Синхронные машины с постоянными магнитами

Синхронные машины с постоянными магнитами (магнитоэлектрические) не имеют обмотки возбуж­дения на роторе, а возбуждающий магнитный поток у них создается постоянными магнитами, располо­женными на роторе. Статор этих машин обычной конструкции с двух- или трехфазной обмоткой.

Применяют эти машины чаще всего в качестве двигателей небольшой мощности. Синхронные гене­раторы с постоянными магнитами применяют реже, главным образом в качестве автономно работаю­щих генераторов повышенной частоты, малой и средней мощности.

Синхронные магнитоэлектрические двигатели. Эти двигатели получили распространение в двух конструктивных исполнениях: с радиальным и ак­сиальным расположением постоянных магнитов.

При радиальном расположении по­стоянных магнитов пакет ротора с пусковой клет­кой, выполненный в виде полого цилиндра, закреп­ляют на наружной поверхности явно выраженных полюсов постоянного магнита 3. В цилиндре делают межполюсные прорези, предотвращающие замыка­ние потока постоянного магнита в этом цилиндре (рис. 23.1, а).

При аксиальном расположении маг­нитов конструкция ротора аналогична конструкции ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя. К торцам этого ротора Прижаты кольцевые постоян­ные магниты (рис. 23.1,6).

Конструкции с аксиальным расположением маг­нита применяют в двигателях малого диаметра мощностью до 100 Вт; конструкции с радиальным расположением магнитов применяют в двигателях большего диаметра мощностью до 500 Вт и более.

Физические процессы, протекающие при асин­хронном пуске этих двигателей, имеют некоторую особенность, обусловленную тем, что магнитоэлек­трические двигатели пускают в возбужденном со- стоянии. Поле постоянного магнита в процессе разгона ротора наводит в обмотке статора ЭДС Е1п, частота которой увеличи­вается пропорционально частоте вращения ротора. Эта ЭДС на­водит в обмотке статора ток, взаимодействующий с полем посто­янных магнитов и создающий тормозной момент Мт, на­правленный встречно вращению ротора.

Рис. 23.1. Магнитоэлектрические синхронные двигатели с радиальным (а) и аксиальным (б) расположением постоянных магнитов: I — статор; 2 — короткозамкнутый ротор; 3 — постоянный магнит

Таким образом, при разгоне двигателя с постоянными магни­тами на его ротор действуют два асинхронных момента (рис. 23.2): вращающий Ма (от тока I1, поступающего в обмотку статора из сети) и тормозной Мт (от тока I1п, наведенного в обмотке статора полем постоянного магнита).

Однако зависимость этих моментов от частоты вращения ро­тора (скольжения) различна: максимум вращающего момента Ма соответствует значительной частоте (небольшому скольже­нию), а максимум тормозного момента Мт — малой частоте вра­щения (большому скольжению). Разгон ротора происходит под действием результирующего момента Мрез = Ма + Мт, который имеет значительный «провал» в зоне малых частот вращения. Из приведенных на рисунке кривых видно, что влияние момента Мт на пусковые свойства двигателя, в частности на момент входа в синхронизм Мвх, значительно.

Для обеспечения надежного пуска двигателя необходимо, чтобы минимальный результирующий момент в асинхронном ре­жиме Мрез и момент входа в синхронизм Мвх были больше мо­мента нагрузки. Форма кривой асинхронного момента магнито­электрического двигателя в значительной степени зависит от ак­тивного сопротивления пусковой клетки и от степени возбужден­ности двигателя, характеризуемой величиной ξп— (Eo/U1) < 1, где Ео — ЭДС фазы статора, наведенная в режиме холостого хода при вращении ротора с синхронной частотой. С увеличением «провал» в кривой момента Мрез увеличивается. Электромагнитные процессы в магнитоэлектрических синхрон­ных двигателях в принципе аналогичны процессам в синхронных двигателях с электромагнитным возбуждением. Однако необходимо иметь в виду, что постоянные магниты в магнитоэлектриче­ских машинах подвержены размагничиванию действием магнит­ного потока реакции якоря. Пусковая обмотка несколько ослаб­ляет это размагничивание, так как оказывает на постоянные маг­ниты экранирующее действие.

Положительные свойства магнитоэлектрических синхронных двигателей — повышенная устойчивость работы в синхронном ре­жиме и равномерность частоты вращения, а также способность синфазного вращения нескольких двигателей, включенных в одну сеть. Эти двигатели имеют сравнительно высокие энергетические показатели (КПД и coscpi).

Рис. 23.2. Графики асинхронных моментов магнитоэлектрического синхронного двигателя

Недостатки магнитоэлектрических синхронных двигателей — повышенная стоимость по сравнению с синхронными двигателями других типов, обусловленная высокой стоимостью и сложностью обработки постоянных магнитов, выполняемых из сплавов, обла­дающих большой коэрци­тивной силой (ални, алнико, магнико и др.). Эти двигатели обычно изготов­ляют на небольшие мощ­ности и применяют в при­боростроении и в устрой­ствах автоматики для при­вода механизмов, требую­щих постоянства частоты вращения.

1 — вал; 2— постоянный магнит; 3 — полюс; 4 — намагнитная втулка

Синхронные магнито­электрические генераторы. Ротор такого генератора выполняют при малой мощности в виде «звездочки» (рис. 23.3,а), при средней мощности — с когтеобразными полюсами и ци­линдрическим постоянным магнитом (рис. 23.3, б). Ротор с когте­образными полюсами дает возможность получить генератор с, рассеянием полюсов, ограничивающим ударный ток при внезап­ном коротком замыкании генератора. Этот ток представляет большую опасность для постоянного магнита ввиду сильного размагничивающего действия.

Помимо недостатков, отмеченных при рассмотрении магнито­электрических синхронных двигателей, генераторы с постоянными магнитами имеют еще один недостаток, обусловленный отсутст­вием обмотки возбуждения, а поэтому регулировка напряжения в магнитоэлектрических генераторах практически невозможна. Это затрудняет стабилизацию напряжения генератора при из­менениях нагрузки.