СРАВНЕНИЕ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Актуальность темы

В последнее время всё большее распространение получают бесконтактные электрические машины с постоянными магнитами (ПМ). Использование ПМ позволяет получить требуемые регулировочные характеристики по напряжению и частоте вращения при значительно меньшей мощности возбуждения, (если кроме ПМ для возбуждения используются дополнительные обмотки) и объеме магнитной системы по сравнению с классическими электромагнитными системами возбуждения синхронных машин. Применение ПМ с высокой удельной энергией позволяет улучшить массогабаритные, энергетические и стоимостные показатели машин.

Важной особенностью магнитоэлектрических машин является отсутствие скользящих контактов, что позволяет применять их в системах автоматики, приводах подачи станков, компрессорах, насосах, шаровых мельницах, вентиляторах, прецизионных системах слежения

Недостатками этих машин является невозможность регулирования потока ПМ (если не применяются дополнительные средства), пульсации момента, обусловленные взаимодействием магнитов, расположенных на одном сердечнике (как правило, на роторе) с зубцами другого сердечника. Эти моменты проявляются при холостом ходе и в значительной мере обусловливают пульсации момента при нагрузке.

Значительные пульсации момента иногда являются причиной повышенных вибраций, шума и износа подшипников.

В работе рассмотрено влияние различных способов намагничивания ПМ на характеристики магнитоэлектрических машин.

Историческая справка [2]

Бесконтактные электрические машины с постоянными магнитами – первый тип электромеханического преобразователя энергии, созданного человеком. Ещё в 1831 году М. Фарадей демонстрировал принцип электромагнитной индукции с помощью устройств, содержащих неподвижные обмотки и перемещающиеся постоянные магниты. Начиная с 1832 года, различные исследователи предлагали целый ряд оригинальных конструкций электрических машин с постоянными магнитами. В 1834 году Якоби строит электродвигатель, основанный на принципе притяжения и отталкивания между электромагнитами, а в 1842 г - первый в мире получивший практическое применение магнитоэлектрический генератор постоянного тока.

Однако в дальнейшем, эти машины были практически вытеснены машинами с электромагнитным возбуждением. Это объясняется тем, что по энергетическим и массогабаритным показателям постоянные магниты долгое время значительно уступали электромагнитам.

Примерно до середины ХХ века единственным типом магнитотвёрдых материалов были мартенситные стали, среди которых наибольшее применение получили хромистые, вольфрамовые и кобальтовые стали.

Вольфрамовые стали подвержены значительному структурному старению, в особенности при повышенных температурах. Нагревание выше температуры 100⁰ С влечёт за собой почти полную потерю ими свойств постоянного магнита. С другой стороны, эти стали легко обрабатываются, обладают высокой магнитной стабильностью, не боятся ударов.

Хромистые стали были разработаны в период первой мировой войны, когда испытывался недостаток вольфрама. Введение хрома повышает остаточную индукцию и коэрцитивную силу. Старение хромистой стали значительно меньше вольфрамовой, она легко механически обрабатывается и дешёва. Наибольшее применение эти стали в гистерезисных двигателях (магнитофоны, проигрыватели и т.д.).

Существенным достижением явилось освоение производства кобальтовых сталей. Добавка кобальта положительно влияет на свойства стали: повышается остаточная индукция, коэрцитивная сила.

В дальнейшем появились также постоянные магниты, реализуемые на основе сплавов железа с кобальтом, молибденом, хромом, некоторыми другими металлами, с относительно высокими удельными свойствами.

Обзор по постоянным магнитам

Магниты обладают высокой коэрцитивной силой – до 1000 кА/м, что значительно снижает возможность размагничивания магнитов под действием реакции якоря и обеспечивает стабильность рабочих характеристик. Кроме того, обладая высокой энергией, которая характеризуется произведением BHmax, редкоземельные магниты позволяют улучшить массогабаритные показатели машин и добиться большей удельной мощности, чем в машинах других типов.

Современные виды постоянных магнитов и их характеристики [3]

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

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

• Магниты с полимерным наполнителем, применяемые в медицине эластичные магнитофоры (магнитопласты, магнитоэласты). Br = до 0.05 Тл

• Магнитопласты на основе наполнителя (например, порошка анизотропного NdFeB). Поддаются механической обработке, благодаря пластичности (как резина) и возможности изготовления сложных форм методом литья под давлением (в том числе, с монтажными отверстиями и средствами крепления). Не нагреваются при работе в переменных электромагнитных полях (нечувствительны к воздействию вихревых токов).

Максимальная рабочая температура - до 120-220 градусов Цельсия, в зависимости от теплостойкости связующего материала. Br = 0.5 - 0.6 Тл (Nd-Fe-B).

• Ферриты (прессованные керамические ферритобариевые и ферритостронциевые, недорогие ферромагниты чёрного цвета). В отличие от "железных" магнитов, имеют очень высокое электрическое сопротивление (поэтому феррит бария используют в цепях, подвергающихся действию высокочастотных полей), хорошую механическую прочность, коррозионную стойкость, меньший вес, по сравнению с железными - в 1.5-2 раза. Ферритовые магниты могут быть намагничены с образованием нескольких полюсов на цельном изделии.

Имеют неплохую устойчивость к воздействию внешних магнитных полей. По стоимости - на порядок дешевле ЮНДК, имея, при этом, более высокие показатели коэрцитивной силы. Широко применяются в двигателях постоянного тока, в генераторах, в профессиональных и домашних аудио-системах.

Недостатки ферромагнитов - хрупкость и твёрдость (обрабатывать можно только шлифованием и при помощи алмазной резки). Tc of Br ~ -0.20 % на °C (Температурный коэффициент) - определяет, насколько магнитная индукция зависит от температуры. Величина -0.20 означает, что если температура увеличится на 100 градусов Цельсия, магнитная индукция уменьшится на 20 %. Уменьшение коэрцетивной силы при охлаждении ниже -20°С (что снижает, на морозе, стойкость к размагничиванию магнитным полем; зимой, при -60 градусах - магнитные свойства необратимо теряются и не восстанавливаются при возврате к нормальным термическим условиям) или при нагреве (особенно чувствительны бариевые). Если температура изменяется быстрее 5-10°C/мин - на феррите образуются трещины, что ухудшает его физические свойства. Несмотря на указанные недостатки, благодаря низкой стоимости ферритные магнитотвердые материалы находят достаточно широкое применение для использования в неответственных электрических машинах.

• Термостабильные литые или спечённые магниты "Альнико" (AlNiCo, российское название - ЮНДК) на основе сплавов железо-аллюминий-никель-медь-кобальт. Они легче редкоземельных самарийкобальтовых, при примерно одинаковых параметрах индукции, и заметно дешевле их. Имеют высокую коррозионную и радиационную стойкость. Используются в акустических системах и динамических студийных микрофонах (ставят Alnico V), в гитарных звукоснимателях, в электродвигателях и электрогенераторах, в приборостроении (сенсоры, реле и т.д.) Недостаток - AlNiCo хрупкие (обрабатываются полированием, шлифованием, резкой абразивным кругом) и легко размагничиваются (низкая коэрцитивная сила) под воздействием внешнего магнитного поля, что делает неверными показания стрелочных приборов, в которых они установлены.

• Термоустойчивые деформируемые магниты типа ХК (железо-хром-кобальт, Fe-Cr-Co). Прочность и пластичность современных типов этого сплава - на порядок превосходит аналогичные показатели ЮНДК24 (Алнико 5) при сопоставимых магнитных свойствах. Могут быть получены в виде холоднокатаного листа, горячекатаного и кованого прутка для последующей механической и термомагнитной обработки.

• Спечённые редкоземельные магниты на основе сплавов самарий-кобальт (SmCo, долговечная металлокерамика). Имеют лучшую коррозионную стойкость (то есть, не ржавеют, поэтому и не нуждаются в защитном покрытии) по сравнению с остальными редкоземельными материалами и большие значения максимальной рабочей температуры (термостабильные до 350°С) и коэрцитивной силы (то есть, магнитотвёрдые - устойчивые к размагничиванию). По сравнению с ЮНДК - на порядок большая коэрцетивная сила по намагниченности.

Недостатки - хрупкость и высокая цена. Применяются в космических аппаратах и мобильных телефонах, в мотоциклах и газонокосилках, в авиационной и компьютерной технике, в медицинском оборудовании, в миниатюрных электромеханических приборах и устройствах (наручных часах, наушниках и т.д.) Используются в современном приборостроении.

• Неодимовые - редкоземельные магниты на основе сплавов неодим-железо-бор (NdFeB). Они хрупкие и чувствительные к температуре (предел допустимого нагрева - зависит от марки магнита). После сильного перегрева - необратимо и полностью теряется намагниченность (восстановить можно перемагничиванием на специальной установке). Имеют невысокую коррозионную стойкость - легко окисляются (ржавеют), если повреждено антикоррозионноее покрытие (краска, лак, тонкая металлическая плёнка из никеля, меди или цинка). В виде порошка - могут воспламениться, с выделением ядовитого дыма. Лучше поддаются механической обработке - гибкие Nd-магнитопласты (NdFeB). Спечённые неодимовые магниты имеют преимущество - наибольшую, по сравнению с остальными видами, остаточную индукцию и очень высокое энергетическое произведение. Максимальная рабочая температура повышается - при добавлении кобальта вместо железа, но это ведёт к удорожанию материала. Широко применяются в компьютерной технике (двигатели электроприводов дисков, устройства считывания и записи информации), в моторах и датчиках.

Сравнение наиболее употребляемых ПМ различных марок [3]:

Рисунок 1. Сравнительные диаграммы различных материалов ПМ [3]

Нужно отметить, что представленные диаграммы характеризуют наиболее распространенные характеристики семейств магнитных материалов. Для магнитов различных производителей конкретные характеристики могут отличаться от приведенных (например, коэрцитивная сила магнитов Nd-Fe-B при некоторых добавках может достигать величины 22 кЭ). Тем не менее, диаграммы демонстрируют общие соотношения между семействами магнитных материалов.

Варианты расположения постоянных магнитов в синхронной машине

1) Поверхностные магниты

Магниты располагают на внешней поверхности ротора, чем обеспечивается простота конструкции, хорошие динамические характеристики и сравнительно низкая стоимость.

2) Встроенные магниты

Использование встроенных магнитов позволяет увеличить производительность электрической машины за счет возрастания плотности магнитного потока при сохранении высокого момента на больших скоростях вращения.

Способы крепления ПМ:

Закрепить магниты можно разными способами:

1) Приклеить их к ротору. Этот вариант при высокой скорости вращения малопригоден. Но в последнее время разработан ряд клеев сочень высокими свойствами.

2) Разнообразными бандажами. Это может быть как самая простая сталь или сталь с особыми магнитными свойствами, так и всевозможные титановые сплавы. Также эту задачу можно решить с помощью углеводородных материалов (карбоновые, базальтовые нити и т.д).

Методы исследования [1]

Для моделирования магнитного поля двигателя применяется конечно – элементная программа FEMM (Finite Element Method Magnetics), используемая в учебном процессе кафедры электромеханики (программа разработана профессором Массачуcетского Технологического института Д. Микером (David Meeker), США) и доступна для широкого пользования через сеть интернет.

Картины поля при радиальном и параллельном намагничивании почти не отличаются друг от друга, имеют примерно одинаковую индукцию в ярме и распределение индукции в зазоре, близкой к синусоидальной. Масса магнитов также одинакова. Таким образом для электрической машины малой полюсности и малой мощности непринципиально какой тип намагниченности ПМ будет выбран.

Применение магнитов с тангенциальной намагниченностью и намагниченностью по Хальбаху является нецелесообразным на машинах с малым количеством полюсов, что можно сказать, взглянув на полученную картину поля и распределения магнитной индукции в зазоре четырёхполюсной машины.

Гораздо лучше данный типы намагниченности проявляет себя на многополюсных машинах.

Заключение:

1) Сделан обзор литературы

а) по магнитам (используемые материалы, конфигурация, расположение, вид намагничивания)

б) по обмоткам, применяемым в бесконтактных ЭМ с ПМ

2) Проведен анализ конечно-элементных моделей, показано, что области применения различных типов намагничивания магнитов зависят от числа полюсов проектируемых машин.

Показано также, что конечно-элементные модели являются наглядным средством для сравнительной оценки технических показателей магнитоэлектрических машин.

Список литературы:

1. David Meeker, Finite Element Method Magnetics: OctaveFEMM: User’s Manual – 2006 – http://www.femm.info/Archives/doc/octavefemm.pdf
2. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф., Ларионов А.Н.: Электрические машины с постоянными магнитами – изд. «Энергия», 1964 – С. 4-6, 16-17.
3. Энциклопедия – Современные постоянные магниты – Электронный ресурс - http://www.valtar.ru/Magnets4/mag_4_27.htm