Доклад: Синхронный двигатель с постоянными магнитами. Реферат синхронные двигатели

Синхронный двигатель Назначение и область применения

Синхронные машины, являются машинами переменного тока. Применяются в качестве двигателя и генератора.

Синхронные двигатели применяются в основном в приводах большой мощности. Мощность их достигает нескольких десятков мегаватт. На тепловых станциях, металлургических заводах, шахтах, Холодильниках приводят в движение насосы, и другие механизмы, работающие с неизменной скоростью. Синхронные двигатели могут работать с различной реактивной мощностью. Таким образом, Эти двигатели позволяют улучшить коэффициент мощности предприятия. Однако стоимость приводов с синхронным двигателями выше, чем с асинхронными.

Специальные двигатели малой мощности используют в устройствах, где строгое постоянство скорости, электрочасы, автоматические самопишущие приборы, устройства с программным управлением и др.

На крупных подстанциях электрических систем устанавливают специальные синхронные машины, работающие в режиме холостого хода и отдающие в сеть только реактивную мощность, которая необходима для асинхронных двигателей. Эти машины называют синхронными компенсаторами.

Устройство синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов

Изобретение относится к области использования трехфазных синхронных машин для выработки электроэнергии. Устройство состоит из расположенных на одном валу трехфазного синхронного двигателя и трехфазного синхронного генератора, которые выполнены с возбуждением от постоянных магнитов. Ротор и статор двигателя и генератора имеют явно выраженные полюса. Обмотки статора намотаны вокруг полюсов статора. Постоянные магниты возбуждения в двигателе и генераторе размещены в спинках ротора между его полюсами. В центре полюсов ротора генератора находятся плоские компенсационные постоянные магниты, размещенные в плоскостях, проходящих через ось генератора.

Пуск синхронного двигателя

Одним из главных недостатков синхронных двигателей является сложность их пуска в ход. Пуск синхронных двигателей может быть осуществлен при помощи вспомогательного пускового двигателя или путем асинхронного пуска.

Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя. Если ротор синхронного двигателя с возбужденными полюсами развернуть другим, вспомогательным двигателем до скорости вращения поля статора, то магнитные полюсы статора, взаимодействуя с полюсами ротора, заставят ротор вращаться далее самостоятельно без посторонней помощи, в такт с полем статора, т. е. синхронно (откуда эти двигатели и получили свое название).

Для осуществления пуска необходимо, чтобы число пар полюсов асинхронного двигателя было меньше числа пар полюсов синхронного двигателя, ибо при этих условиях вспомогательный асинхронный двигатель может развернуть ротор синхронного двигателя до синхронной скорости.

Порядок пуска синхронного двигателя следующий. Включая рубильник 3, пускают вспомогательный асинхронный двигатель 2, который разворачивает ротор синхронного двигателя 1 до скорости, соответствующей скорости поля статора. Скорость вращения вспомогательного двигателя определяется по тахометру1. Затем, включая рубильник 4 постоянного тока, возбуждают полюсы ротора. Чтобы включить синхронный двигатель в сеть трехфазного тока, его нужно синхронизировать так же, как и при включении синхронного генератора на параллельную работу. Для этого реостатом 5 устанавливают такое возбуждение, чтобы напряжение обмотки статора по вольтметру V было равно напряжению сети, указываемому вольтметром V1.

Электролампы 6, включенные параллельно ножам рубильника 7 трех-фазной сети, при разомкнутом рубильнике будут мигать. Сначала мигание будет частым, но если изменять скорость вращения вспомогательного асинхронного двигателя, то лампы будут мигать . все реже и реже. Синхронный двигатель можно включить в сеть трехфазного тока рубильником 7 тогда, когда все три лампы одновременно погаснут. Ротор двигателя при этом входит в синхронизм и может далее вращаться самостоятельно. Теперь вспомогательный двигатель 2 рубильником 3 можно отключить от сети.

Сложность пуска и необходимость вспомогательного двигателя являются существенными недостатками этого способа пуска синхронных двигателей. Поэтому в настоящее время он применяется редко.

Асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления этого способа пуска в полюсных наконечниках полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка. Так как во время пуска в обмотке возбуждения 1 двигателя наводится большая э. д. с, то по соображениям безопасности она замыкается рубильником 2 на сопротивление 3

При включении напряжения трехфазной сети в обмотку статора 4 синхронного двигателя возникает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая короткозамкнутую (пусковую) обмотку, заложенную в полюсных наконечниках ротора, индуктирует в ней токи.

Эти токи, взаимодействуя с вращающимся полем статора, приведут ротор во вращение. При достижении ротором наибольшего числа оборотов (95—97% синхронной скорости) рубильник 2 переключают так, чтобы обмотку ротора включить в сеть постоянного напряжения.

Недостатком асинхронного пуска является большой пусковой ток (в 5—7 раз больший рабочего тока). Пусковой ток вызывает падение напряжения в сети, а это отражается на работе других потребителей. Для уменьшения пускового тока применяют пуск при пониженном напряжении с помощью реактора 2 или автотрансформатора.

В настоящее время применяют почти исключительно асинхронный пуск синхронных двигателей ввиду его простоты и надежности. Существуют также схемы автоматического асинхронного пуска синхронных двигателей

studfiles.net

Реферат Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Министерство образования Российской Федерации

Новосибирский Государственный Технический Университет

Утверждаю

Доцент к.т.н.

___________Стернина С.Л.

___________________2006г

Реферат

На тему: Синхронные двигатели с постоянными магнитами.

Разработал

Студент Максимов Р.С.

Группа ТМ-402

Факультет Механико-технологический

Титульный лист выполнен по ГОСТ 2.105-95.ЕСКД. Общие требования к текстовым документам

Содержание

1. Введение.

2. Назначение и область применения.

3. Устройство.

4. Принцип работы синхронной машины.

5. Особенности пуска двигателей с постоянными магнитами.

6. Уравнение ЭДС и момент двигателя в синхронном режиме.

7. Двигатели с радиальным расположением магнитов.

8. Характеристики магнитотвердых материалов, применяемых в магнитных системах Синхронных машин.

9. Заключение.

10. Список литературы.

Введение

Применение постоянных магнитов в магнитных системах синхронных машин так же, как и в других типах электрических машин, обусловлено стремлением уменьшить габариты и вес машины, упростить конструкцию, увеличить к.п.д., повысить надежность в эксплуатации.

Постоянные магниты в синхронных машинах предназначены для создания магнитного поля возбуждения, причем для этого могут применяться постоянные магниты, комбинированные с электромагнитами, по катушкам которых протекает постоянный ток. Использование комбинированного возбуждения позволяет получить требуемые регулировочные характеристики по напряжению и частоте вращения при значительно уменьшенной мощности возбуждения и объеме магнитной системы по сравнению с классическими электромагнитными системами возбуждения синхронных машин.

В настоящее время постоянные магниты применяются при мощности синхронных машин до одного или нескольких киловольт-ампер. По мере создания с постоянных магнитов с улучшенными характеристиками, мощности машин возрастают.

Назначение и область применения.

Синхронные машины, являются машинами переменного тока. Применяются в качестве двигателя и генератора.

Синхронные двигатели применяются в основном в приводах большой мощности. Мощность их достигает нескольких десятков мегаватт. На тепловых станциях, металлургических заводах, шахтах, Холодильниках приводят в движение насосы, и другие механизмы, работающие с неизменной скоростью. Синхронные двигатели могут работать с различной реактивной мощностью. Таким образом, Эти двигатели позволяют улучшить коэффициент мощности предприятия. Однако стоимость приводов с синхронным двигателями выше, чем с асинхронными.

Специальные двигатели малой мощности используют в устройствах, где строгое постоянство скорости, электрочасы, автоматические самопишущие приборы, устройства с программным управлением и др.

На крупных подстанциях электрических систем устанавливают специальные синхронные машины, работающие в режиме холостого хода и отдающие в сеть только реактивную мощность, которая необходима для асинхронных двигателей. Эти машины называют синхронными компенсаторами.

Устройство синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов.

Изобретение относится к области использования трехфазных синхронных машин для выработки электроэнергии. Устройство состоит из расположенных на одном валу трехфазного синхронного двигателя и трехфазного синхронного генератора, которые выполнены с возбуждением от постоянных магнитов. Ротор и статор двигателя и генератора имеют явно выраженные полюса. Обмотки статора намотаны вокруг полюсов статора. Постоянные магниты возбуждения в двигателе и генераторе размещены в спинках ротора между его полюсами. В центре полюсов ротора генератора находятся плоские компенсационные постоянные магниты, размещенные в плоскостях, проходящих через ось генератора.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение связано с использованием трехфазных синхронных машин специальной конструкции с возбуждением от постоянных магнитов, НО 2 К 21/27.В настоящее время широко известны конструкции трехфазных синхронных машин (двигателей и генераторов), в том числе и с возбуждением от постоянных магнитов. Описание конструкции синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов могут быть приняты за прототип синхронных машин, предлагаемых в настоящем изобретении. Недостатком существующих синхронных машин является то, что магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами полюсов ротора, пересекает проводники обмотки статора, располагаемые в пазах внутренней поверхности статора. При этом генерируемая электрическая мощность в генераторе равна требуемой механической мощности, подводимой к ротору генератора (без учета потерь энергии в статоре и механических потерь энергии в роторе). Точно также механическая мощность, развиваемая двигателем, равна мощности, потребляемой двигателем от источника питания (без учета потерь энергии). В связи с изложенным эффективность существующих синхронных машин, принятых за прототипы, всегда меньше единицы. Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, состоит в создании трехфазных электрических машин (двигателя и генератора) с эффективностью, большей единицы, объединяемых на одном валу в агрегат, позволяющий обеспечить выработку электроэнергии без затрат каких-либо энергоносителей. Устройство синхронного двигателя-генератора (СДГ) состоит из трехфазного синхронного двигателя (ТСД) и трехфазного синхронного генератора (ТСГ), находящихся на одном валу, помещенных в общий корпус. Двигатель и генератор выполнены с явно выраженными полюсами статора и ротора, с обмотками статора (ОС), намотанными “вокруг” полюсов статора. Статор, состоящий из полюсов статора (ПС) и “спинки” статора (СС), выполнен из листовой электротехнической стали. Ротор, состоящий из полюсов ротора (ПР) и спинки ротора (СР), выполнен из монолитной электротехнической стали. В спинке ротора размещены постоянные магниты возбуждения (ПМВ).В центре полюсов ротора генератора дополнительно размещены плоские небольшой толщины компенсационные постоянные магниты (ПМК), располагаемые в плоскости, содержащей ось генератора. Особенностью конструкции двигателей ТСД является малая толщина постоянных магнитов возбуждения (2hПМП).Длина полюсов статора вдоль внутренней поверхности статора (lПС) составляет 60 “электрических” градусов; длина полюсов ротора вдоль наружной поверхности ротора (lПР ) составляет 120 “электрических” градусов. Число полюсов статора (mC) кратно трем и равно mC=3Р, где Р - число пар полюсов в машине. Число полюсов ротора (m P) равно: mP=2P.Все части магнитопроводов двигателя и генератора являются “ненасыщенными”, что позволяет учитывать магнитное сопротивление только постоянных магнитов и воздушных зазоров. Схематические поперечные сечения ТСД и ТСГ приведены на фиг.1

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - “спинка” статора (СС)

2 - полюса статора (ПС)

3 - обмотки статора (ОС)

4 - полюса ротора (ПР)

5 - “спинка” ротора (СР)

6 - постоянные магниты возбуждения (ПМВ)

Принцип действия синхронной машины.

Принцип действия синхронных машин основан на взаимодействии магнитных полей статора и ротора. Схематически вращающееся магнитное поле статора можно изобразить полюсами магнитов вращающихся в пространстве со скоростью вращения магнитного поля статора (рис. 1). Поле ротора также можно изобразить в виде п остоянного магнита, вращающегося синхронно с полем статора.

При отсутствии внешнего вращающего момента, приложенного к валу машины, оси полей статора и ротора совпадают (рис. 1 а)). Силы притяжения F действуют на ротор вдоль оси полюсов и взаимно компенсируют друг друга. Угол между осями полей статора и ротора равен нулю.

Если на вал машины действует тормозной момент, то ротор смещается в сторону запаздывания на угол (рис. 1 б). В результате силы притяжения F раскладываются на составляющие, направленные вдоль оси полюсов ротора (осевая составляющая) и перпендикулярно оси полюсов (тангенциальная составляющая). Осевые составляющие взаимно компенсируются, а тангенциальные создают вращающий момент , компенсирующий внешний момент, приложенный к валу (D - диаметр точек приложения тангенциальных сил). Машина при этом работает в режиме двигателя, компенсируя расходуемую на валу механическую мощность потреблением активной мощности из сети, питающей статор.

В случае если к ротору прикладывается внешний момент, создающий ускорение, т.е. действующий в направлении вращения вала, картина взаимодействия полей меняется на обратную. Направление углового смещения  изменяется на противоположное, соответственно изменяется направление тангенциальных сил и направление действия электромагнитного момента. В этом случае он становится тормозным, а машина работает генератором, преобразующим подводимую в валу машины механическую энергию, в электрическую энергию, отдаваемую в сеть, питающую статор.

В ращающий момент в синхронной машине может возникать и при отсутствии собственного магнитного поля у ротора. Пусть, например, обмотка возбуждения явнополюсного ротора отключена от питания. Тогда картина магнитного поля машины будет иметь вид, представленный на рисунке 2. Здесь явнополюсный ротор связан с системой координат d-q таким образом, что ось d-d совмещена с осью симметрии в направлении максимальной магнитной проводимости, а ось q-q с направлением минимальной магнитной проводимости. Ось d-d совпадает также с осью магнитного поля возбужденного ротора и называется продольной осью, а ось q-q соответственно – поперечной.

При отсутствии внешнего момента явнополюсный ротор займет положение, при котором продольная ось будет совпадать с осью полюсов магнитного поля статора. Это положение соответствует минимальному магнитному сопротивлению для магнитного потока статора.

Если на вал машины будет действовать тормозной момент, то ротор отклонится на угол . При этом магнитное поле статора деформируется, т.к. магнитный поток будет стремиться замкнуться по пути наименьшего сопротивления. Магнитный поток определяется через магнитные силовые линии, т.е. линии, направление которых в каждой точке соответствует направлению действия силы, поэтому деформация поля приведет, также как и в случае возбужденного ротора, к появлению результирующей тангенциальной силы . Отличие от возбужденного ротора будет состоять в том, что тангенциальная сила будет функцией двойного угла . Это отличие возникает вследствие того, что у возбужденного ротора возможно только одно положение устойчивого равновесия при , а невозбужденный ротор может находиться в равновесии при .

Вращающий момент, возникающий в машине с невозбужденным ротором за счет тангенциальных сил называется реактивным моментом и его зависимость от  выражается функцией .

Очевидно, что необходимым условием возникновения реактивного момента является магнитная асимметрия ротора.

Рассмотренные выше процессы в синхронной машине наглядно демонстрируют принцип обратимости электрических машин, т.е. способность любой электрической машины изменять направление преобразования энергии на противоположное. В синхронных машинах для перехода от режима работы двигателем в режим генератора достаточно изменить направление (знак) момента нагрузки на валу.

Особенности пуска двигателей с постоянными магнитами.

Подавляющее большинство синхронных двигателей пускается как асинхронные, для чего они снабжаются пусковой обмоткой. Однако в отличие от двигателей с электромагнитным возбуждением постоянные магниты на время пуска невозможно "отключить". Поэтому в процессе разгона поток постоянных магнитов индуцирует в обмотке статора ЭДС, под действием которой по обмотке через источник протекает ток (рис. 3.4). Этот ток, взаимодействуя с полем постоянного магнита, создает момент по своей природе аналогичный асинхронному моменту, развиваемому пусковой обмоткой. Однако этот момент является не движущим, а тормозящим.

Частота тока в пусковой обмотке пропорциональна скольжению (f2 = f1s), поэтому максимум асинхронного момента лежит в области малых скольжений. Частота тока в обмотке статора от поля постоянных магнитов пропорциональна скорости ротора [n2 = n1(1-s)], поэтому максимум тормозного момента лежит в области малых значений n ,т.е. больших скольжений.

Тормозной момент образует провал в пусковой характеристике двигателя, тем самым создает опасность застревания его на малой скорости вращения (рис. 3.5). Понятно, что с этой точки зрения надо бы иметь небольшой поток постоянного магнита, т.е. небольшую ЭДС Е0, хотя винтересах работы в синхронном режиме должно быть наоборот. Оптимальное отношение Е0/U для двигателей мощностью 10 -120 Вт при f = 50 Гц,p = 2лежит в пределах 0,5 - 0,8.

Уравнение ЭДС и момент двигателя в синхронном режиме. Из общего курса электрических машин известно несколько форм уравнения напряжения синхронного двигателя с явновыраженными возбужденными полюсами, например такая:

. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе с радиальным (а) и аксиальным (б) расположением магнитов. 1 – постоянный магнит; 2 – сердечник из электротехнической стали; 3 – стержни пусковой обмотки; 4 – короткозамыкающие кольца.

где: 0 - ЭДС, индуцированная в статоре полем ротора; d , q - ток статора по осям d и q; xd, xq - синхронные индуктивные сопротивления статора по продольной и поперечной осям; r1 - активное сопротивление статора.

Уравнению соответствует векторная диаграмма нарис. . Из диаграммы можно вывести выражения токов Idи Iq

. . Векторная диаграмма СМД.

где - степень возбужденности ротора.

Полный ток статора

Если пренебречь активным сопротивлением статора (r1 = 0), формула момента

(3.2)

Вращающий момент двигателя является суммой двух моментов: электромагнитного М1, обусловленного взаимодействием полей статора и ротора и реактивного момента М2 , обусловленного неодинаковой проводимостью по продольной и поперечной осям.

Не учет активного сопротивления статора в микромашинах приводит к значительным количественным ошибкам. Вместе с тем его учет сильно усложняет математический анализ процессов, происходящих в машине /см. [1], формула(4.24)/. Однако и в этом случае формула момента похожа на

(3.2')

где: AЭ - амплитуда электромагнитного момента с учетом r1; Adq - амплитуда реактивного момента с учетом r1; αЭ, αdq - углы сдвига первой и второй составляющих момента; MТ - тормозной момент.

Рассматривая выражение (3.2'), приходим к выводу, что вращающий момент синхронного микродвигателя с учетом r1 , так же как и без учета r1, является суммой двух синусоид, только смещенных влево на углы αЭ и αdq и вниз на величину тормозного момента МТ.

Смещение синусоид влево (в сторону меньших углов) можно пояснить с помощью векторной диаграммы рис. 3.2, на которой пунктиром показан вектор напряжения, замыкающий диаграмму, и угол q при r1 = 0. Из диаграммы видно, что учет активного сопротивления приводит к уменьшению угла между векторами ЭДС и напряжения сети. Это дает основание утверждать, что момент наступает при меньшем угле. Смещение синусоид вниз объясняется потерями в обмотке статора, которые бы не учитывались при r1 = 0, следовательно, меньшей полезной мощностью, а значит и меньшим моментом двигателя.

Двигатели с радиальным расположением магнитов. Роль обмотки возбуждения здесь выполняет блок постоянных магнитов типа звездочки, на который напрессован кольцевой пакет из электротехнической стали. В пазах кольца располагается пусковая короткозамкнутая обмотка и имеются прорези, размеры которых выбираются из условия хорошего пуска и максимального использования энергии постоянных магнитов в синхронном режиме.

Свойства двигателя во многом зависят от того, насколько удачно выбраны размеры этих прорезей. В целях предохранения магнитов от размагничивания и увеличения асинхронного пускового момента прорези должны быть минимальными. Однако не следует забывать о том, что это приводит к росту потоков рассеяния и ухудшению свойств двигателя в синхронном режиме.

Особенностью двигателей радиальной конструкции является большое магнитное сопротивление по продольной оси по сравнению с сопротивлением по поперечной оси. Объясняется это низкой проводимостью постоянного магнита, по которому проходит поток продольной реакции якоря (проводимость магнита лишь раз в 10 больше проводимости воздуха, тогда как проводимость электротехнической стали в тысячи раз превышает ее).

Поток поперечной реакции якоря проходит по полюсным наконечникам из электротехнической стали и, естественно, встречает малое магнитное сопротивление. Поэтому в данных двигателях ld < lq, а следовательно xd < xq. Тот факт, что xd < xqприводит к иному виду угловой характеристики, чем в двигателя «классической» конструкции (рис.3.3).

В двигателях аксиальной конструкции магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям практически одинаковы, т.е. xd≈ xq, поэтому их можно рассматривать как машины с неявновыраженными полюсами. Стабилизация магнитов в этих машинах происходит в режиме короткого замыкания.

Рис. 3.3. Зависимости моментов от угла &teta; при xd < xq (а) и при xd > xq (б).

Положительными свойствами синхронных двигателей с постоянными магнитами являются: высокая стабильность скорости вращения в синхронном режиме, сравнительно высокие энергетические показатели (КПД и cosj), повышенная перегрузочная способность, большая удельная мощность (мощность на единицу массы), хорошая синфазность вращения, что часто требуется в групповых приводах. Недостатки – более высокая стоимость, меньший пусковой момент и больший пусковой ток по сравнению с аналогичными реактивными двигателями.

Характеристики магнитотвердых материалов, применяемых в магнитных системах Синхронных машин.

Основные требования к магнитам:

1. Достаточно высокая остаточная индукция Вя, коэрцитивная сила Нс, энергетическое произведение ВdHD(ВdиHD –координаты экстремальной точки, определяющий максимум произведения) м тем, чтобы получить уменьшенную массу и объем машины.

1. Удовлетворительные технологические и механические свойства, обеспечивающие изготовление магнитов заданной формы и размеров, их прочное сочленение с другими деталями и надежную работу во вращающихся конструкциях роторов.

2. Эффективное противодействие размагничивающим полям при пусках и перегрузках двигателя.

3. Стабильность магнитных свойств во времени.

4. Стабильность магнитных свойств при изменении окружающей температуры в диапазоне: по крайней мере от -40, -500 С до +2000,2500С

5. Умеренная стоимость.

Из известных в настоящее время магнитотвердых материалов, в свете указанных требований, целесообразно рассматривать следующие группы:

1. не деформируемые сплавы на основе системы Fe-Al-Ni(Ални) и Fe-Al-Ni-Co (Алнико): литые и металлокерамические.

1. Микропорошковые композиции, например, из порошков Fe и Fe---Co, особенно с удлиненными частицами.

2. Микропорошковые композиции на основе редкоземельных элементов, например, из порошков SmCo5

3. Ферриты.

Хорошие механические и магнитные свойства имеют сплавы на основе драгоценных металлов, например, сплавы платины, но они очень дороги и их применение не целесообразно.

Литые сплавы типа Алико имеют хорошие магнитные свойства при магнитной текстуре и высокие при направленной кристаллизации. В лучших образцах остаточная магнитная индукция Вr равна

1.12-1,14 Тл при коэрцитивной силе до 15-125 кА/м энергетическое произведение (ВdHd) достигает 96 ТлкА/м. К недостаткам таких материалов относиться трудность обработки, не высокие механические свойства, в частности, малая механическая прочность: прдел прочности на разрыв 2.1-6.4 кгс/мм2, на из гиб – 5,4-16,8 кгс/мм2.Такая механическая прочность ограничивает диаметр вращающихся магнитов, частоту вращения роторов электрических машин(до 100м/с) и, следовательно диапазон мощностей, в которых могли бы применяться постоянные магниты.

Кроме того, эти материалы имеют довольно сложную технологию, что обуславливает их сравнительно высокую стоимость.

Металлокерамические материалы имеют несколько худшие магнитные свойства, но часто не требуют обработки и имеют более высокие механические характеристики: придел прочности на растяжение до 21-33 кгс/мм2, предел прочности на изгиб до 50-60 кгс/мм2.

Металлокерамические магниты выдерживают линейную скорость вращения до 140 м/сек и выше, тогда как литые магниты при этом разрушаются. Энергетическое произведение доходит до 38 тлкА/м.

Ряд магнитов из тонких порошков имеют хорошие магнитные свойства: например, из порошка Fe-Co с удлиненными частицами, для которых коэрцитивная сила равна 78,4 кА/м, а остаточное индукция Вr=1,08тл.

Магниты из сплавов на основе редкоземельных элементов имеют наивысшие магнитные свойства: энергетическое произведение достигает величины 160-240тлкА/м, а коэрцитивная сила 800кА/м.

Механические свойства этих сплавов исследованы слабо, но, во всяком случае, при использовании их в электрических машинах необходимо принимать меры для обеспечения механической прочности магнитов. Эти сплавы имеют высокую стоимость. Вместе с тем, рекордные магнитные свойства этих сплавов обуславливают все более широкое их применение.

Ферритные магнитотвердые материалы имеют ряд хороших характеристик, в частности, довольно высокую коэрцитивную силу(до 240-270 кА/м), и они сравнительно дешевые, но в тоже время у них есть существенный недостаток: значительное изменение магнитных свойств при изменение температуры. Так, для магнитов из ферритов бария температурный коэффициент остаточной индукции равен 0,2% на 10С в интервале температур от -700 до +2000С. Несмотря на указанный недостаток, ферритные магнитотвердые материалы могут быть рекомендованы для использования в неответственных электрических машинах.

Список литературы:

Исследование свойств постоянных магнитов 1973г Берников

Синхронные машины (Специальный курс)1987г М.Г.Ахматов

Основы теории переходных процессов синхронной машины. 1981г А.И Важнов

М.М.Кацман “Электрические машины и трансформаторы”, часть II, Москва, издательство “Высшая школа”, 1976 г.

Реферат Электродвигатели Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического регулирования и управления, в быту. Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую, и наоборот. Машина, преобразующая механическую энергию в электрическую, называются генератором.

Реферат Асинхронные электродвигатели Асинхронные двигатели - наиболее распространенный вид электрических машин, потребляющих в настоящее время около 40% всей вырабатываемой электроэнергии. Их установленная мощность постоянно возрастает.

Реферат Электропривод XXI век - это мир техники. Могучие машины добывают из недр земли миллионы тонн угля, руды, нефти. Мощные электростанции вырабатывают миллиарды киловатт-часов электроэнергии. Тысячи фабрик и заводов изготавливают одежду, радиоприемники, телевизоры, велосипеды, автомобили, часы и другую необходимую продукцию. Телеграф, телефон и радио соединяет нас со всем миром.

nreferat.ru

Доклад - Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Министерство образованияРоссийской Федерации

Новосибирский ГосударственныйТехнический Университет

                           Утверждаю

                                                                        Доцент  к.т.н.

                                                     ___________Стернина С.Л.

                                                      ___________________2006г

Реферат

На тему: Синхронные двигатели с постоянными магнитами.

Разработал

СтудентМаксимов Р.С.

ГруппаТМ-402

ФакультетМеханико-технологический

Титульныйлист выполнен по ГОСТ 2.105-95.ЕСКД. Общие требования к текстовым документам

Содержание

1.<span Times New Roman"">      

2.<span Times New Roman"">      

3.<span Times New Roman"">      

4.<span Times New Roman"">      

5.<span Times New Roman"">      

6.<span Times New Roman"">      

7.<span Times New Roman"">      

8.<span Times New Roman"">      

9.<span Times New Roman"">      

10.<span Times New Roman"">  

Введение

Применениепостоянных магнитов в магнитных системах синхронных машин так же, как и вдругих типах электрических машин, обусловлено стремлением уменьшить габариты ивес машины, упростить конструкцию, увеличить к.п.д., повысить надежность вэксплуатации.

Постоянныемагниты в синхронных машинах предназначены для создания магнитного поля возбуждения, причем для этого могутприменяться постоянные магниты, комбинированные с электромагнитами, по катушкамкоторых протекает постоянный ток. Использование комбинированного возбужденияпозволяет получить требуемые регулировочные характеристики по напряжению ичастоте вращения при значительно уменьшенной мощности возбуждения и объемемагнитной системы по сравнению с классическими электромагнитными системамивозбуждения синхронных машин.

В настоящее время постоянные магниты применяютсяпри мощности синхронных машин до одного или нескольких киловольт-ампер. По мересоздания с постоянных магнитов с улучшенными характеристиками, мощности машинвозрастают.

Назначение и область применения.

Синхронные машины, являются машинами переменноготока. Применяются в качестве двигателя и генератора.

Синхронные двигатели применяются в основном вприводах большой мощности. Мощность их достигает нескольких десятков мегаватт.На тепловых станциях, металлургических заводах, шахтах, Холодильниках приводятв движение насосы, и другие механизмы, работающие с неизменной скоростью.Синхронные двигатели могут работать с различной реактивной мощностью. Такимобразом, Эти двигатели позволяют улучшить коэффициент мощности предприятия.Однако стоимость приводов с синхронным двигателями выше, чем с асинхронными.

Специальные двигатели малой мощности используют вустройствах, где строгое постоянство скорости, электрочасы, автоматическиесамопишущие приборы, устройства с программным управлением и др.

На крупных подстанциях электрических системустанавливают специальные синхронные машины, работающие в режиме холостого ходаи отдающие в сеть только реактивную мощность, которая необходима дляасинхронных двигателей. Эти машины называют синхронными компенсаторами.

Устройство синхронного двигателяс возбуждением от постоянных магнитов.

Изобретение относится к областииспользования трехфазных синхронных машин для выработки электроэнергии.Устройство состоит из расположенных на одном валу трехфазного синхронногодвигателя и трехфазного синхронного генератора, которые выполнены свозбуждением от постоянных магнитов. Ротор и статор двигателя и генератораимеют явно выраженные полюса. Обмотки статора намотаны вокруг полюсов статора. Постоянныемагниты возбуждения в двигателе и генераторе размещены в спинках ротора междуего полюсами. В центре полюсов ротора генератора находятся плоскиекомпенсационные постоянные магниты, размещенные в плоскостях, проходящих черезось генератора.

<img src="/cache/referats/22399/image001.gif" v:shapes="_x0000_i1025">

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение связано с использованиемтрехфазных синхронных машин специальной конструкции с возбуждением отпостоянных магнитов, НО 2 К 21/27.В настоящее время широко известны конструкциитрехфазных синхронных машин (двигателей и генераторов), в том числе и свозбуждением от постоянных магнитов. Описание конструкции синхронных машин свозбуждением от постоянных магнитов могут быть приняты за прототип синхронныхмашин, предлагаемых в настоящем изобретении. Недостатком существующихсинхронных машин является то, что магнитный поток, создаваемый постояннымимагнитами полюсов ротора, пересекает проводники обмотки статора, располагаемыев пазах внутренней поверхности статора. При этом генерируемая электрическаямощность в генераторе равна требуемой механической мощности, подводимой кротору генератора (без учета потерь энергии в статоре и механических потерьэнергии в роторе). Точно также механическая мощность, развиваемая двигателем,равна мощности, потребляемой двигателем от источника питания (без учета потерьэнергии). В связи с изложенным эффективность существующих синхронных машин,принятых за прототипы, всегда меньше единицы. Технический результат, надостижение которого направлено настоящее изобретение, состоит в созданиитрехфазных электрических машин (двигателя и генератора) с эффективностью,большей единицы, объединяемых на одном валу в агрегат, позволяющий обеспечитьвыработку электроэнергии без затрат каких-либо энергоносителей. Устройствосинхронного двигателя-генератора (СДГ) состоит из трехфазного синхронногодвигателя (ТСД) и трехфазного синхронного генератора (ТСГ), находящихся наодном валу, помещенных в общий корпус. Двигатель и генератор выполнены с явновыраженными полюсами статора и ротора, с обмотками статора (ОС), намотанными“вокруг” полюсов статора. Статор, состоящий из полюсов статора (ПС) и “спинки”статора (СС), выполнен из листовой электротехнической стали. Ротор, состоящийиз полюсов ротора (ПР) и спинки ротора (СР), выполнен из монолитнойэлектротехнической стали. В спинке ротора размещены постоянные магнитывозбуждения (ПМВ).В центре полюсов ротора генератора дополнительно размещеныплоские небольшой толщины компенсационные постоянные магниты (ПМК),располагаемые в плоскости, содержащей ось генератора. Особенностью конструкциидвигателей ТСД является малая толщина постоянных магнитов возбуждения (2hПМП).Длинаполюсов статора вдоль внутренней поверхности статора (lПС)составляет 60 “электрических” градусов; длина полюсов ротора вдоль наружнойповерхности ротора (lПР ) составляет 120 “электрических” градусов. Числополюсов статора (mC) кратно трем и равно mC=3Р, где Р — число пар полюсов в машине. Число полюсов ротора (mP) равно: mP=2P.Всечасти магнитопроводов двигателя и генератора являются “ненасыщенными”, чтопозволяет учитывать магнитное сопротивление только постоянных магнитов ивоздушных зазоров. Схематические поперечные сечения ТСД и ТСГ приведены нафиг.1

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 — “спинка” статора (СС)

2 — полюса статора (ПС)

3 — обмотки статора (ОС)

4 — полюса ротора (ПР)

5 — “спинка” ротора (СР)

6 — постоянные магниты возбуждения (ПМВ)

Принцип действия синхронноймашины.

Принцип действия синхронных машин основанна взаимодействии магнитных полей статора и ротора. Схематически вращающеесямагнитное поле статора можно изобразить полюсами магнитов вращающихся впространстве со скоростью вращения магнитного поля статора <img src="/cache/referats/22399/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1026">

При отсутствиивнешнего вращающего момента, приложенного к валу машины, оси полей статора иротора совпадают (рис. 1 а)). Силы притяжения F действуют на ротор вдольоси полюсов и взаимно компенсируют друг друга. Угол между осями полей статора иротора равен нулю.

Если на валмашины действует тормозной момент, то ротор смещается в сторону запаздывания наугол  (рис. 1 б). В результате силыпритяжения F раскладываются на составляющие, направленные вдоль оси полюсовротора <img src="/cache/referats/22399/image003.gif" v:shapes="_x0000_i1027"><img src="/cache/referats/22399/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1028"><img src="/cache/referats/22399/image005.gif" v:shapes="_x0000_i1029">,компенсирующий внешний момент, приложенный к валу (D — диаметр точекприложения тангенциальных сил). Машина при этом работает в режиме двигателя,компенсируя расходуемую на валу механическую мощность потреблением активноймощности из сети, питающей статор.

В случае еслик ротору прикладывается внешний момент, создающий ускорение, т.е. действующий внаправлении вращения вала, картина взаимодействия полей меняется на обратную.Направление углового смещения <span Times New Roman""><span Times New Roman"">

<img src="/cache/referats/22399/image007.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1031">Вращающий момент в синхронной машине можетвозникать и при отсутствии собственного магнитного поля у ротора. Пусть,например, обмотка возбуждения явнополюсного ротора отключена от питания. Тогдакартина магнитного поля машины будет иметь вид, представленный на рисунке 2.Здесь явнополюсный ротор связан с системой координат d-q таким образом,что ось d-d совмещена с осью симметрии в направлении максимальноймагнитной проводимости, а ось q-q с направлением минимальной магнитнойпроводимости. Ось d-d совпадает также с осью магнитного полявозбужденного ротора и называется продольной осью, а ось q-qсоответственно – поперечной.

При отсутствиивнешнего момента явнополюсный ротор займет положение, при котором продольнаяось будет совпадать с осью полюсов магнитного поля статора. Это положениесоответствует минимальному магнитному сопротивлению для магнитного потокастатора.

Если на валмашины будет действовать тормозной момент, то ротор отклонится на угол <span Times New Roman""><span Times New Roman"">

Вращающиймомент, возникающий в машине с невозбужденным ротором за счет тангенциальныхсил называется реактивным моментом и его зависимость от <span Times New Roman""><span Times New Roman"">

Очевидно, чтонеобходимым условием возникновения реактивного момента является магнитнаяасимметрия ротора.

Рассмотренныевыше процессы в синхронной машине наглядно демонстрируют принцип обратимостиэлектрических машин, т.е. способность любой электрической машины изменятьнаправление преобразования энергии на противоположное. В синхронных машинах дляперехода от режима работы двигателем в режим генератора достаточно изменитьнаправление (знак) момента нагрузки на валу.

Особенности пуска двигателей с постояннымимагнитами.

Подавляющее большинство синхронныхдвигателей пускается как асинхронные, для чего они снабжаются пусковойобмоткой. Однако в отличие от двигателей с электромагнитным возбуждениемпостоянные магниты на время пуска невозможно «отключить». Поэтому впроцессе разгона поток постоянных магнитов индуцирует в обмотке статора ЭДС,под действием которой по обмотке через источник протекает ток (рис. 3.4). Этотток, взаимодействуя с полем постоянного магнита, создает момент по своейприроде аналогичный асинхронному моменту, развиваемому пусковой обмоткой.Однако этот момент является не движущим, а тормозящим.

<img src="/cache/referats/22399/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1034">

Частота тока в пусковой обмоткепропорциональна скольжению (f2 = f1s), поэтому максимумасинхронного момента лежит в области малых скольжений. Частота тока в обмоткестатора от поля постоянных магнитов пропорциональна скорости ротора [n2= n1(1-s)], поэтому максимум тормозного момента лежит в областималых значений n, т.е. больших скольжений.

Тормозной момент образует провал впусковой характеристике двигателя, тем самым создает опасность застревания егона малой скорости вращения (рис. 3.5). Понятно, что с этой точки зрения надо быиметь небольшой поток постоянного магнита, т.е. небольшую ЭДС Е0,хотя винтересах работы в синхронном режиме должно быть наоборот. Оптимальное отношениеЕ0/U для двигателей мощностью 10 -120 Вт при f = 50 Гц,p = 2лежит впределах 0,5 — 0,8.

Уравнение ЭДС и момент двигателя всинхронном режиме. Изобщего курса электрических машин известно несколько форм уравнения напряжениясинхронного двигателя с явновыраженными возбужденными полюсами, например такая:<img src="/cache/referats/22399/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1035">

<img src="/cache/referats/22399/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1036">

. Синхронные двигатели с постояннымимагнитами на роторе с радиальным (а) и аксиальным (б) расположением магнитов. 1– постоянный магнит; 2 – сердечник из электротехнической стали; 3 – стержнипусковой обмотки; 4 – короткозамыкающие кольца.

где: <img src="/cache/referats/22399/image015.gif" v:shapes="_x0000_i1037">0 — ЭДС, индуцированная в статоре полем ротора; <img src="/cache/referats/22399/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1038">d,<img src="/cache/referats/22399/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1039">q — ток статора по осям d и q; xd, xq — синхронныеиндуктивные сопротивления статора по продольной и поперечной осям; r1 — активное сопротивление статора.

Уравнению соответствует векторнаядиаграмма нарис.. Из диаграммы можно вывести выражения токов Idи Iq

<img src="/cache/referats/22399/image017.gif" v:shapes="_x0000_i1040">

     .    . Векторная диаграмма СМД. <img src="/cache/referats/22399/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1041">

<img src="/cache/referats/22399/image019.gif" v:shapes="_x0000_i1042"> где — степень возбужденности ротора.

Полный ток статора

<img src="/cache/referats/22399/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1043">

Если пренебречь активнымсопротивлением статора (r1 = 0), формула момента

<img src="/cache/referats/22399/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1044">

Вращающий момент двигателя являетсясуммой двух моментов: электромагнитного М1, обусловленноговзаимодействием полей статора и ротора и реактивного момента М2,обусловленного неодинаковой проводимостью по продольной и поперечной осям.

Не учет активного сопротивлениястатора в микромашинах приводит к значительным количественным ошибкам. Вместе стем его учет сильно усложняет математический анализ процессов, происходящих вмашине /см. [1], формула(4.24)/. Однако и в этом случае формула момента похожана

<img src="/cache/referats/22399/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1045">

где: AЭ — амплитудаэлектромагнитного момента с учетом r1; Adq — амплитудареактивного момента с учетом r1; αЭ, αdq — углы сдвига первой и второй составляющих момента; MТ — тормозноймомент.

Рассматривая выражение (3.2'),приходим к выводу, что вращающий момент синхронного микродвигателя с учетом r1, так же как и без учета r1, является суммой двух синусоид, толькосмещенных влево на углы αЭ и αdq и вниз навеличину тормозного момента МТ.

Смещение синусоид влево (в сторонуменьших углов) можно пояснить с помощью векторной диаграммы рис. 3.2, накоторой пунктиром показан вектор напряжения, замыкающий диаграмму, и угол q приr1 = 0. Из диаграммы видно, что учет активного сопротивленияприводит к уменьшению угла между векторами ЭДС и напряжения сети. Это даетоснование утверждать, что момент наступает при меньшем угле. Смещение синусоидвниз объясняется потерями в обмотке статора, которые бы не учитывались при r1= 0, следовательно, меньшей полезной мощностью, а значит и меньшим моментомдвигателя.

Двигатели с радиальным расположениеммагнитов.Рольобмотки возбуждения здесь выполняет блок постоянных магнитов типа звездочки, накоторый напрессован кольцевой пакет из электротехнической стали. В пазах кольцарасполагается пусковая короткозамкнутая обмотка и имеются прорези, размерыкоторых выбираются из условия хорошего пуска и максимального использованияэнергии постоянных магнитов в синхронном режиме.

Свойства двигателя во многом зависятот того, насколько удачно выбраны размеры этих прорезей. В целях предохранениямагнитов от размагничивания и увеличения асинхронного пускового момента прорезидолжны быть минимальными. Однако не следует забывать о том, что это приводит кросту потоков рассеяния и ухудшению свойств двигателя в синхронном режиме.

Особенностью двигателей радиальнойконструкции является большое магнитное сопротивление по продольной оси по сравнениюс сопротивлением по поперечной оси. Объясняется это низкой проводимостьюпостоянного магнита, по которому проходит поток продольной реакции якоря(проводимость магнита лишь раз в 10 больше проводимости воздуха, тогда какпроводимость электротехнической стали в тысячи раз превышает ее).

Поток поперечной реакции якоряпроходит по полюсным наконечникам из электротехнической стали и, естественно,встречает малое магнитное сопротивление. Поэтому в данных двигателях ld< lq, а следовательно xd < xq. Тот факт,что xd < xqприводит к иному виду угловойхарактеристики, чем в двигателя «классической» конструкции (рис.3.3).

Стабилизация магнитовв этих двигателях происходит в режиме противовключения, что имеет место при частоте вращения, близкой к синхронной.

(Стабилизацией постоянного магнита называется воздействие на него внешней размагничивающей силой такой величины, больше которой в практике эксплуатации двигателя не встретится.)

В двигателях аксиальной конструкциимагнитные сопротивления по продольной и поперечной осям практически одинаковы,т.е. xd≈ xq, поэтому их можно рассматривать какмашины с неявновыраженными полюсами. Стабилизация магнитов в этих машинахпроисходит в режиме короткого замыкания.

<img src="/cache/referats/22399/image023.gif" v:shapes="_x0000_i1046">

Рис. 3.3. Зависимости моментов от угла&teta; при xd < xq (а) и при xd > xq (б).

Положительными свойствами синхронныхдвигателей с постоянными магнитами являются: высокая стабильность скоростивращения в синхронном режиме, сравнительно высокие энергетические показатели(КПД и cosj), повышенная перегрузочная способность, большая удельная мощность(мощность на единицу массы), хорошая синфазность вращения, что часто требуетсяв групповых приводах. Недостатки – более высокая стоимость, меньший пусковоймомент и больший пусковой ток по сравнению с аналогичными реактивнымидвигателями.

Характеристики магнитотвердыхматериалов, применяемых в магнитных системах Синхронных машин.

Основные требования к магнитам:

1.<span Times New Roman"">  

2.<span Times New Roman"">  

3.<span Times New Roman"">  

4.<span Times New Roman"">  

5.<span Times New Roman"">  

6.<span Times New Roman"">  

Из известных в настоящее время магнитотвердыхматериалов, в свете указанных требований, целесообразно рассматривать следующиегруппы:

1.<span Times New Roman"">

2.<span Times New Roman"">

3.<span Times New Roman"">

4.<span Times New Roman"">

Хорошие механические и магнитные свойства имеютсплавы на основе драгоценных металлов, например, сплавы платины, но они оченьдороги и их применение не целесообразно.

   Литыесплавы типа Алико имеют хорошие магнитные свойства при магнитной текстуре ивысокие при направленной кристаллизации. В лучших образцах остаточная магнитнаяиндукция Вrравна

1.12-1,14 Тл при коэрцитивной силе до 15-125 кА/мэнергетическое произведение (ВdHd) достигает 96ТлкА/м. К недостаткам таких материалов относиться трудность обработки, невысокие механические свойства, в частности, малая механическая прочность: прделпрочности на разрыв 2.1-6.4 кгс/мм2, на из гиб – 5,4-16,8 кгс/мм2.Такаямеханическая прочность ограничивает диаметр вращающихся магнитов, частотувращения роторов электрических  машин(до100м/с) и, следовательно диапазон мощностей, в которых могли бы применятьсяпостоянные магниты.

Кроме того, эти материалы имеют довольно сложнуютехнологию, что обуславливает их сравнительно высокую стоимость.

 Металлокерамические материалы имеют несколькохудшие магнитные свойства, но часто не требуют обработки и имеют более высокиемеханические характеристики: придел прочности на растяжение до 21-33 кгс/мм2,предел прочности на изгиб до 50-60 кгс/мм2.

 Металлокерамические магниты выдерживаютлинейную скорость вращения до 140 м/сек и выше, тогда как литые магниты приэтом разрушаются. Энергетическое произведение доходит до 38 тлкА/м.

Ряд магнитов из тонких порошков имеют хорошиемагнитные свойства: например, из порошка Fe-Coс удлиненными частицами, для которых коэрцитивная сила равна 78,4 кА/м,а остаточное индукция  Вr=1,08тл.

Магниты из сплавов на основе редкоземельныхэлементов имеют наивысшие магнитные свойства: энергетическое произведениедостигает величины 160-240тлкА/м, а коэрцитивная сила 800кА/м.

Механические свойства этих сплавов исследованыслабо, но, во всяком случае, при использовании их в электрических машинахнеобходимо принимать меры для обеспечения механической прочности магнитов. Этисплавы имеют высокую стоимость. Вместе с тем, рекордные магнитные свойства этихсплавов обуславливают все более широкое их применение.

Ферритные магнитотвердые материалы имеют рядхороших характеристик, в частности, довольно высокую коэрцитивную силу(до240-270 кА/м), и они сравнительно дешевые, но в тоже время у них естьсущественный недостаток: значительное изменение магнитных свойств при изменениетемпературы. Так, для магнитов из ферритов бария температурный коэффициентостаточной индукции равен 0,2% на 10С в интервале температур от -700до +2000С. Несмотря на указанный недостаток, ферритныемагнитотвердые материалы могут быть рекомендованы для использования внеответственных электрических машинах.

Список литературы:

Исследование свойств постоянных магнитов1973г           Берников

Синхронные машины (Специальный курс)1987г              М.Г.Ахматов

Основы теории переходных процессовсинхронной машины. 1981г                             А.И Важнов

М.М.Кацман “Электрические машины итрансформаторы”, часть II, Москва, издательство “Высшая школа”, 1976 г.

www.ronl.ru

Смотрите также

• 
  Реферат по квиллингу
• 
  Реферат каменные работы
• 
  Пресное тесто реферат
• 
  Ненормативная лексика реферат
• 
  Реферат машина времени
• 
  Реферат арабская философия
• 
  Реферат античная наука
• 
  Планирование аудита реферат
• 
  Песочная терапия реферат
• 
  Машина времени реферат
• 
  Генетическая инженерия реферат