СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР МАЛОЙ МОЩНОСТИ С ГИБРИДНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Аннотация.

В наши дни разработке и созданию генераторов с гибридным возбуждением уделяют достаточно большое внимание. Данный класс генераторов вызван их лучшими энергетическими показателями, простотой конструкции, большим сроком службы, надежностью, способностью работать при высоких частотах вращения в тяжелых условиях эксплуатации.

Синхронный генератор с гибридным возбуждением - это генератор с возбуждением от постоянных магнитов для создания основного рабочего потока и обмотки возбуждения для регулирования выходного напряжения.

Конструкция подобных устройств весьма сложна и требует применения особых материалов. Данная статья охватывает большой спектр применяемым материалов и вариантов конструкции синхронных генераторов.

Введение.

Мировой тенденцией развития электрических машин за последние годы является целенаправленный отказ от щеточно-коллекторного узла так, как он является ненадежным. Машины со скользящим контактом появились в самом начале развития электротехники и с тех пор практически не изменились.

Появление надежных преобразователей позволяет нам отказаться от машин постоянного и переменного тока с контактными кольцами и заменить их машинами с постоянными магнитами. Которые имеют ряд неоспоримых плюсов таких, как простота и надежность. Одним из недостатков таких машин является невозможность регулировать потока постоянных магнитов, и, следовательно, выходное напряжение. Этот недостаток можно устранить с помощью генераторов с гибридным возбуждением - синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов и обмотки возбуждения. Эти машины сочетают в себе достоинства, как магнитоэлектрических машин, так и машин электромагнитным возбуждением.

Генераторы с постоянными магнитами позволяют уменьшить потери в машине, а также (при полюсах, расположенных на роторе) устранить подвод тока через контактные кольца к обмотке возбуждения. В современном мире синхронные машины с постоянными магнитами широко используют как микродвигатели, генераторы небольшой мощности и тахогенераторы. В этих машинах вместо обмотки возбуждения применяют блок постоянных магнитов, изготовляемый из магнитотвердого материала — кобальтовой стали, а также различных сплавов из алюминия, никеля, железа и кобальта, обладающих большой коэрцитивной силой. Постоянные магниты в таких машинах располагают в большинстве случаев на роторе. Статор имеет обычную конструкцию, в его пазах размещают одно-, двух- или трехфазную обмотку.

Используемые материалы.

1.Клей.

1.1Анаэробные клеи.

Анаэробный клей способен продолжительное время оставаться в исходном состоянии, не меняя свойства в контакте с кислородом воздуха и быстро отвердевать при нарушении этого контакта. Анаэробный клей является жидкой композицией с вязкостью 1-400 Па*с., обладающие высокой проникающей способностью, из-за чего они плотно заполняют неровности на склеиваемых поверхностях и формируют герметичный и монолитный клеевой шов. Кроме того, они защищают склеиваемые поверхности от коррозии, не образуют дополнительных напряжений в соединении.

Клеи-компаунды Анатерм-201, -202, -203, -204, -212, -216 - это двухупаковочные композиции, которые после смешения основы и отвердителя при комнатной температуре отверждаются с образованием высокопрочного водо-, масло- и бензостойкого полимера. После отверждения возможна обработка материала абразивным и режущим инструментом. [4]

1.2Акриловые клеи.

Акриловые клеи предназначены для склеивания и уплотнения плоских и цилиндрических соединений из металла, стекла, керамики. Сборка с применением клеящих материалов дает значительные преимущества перед механическими способами соединения деталей. Клеевое соединение позволяет упростить, автоматизировать и ускорить сборку различных конструкций. Склеивание обеспечивает распределение напряжений по всей площади контакта соединяемых деталей. Отличительной особенностью акриловых клеев является большая скорость отверждения, адгезия ко многим материалам, а также высокая ударопрочность. [4]

1.3Цианакрилатные клеи.

Иианакрилатные клеи способны обеспечить почти моментальное склеивание, при этом имеют высокую агдезию к самым различным материалам: металлам и их сплавам, пластическим массам (кроме полиэтилена и фторопласта), стеклу, фарфору, коже, дереву, резине.

Цианакрилатные клеи - клеи холодного отверждения. Они сохраняют высокие прочностные характеристики при низких и повышенных температурах. Отличаются высокой скоростью отверждения, экономичностью и надежностью в применении.

Использование этих клеев позволяет значительно сократить и упростить технологические циклы производства аппаратуры за счет малого времени отверждения (время схватывания составляет от нескольких секунд до нескольких минут), повышения качества и надежности склеиваемых изделий.

Клеи однокомпонентны, при применении не требуют специальных активаторов или растворителей, не вызывают коррозии, экономичны вследствие малого расхода.

Подобные клеи применяют для соединения частей оптики; изделий, на которые возможно воздействие высоких температур и большой нагрузки; для соединения деталей из различных материалов, в радиоэлектронной и электронной продукции [4].

2.Постоянные магниты.

Таблица 1.

Сравнение разных типов магнитов.

3.Материал бандажа.

3.1 Титан.

Титановые сплавы целесообразно разделить на три большие группы:

Конструкционные и высокопрочные титановые сплавы представляют собой - твердые растворы, что позволяет им обеспечивать оптимальное соотношение характеристик прочности и пластичности.

Жаропрочные титановые сплавы представляют собой - твердые растворы с большим или меньшим количеством химического соединения (или начальной стадии его образования), что обеспечивает им повышенную жаропрочность при минимальном снижении пластичности.

Титановые сплавы на основе химического соединения - представляют интерес как жаропрочный материал с низкой плотностью, способный конкурировать с жаропрочными никелиевыми сплавами в определенном температурном интервале.

В наши дни, титан - это один из наиважнейших конструкционных материалов. За время обнаружения титана, которое составляет уже более 200 лет, титан признавали от непригодного, до материала, на который возлагают большие надежны [6].

В электродвигателях и генераторах, титан используется для бандажа, который делается из титановых труб.

3.2 Двустабильный(градиентный) материал.

В естественном состоянии этот материал имеет высокую магнитную проницаемость, но если его подвергнуть термической обработке, магнитная проницаемость его уменьшится практически до единицы (нагрев материала осуществляется лазером с последующим отпуском). Использование нового материала дала возможность увеличить скорость вращения ротора до 40000 об/мин.

Изучение свойств показало, что его термическая обработка снижает проницаемость в соотношение 900:1. После такого нагрева изменяются механические свойства материала, который в меньше степени подвержен деформациям, предел текучести снижается практически в 2 раза от 640 до 350 МПа. Даже после термообработки, предел текучести материала такой же высокий, как и у стали М19 (350 МПа). [3]

3.3 Углеволокно.

Углеродное волокно - материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 3 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью.

Углеродное волокно - это основа для производства углепластиков (или карбона, карбонопластиков, от "carbon", "carbone" - углерод). Углепластики - полимерные композиционные материалы из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (чаще эпоксидных) смол.

Углеродные композиционные материалы отличаются высокой прочностью, жесткостью и малой массой, часто прочнее стали, но гораздо легче. [6]

Конструкция машины.

Сердечник статора собирается из шихтованной стали. На статоре имеется две обмотки:

1. Трехфазная симметричная обмотка. Возможно расположение в пазах и беспазовое исполнение.

2. Кольцевая обмотка возбуждения постоянного тока.

Рисунок 1. Расположение обмотки возбуждения.

Ротор цельнометаллический со специальными площадками под постоянные магниты. Два длинных в центре и четыре коротких по краям.

Рисунок 2. Расположение магнитов на роторе.

Рисунок 3. Длинный магнит.

Магниты устанавливаются на клей к ротору, далее на ротор горячей посадкой насаживается бандажные кольца из двустабильной стали или титана. С обеих сторон ротор крепится на подшипники. Подшипниковые щиты должны выполняться из немагнитного материала, чтобы магнитный поток замыкался в машине.

Рисунок 4. Продольный разрез синхронного генератора.

Список литературы:

1. Вольдек А.И. “Электрические машины”.
2. «Электромагнитный расчет индукторного генератора с униполярной обмоткой возбуждения на статоре». Иванов-Смоленский А.В., Гончаров В.И., Глазков В.П. журнал-«Электричество» , номер 10, 2007.
3. Ayman M. EL-Rafale, Russel Manzke, Thomas M. Jahns “ Application of bi-state magnetic material to automotive offset-coupled IPM starter/alternator machine” (из журнала IEEE), май/июнь 2004.
4. Сайт о клеях, http://www.okleyah.ru. Дата обращения -02.02.15.
5. ХКК, http://www.hccomposite.com/about/. Дата обращения- 12.05.15.
6. Вариант, http://super-splav.ru/titanovye-truby. Дата обращения 17.04.15.