в возбудителе и благодаря отсутствию потерь на возбуждение и в скользящем контакте обладают высоким КПД, их надежность существенно выше, чем у обычных синхронных машин, в которых вращающаяся обмотка возбуждения и щеточное устройство достаточно часто повреждаются; кроме того, они практически не нуждаются в обслуживании в течение всего срока службы.
Постоянные магниты могут заменять обмотку возбуждения как в многофазных синхронных машинах обычного исполнения, так и во всех специальных исполнениях, которые были описаны выше (однофазных синхронных машинах, синхронных машинах с клюво- образными полюсами и в индукторных машинах).
Синхронные машины с постоянными магнитами отличаются от своих аналогов с электромагнитным возбуждением конструкцией индукторных магнитных систем. Аналогом ротора обычной неявнопо- люсной синхронной машины является цилиндрический кольцеобразный магнит, намагничиваемый в радиальном направлении (рис., 6).

Индукторные магнитные системы с цилиндрическим и звездообразным магнитами;
а - звездообразный магнит без полюсных башмаков; б - четырехполюсный цилиндрический магнит

Рис. 2. Ротор с когтеобразными полюсами, возбуждаемый постоянным магнитом:
1 - кольцевой постоянный магнит; 2 - диск с системой южных полюсов; 3 - диск с системой северных полюсов

Явнополюсному ротору обычной машины с электромагнитным возбуждением аналогичен ротор со звездообразным магнитом по рис. 1, а, в котором магнит 1 крепится на валу 3 заливкой из алюминиевого сплава 2.

В роторе с когтеобразиыми полюсами (рис. 2) кольцевой магнит, намагниченный в осевом направлении, заменяет кольцевую обмотку возбуждения. В разноименнополюсной индукторной машине по рис. электромагнитное возбуждение может быть заменено магнитным, как показано на рис. 3 (вместо трех малых зубцов в каждой из зон I-IV здесь имеется по одному зубцу в каждой из зон). Соответствующий аналог с магнитным возбуждением имеется и у одноименнополюсной машины. Постоянный магнит может быть в этом случае выполнен в виде намагниченного в осевом направлении кольца, которое вставлено между станиной и подшипниковым щитом.

Рис. 3. Индукторный разноименнополюсной генератор с магнитоэлектрическим возбуждением:
ОЯ - обмотка якоря; ПМ - постоянный магнит
Для описания электромагнитных процессов в синхронных машинах с постоянными магнитами вполне пригодна теория синхронных машин с электромагнитным возбуждением, основы которой изложены в предыдущих главах раздела. Однако для того, чтобы воспользоваться этой теорией и применить ее для расчета характеристик синхронной машины с постоянными магнитами в генераторном или двигательном режиме, нужно предварительно определить по кривой размагничивания постоянного магнита ЭДС холостого хода Е, или коэффициент возбужденности г = Ef / U и рассчитать индуктивные сопротивления Xad и X с учетом влияния магнитного сопротивления магнита, которое может быть настолько существенным, что Ха(1 < Xaq.
Машины с постоянными магнитами были изобретены еще на заре развития электромеханики. Однако широкое применение они получили в течение последних десятилетий в связи с разработкой новых материалов для постоянных магнитов с большой удельной магнитном энергией (например, типа магнико или сплавов на основе самария и кобальта). Синхронные машины с такими магнитами по своим массо- габаритным показателям и эксплуатационным характеристикам в определенном диапазоне мощностей и частот вращения вполне могут конкурировать с синхронными машинами, имеющими электромагнитное возбуждение.

Мощность быстроходных синхронных генераторов с постоянными магнитами для питания бортовой сети самолетов достигает десятков киловатт. Генераторы и двигатели с постоянными магнитами небольшой мощности применяются в самолетах, автомобилях, тракторах, где их высокая надежность имеет первостепенное значение. В качестве двигателей малой мощности они широко применяются и во многих других областях техники. По сравнению с реактивными двигателями они обладают более высокой стабильностью частоты вращения, лучшими энергетическими показателями, уступая им по стоимости и пусковым свойствам.
По способам пуска в ход синхронные двигатели малой мощности с постоянными магнитами делятся на самозапускающиеся двигатели и двигатели с асинхронным пуском.
Самозапускающиеся двигатели малой мощности с постоянными магнитами применяются для приведения в движение механизмов часов и различных реле, разнообразных программных устройств и т.п. Номинальная мощность этих двигателей не превышает нескольких ватт (обычно составляет доли ватта). Для облегчения пуска двигатели выполняют многополюсными (р > 8) и получают питание от однофазной сети промышленной частоты.
В нашей стране такие двигатели выпускаются в серии ДСМ, в которой для создания многополюсного поля применены клювообразное исполнение магнитопровода статора и однофазная якорная обмотка.
Запуск этих двигателей в ход осуществляется за счет синхронного момента от взаимодействия пульсирующего поля с постоянными магнитами ротора. Для того чтобы пуск произошел успешно и в нужную сторону, применяют специальные механические устройства, которые позволяют ротору вращаться только в одном направлении и отсоединяют его от вала во время синхронизации
Синхронные двигатели малой мощности с постоянными магнитами с асинхронным пуском выпускаются с радиальным расположением постоянного магнита и пусковой короткозамкнутой обмотки и с аксиальным расположением постоянного магнита и пусковой короткозамкнутой обмотки. По устройству статора эти двигатели ничем не отличаются от машин с электромагнитным возбуждением. Обмотка статора в обоих случаях выполняется двух- или трехфазной. Различаются они лишь по конструкции ротора.
В двигателе с радиальным расположением магнита и коротко- замкнутой обмоткой последняя размещается в пазах шихтованных полюсных наконечников постоянных магнитов Для получения приемлемых потоков рассеяния между наконечниками соседних полюсов имеются немагнитные промежутки. Иногда в целях увеличения механической прочности ротора наконечники объединяются с помощью насыщающихся перемычек в целый кольцевой сердечник.
В двигателе с аксиальным расположением магнита и коротко- замкнутой обмоткой часть активной длины занята постоянным магнитом, а на другой ее части рядом с магнитом размешается шихтованный магнитопровод с короткозамкнутой обмоткой, причем и постоянный магнит, и шихтованный магнитопровод укреплены на общем валу. В связи с тем что во время пуска двигатели с постоянными магнитами остаются возбужденными, их пуск протекает менее благоприятно, чем в обычных синхронных двигателях, возбуждение которых отключается. Объясняется это тем, что при пуске наряду с положительным асинхронным моментом от взаимодействия вращающегося поля с токами, индуктированными в короткозамкнутой обмотке, на ротор действует отрицательный асинхронный момент от взаимодействия постоянных магнитов с токами, индуктированными полем постоянных магнитов в обмотке статора.

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.