Генератора на постоянных магнитах расчет – Расчет выходного напряжения многополюсного низкооборотного электрогенератора на основе постоянных магнитов — Идеи по Энергии — Каталог статей

уточняем тип конструкции и рассказываем как они производятся

Изготовление ветряка

Изготовление ветрогенератора своими руками состоит из двух этапов. Первый — создание вращающейся турбины (крыльчатки), работа слесарная, с материалами и инструментами. Вторым этапом становится создание генератора, процедура не менее ответственная и требующая тщательности и наличия определенного опыта и знаний. При этом, изготовление генератора «на глазок» никаких полезных результатов не принесет.

Необходим расчет, позволяющий совместить характеристики крыльчатки и генератора, дающий возможность получить представление о характеристиках создаваемого устройства. Рассмотрим порядок расчета и величины, которые необходимы для его выполнения.

Уточняем тип конструкции

Прежде, чем начать расчет, следует определиться с количеством фаз генератора. Однофазные устройства выдают неравномерное напряжение, имеющее скачки амплитуды.

Если ветряк планируется использовать для питания несложных и нетребовательных механизмов или освещения, то можно обойтись однофазным генератором, но для полного комплекса оборудования — аккумуляторные батареи, инвертор — понадобится трехфазное устройство. Иначе оборудование будет получать неравномерное напряжение, что скажется на его работе и состоянии весьма отрицательно.

Кроме того, однофазные генераторы имеют одинаковое количество катушек и магнитов, из-за чего при работе постоянно гудят. При набегании магнита катушка начинает активно сопротивляться, что вызывает заметную вибрацию, опасную для конструкции генератора и всего ветряка. Затем надо уточнить особенности конструкции.

Наиболее эффективным и достаточно простым типом является генератор на неодимовых магнитах. Они обладают значительной магнитной индукцией, имеют удобные размеры. Генераторы на неодимовых магнитах достаточно просты в изготовлении и хорошо показывают себя в работе.

Заодно надо решить, как будет создан генератор — путем модернизации готового устройства (например, автомобильного генератора), или создан дисковый генератор «с нуля». Преимуществом готовых устройств является наличие качественного корпуса, ротора и всех необходимых элементов. Но понадобится переточить ротор под магниты, для чего понадобится обращаться к токарю.

Кроме того, размер обмоток, способных поместиться в пазы корпуса, ограничен, поэтому каких-то глобальных изменений в конструкцию внести не удастся. Дисковые самодельные генераторы могут иметь любые размеры, что позволяет изготовить наиболее приспособленный для имеющихся замыслов образец.

Точные расчеты для катушек ветрогенератора: намотка генератора для устройства

Точные расчеты для катушек ветрогенератора: намотка генератора для устройства

Как производится расчет генератора?

Основная формула расчета ЭДС генератора выглядит следующим образом:

E = V × B × L, где

E — ЭДС.

V — Линейная скорость движения магнитов (М/с).

B — Магнитная индукция магнитов (Тл).

L — Активная длина проводника (м)

Используя формулу можно получить значение ЭДС генератора для определенной скорости движения (вращения) ротора. Некоторую сложность представляет собой определение величины магнитной индукции. Точного значения найти вряд ли удастся, поэтому обычно принимают значение, равное 0,8 Тл. Или, как вариант, измеряют величину зазора между магнитами и катушками статора. Считается, что зазор размером в толщину магнита обеспечивает магнитную индукцию в 1 Тл. Если зазор увеличивается, то величина индукции падает.

Активная длина проводника — это длина провода обмоток, накрытая магнитами. То есть, та часть обмоток, которая попадает в магнитное поле. Поэтому изготовление слишком больших катушек нецелесообразно, их размер должен максимально коррелировать с величинами магнитов. Для круглых магнитов на немагнитном основании активная длина принимается равной диаметру магнита, а при использовании железного статора активная длина принимается равной ширине статора, так как он весь становится сплошным магнитом.

Следует учитывать, что на аксиальных генераторах общая длина провода, использованного при намотке катушек, примерно в 2 раза больше активной длины проводника, используемой при расчетах. В этом кроется распространенная ошибка, когда при расчетах в формулу подставляется полная длина провода, что дает неверный, увеличенный результат.

Исходя из приведенной формулы можно сделать вывод — при прочих равных условиях можно увеличить ЭДС, изготавливая дисковые генераторы с большим диаметром диска. Линейная скорость магнитов увеличится, и устройство даже на низких скоростях будет вырабатывать неплохое напряжение. Однако, генератор с высоким напряжением — не самоцель, устройство должно вырабатывать именно то количество тока, какое подойдет для качественной зарядки аккумуляторов.

Нерационально создавать ветряк, если большая часть выработанного тока будет сбрасываться на балластную нагрузку. Кроме того, необходимо заранее выяснить преобладающую скорость ветра в регионе и вычислить оптимальную скорость вращения крыльчатки. В противном случае можно получить генератор, дающий слишком высокое напряжение, чреватое закипанием аккумуляторов.

Расчеты для катушек

Количество катушек должно быть кратным количеству фаз и соответствовать периодичности изменения полюсности магнитов. Для однофазных генераторов оно должно быть кратно 2 или 4, для трехфазных — кратно 3. Обычно трехфазные генераторы оборудуются 18, 24, 30 и т.д. катушками. Обычно используют соотношение числа полюсов и катушек 2:3, т.е. при 12 полюсах делают 18 катушек. Также используется обратное соотношение 4:3, когда размер магнитов невелик и их больше, чем катушек.

Для генераторов, переделанных из автомобильных устройств, можно обойтись и без расчета, поскольку пазы, созданные для укладки обмоток, имеют ограниченный размер. Обычно удаляют старые обмотки и наматывают новые, более тонким проводом для увеличения числа витков, причем, имеющиеся пазы заполняют проводом полностью. в таких условиях расчет не имеет принципиального смысла, так как в существующие гнезда войдет только определенное количество витков.

Для дисковых (аксиальных) генераторов, которые имеют широкое распространение в самодельных комплектах из-за своей простоты и надежности, количество витков катушек ограничивается только целесообразностью и необходимостью. Следует учесть, что количество витков можно уменьшить, увеличивая площадь витка.

Результат будет примерно одинаковым, но количество провода уменьшится. При этом, чем больше площадь, тем меньше полезная (активная) длина проводника, поэтому следует искать оптимальное соотношение между размерами, числом витков и толщиной провода в катушках. Обычно делается около 80-100 витков, более точное соотношение следует рассчитать исходя из собственных параметров и данных.

Намотка генератора

По классической схеме намотка катушек генератора производится в одну сторону. Это необходимо для того, чтобы ток протекал в одну сторону, иначе получится короткое замыкание и перегрев генератора. При этом, на аксиальных генераторах используется чередование направления намотки катушек, когда одна мотается по часовой стрелке, другая — против, затем снова по часовой стрелке и т.д.

Размер катушек должен соответствовать размеру магнитов — центральное отверстие примерно соответствует величине магнита. Оптимальная форма катушки слегка вытянута по направлению к центру диска, хотя многие используют круглые формы. Намотка трехфазных катушек ведется по принципу «одна через две», т.е. каждая катушка одной фазы имеет по две катушки других фаз по соседству. Производится соединение «звездой», позволяющее стабилизировать отдачу и получить более ровные показатели тока по амплитуде.

Рекомендуемые товары

Конструкция и расчёт аксиального генератора на постоянных магнитах

Обычно делают начиная с 12-ти полюсов, то-есть 12 магнитных пар и катушек. Такие генераторы хорошо работают с двумя — тремя лопастями. Но у 2-3-х лопастей есть один минус, они плохо стартуют на малом ветру и нестабильно работают на среднем, а плюс в том что на хорошем ветру они набирают достаточно большие обороты, до 500-800. Для многолопастных конструкций, которые прекрасно стартуют и работают на малом ветре 3-4м/с, обычно увеличивают число полюсов до 16-ти. Так как многолопастные конструкции менее оборотистые, при стабильном ветре от 3-хм/с 90-300об/м.

Толщина диска обычно делается равной толщины магнитов,но для более мощных неодим магнитов толщину статора можно делать на 2-4мм толще, так-как большие магниты обладают большой силой электромагнитного тока и глубоко приникают.Это позволит немного поднять общую мощность генератора за счёт более больших катушек, но если магниты небольшие, то в более толстом статоре будет недобор мощности из-за слабого магнитного поля. Увеличивать толщину статора стоит если сила притяжения магнитов выше 12-16кг каждого по отдельности, а так лучше равной толщины магнитов.

Для наших регионов более подходят ветряки с 16 полюсами, хотя всё зависит от данной местности. Соединение катушек лучше делать в одну фазу, так как при небольших оборотах напряжение достаточно слабое для зарядки, а катушки соединённые последовательно дают больше напряжение в вольтах и следовательно зарядка аккумулятора начинается раньше, хотя сила тока по слабее чем при соединении в звезду, но схема звезда работает от более больших оборотов.

Ниже на рисунке изображена схема соединения катушек , слева последовательное, а справа звезда.

Размеры лопастей можно высчитать, но они обычно подбираются на практике, так как везде свои ветровые особенности. Если делать аксиальный ветрогенератор по классической схеме на ступице от «восьмёрки», то если применять три лопасти, надо делать диаметр порядка 2 метра, то есть лопасти длинной около 120см.

Если делать лопасти из ПВХ трубы диаметром 150 мм.(канализационная труба), то можно делать 6 более коротких лопастей, длинной около 90 см.Но под наши слабые ветра лучше делать диаметр с запасом и более прочные лопасти с расчётом на сильный ветер.

Защиту ветрогенератора от сильного ветра в основном выполняют по классической схеме методом увода лопастей от ветрового потока складыванием хвоста.Сама конструкция схемы увода из под ветра достаточно проста, но требует настройки. В такой конструкции сам генератор немного смещён от цента оси горизонтального вращения ветряка, обычно эта величина составляет 10см.

На поворотной оси приваривается крепление под углом 20гр. относительно оси, и 45 градусов относительно оси вращения ветрогенератора. Длина хвостовой балки равна радиусу винта, а площадь хвостового «оперения» 10-15% от площади лопастей. Вес хвостовой части подбирается из расчета общего баланса ветрогенератора относительно поворотной оси, или немного тяжелее. Если хвост перевешивает центр тяжести относительно оси, то его площадь около 10% от площади лопастей, а если немного легче и перевешивает винт, то 15% и даже больше.

На практике хорошо сделанные ветрогенераторы выдерживают и сильный ветер без какой либо защиты, я думаю защита для небольших ветряков не столь актуальна. Просто нужно делать все детали с учетом больших нагрузок, ну а при штормовом предупреждении можно ветряк на какое-то время и опустить, так как здесь может и защита —увод лопастей из под ветра не спасти, ветряк просто сдует вместе с мачтой.

Для защиты ветряка от ураганов лучше сделать мачту таким образом чтобы она легко поднималась и опускалась. Высота мачты естественно чем выше, тем лучше, но на открытой местности достаточно и 6-9 метров.

Электрооборудование для контроля зарядки аккумуляторов обычно тоже самодельное, благо различных схем контроля предостаточно.Но контролировать зарядку АКБ можно и самому. Достаточно поставить вольтметр, и изредка посматривать на напряжение аккумулятора. Если напряжение выше 14,5 вольт, то аккумулятор заряжен и его нужно отключить от ветряка, а если напряжение в АКБ меньше 11 вольт, то он разряжен, и от него стоит отключить все потребители и дождаться подзаряда от ветряка. На практике можно визуально контролировать зарядку и без приборов оценивая примерное количество влитого тока и потраченного.

Если напряжение холостого тока генератора не превышает 27 вольт,а под нагрузкой 10-17 вольт в зависимости от оборотов, то стабилизаторы тока не нужны, так как аккумулятор сам выравнивает напряжение в соответствии со своим, при этом на ветряке при разных оборотах изменяется не величина тока в вольтах, а сила тока в амперах. Таким образом зарядное напряжение всегда остаётся стабильным. Размеры буферного аккумулятора чем больше тем лучше, но конечно в разумных пределах.

Если ветряк в сутки вырабатывает около 2Кв, то и аккумулятор нужно примерно такой-же мощности, это по ёмкости где-то 166А. Значит нужен один аккумулятор на 180-200А/ч. Но при этом и потребление электроэнергии надо рассчитывать не более 2-х Кватт в сутки, и ориентироваться на эти параметры при использовании тока от буферной батарей. Обычно к 12-ти вольтовой батареи подключают автомобильный инвертор, который из 12-ти делает 220вольт, при этом тратя на свою работу около 30% энергии в виде преобразования и тепловых потерь. То-есть при использовании инвертора около 30% энергии уходит на преобразование и в конечном итоге энергии получаем меньше чем в аккумуляторе.

На что-же можно рассчитывать при такой схеме состоящей из ветряка, который при обычном ветре даёт около 100 ватт. Понятно что при ветре в 10м/с ветряк даёт и 500 ватт как обычно пишут в характеристиках, но такой ветер бывает нечасто, а в основном 3-5м/с, и при этих скоростях ветряк даёт 80-150ватт, а в среднем 100ватт. Значить в сутки около 2,4Квватта, которые копятся в буферной АКБ. В месяц при такой мощности выработка энергии составит около 65Кватт.На что их хватит.

Да, для полноценного питания дома этого мало, а вот для дачи в самый раз, так как этого хватит для каждодневного использования энергосберегающих ламп для освещения, так-же для работы ТВ и ноутбука. Можно даже мощный электрочайник вскипятить пару раз в сутки, но для его подключения нужен мощный инвертор, или использовать автомобильный 12-ти вольтовый небольшой чайник. В общем для большей эффективности основную часть потребителей лучше использовать 12-ти вольтовые автомобильные.

К примеру у меня в квартире расход энергии составляет 60-70 Кватт в месяц, эта энергия тратится на освещение моей квартиры,три энергосберегающие лампы общим потреблением 60ватт, телевизор 120 ватт, небольшой холодильник-точно не знаю , ноутбук-120 ватт, и зарядки для мобильного-можно не считать. А готовка еды происходит на газу.Вот для этих целей и хватит такой ветроустановки (свет, ТВ, ноут, мини холодильник, и др. мелочь).

Выводы: При построении генератора лучше использовать 16 катушек, намотанных по 60 витков эмальпровода,соответствующей толщины, чтобы катушки были не слишком маленькие, но и уместились на статоре. Количество магнитов 32, по 16 на диске. Толщина статора равная толщине применяемых магнитов. Зашита может и не примяться если есть возможность опускать мачту, или сам ветряк достаточно прочен чтобы выдерживать сильные ветра.

Более подробно о отдельных элементах смотрите на других страницах, а так-же в обзорах самодельных конструкций ветрогенераторов.

Ветроэлектростанция ВЭС

ТЕМПЕРАТУРА

МЕНЮ САЙТА

ОТДЫХ ЛЕТОМ

ПРОЖИВАНИЕ

ЭКСКУРСИИ

РЫБАЛКА

ПРОЕЗД

ПОХОДЫ

МАНГАЛ

РЕСУРСЫ

ЯРКОСТЬ

КОНТАКТЫ

САБЕЛЬНИК

КАРТА САЙТА

ГОСТЕВАЯ КНИГА

ЗЕМЛЯНИКА

ГЕНЕРАТОР

Трехфазный синхронный генератор переменного тока без магнитного залипания с возбуждением от постоянных неодимовых магнитов, 12 пар полюсов.

Очень давно еще в советские времена в журнале «Моделист Конструктор» была опубликована статья посвященная построению ветряка роторного типа. С тех пор у меня появилось желание построить что то подобное на своем дачном участке, но до реальных действий дело так и не дошло. Все изменилось с появлением неодимовых магнитов. Собрал кучу информации в интернете и вот что получилось.
Устройство генератора: Два стальных диска из низкоуглеродистой стали с наклеенными магнитами жестко соединены между собой через распорную втулку. В зазоре между дисками расположены неподвижные плоские катушки без сердечников. ЭДС индукции возникающая в половинках катушки противоположна по направлению и суммируется в общую ЭДС катушки. ЭДС индукции возникающая в проводнике движущемся в постоянном однородном магнитном поле определяется по формуле E=B·V·L где: B-магнитная индукция V-скорость перемещения L-активная длина проводника. V=π·D·N/60 где: D-диаметр N-скорость вращения. Магнитная индукция в зазоре между двумя полюсами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Генератор собран на нижней опоре ветряной турбины.

Схема трехфазного генератора, для простоты развернута на плоскость.

На рис. 2 показана схема расположения катушек когда их количество в два раза больше, правда в этом случае увеличивается и зазор между полюсами. Катушки перекрываются на 1/3 от ширины магнита. Если ширину катушек уменьшить на 1/6 тогда они встанут в один ряд и зазор между полюсами не изменится. Максимальный зазор между полюсами равен высоте одного магнита.

Расчет генератора

Однофазный синхронный генератор переменного тока и одна волновая катушка.

Встречно намотанная катушка уменьшает индуктивное сопротивление генератора. Величина встречной ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна величине индуктивности катушки генератора и зависит от тока в нагрузке. Индуктивность катушки прямо пропорциональна линейным размерам, квадрату числа витков и зависит от способа намотки.

Схема однофазного генератора рис. 1, для простоты развернута на плоскость.

Для повышения КПД на рис. 2 показана схема генератора состоящая из двух одинаковых катушек. Чтобы зазор между полюсами не увеличился кольцевые обмотки необходимо вставить друг в друга.

Однофазный синхронный генератор и петлевые распределенные катушки.

Схема петлевой и волновой намотки

Ветряная турбина с вертикальной осью вращения и шестью лопастями.

Устройство турбины: Состоит из статора, шесть неподвижных лопастей (для экранирования и форсирования поступающего ветра) и ротора, шесть вращающихся лопастей. Сила ветра оказывает влияние на лопасти ротора и на входе в турбину и на выходе из неё. Для верхней и нижней опоры используются ступицы от автомобиля.  Не создает шума, не идет в разнос при сильном ветре, не требует ориентирования на ветер, не требует высокой мачты. Большой коэффициент использования ветра, большой крутящий момент, вращение начинается при очень слабом ветре.

Расчет и чертеж ветродвигателя

Однофазный синхронный генератор переменного тока с обмоткой возбуждения на статоре без щеток, 12 пар полюсов.

Долго думал над тем как предотвратить перезаряд аккумулятора не применяя в конструкции механические устройства для повышения надежности. Индукторный генератор выполняет функцию сброса лишней энергии. В качестве нагрузки используется элемент нагревания, можно нагреть воду или кафельные полы.
Устройство генератора: Генератор собран на верхней опоре ветряной турбины. К неподвижному кольцу из низкоуглеродистой стали крепятся 24 стальных сердечника с катушками, между катушек на кольцо намотана обмотка возбуждения. Возбуждение на генератор подается через электрическую схему от нижнего генератора. Генератор использует от 3% до 5% вырабатываемой мощности на возбуждение. Любой электромагнит является усилителем мощности источника тока. Генератор также является электромагнитной муфтой скольжения уменьшая нагрузку на подшипники. На каждом подшипнике теряется 5% вращающего момента, на шестерне 7-10%. Частота переменного тока вычисляется по формуле f=p·n/60 где: p-количество пар полюсов n-скорость вращения. Например: f=p·n/60=12·250/60=50 Гц.

Схема индукторного генератора, для простоты развернута на плоскость.

На рис. 2 показана схема индукторного генератора с использованием меньшего количества железа, следовательно и потери в железе будут меньше. Обмотка возбуждения состоит из 12 последовательно соединенных катушек.

Электрическая принципиальная схема устройства для подключения обмотки возбуждения генератора.

Ток возбуждения начинает поступать на генератор только при достижении на выходе трехфазного выпрямителя напряжения 14 вольт.

Магнитный двигатель будет вращать генератор если нет ветра.

Электромагнитное поле создается электрическим током т.е. направленным движением электрических зарядов (свободных электронов). Физическими опытами было подтверждено, что магнитное поле постоянного магнита также создается направленным движением электрических зарядов (свободных электронов). Учитывая общие электромагнитные закономерности, можно по аналогии с электродвигателем создать магнитный двигатель для преобразования магнитной энергии в механическую энергию вращения. Основным условием для роторных двигателей является взаимодействие магнитных полей по круговым замкнутым траекториям. Этим требованиям отвечает составной магнит «Сибирский Коля».

Неподвижный генератор — это статический электромагнитный усилитель мощности.

Уже давно известно, что изменение магнитного поля проходящего через провод будет генерировать в нем электродвижущую силу (ЭДС). Изменение магнитного потока от постоянного магнита в сердечнике неподвижного генератора создается с помощью электронного управления, а не механическим движением. Магнитным потоком в сердечнике управляет автогенератор. Работает автогенератор в режиме резонанса и потребляет от источника питания ничтожно малую мощность.

Колебания автогенератора отклоняют по очереди магнитные потоки от постоянных магнитов в левую и правую сторону сердечника из наборного железа или феррита. Мощность генератора увеличивается с повышением частоты колебаний автогенератора. Запуск осуществляется подачей кратковременного импульса на выход генератора. Очень важно чтобы постоянный магнит не вызвал переход материала сердечника в область магнитного насыщения. Неодимовые магниты имеет магнитную индукцию в диапазоне 1,15-1,45 Тл. Трансформаторное железо имеет индукцию насыщения 1,55-1,65 Тл. Сердечники на основе порошка из железа имеет индукцию насыщения 1,5-1,6 Тл., и потери меньше чем у трансформаторного железа. Сердечники из магнитомягких ферритов марганец-цинковых марок имеют индукцию насыщения 0,4-0,5 Тл., для борьбы с насыщением необходим воздушный зазор.

Схема генератора с перемагничиванием сердечника силовой катушки.

Схема неподвижного генератора на тороидальных (кольцевых) сердечниках.

Три кольца, восемь магнитов, четыре катушки управления, восемь силовых катушек.

На все составные части могу выслать чертежи и подробное описание за вознаграждение.

ИЮНЬ

ИЮЛЬ

АВГУСТ

СЕНТЯБРЬ

Разработка генератора постоянного тока на неодимовых магнитах на магнитных подвесах



Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16–08–00243 а

В статье рассмотрены перспективы создания высококоэрцитивных магнитов на основе редкоземельных магнитов. Описан положительный опыт применения неодимовых магнитов в технике и быту разного вида конструкций магнитоэлектрических машин с возбуждением от постоянных магнитов. Показано, что их применение широко способствует утверждению альтернативной энергетики, дает возможность значительно улучшить экологическую нагрузку. А также было рассмотрено использование магнитных подшипников, их принцип действия, разновидности с отличиями друг от друга.

Ключевые слова: генераторы, постоянные магниты, магнитные подшипники.

Начнем с того, что такое генератор? Генератор — (лат. Generator «производитель») электрическая машина, преобразующая какой-либо вид энергии (химическую, тепловую, световую, механическую) в электрическую. В дальнейшем нас интересует преобразование механической энергии в электрическую.

В облегченном виде генератор можно представить, как: индуктор (магнит или электромагнит), якорь (обмотка, при изменении магнитного потока в которой возникает ЭДС), контактные кольца и скользящие по ним контактные пластинки (щетки), с их помощью снимается или подводится ток к вращающейся части генератора. Ротор — это вращающаяся часть генератора, а статор — неподвижная [1].

Работа генератора основана на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле и пересекающем магнитный поток, индуцируется ЭДС.

Мир не стоит на месте и развивается. Увеличивается число новых разработок в электроэнергетике, которые требуют немалой электроэнергии и ее качества. Увеличивается количество электроприборов. Все это приводит с каждым годом к увеличению потребности в электроэнергии и в ее высоком качестве.

За последнее время приобрела большую популярность разработка и создание генераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Дело в том, что у таких генераторов наилучшие энергетические показатели, долговечны, выдерживают высокую частоту вращения, а также обладают высокой надежностью [1].

В 30-х годах прошлого века появились электрические машины на постоянных магнитах феррита бария FeBa и феррита стронция FeSr, а также магнитов ЮНДК. Постоянные магниты имели низкие удельных характеристики, из-за этого и ограничивалась возможность по повышению мощности генераторов, изготовленных на этих магнитах [1].

В 80–90 годы были разработаны постоянные магниты из нового материала NdFeB (неодимовые магниты), получившие широкое распространение в промышленном изготовлении генераторов на постоянных магнитах [1].

Неодимовый магнит, который изготавливают из металлов редкоземельной группы, имеет трехкомпонентный состав. В него входят неодим (самый ценный, заменяется самарием, Sm), бор и железо. Но наибольшее распространение получили магниты, в составе которых 2 атома неодима (Nd), 14 — железа (Fe) и 1 — бор (В). Достоинство сплава — отсутствует кобальт, который достаточно дорогой. Недостаток — низкая коррозийная стойкость, следует покрывать защитными слоями из меди, цинка, никеля, хрома [2].

В 1982 году в Японии был впервые представлен постоянный магнит на основе формулы Nd2Fe14B, как совместная разработка автомобильной корпорации GeneralMotors и компании SumitomoCorporation. Эти компании смогли найти формулу идеального сплава, благодаря которому магниты приобрели исключительные эксплуатационные свойства [3].

В зависимости от используемой порошковой технологии магниты классифицируются на магнитопласты (прессованные и литые) и спеченные.

Наиболее перспективным способом является спекание исходного материала, а окончательные формы нарезаются в соответствии с требованиями заказчика к размерам. Что дает возможность изготовить магниты из данного материала практически любых форм и размеров [4].

Все это открывает широкую перспективу применения магнитов NdFeB в электромоторах, ветра генераторах, датчиках холла, медицинской технике и во многих других отраслях.

В настоящее время массовое производство неодимовых магнитов является одной из наиболее развитых, востребованных и перспективных отраслей. Главный производитель на сегодня — Китай.

На ряду из редкоземельных магнитов с NdFeB существуют SmCo (Самарий-Кобальт). Они изготавливаются из сплавов близкими по составу к интерметаллическим соединениям SmCo5 или Sm2Co17. Данные магниты по сочетанию магнитных свойств (остаточной индукции Вr и коэрцитивной силы по намагниченности Нсм) занимают промежуточное место между магнитами Nd-Fe-B и ферритовыми. Их преимуществом перед магнитами из NdFeB является хорошая временная стабильность, отличная коррозионная устойчивость и используются в качестве альтернативы NdFeB, когда требуется работа при высоких температурах. В 5 раз большее значение магнитного произведения (ВН)макс перед ферритами и на порядок большая коэрцитивная сила по намагниченности перед магнитами из сплава ЮНДК [5].

SmCo магниты применяются в часовых механизмах, высококачественных звукодинамиках, автомобильных датчиках, компактных высокооборотных двигателях, и др.

Магниты изготавливаются на основе сплава Al-Ni-Co-Fe. В сравнении с ферритовыми магнитами имеют значительно большую индукцию насыщения и, следовательно, остаточную индукцию. Хоть и коэрцитивная сила магнитов системы ЮНДК значительно меньше ферритов, магнитная энергия их выше и произведение (ВН)макс достигается до 60–70 кДж/м³. Преимущества магнитов ЮНДК: высокая температурная стабильность в интервале температур до 550°С; значительно меньшая стоимость по сравнению с магнитами из Sm-Co [6].

Генератор на постоянных магнитах вырабатывает как переменный, так и постоянный ток.

Несмотря на то, что в промышленности зачастую применяется переменный ток, генераторы постоянного тока используются в различных промышленных, транспортных и других установках, в электролизной промышленности, на судах, тепловозах и т. д. Они могут выполняться с магнитным и комбинированным возбуждением, где также используются постоянные магниты для создания магнитного потока, и электромагнитным возбуждением.

Эксплуатация и производство генераторов с высококоэрцитивными постоянными магнитами показала их высокие технико-экономические параметры, резонность и уместность их применения в системах электроснабжения. Особенностями параметров редкоземельных магнитов являются: низкое значение магнитной проницаемости, высокое значение коэрцитивной силы по намагниченности от напряженности магнитного поля [7].

Применение высокоэнергетических постоянных магнитов, состав которых неодим-железо-бор, позволило упростить конструкцию и значительно уменьшить размеры и вес генераторов, это было началом в развитии малой ветроэнергетики. Также генераторы на неодимовых магнитах стали применяться в автотранспорте, авиации, машиностроении и других областях [7].

Теорема (запрет) Ирншоу:

В системе тел, взаимодействующих посредством полей, потенциал которых изменяется обратно пропорционально расстоянию от источника, и не способных к изотропному вытеснению полей взаимодействия из занимаемого пространства, устойчивое равновесие невозможно.

Для решения данной проблемы в генераторах на постоянных магнитах используются постоянные магниты на магнитных подвесах.

Магнитный подшипник работает на принципе магнитной левитации ферромагнитных тел, (в частности роторов) в магнитном или электромагнитном полях из-за силы магнитного притяжения/отталкивания, создаваемого этими полями. Следствие этого является отсутствие контакта между поверхностями и нет необходимости в смазке. Такие подшипники обладают высокой надежностью за счет того, что могут работать в жестких условиях эксплуатации, при высоких/низких давлениях, криогенных температурах, на высоких скоростях. Также они экологичные, незначительное потребление энергии, за счет отсутствия соприкасающихся частей, соответственно и трения, работают длительное время, обладают низким уровнем вибрации [8].

Важнейший недостаток магнитных подшипников — зависимость от магнитного поля. Для предотвращения исчезновения магнитного необходимо обеспечить страховочные подшипники. Обычно это подшипники качения, которые могут выдерживать один или два отказа магнитных подшипников, после чего их необходимо заменить [8].

В зависимости от способа реализации различают: пассивные(на постоянных магнитах), магниторезонансные и активные магнитные подшипники. Активные магнитные подшипники уже получили определенное распространение, а пассивные подшипники (где магнитное поле создается высокоэнергетическими постоянными магнитами, например, NdFeB) только на стадии разработки [9].

Радиальные и осевые магнитные подшипники на постоянных магнитах (МППМ) (см. рис. 1, а и 1, б соответственно) могут исполняться по различным схемам. Одним из вариантов конструкции для МППМ является использование двух или более магнитных колец [10].

Рис 1. Магнитные подшипники на постоянных магнитах: а) радиальный; б) осевой

У таких подвесов так же имеются недостатки, такие как невозможность создания полного подвеса роторов только с их применением, что следует из теоремы Ирншоу.

Активные магнитные подшипники (АМП) — это управляемое электромеханическое устройство, в котором стабилизация положения ротора осуществляется силами магнитного притяжения, действующими на ротор со стороны электромагнитов. Напряжение или ток управления в обмотках этих электромагнитов регулируется системой автоматического управления по сигналам датчиков положения ротора. В системе управления может использоваться как аналоговая, так и более современная цифровая обработка сигналов [11].

Магниторезонансные подшипник (МРП) имеют принцип действия, основанный на применении электрической резонансной LC-цепи, которая реализует принцип саморегулирования положения подвешиваемого ротора относительно статорных электромагнитов. Простота конструкции такого подшипника обладает существенными недостатками: малая грузоподъемность, относительно малые зазоры, потери энергии на вихревые токи и перемагничивание и др. От сюда следует крайне редкого его применения [9].

Основное отличие МППМ от МРП и АМП заключается в том, что они не нуждаются в источниках электроэнергии, им не нужна система автоматического регулирования, которая составляет основную часть стоимости АМП. Однако они имеют относительно низкую жесткость, которая не может изменяться. Достоинством же АМП является возможность реализации жесткости опор в широком диапазоне, что позволяет обеспечивать устойчивость движения ротора для заданных возмущающих динамических нагрузок.

На практике, исходя из разумного баланса между достоинствами и недостатками, часто применяются комбинированные магнитные подвесы, которые используют МППМ и АМП в различных конструктивных вариациях.

Литература:

  1. Магазин постоянных магнитов [электронный ресурс]. — URL: http://magnetmagazin.com/articles/117/ (дата обращения: 23.09.2016).
  2. «ЛЭПКОС», ИЦ «Северо-Западная Лаборатория» [электронный ресурс]. — URL: http://ferrite.ru/products/magnets/ndfeb/ (дата обращения: 23.09.2016).
  3. Магазин магнитов [электронный ресурс]. — URL: http://www.xn--24–8kcmzvj5b.xn--p1ai/page/istoriya-neodimovyh-magnitov (дата обращения: 23.09.2016).
  4. MAGSY [электронный ресурс]. — URL: http://www.magnity-magsy.ru/25250-neodymium-magnets-ndfeb (дата обращения: 23.09.2016).
  5. «ЛЭПКОС», ИЦ «Северо-Западная Лаборатория» [электронный ресурс]. — URL: http://ferrite.ru/products/magnets/smco/ (дата обращения: 23.09.2016).
  6. «ЛЭПКОС», ИЦ «Северо-Западная Лаборатория» [электронный ресурс]. — URL: http://ferrite.ru/products/magnets/alnico/ (дата обращения: 23.09.2016).
  7. Магазин магнитов [электронный ресурс]. — URL: http://www.xn--24–8kcmzvj5b.xn--p1ai/page/generatory-na-postoyannyh-magnitah (дата обращения: 23.09.2016).
  8. Подшипник RU [BearingRu] [электронный ресурс]. — URL: http://www.pkural.ru/tech/section124/ (дата обращения: 23.09.2016).
  9. Журавлев Ю. Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение // СПб.: Политехника, 2003. — 206 с.
  10. Мартыненко Г. Ю. Определение жесткостных характеристик радиальных магнитных подшипников на двух кольцевых постоянных магнитах // Вестник НТУ «ХПІ», Тем. вип. «Динамика и мощность машин». — Харьков: НТУ «ХПІ». — 2007. — No 38. — С. 83–95.
  11. SchweitzerG., BleulerH., TraxlerA. Activemagneticbearings. — Zurich: ETH, 1994. — 244 с.

Основные термины (генерируются автоматически): магнит, постоянная, подшипник, генератор, коэрцитивная сила, магнитное поле, магнитный поток, остаточная индукция, магнитное притяжение, высокая надежность.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *