Синхронні генератори із постійними магнітами. Синхронні генератори із збудженням від постійних магнітів Синхронні генератори із постійними магнітами

Область діяльності (техніки), до якої відноситься описуваний винахід

Ноу-хау розробки, а саме даний винахід автора відноситься до галузі електромашинобудування, зокрема синхронних генераторів з збудженням від постійних магнітів, і може бути використане в автономних джерелах електроенергії на автомобілях, катерах, а також в автономних джерелах електроживлення споживачів змінним струмом як стандартної промислової частоти, так і підвищеної частоти і в автономних енергоустановках як джерело зварювального струмудля проведення електродугового зварювання у польових умовах.

ДЕТАЛЬНИЙ ОПИС ВИНАХОДУ

Відомий синхронний генератор з збудженням від постійних магнітів, що містить несучий вузол статора з опорними підшипниками, на якому змонтований кільцевий магнітопровід з полюсними виступами по периферії, забезпеченими розміщеними на них електричними котушками з якірною обмоткою статора, а також встановлений на опорному валу опорних підшипниках збудження (див., напр., А.І.Вольдек, "Електричні машини", вид. Енергія, Ленінградське відділення, 1974, с.794).

Недоліками відомого синхронного генератора є значна металомісткість та великі габарити, зумовлені значними металомісткістю та габаритами масивного циліндричної формиротора, виконаного з постійними магнітами збудження з магнітотвердих сплавів (типу алі, алніко, магніко та ін).

Відомий також синхронний генератор з збудженням від постійних магнітів, що містить несучий вузол статора з опорними підшипниками, на якому змонтований кільцевий магнітопровід з полюсними виступами по периферії, забезпеченими розміщеними на них електричними котушками з якорною обмоткою статора, встановлений з можливістю обертання. на внутрішній бічній стінці кільцевим магнітним вкладишем з магнітними полюсами, що чергуються в окружному напрямку, що охоплює полюсні виступи з електричними котушками якірної обмотки зазначеного кільцевого магнітопроводу статора (див., напр., патент РФ № 2141716, кл2 Н 0 4831043/09 від 02.03.1988 р.).

Недоліком відомого синхронного генератора із збудженням від постійних магнітів є вузькі експлуатаційні параметри, обумовлені відсутністю можливості регулювання активної потужності синхронного генератора, оскільки в конструктивному виконанні цього синхронного генератора індукторного відсутня можливість оперативної зміни величини загального магнітного потоку, що створюється окремими постійними магнітами зазначеного кільцевого магнітного вкладиша.

Найбільш близьким аналогом (прототипом) є синхронний генератор з збудженням від постійних магнітів, що містить несучий вузол статора з опорними підшипниками, на якому змонтований кільцевий магнітопровід з полюсними виступами по периферії, забезпеченими розміщеними на них електричними котушками з багатофазною якорною обмоткою. з можливістю обертання в згаданих опорних підшипниках навколо кільцевого магнітопроводу статора кільцевий ротор зі змонтованим на внутрішній бічній стінці кільцевим магнітним вкладишем з чергуються в окружному напрямку магнітними полюсами з p-пар, що охоплюють полюсні виступи з електричними патентами. РФ № 2069441, кл.Н 02 До 21/22 за заявкою № 4894702/07 від 01.06.1990 р).

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Недоліком відомого синхронного генератора із збудженням від постійних магнітів є також вузькі експлуатаційні параметри, обумовлені як відсутністю можливості регулювання активної потужності синхронного індукторного генератора, так і відсутністю можливості регулювання величини вихідної напруги змінного струму, що ускладнює можливість використання його як джерела зварювального струму при електро (У конструкції відомого синхронного генератора відсутня можливість оперативної зміни величини загального магнітного потоку окремих постійних магнітів, що утворюють між собою кільцевий магнітний вкладиш).

Метою цього винаходу є розширення експлуатаційних параметрів синхронного генератора шляхом забезпечення можливості регулювання його активної потужності, так і можливості регулювання напруги змінного струму, а також забезпечення можливості використання його в якості джерела зварювального струму при проведенні електродугового зварювання на різних режимах.

Поставлена ​​мета досягається тим, що синхронний генератор з збудженням від постійних магнітів, що містить несучий вузол статора з опорними підшипниками, на якому змонтований кільцевий магнітопровід з полюсними виступами по периферії, забезпеченими розміщеними на них електричними котушками з багатофазною якорною обмоткою статора можливістю обертання в згаданих опорних підшипниках навколо кільцевого магнітопроводу статора кільцевого дроту. статора виконаний з групи однакових модулів із зазначеними кільцевим магнітопроводом і кільцевим ротором, змонтованих на одному опорному валу з можливістю їх розвороту один щодо одного навколо осі, співвісної з опорним валом, абжени кінематично пов'язаним з ними приводом кутового розвороту їх одна щодо одної, а однойменні фази якірних обмоток в модулях несучого вузла статора з'єднані між собою, утворюючи загальні фази якорної обмотки статора.

Додатковою відмінністю запропонованого синхронного генератора з збудженням від постійних магнітів є те, що однойменні магнітні полюси кільцевих магнітних вкладишів кільцевих роторів в суміжних модулях несучого вузла статора розташовані конгруентно один одному в одних радіальних площинах, а кінці фаз якорної початками однойменних фаз якірної обмотки в іншому суміжному модулі несучого вузла статора, утворюючи у поєднанні між собою загальні фази якорної обмотки статора.

Крім того, кожен з модулів несучого вузла статора включає кільцеву втулку із зовнішнім завзятим фланцем, в якій встановлений згаданий , при цьому зазначені кільцеві втулки модулів несучого вузла статора пов'язані своєю внутрішньою циліндричною бічною стінкою з одними зі згаданих опорних підшипників, інші з яких пов'язані зі стінками центральних отворів в торцях зазначених відповідних склянок а кільцевий магнітопровід у відповідному модулі несучого вузла статора змонтований на зазначеній кільцевій втулці, жорстко скріпленої своїм зовнішнім упорним фланцем з бічною циліндричною стінкою склянки і утворює спільно з останнім кільцеву порожнину, в якій розміщено відповідний кільцевий магнітопровід з електричними котушками відповідної якірної обмотки статора. Додатковою відмінністю запропонованого синхронного генератора з збудженням від постійних магнітів є те, що кожен з кріпильних вузлів, що з'єднують кільцеву обічайку кільцевого ротора з опорним валом, включає змонтовану на опорному валу маточину з фланцем, жорстко скріпленим з внутрішнім упором.

Додатковою відмінністю запропонованого синхронного генератора з збудженням від постійних магнітів є те, що привід кутового розвороту модулів несучого вузла статора один щодо одного змонтований допомогою опорного вузла на модулях несучого вузла статора.

Крім того, привід кутового розвороту один щодо одного модулів несучого вузла статора виконаний у вигляді гвинтового механізму з ходовим гвинтом і гайкою, а опорний вузол приводу кутового розвороту секцій несучого вузла статора включає закріплені на одному зі згаданих склянок опорну провушину, а на іншій склянці опорну планку , при цьому ходовий гвинт шарнірно пов'язаний двоступеневим шарніром одним кінцем за допомогою осі, паралельної осі згаданого опорного валу, із зазначеною опорною планкою, виконаною з розташованої по дузі кола напрямною прорізом, а гайка гвинтового механізму шарнірно пов'язана одним кінцем з згаданої проу з хвостовиком, пропущеним через напрямну проріз в опорній планці, і забезпечена стопорним елементом.

Суть винаходу пояснюється кресленнями.

На фіг.1 зображено загальний вигляд запропонованого синхронного генератора з збудженням від постійних магнітів у поздовжньому розрізі;

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

На фіг.2 - Синхронний генератор із збудженням від постійних магнітів, вигляд А;

На фіг.3 зображено схематично магнітний ланцюг збудження синхронного генератора у варіанті виконання з трифазними електричними ланцюгами якірних обмоток статора у початковому початковому положенні (без кутового зміщення відповідних однойменних фаз у модулях несучого вузла статора) для числа пар полюсів статора р=8;

На фіг.4 - те ж, з фазами трифазних електричних ланцюгів якірних обмоток статора, розгорнутими один щодо одного в кутовому положенні на кут, що дорівнює 360/2р градусів;

На фіг.5 зображено варіант електричної схемиз'єднань якірних обмоток статора синхронного генератора зі з'єднанням фаз генератора зіркою та послідовним з'єднанням однойменних фаз у загальних утворених ними фазах;

На фіг.6 зображено інший варіант електричної схеми сполук якірних обмоток статора синхронного генератора зі з'єднанням фаз генератора трикутником та послідовним з'єднанням однойменних фаз у загальних утворених ними фазах;

схематично векторна діаграма зміни величини фазної напруги синхронного генератора при кутовому розвороті відповідних однойменних фаз якірних обмоток статора (відповідно і модулів несучого вузла статора) на відповідний кут і при з'єднанні зазначених фаз за схемою "зірка"

На фіг.7 зображена схематично векторна діаграма зміни величини фазних напруг синхронного генератора при кутовому розвороті відповідних однойменних фаз якірних обмоток статора (відповідно і модулів несучого вузла статора) на відповідний кут і при з'єднанні зазначених фаз за схемою "зірка";

те ж, при з'єднанні фаз якірних обмоток статора за схемою "трикутник"

На фіг.8 - те ж, при з'єднанні фаз якірних обмоток статора за схемою "трикутник";

діаграма з графіком залежності вихідної лінійної напруги синхронного генератора від геометричного кута розвороту однойменних фаз якірних обмоток статора з приведенням відповідного електричного кута повороту вектора напруги у фазі для з'єднання фаз за схемою "зірка"

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

На фіг.9 зображена діаграма з графіком залежності вихідної лінійної напруги синхронного генератора від геометричного кута розвороту однойменних фаз якірних обмоток статора з приведенням відповідного електричного кута повороту вектора напруги у фазі для з'єднання фаз за схемою "зірка";

діаграма з графіком залежності вихідної лінійної напруги синхронного генератора від геометричного кута розвороту однойменних фаз якірних обмоток статора з приведенням відповідного електричного кута повороту вектора напруги у фазі для з'єднання фаз за схемою "трикутник"

На фіг.10 зображена діаграма з графіком залежності вихідної лінійної напруги синхронного генератора від геометричного кута розвороту однойменних фаз якірних обмоток статора з приведенням відповідного електричного кута повороту вектора напруги у фазі для з'єднання фаз за схемою "трикутник".

Синхронний генератор з збудженням від постійних магнітів містить несучий вузол статора з опорними підшипниками 1, 2, 3, 4, на якому змонтована група однакових кільцевих магнітопроводів 5 (наприклад, у вигляді монолітних дисків з порошкового композиційного магнітом'якого матеріалу) з полюсними виступами розміщеними на них електричними котушками 6 з багатофазними (наприклад, трифазними, а в загальному випадку m-фазними) якірними обмотками 7, статора 8, встановлену на опорному валу 9 з можливістю обертання в згаданих опорних підшипниках 1, 2, 3, 4 навколо несучого вузла статора групу однакових кільцевих роторів 10, зі змонтованими на внутрішніх бокових стінках кільцевими магнітними вкладишами 11 (наприклад, у вигляді монолітних магнітних кілець з порошкового магнитоанизотропного матеріалу) з магнітними полюсами, що чергуються в окружному напрямку з пар-пар (в даному варіанті виконання магнітних полюсів дорівнює 8), що охоплюють полюсні виступи з електричними котушками 6 якірних обмоток 7, 8 вказаних кільцевих магнітопроводів 5 статора. Несучий вузол статора виконаний з групи однакових модулів, кожен з яких включає кільцеву втулку 12 із зовнішнім упорним фланцем 13 і склянку 14 з центральним отвором "а" в торці 15 і з бічною циліндричною стінкою 16. Кожен з кільцевих роторів 10 включає кільцеву внутрішнім упорним фланцем 18. Кільцеві втулки 12 модулів несучого вузла статора пов'язані своєю внутрішньою циліндричною бічною стінкою з одними зі згаданих опорних підшипників (з опорними підшипниками 1, 3), інші з яких ( 2, 4) пов'язані зі стінками центральних отворів торцях 15 зазначених відповідних склянок 14. Кільцеві обічайки 17 кільцевих роторів 10 жорстко з'єднані з опорним валом 9 за допомогою кріпильних вузлів, а кожен з кільцевих магнітопроводів 5 у відповідному модулі несучого вузла статора змонтований на вказаній бічний циліндричною стінкою 16 склянки 14 і утворює спільно з посл едним кільцеву порожнину "б", в якій розміщений зазначений відповідний кільцевий магнітопровід 5 з електричними котушками 6 відповідної якорної обмотки (якорні обмотки 7, 8) статора. Модулі несучого вузла статора (утворюють ці модулі кільцеві втулки 12 зі склянками 14) встановлені з можливістю їх розвороту один щодо одного навколо осі, співвісної з опорним валом 9, і забезпечені кінематично пов'язаним з ними приводом кутового розвороту їх один відносно одного, змонтованим на модулях несучого вузла статора. Кожен з кріпильних вузлів, що з'єднують кільцеву обічайку 17 відповідного кільцевого ротора 10 з опорним валом 9 18 відповідності. щодо друга у представленому приватному варіанті виконання виконаний у вигляді гвинтового механізму з ходовим гвинтом 21 і гайкою 22, а опорний вузол приводу кутового розвороту секцій несучого вузла статора включає закріплені на одному зі згаданих склянок 14 опорну вушко 23, а на іншій склянці 2 Ходовий гвинт 21 шарнірно пов'язаний двоступеневим шарніром (шарніром з двома ступенями свободи) одним кінцем "в" за допомогою осі 25, паралельної осі O-O1 згаданого опорного вала 9, з зазначеною опорною планкою 24, виконаної з розташованої по дузі кола напрямної проріз ", а гайка 22 гвинтового механізму шарнірно пов'язана одним кінцем зі згаданою опорною вушком 23, виконана на іншому кінці з хвостовиком 26, пропущеним через напрямну проріз "г" в опорній планці 24, і забезпечена стопорним елементом 27 (стопорною гайкою). На кінці гайки 22, шарнірно пов'язаному з опорним вушком 23, встановлений додатковий стопорний елемент 28 (додаткова стопорна гайка). Опорний вал 9 забезпечений вентиляторами 29 і 30 охолодження якорних обмоток 7, 8 статора, один з яких (29) розташований на одному з кінців опорного валу 9, а інший (30) розміщений між секціями несучого вузла статора і змонтований на опорному валу 9. Кільцеві втулки 12 секцій несучого вузла статора виконані з вентиляційними отворами "д" на зовнішніх упорних фланцях 13 для проходження потоку повітря у відповідні кільцеві порожнини "б", утворені кільцевими втулками 12 і склянками 14, і для охолодження тим самим якорних в електричних котушках 6 на виступах полюсних кільцевих магнітопроводів 5. На кінці опорного валу 9, на якому розташований вентилятор 29, змонтований шків 31 клинопасової передачідля приведення в обертання кільцевих роторів 10 синхронного генератора. Вентилятор 29 закріплений безпосередньо на шківі 31 клинопасової передачі. На іншому кінці ходового гвинта 21 гвинтового механізму встановлена ​​рукоятка 32 ручного управління гвинтовим механізмом приводу кутового розвороту модулів несучого вузла статора один щодо одного. Одноіменні фази (А1, В1, С1 і А2, В2, С2) якірних обмоток в кільцевих магнітопроводах 5 модулів несучого вузла статора з'єднані між собою, утворюючи загальні фази генератора (з'єднання однойменних фаз загальному виглядіяк послідовне, і паралельне, і навіть компаундное). Однойменні магнітні полюси ("північні" і "південні") кільцевих магнітних вкладишів 11 кільцевих роторів 10 в суміжних модулях несучого вузла статора розташовані конгруентно один одному в одних радіальних площинах. У представленому варіанті виконання кінці фаз (A1, B1, C1) якірної обмотки (обмотки 7) в кільцевому магнітопроводі 5 одного модуля несучого вузла статора з'єднані з початками однойменних фаз (А2, В2, С2) якірної обмотки (обмотки 8) в суміжному іншому модулі несучого вузла статора, утворюючи в послідовному з'єднанні між собою загальні фази якорної обмотки статора.

Синхронний генератор із збудженням від постійних магнітів працює наступним чином.

Від приводу (наприклад, від двигуна внутрішнього згоряння, переважно дизеля, на кресленні не показано) через шків 31 клинопасової передачі обертальний рух передається до опорного валу 9 з кільцевими роторами 10. При обертанні кільцевих роторів 10 (кільцевих обіцянок 11) (наприклад, монолітними магнітними кільцями з порошкового магнітоанізотропного матеріалу) створюються обертові магнітні потоки, пронизують повітряний кільцевий зазор між кільцевими магнітними вкладишами 11 і кільцевими магнітопроводами 5 (наприклад, монолітними дисками з порошкового композиційного магнітомази виступи (на кресленні умовно не показані) кільцевих магнітопроводів 5. При обертанні кільцевих роторів 10 здійснюється також поперемінне проходження "північних" і "південних" магнітних полюсів, що чергуються кільцевих магнітних вкладишів 11 над радіальними полюсними виступами кільцевих магнітопроводів 5 модулів несучого вузла статора, що викликає пульсації обертового магнітного потоку як за величиною, так і у напрямку в радіальних полюсних виступах зазначених кільцевих магнітопроводів 5. При цьому в якірних обмотках 7 і 8 статора наводяться змінні електрорушійні сили (ЕДС) у кожній з m-фазних якірних обмоток 7 і 8 на кут, що дорівнює 360/m електричних градусів, а для представлених трифазних якірних обмоток 7 і 8 у фазах їх (А1, В1, С1 і А2, В2, С2) індуктуються синусоїдальні змінні електрорушійні сили (ЕРС) зі зсувом по фазі між собою на кут 120 градусів і з частотою, що дорівнює добутку числа пар (р) магнітних полюсів у кільцевому магнітному вкладиші 11 на частоту обертання кільцевих роторів 10 (для числа пар магнітних полюсів р=8 індуктуються змінні ЕДС) переважно підвищеної частоти, наприклад частотою 400 Гц). Змінний струм (наприклад, трифазний або в загальному випадку m-фазний), що протікає за загальною якорною обмоткою статора, утвореної зазначеним вище з'єднанням між собою однойменних фаз (А1, В1, С1 і А2, В2, С2) якірних обмоток 7 і 8 суміжних кільцевих магнітопроводів 5, подається на вихідні електричні силові роз'єми (на кресленні не показані) для підключення приймачів електричної енергіїзмінного струму (наприклад, для підключення електродвигунів, електроінструменту, електронасосів, нагрівальних приладів , а також для підключення електрозварювального обладнання тощо). У представленому варіанті виконання синхронного генератора вихідна фазна напруга (Uф) в загальній якорній обмотці статора (утвореної відповідним зазначеним вище з'єднанням між собою однойменних фаз якірних обмоток 7 і 8 в кільцевих магнітопроводах 5) у вихідному початковому положенні 1 щодо друга цих модулів несучого вузла статора і відповідно без кутового зміщення один щодо одного кільцевих магнітопроводів 5 модулів несучого загальному випадку сумарна вихідна фазна напруга Uф генератора дорівнює геометричній сумі векторів напруг в окремих однойменних фазах А1, В1, С1 і А2, В2, С2 якірних обмоток 7 і 8, див. фіг.7 і 8 з діаграмами напруг). При необхідності зміни (зменшення) величини вихідної фазної напруги Uф (і відповідно вихідної лінійної напруги U л) представленого синхронного генератора для живлення певних приймачів електроенергії зі зниженою напругою (наприклад, для електродугового зварювання змінним струмом на певних режимах) здійснюється кутовий розворот окремих модулів несучого вузла статора один щодо одного на певний кут (заданий або відтарований). При цьому стопорний елемент 27 гайки 22 гвинтового механізму приводу кутового розвороту модулів несучого вузла статора розфіксується і за допомогою рукоятки 32 приводиться в обертання ходовий гвинт 21 гвинтового механізму, внаслідок чого здійснюється кутове переміщення гайки 22 по дузі кола в прорізі "г" на заданий кут одного з модулів несучого вузла статора по відношенню до іншого модуля цього несучого вузла статора, на якому змонтована опорна вуха 23, на якому змонтована опорна вуха 23 інший модуль несучого вузла статора з опорною планкою 24, має проріз "г", знаходиться в нерухомому положенні, тобто закріплений на будь-якій підставі, на представленому кресленні умовно не показано). При кутовому розвороті модулів несучого вузла статора (кільцевих втулок 12 зі склянками 14) один щодо одного навколо осі O-O1 опорного валу 9 здійснюється розворот кільцевих магнітопроводів 5 з полюсними виступами по периферії один щодо одного на заданий кут, внаслідок чого здійснюється також і розворот на заданий кут один щодо одного навколо осі O-O1 опорного валу 9 самих полюсних виступів (на кресленні умовно не показані) з електричними котушками 6 багатофазних (в даному випадку трифазних) якірних обмоток 7 і статора 8 в кільцевих магнітопроводах. При розвороті полюсних виступів кільцевих магнітопроводів 5 один щодо одного на заданий кут в межах 360/2р градусів відбувається пропорційний поворот векторів фазних напруг в якорній обмотці рухомого модуля несучого вузла статора (в даному випадку відбувається поворот векторів фазних напруг Uф2 в якорній обмотці статора, що має можливість кутового розвороту) на цілком певний кут в межах 0-180 електричних градусів (див. фіг.7 і 8), що призводить до зміни результуючої вихідної фазної напруги Uф синхронного генератора в залежності від електричного кута повороту векторів фазної напруги Uф2 фазах А2, В2, С2 однієї якорної обмотки 7 статора щодо векторів фазних напруг Uф1 у фазах A1, B1, C1 інший якорної обмотки 8 статора (дана залежність має розрахунковий характер, що обчислюється рішенням косокутних трикутників і визначається наступним виразом:

Діапазон регулювання вихідної результуючої фазної напруги Uф представленого синхронного генератора для випадку, коли Uф1=Uф2 буде змінюватися від 2Uф1 до 0, а для випадку, коли Uф2

Виконання несучого вузла статора з групи однакових модулів із зазначеними кільцевим магнітопроводом 5 і кільцевим ротором 10, змонтованих на одному опорному валу 9, а також встановлення модулів несучого вузла статора з можливістю їх розвороту один щодо одного навколо осі, співвісної з опорним валом 9 несучого вузла статора кінематично пов'язаним з ними приводом кутового розвороту їх один щодо одного і з'єднання між собою однойменних фаз якірних обмоток 7 і 8 в модулях несучого вузла статора з утворенням загальних фаз якорної обмотки статора дозволяють розширити експлуатаційні параметри синхронного генератора за рахунок забезпечення можливості активної потужності, і забезпечення можливості регулювання вихідної напруги змінного струму, а також забезпечення можливості використання його як джерела зварювального струму при проведенні електродугового зварювання на різних режимах (шляхом забезпечення можливості регулювання величини зсуву фаз напруги в однойменних фазах А1, В1, С1 та А2, В2, С2, а в загальному випадку у фазах Ai, Bi, Ci якірних обмоток статора у запропонованому синхронному генераторі). Запропонований синхронний генератор з збудженням від постійних магнітів може бути використаний при відповідній комутації якірних обмоток статора для постачання електроенергією різних приймачів змінного багатофазного електричного струму з різними параметрами напруги живлення. Крім того, додаткове розташування однойменних магнітних полюсів ("північний" і відповідно "південний") кільцевих магнітних вкладишів 11 в суміжних кільцевих роторах 10 конгруентно один одному в одних радіальних площинах, а також з'єднання кінців фаз A1, B1, C1 якорної обмотки магнітопроводі 5 одного модуля несучого вузла статора з початками однойменних фаз А2, В2, С2 якорної обмотки 8 в суміжному модулі несучого вузла статора (послідовне з'єднання між собою однойменних фаз якорної обмотки статора) зумовлюють можливість забезпечення плавного та ефективного регулювання вихідного напруги (2U ф1, а загальному випадку для числа n секцій несучого вузла статора nU ф1) до 0, що може бути використане також для постачання електроенергією спеціальних електричних машин та установок.

формула винаходу

1. Синхронний генератор з збудженням від постійних магнітів, що містить несучий вузол статора з опорними підшипниками, на якому змонтований кільцевий магнітопровід з полюсними виступами по периферії, забезпеченими розміщеними на них електричними котушками з багатофазною якірною обмоткою статора, встановлений на опорному опорних підшипниках навколо кільцевого магнітопроводу статора кільцевий статора кільцевий статора із групи однакових модулів із зазначеними кільцевим магнітопроводом та кільцевим ротором, змонтованими на одному опорному валу, при цьому модулі несучого вузла статора встановлені з можливістю їх розвороту один щодо одного навколо ос і, співвісної з опорним валом, і забезпечені кінематично пов'язаним з ними приводом кутового розвороту їх один щодо одного, а однойменні фази якірних обмоток в модулях несучого вузла статора з'єднані між собою, утворюючи загальні фази якорної обмотки статора.

2. Синхронний генератор з збудженням від постійних магнітів за п.1, який відрізняється тим, що однойменні магнітні полюси кільцевих магнітних вкладишів кільцевих роторів в суміжних модулях несучого вузла статора розташовані конгруентно один одному в одних радіальних площинах, а кінці фаз як вузла статора з'єднані з початками однойменних фаз якірної обмотки в іншому, суміжному модулі несучого вузла статора, утворюючи з'єднання між собою загальні фази якорної обмотки статора.

3. Синхронний генератор з збудженням від постійних магнітів по п.1, який відрізняється тим, що кожен з модулів несучого вузла статора включає кільцеву втулку із зовнішнім упорним фланцем і склянку з центральним отвором в торці, а кільцевий ротор в кожному з модулів несучого вузла статора кільцеву обічайку з внутрішнім упорним фланцем, в якій встановлений згаданий відповідний кільцевий магнітний вкладиш, при цьому зазначені кільцеві втулки модулів несучого вузла статора пов'язані своєю внутрішньою циліндричною бічною стінкою з одними зі згаданих опорних підшипників, інших з яких склянок, кільцеві обічайки кільцевого ротора жорстко з'єднані з опорним валом за допомогою кріпильних вузлів, а кільцевий магнітопровід у відповідному модулі несучого вузла статора змонтований на зазначеній кільцевій втулці, жорстко скріпленої своїм зовнішнім упорним фланцем з бічний циліндр ана і утворює спільно з останнім кільцеву порожнину, в якій розміщений зазначений кільцевий кільцевий магнітопровід з електричними котушками відповідної якірної обмотки статора.

4. Синхронний генератор з збудженням від постійних магнітів за будь-яким з пп.1-3, який відрізняється тим, що кожен з кріпильних вузлів, що з'єднують кільцеву обичайку кільцевого ротора з опорним валом, включає змонтовану на опорному валу маточину з фланцем, жорстко скріпленим фланцем відповідної кільцевої обічайки.

5. Синхронний генератор з збудженням від постійних магнітів по п.4, який відрізняється тим, що привід кутового розвороту модулів несучого вузла статора один щодо одного змонтований за допомогою опорного вузла на модулях несучого вузла статора.

6. Синхронний генератор з збудженням від постійних магнітів по п.5, який відрізняється тим, що привід кутового розвороту один щодо одного модулів несучого вузла статора виконаний у вигляді гвинтового механізму з ходовим гвинтом і гайкою, а опорний вузол приводу кутового розвороту модулів несучого вузла статора включає закріплені на одному зі згаданих склянок опорну провушину, а на іншій склянці опорну планку, при цьому ходовий гвинт шарнірно пов'язаний двоступеневим шарніром одним кінцем за допомогою осі, паралельної осі згаданого опорного валу, із зазначеною опорною планкою, виконаною з розташованої по дузі кола напрямної проріз гайка гвинтового механізму шарнірно пов'язана одним кінцем зі згаданим вушком, виконана на іншому кінці з хвостовиком, пропущеним через напрямну проріз в опорній планці, і забезпечена стопорним елементом.

Дякую за Ваш внесок у розвиток вітчизняної науки та техніки!

Синхронні машини з постійними магнітами (магнітоелектричні) не мають обмотки збудження на роторі, а магнітний потік, що збуджує, у них створюється постійними магнітами, розташованими на роторі. Статор цих машин звичайної конструкції з дво- або трифазною обмоткою.

Застосовують ці машини найчастіше як двигуни невеликої потужності. Синхронні генератори з постійними магнітами застосовують рідше, головним чином як автономно працюючих генераторів підвищеної частоти, малої та середньої потужності.

Синхронні магнітоелектричні двигуни.Ці двигуни набули поширення у двох конструктивних виконаннях: з радіальним та аксіальним розташуванням постійних магнітів.

При радіальному розташуванніпостійних магнітів пакет ротора з пусковою клітиною, виконаний у вигляді порожнистого циліндра, закріплюють на зовнішній поверхні явно виражених полюсів постійного магніту 3. У циліндрі роблять міжполюсні прорізи, що запобігають замиканню потоку постійного магніту в цьому циліндрі (рис. 23.1, ).

При аксіальному розташуваннімагнітів конструкція ротора аналогічна конструкції ротора асинхронного короткозамкнутого двигуна. До торців цього ротора притиснуті постійні кільцеві магніти (рис. 23.1, ).

Конструкції з аксіальним розташуванням магніту застосовують у двигунах малого діаметра потужністю до 100 Вт; конструкції з радіальним розташуванням магнітів застосовують у двигунах більшого діаметра потужністю до 500 Вт та більше.

Фізичні процеси, що протікають при асинхронному пуску цих двигунів, мають деяку особливість, обумовлену тим, що магнітоелектричні двигуни пускають у збудженому стані. Поле постійного магніту в процесі розгону ротора наводить в обмотці статора ЕРС
, частота якої збільшується пропорційно до частоти обертання ротора. Ця ЕРС наводить в обмотці статора струм, що взаємодіє з полем постійних магнітів і створює гальмівниймомент
, спрямований зустрічно обертанню ротора.

Рис. 23.1. Магнітоелектричні синхронні двигуни з радіальним (а) та

аксіальним (б)розташуванням постійних магнітів:

1 - статор, 2 - короткозамкнений ротор, 3 - постійний магніт

Таким чином, при розгоні двигуна з постійними магнітами на його ротор діють два асинхронні моменти (рис. 23.2): обертовий
(від струму , надходить в обмотку статора з мережі) та гальмівний
(від струму , наведеного в обмотці (статораполем постійного магніту).

Однак залежність цих моментів від частоти обертання ротора (ковзання) різна: максимум крутного моменту
відповідає значній частоті (невеликому ковзанню), а максимум гальмівного моменту М Т - малій частоті обертання (великому ковзанню). Розгін ротора відбувається під дією результуючого моменту
що має значний «провал» у зоні малих частот обертання. З наведених малюнку кривих видно, що вплив моменту
на пускові властивості двигуна, зокрема на момент входу до синхронізму М вх, Значно.

Для забезпечення надійного пуску двигуна необхідно мінімальний результуючий момент в асинхронному режимі
та момент входу в синхронізм М вх , були більшими за момент навантаження. Форма кривої асинхронного моменту магнітоелектричного

Рис.23.2. Графіки асинхронних моментів

магнітоелектричного синхронного двигуна

двигуна значною мірою залежить від активного опору пускової клітини та від ступеня збудженості двигуна, що характеризується величиною
, де Е 0 - ЕРС фази статора, наведена в режимі холостого ходу при обертанні ротора із синхронною частотою. Зі збільшенням «провал» у кривій моменту
збільшується.

Електромагнітні процеси у магнітоелектричних синхронних двигунах у принципі аналогічні процесам у синхронних двигунах з електромагнітним збудженням. Однак необхідно мати на увазі, що постійні магніти в магнітоелектричних машинах схильні до розмагнічування дією магнітного потоку реакції якоря. Пускова обмотка дещо послаблює це розмагнічування, оскільки робить на постійні магніти дію, що екранує.

Позитивні властивості магнітоелектричних синхронних двигунів – підвищена стійкість роботи в синхронному режимі та рівномірність частоти обертання, а також здатність синфазного обертання кількох двигунів, включених в одну мережу. Ці двигуни мають порівняно високі енергетичні показники (ККД та
,).

Недоліки магнітоелектричних синхронних двигунів - підвищена вартість порівняно з синхронними двигунами інших типів, обумовлена ​​високою вартістю та складністю обробки постійних магнітів, що виконуються зі сплавів, що мають велику коерцитивну силу (алені, алніко, магніко та ін.). Ці двигуни зазвичай виготовляють на невеликі потужності і застосовують у приладобудуванні та пристроях автоматики для приводу механізмів, що вимагають сталості частоти обертання.

Синхронні магнітоелкитрічні генератори. Ротор такого генератора виконують за малої потужності у вигляді «зірочки» (рис. 23.3, а), при середній потужності - з кігтеподібними полюсами та циліндричним постійним магнітом (рис. 23.3, б).Ротор з кігтеподібними полюсами дає можливість отримати генератор з розсіюванням полюсів, що обмежує ударний струм при раптовому короткому замиканні генератора. Цей струм становить велику небезпеку для постійного магніту через сильну дії, що розмагнічує.

Крім недоліків, зазначених при розгляді магнітоелектричних синхронних двигунів, генератори з постійними магнітами мають ще один недолік, зумовлений відсутністю обмотки збудження, а тому регулювання напруги в магнітоелектричних генераторах практично неможливе. Це ускладнює стабілізацію напруги генератора при змінах навантаження.

Рис.23.3. Ротори магнітоелектричних синхронних генераторів:

1 - Вал; 2 - Постійний магніт; 3 - Полюс; 4 - Немагнітна втулка

Генератор- пристрій, що перетворює один вид енергії на інший.
У разі розглядаємо перетворення механічної енергії обертання на електричну.

Розрізняють два типи таких генераторів. Синхронні та асинхронні.

Синхронний генератор. Принцип дії

Відмінною ознакою синхронного генератора є жорсткий зв'язок між частотою fзмінної ЕРС, наведеної в обмотці статора, та частотою обертання ротора n, званою синхронною частотою обертання:

n = f/p

де p- Число пар полюсів обмотки статора і ротора.
Зазвичай частота обертання виявляється в об/хв, а частота ЕРС в Герцах (1/сек), тоді для кількості обертів за хвилину формула набуде вигляду:

n = 60·f/p

На рис. 1.1 представлено функціональну схему синхронного генератора. На статорі 1 розташована трифазна обмотка, що принципово не відрізняється від аналогічної обмотки асинхронної машини. На роторі розташований електромагніт з обмоткою збудження 2, що отримує живлення постійним струмом, як правило, через ковзні контакти, що здійснюються за допомогою двох контактних кілець, розташованих на роторі, і двох нерухомих щіток.
У деяких випадках у конструкції ротора синхронного генератора замість електромагнітів можуть використовуватися постійні магніти, тоді необхідність наявності контактів на валу відпадає, але суттєво обмежуються можливості стабілізації вихідних напруг.

Привідним двигуном (ПД), в якості якого використовується турбіна, двигун внутрішнього згоряння або інше джерело механічної енергії, ротор генератора приводиться у обертання із синхронною швидкістю. При цьому магнітне поле електромагніту ротора також обертається із синхронною швидкістю та індукує в трифазній обмотці статора змінні ЕРС E A , E B і E C , які є однаковими за значенням і зрушеними по фазі відносно один одного на 1/3 періоду (120°), утворюють симетричну трифазну систему ЕРС.

З підключенням навантаження до затискачів статора обмотки С1, С2 і С3 у фазах обмотки статора з'являються струми I A , I B, I C , які створюють магнітне поле, що обертається. Частота обертання цього поля дорівнює частоті обертання ротора генератора. Таким чином, у синхронному генераторі магнітне поле статора та ротор обертаються синхронно. Миттєве значення ЕРС обмотки статора в аналізованому синхронному генераторі

e = 2Blwv = 2πBlwDn

Тут: B– магнітна індукція у повітряному зазорі між сердечником статора та полюсами ротора, Тл;
l- Активна довжина однієї пазової сторони обмотки статора, тобто. довжина сердечника статора, м;
w– кількість витків;
v = πDn- Лінійна швидкість руху полюсів ротора щодо статора, м / с;
D- Внутрішній діаметр сердечника статора, м.м.

Формула ЕРС показує, що при незмінній частоті обертання ротора nформа графіка змінної ЕРС обмотки якоря (статора) визначається виключно законом розподілу магнітної індукції Bу зазорі між статором та полюсами ротора. Якщо графік магнітної індукції в зазорі є синусоїдою B = B max sinα, ЕРС генератора також буде синусоїдальної. У синхронних машинах завжди прагнуть отримати розподіл індукції в зазорі якомога ближче до синусоїдального.

Так, якщо повітряний зазор δ постійний (рис. 1.2), то магнітна індукція Bу повітряному зазорі розподіляється за трапецеїдальним законом (графік 1). Якщо ж краї полюсів ротора «скосити» так, щоб зазор на краях полюсних наконечників дорівнював δ max (як показано на рис. 1.2), то графік розподілу магнітної індукції в зазорі наблизиться до синусоїди (графік 2), а, отже, і графік ЕРС, індукованої в обмотці генератора, наблизиться до синусоїди. Частота ЕРС синхронного генератора f(Гц) пропорційна синхронній частоті обертання ротора n(про/с)

де p- Число пар полюсів.
У аналізованому генераторі (див. рис.1.1) два полюси, тобто. p = 1.
Для отримання ЕРС промислової частоти (50 Гц) у такому генераторі ротор необхідно обертати з частотою n= 50 об/с ( n= 3000 об/хв).

Способи збудження синхронних генераторів

Найпоширенішим способом створення основного магнітного потоку синхронних генераторів є електромагнітне збудження, що полягає в тому, що на полюсах ротора мають обмотку збудження, при проходженні по якій постійного струму, виникає МДС, що створює в генераторі магнітне поле. До останнього часу для живлення обмотки збудження застосовувалися переважно спеціальні генератори постійного струму незалежного збудження, які називаються збудниками. У(Рис. 1.3, а). Обмотка збудження ( ОВ) отримує живлення від іншого генератора (паралельного збудження), званого підзбудником ( ПВ). Ротор синхронного генератора, збудника та підзбудника розташовуються на загальному валу та обертаються одночасно. При цьому струм в обмотку збудження синхронного генератора надходить через контактні кільця та щітки. Для регулювання струму збудження застосовують регулювальні реостати, що включаються до ланцюга збудження збудника r 1 та підзбудника r 2 . У синхронних генераторах середньої та великої потужності процес регулювання струму збудження автоматизують.

У синхронних генераторах набула застосування також безконтактна система електромагнітного збудження, при якій синхронний генератор не має контактних кілець на роторі. Як збудник у цьому випадку застосовують звернений синхронний генератор змінного струму У(Рис. 1.3, б). Трифазна обмотка 2 збудника, в якій наводиться змінна ЕРС, розташована на роторі і обертається разом з обмоткою збудження синхронного генератора і їх електричне з'єднання здійснюється через випрямляч, що обертається. 3 безпосередньо, без контактних кілець та щіток. Живлення постійним струмом обмотки збудження 1 збудника здійснюється від підзбудника ПВ- генератора постійного струму. Відсутність ковзаючих контактів у ланцюзі збудження синхронного генератора дозволяє підвищити її експлуатаційну надійність та збільшити ККД.

У синхронних генераторах, у тому числі гідрогенераторах, набув поширення принцип самозбудження (рис. 1.4, а), коли енергія змінного струму, необхідна для збудження, відбирається від обмотки статора синхронного генератора і через понижувальний трансформатор і напівпровідниковий випрямний перетворювач ППперетворюється на енергію постійного струму. Принцип самозбудження заснований на тому, що початкове збудження генератора відбувається рахунок залишкового магнетизму машини.

На рис. 1.4 б представлена ​​структурна схема автоматичної системи самозбудження синхронного генератора ( СГ) з випрямляючим трансформатором ( ВТ) та тиристорним перетворювачем ( ТП), через які електроенергія змінного струму з ланцюга статора СГпісля перетворення на постійний струм подається в обмотку збудження. Управління тиристорним перетворювачем здійснюється за допомогою автоматичного регулятора збудження АРВ, на вхід якого надходять сигнали напруги на вході СГ(через трансформатор напруги ТН) та струму навантаження СГ(Від трансформатора струму ТТ). Схема містить блок захисту ( БЗ), що забезпечує захист обмотки збудження ( ОВ) від перенапруги та струмового навантаження.

Потужність, що витрачається на збудження, зазвичай становить від 0,2 до 5% корисної потужності (менше значення відноситься до генераторів великої потужності).
У генераторах малої потужності знаходить застосування принцип порушення постійними магнітами, розташованими на роторі машини. Такий спосіб збудження дає можливість позбавити генератор обмотки збудження. В результаті конструкція генератора суттєво спрощується, стає більш економічною та надійною. Однак, через високу вартість матеріалів для виготовлення постійних магнітів з великим запасом магнітної енергії та складності їх обробки застосування збудження постійними магнітами обмежено машинами потужністю не більше кількох кіловат.

Синхронні генераторискладають основу електроенергетики, так як практично вся електроенергія у всьому світі виробляється за допомогою синхронних турбо-або гідрогенераторів.
Так само синхронні генератори знаходять широке застосування у складі стаціонарних та пересувних електроустановок або станцій у комплекті з дизельними та бензиновими двигунами.

Асинхронний генератор. Відмінності від синхронного

Асинхронні генератори принципово відрізняються від синхронних відсутністю жорсткої залежності між частотою обертання ротора і ЕРС, що виробляється. Різницю між цими частотами характеризує коефіцієнт s- ковзання.

s = (n - n r)/n

тут:
n- Частота обертання магнітного поля (частота ЕРС).
n r- Частота обертання ротора.

Більш детально з розрахунком ковзання та частоти можна ознайомитись у статті: асинхронні генератори. Частота.

У звичайному режимі електромагнітне поле асинхронного генератора під навантаженням надає гальмівний момент обертання ротора, отже, частота зміни магнітного поля менше, тому ковзання буде негативним. До генераторів, що працюють в області позитивних ковзань, можна віднести асинхронні тахогенератори та перетворювачі частоти.

Асинхронні генератори, залежно від конкретних умов застосування, виконуються з короткозамкненим, фазним або порожнистим ротором. Джерелами формування необхідної енергії збудження ротора можуть бути статичні конденсатори або вентильні перетворювачі зі штучною комутацією вентилів.

Асинхронні генератори можна класифікувати за способом збудження, характером вихідної частоти (змінюється, постійна), способом стабілізації напруги, робочим областям ковзання, конструктивного виконання і числом фаз.
Останні дві ознаки характеризують конструктивні особливості генераторів.
Характер вихідної частоти та методи стабілізації напруги значною мірою обумовлені способом утворення магнітного потоку.
Класифікація за способом збудження є основною.

Можна розглянути генератори із самозбудженням та з незалежним збудженням.

Самовзбудження в асинхронних генераторах може бути організовано:
а) за допомогою конденсаторів, включених у ланцюг статора або ротора або одночасно в первинну та вторинну ланцюга;
б) за допомогою вентильних перетворювачів з природною та штучною комутацією вентилів.

Незалежне порушення може здійснюватися від зовнішнього джерела змінної напруги.

За характером частоти самозбуджуючі генератори поділяються на дві групи. До першої відносяться джерела практично постійної (або постійної) частоти, до другої змінної (регульованої) частоти. Останні застосовуються для живлення асинхронних двигунів із плавною зміною частоти обертання.

Докладніше розглянути принцип роботи та конструктивні особливості асинхронних генераторів планується розглянути в окремих публікаціях.

Асинхронні генератори не вимагають конструкції складних вузлів для організації збудження постійним струмом або застосування дорогих матеріалів з великим запасом магнітної енергії, тому знаходять широке застосування у користувачів пересувних електроустановок через свою простоту і невибагливість в обслуговуванні. Використовуються для живлення пристроїв, що не потребують жорсткої прив'язки до частоти струму.
Технічною перевагою асинхронних генераторів можна визнати їх стійкість до перевантажень і коротких замикань.
З деякою інформацією щодо мобільних генераторних установок можна ознайомитись на сторінці:
Дизель-генератори.
Асинхронний генератор. Характеристики .
Асинхронний генератор. Стабілізація.

Зауваження та пропозиції приймаються та вітаються!

Синхронні генератори

із збудженням від постійних магнітів

(розроблено у 2012 р.)

Пропонований генератор за принципом дії є синхронним генератором із збудженням від постійних магнітів. Магніти складу NeFeB, що створюють магнітне поле з індукцією 1,35 Тлрозташовані по колу ротора з чергуванням полюсів.

В обмотках генератора збуджується е. д.с., амплітуда та частота якої визначаються швидкістю обертання ротора генератора.

Конструкція генератора не містить колектора з контактами, що розмикаються. Генератор також не має обмоток збудження, які споживають додатковий струм.

Переваги генератора пропонованої конструкції:

1. Має всі позитивні риси синхронних генераторів з збудженням від постійних магнітів:

1) відсутність струмознімальних щіток,

2) відсутність струму збудження.

2. Більшість аналогічних генераторів, що випускаються в даний час, при тій же потужності мають масо-габаритні параметрів 1,5 – 3 рази більше.

3. Номінальна швидкість обертання валу генератора – 1600 про./хв. Вона відповідає швидкості обертання тихохідних дизельних приводів. Тому при переведенні індивідуальних енергоустановок з бензинових двигунів на дизельні з використанням нашого генератора, споживач отримає суттєву економію пального і, як наслідок, вартість кіловат-години знизиться.

4. Генератор має невеликий стартовий момент страгування (менше 2 Нм), тобто для пуску достатньо потужності приводу всього в 200 Вт, і запуск генератора можливий від дизеля при старті, навіть без муфти зчеплення. Аналогічні ринкові двигуни мають розгінний період створення запасу потужності при пуску генератора, т. до. при пуску бензиновий двигун працює у режимі дефіциту потужності.

5. За рівня надійності 90% ресурс генератора становить 92 тис. годин (10,5 років безупинної роботи). Цикл роботи двигуна приводу між капітальними ремонтами , заявляється виробниками (як і ринкових аналогів генератора) становить 25 – 40 тис. годин. Тобто наш генератор за надійністю напрацювання перевищує надійність серійних двигунів та генераторів у 2-3 рази.

6. Простота виготовлення та складання генератора – складальною ділянкою може бути слюсарна майстерня при штучному та малосерійному виробництві.

7. Проста адаптація генератора під вихідну напругу змінного струму:

1) 36 У, частота 50 - 400 Гц

2) 115 У, частота 50 - 400 Гц(Аеродромні енергоустановки);

3) 220 У, частота 50 - 400 Гц;

4) 380 У, частота 50 - 400 Гц.

Базова конструкція генератора дозволяє налаштовувати виріб, що випускається, на різну частоту і різну напругу без зміни конструкції.

8. Висока пожежна безпека. Пропонований генератор не може стати джерелом пожежі навіть при короткому замиканні ланцюга навантаження або в обмотках, що закладено в конструкцію системи. Це дуже важливо при використанні генератора для бортової електростанції в умовах замкнутого простору водного судна, повітряного судна, приватного дерев'яного домобудування і т.п.

9. Низький рівень шуму.

10. Висока ремонтопридатність.

Параметри генератора потужністю 0,5 кВт

Параметри генератора потужністю 2,5 кВт

ПІДСУМКИ:

Пропонований генератор може виготовлятися для використання в електрогенераторних установках із частотою обертання валу 1500-1600 об/хв. - у дизельних, бензинових та парогенераторних електростанціях індивідуального користування або в локальних енергетичних системах. У парі з мультиплікатором електромеханічний перетворювач енергії може використовуватися і для генерації електроенергії в низькооборотних генераторних системах, типу вітроелектростанцій, хвильових електростанцій і т. п. будь-якої потужності. Тобто сфера застосування електромеханічного перетворювача робить пропонований комплекс (мультиплікатор-генератор) універсальним. Наведені в тексті масогабаритні та інші електротехнічні параметри дають пропонованій конструкції явні конкурентні переваги на ринку порівняно з аналогами.

Закладені в основу конструкції принципи виготовлення мають високу технологічність, в своїй основі не вимагають прецизійного верстатного парку і орієнтовані на масове серійне виробництво. У результаті конструкція матиме низьку собівартість серійного виробництва.

Дмитро Льовкін

Головна відмінність між синхронним двигуном з постійними магнітами (СДПМ) і полягає у роторі. Проведені дослідження показують, що СДПМ має приблизно на 2% більше, ніж високоефективний (IE3) асинхронний електродвигун, за умови, що статор має однакову конструкцію, а для керування використовується той самий . При цьому синхронні електродвигуни з постійними магнітами в порівнянні з іншими електродвигунами мають кращі показники: потужність/об'єм, момент/інерція та ін.

Конструкції та типи синхронного електродвигуна з постійними магнітами

Синхронний електродвигун з постійними магнітами, як і будь-який, складається з ротора та статора. Статор - нерухома частина, ротор - частина, що обертається.

Зазвичай ротор знаходиться всередині статора електродвигуна, також існують конструкції із зовнішнім ротором - електродвигуни зверненого типу.

Конструкції синхронного двигуна з постійними магнітами: ліворуч – стандартна, справа звернена.

Роторскладається із постійних магнітів. Як постійні магніти використовуються матеріали з високою коерцитивною силою.

За конструкцією ротора синхронні двигуни поділяються на:

Електродвигун з неявно вираженими полюсами має рівну індуктивність по поздовжній і поперечній осях L d = L q тоді як у електродвигуна з явно вираженими полюсами поперечна індуктивність не дорівнює поздовжній L q ≠ L d .

Перетин роторів з різним ставленням Ld/Lq. Чорним позначені магніти. На малюнку д, е представлені аксіально-розшаровані ротори, на малюнку в зображено ротори з бар'єрами.

Також за конструкцією ротора СДПМ поділяються на:
• синхронний двигун з поверхневою установкоюпостійних магнітів
  (англ. SPMSM - surface permanent magnet synchronous motor) ;
• синхронний двигун із вбудованими(інкорпорованими) магнітами
  (Англ. IPMSM - interior permanent magnet synchronous motor).

Ротор синхронного двигуна з поверхневою установкою постійних магнітів

Ротор синхронного двигуна із вбудованими магнітами

Статорскладається з корпусу та сердечника з обмоткою. Найбільш поширені конструкції з дво- та трифазною обмоткою.

Залежно від конструкції статора синхронний двигун із постійними магнітами буває:
• з розподіленою обмоткою;
• із зосередженою обмоткою.

розподіленоюназивають таку обмотку, яка має число пазів на полюс і фазу Q = 2, 3,...., k.

Зосередженийназивають таку обмотку, яка має число пазів на полюс і фазу Q = 1. При цьому пази розташовані рівномірно по колу статора. Дві котушки, що утворюють обмотку, можна з'єднати як послідовно, і паралельно. Основний недолік таких обмоток - неможливість впливу на форму кривої ЕРС.

Схема трифазної розподіленої обмотки

Схема трифазної зосередженої обмотки

Форма зворотної ЕРСелектродвигуна може бути:
• трапецеїдальна;
• синусоїдальна.

Форма кривої ЕРС у провіднику визначається кривою розподілу магнітної індукції у зазорі по колу статора.

Відомо, що магнітна індукція в зазорі під явно вираженим полюсом ротора має форму трапеціїдальну. Таку форму має і наведена в провіднику ЕРС. Якщо необхідно створити синусоїдальну ЕРС, то полюсним наконечникам надають таку форму, при якій крива розподілу індукції була б близька до синусоїдальної. Цьому сприяють скоси полюсних наконечників ротора.

Принцип роботи синхронного двигуна заснований на взаємодії статора та постійного магнітного поля ротора.

Запустити

Зупинити

Магнітне поле синхронного електродвигуна, що обертається.

Магнітне поле ротора, взаємодіючи з синхронним змінним струмом обмоток статора, відповідно до , створює , змушуючи ротор обертатися ().

Постійні магніти, розташовані на роторі СДПМ, створюють постійне магнітне поле. При синхронній швидкості обертання ротора з полем статора, полюси ротора зчіплюються з магнітним полем статора, що обертається. У зв'язку з цим СДПМ не може сам запуститися при підключенні безпосередньо до мережі трифазного струму (частота струму в мережі 50Гц).

Управління синхронним двигуном із постійними магнітами

Для роботи синхронного двигуна з постійними магнітами обов'язково потрібна система керування, наприклад сервопривід. При цьому існує велика кількість способів управління системами контролю, що реалізуються. Вибір оптимального способу управління, головним чином, залежить від задачі, що ставиться перед електроприводом. Основні методи керування синхронним електродвигуном із постійними магнітами наведені в таблиці нижче.

Популярні способи керування синхронним двигуном із постійними магнітами

Для вирішення нескладних завдань зазвичай використовується трапеціальне управління по датчиках Холла (наприклад - комп'ютерні вентилятори). Для вирішення завдань, які вимагають максимальних характеристик електроприводу, зазвичай вибирається полеорієнтоване управління.

Трапеціальне управління

Одним із найпростіших методів керування синхронним двигуном з постійними магнітами є - трапецеїдальне керування. Трапеціідальне керування застосовується для керування СДПМ з трапеціїдальної зворотної ЕРС. При цьому цей метод дозволяє також керувати СДПМ із синусоїдальною зворотною ЕРС, але тоді середній момент електроприводу буде нижчим на 5%, а пульсації моменту становитимуть 14% від максимального значення. Існує трапецієдальне управління без зворотного зв'язку та зі зворотним зв'язком за становищем ротора.

Управління без зворотного зв'язкуне оптимально може призвести до виходу СДПМ з синхронізму, тобто. до втрати керованості.

Управління зі зворотним зв'язкомможна розділити на:
• трапеціальне управління по датчику положення (зазвичай - по датчикам Холла);
• трапеціїдальне керування без датчика (бездатчикове трапецідальне керування).

Як датчик положення ротора при трапеціальному керуванні трифазного СДПМ зазвичай використовуються три датчики Холла вбудовані в електродвигун, які дозволяють визначити кут з точністю ±30 градусів. При такому керуванні вектор статора приймає тільки шість положень на один електричний період, в результаті чого на виході є пульсації моменту.

Існує два способи визначення положення ротора:
• за датчиком положення;
• без датчика - у вигляді обчислення кута системою управління у час на основі наявної інформації.

Полеорієнтоване управління СДПМ за датчиком положення

Як датчик кута використовуються такі типи датчиків:
• індуктивні: синусно-косинусний трансформатор (СКВТ), що обертається, редуктосин, індуктосин та ін;
• оптичні;
• магнітні: магніторезистивні датчики.

Полеорієнтоване керування СДПМ без датчика положення

Завдяки бурхливому розвитку мікропроцесорів з 1970-х років почали розроблятися векторні бездатчикові методи управління безщітковими змінного струму. Перші методи бездатчикового визначення кута були засновані на властивості електродвигуна генерувати зворотну ЕРС під час обертання. Зворотна ЕРС двигуна містить у собі інформацію про становище ротора, тому обчисливши величину зворотної ЕРС у стаціонарній системі координат можна розрахувати положення ротора. Але коли ротор не рухливий, зворотна ЕРС відсутня, а на низьких оборотах зворотна ЕРС має маленьку амплітуду, яку складно відрізнити від шуму, тому даний метод не підходить для визначення положення ротора двигуна на низьких оборотах.

Існує два поширені варіанти запуску СДПМ:
• запуск скалярним методом - запуск за наперед визначеною характеристикою залежності напруги від частоти. Але скалярне керування сильно обмежує можливості системи керування та параметри електроприводу в цілому;
• - Працює тільки з СДПМ у якого ротор має явно виражені полюси.

На даний момент можливе тільки для двигунів із ротором із явно вираженими полюсами.