Магниты из редкоземельных материалов обеспечивают генераторам более высокие массогабаритные показатели, чем у генераторов с электромагнитным возбуждением. У магнитоэлектрического генератора выше КПД, он меньше нагревается при работе. Можно при той же мощности, что и у обычного генератора, уменьшить массу генератора и габариты.
Статор бесконтактных синхронных машин с постоянными магнитами имеет шихтованный цилиндрический магнитопровод 1, на внутренней поверхности которого размещается якорная обмотка 2 (рис. 2, а). Если в машине используются обычные постоянные магниты, то внутренняя поверхность сердечника статора содержит пазы, чередующиеся с зубцами (рис. 2, б).
Если в машине используют высококоэрцитивные магниты на базе РЗМ (типа 5mCo5), то внутренняя поверхность сердечника статора может выполняться как с пазами, так и без них (гладкой); в последнем случаев обмотку якоря укладывают на внутреннюю поверхность статорам сплошным слоем (рис. 2. в).
Основная специфика синхронных машин с ИМ связана с конструкцией ротора, несущего постоянные магниты. Рассмотрим наиболее распространенные конструкции роторов.
Звездообразный ротор. Типичная конструкция звездообразного ротора (рис. 3) содержит литой постоянный магнит в форме звездочки, который крепится на валу с помощью заливки немагнитным сплавом 2 (на основе цинка или алюминия). Магнит может непосредственно отливаться на валу. Достоинства ротора - простота и высокая степень заполнения его объема магнитом.
Когтеобразный ротор. Когтеобразный ротор (рис. 4) состоит из цилиндрического постоянного магнита 1, к торцам которого примыкают шайбы 2 и 4 из магнитомягкой стали, имеющие когтеобразные выступы 3 и 5. На рис. 4 показаны линии магнитной индукции для рабочего потока Фа и потока рассеяния Ф,; поток Фд тем больше, чем меньше азимутальный зазор между выступами.
Недостатки таких машин связаны с трудностью поддержания постоянства выходного напряжения генератора. У магнитоэлектрического генератора нет обмотки возбуждения.Применялись различные пути регулирования выходного напряжения генератора.
Например, на тракторах применялся магнитоэлектрический генератор ГТ-1А /2/,/3/ с механическим (центробежным) регулятором напряжения. Он, естественно, мог поддерживать напряжение генератора постоянным только при изменении частоты вращения ротора и не мог реагировать на изменение тока нагрузки. Поэтому от этого способа регулирования вскоре отказались.
На мотоциклетных магнитоэлектрических генераторах попытались применить параметрическое регулирование напряжения, которое обеспечивалось за счет такого выбора параметров генератора, при которых влияние внешних факторов на выходное напряжение минимально.Однако от этого способа пришлось отказаться - опять-таки из-за низкой точности регулирования. Третий способ регулирования /3/ -путем периодического закорачивания выходных выводов генератора. Он обеспечивает требуемую точность поддержания напряжения, но крайне неэкономичен вследствие больших потерь, связанных с протеканием по генератору токов короткого замыкания. В последнее время специалисты склоняются к одному из новых способов регулирования - с помощью управляемого выпрямителя, что будет рассмотрено в п 1.3.1.
На тракторах применяется бесконтактный генератор типа 13.3701 /4/. Применение постоянных магнитов марки 2БА или 1БИ в пазах пакета ротора( или когда применение магнитов невозможно, то выполняют участок магнитопровода ротора из стали 45) позволяет улучшить самовозбуждение генератора и отказаться от применения аккумуляторной батареи (возбуждение было комбинированным). Самовозбуждение без АБ генератора, работающего в комплекте с ИРН Я112Б должно происходить при частоте вращения не более 3200 мин .В таблице № 1. приведены данные скоростей самовозбуждения генератора 13.3701 без АБ с 70 образцами ИРН Я112Б.
Таблица № 1.
| Скорость возбуждения не более 3200 мин при температуре | ||
| Ротор генератора | +25 С | -40 С |
| С магнитами и втулкой из стали 10 | Со 100% регуляторов | Со 100% регуляторов |
| С втулкой из стали 45 | С 96% регуляторов | С 92% регуляторов |
1.2.2 Бесконтактные электрические машины с обмоткой возбуждения
Несмотря на достоинства БЭМ с постоянными магнитами их применение носит ограниченный характер из-за плохих регулировочных свойств.В системах, где требуется плавное и глубокое регулирование показателей и высокий уровень их стабилизации, широко используются БЭМ с обмоткой возбуждения (с эл.магнитным индуктором).
Бесконтактные электрические машины обмоткой возбуждения (ОВ) отличаются большим многообразием конструкции.
Начало БЭМ с ОВ было положено П.И. Яблочковым, который в 1877 году предложил первый бесконтактный генератор с ОВ /1/. Затем появились разновидности индукторных генераторов, первой среди которых был генератор А.К.Клименко(1882г).
Недоиспользование магнитного потока в индукторных генераторах стимулировало развитие БЭМ с когтеобразными полюсами и БЭМ с осевым возбуждением.
В перечисленных типах БЭМ обмотка якоря и возбуждения размещяются на статоре, а изменение магнитного потока в активной зоне обеспечивается благодаря специальной форме стального магнитопровода ротора.
- В БЭМ с вращающимся выпрямителем основнвм элементом является обычная синхронная машина, у которой на статоре находится обмотка якоря, а на роторе-полюсы из магнитомягкой стали и обмотка возбуждения, питаемая постоянным током. В отличие от обычной синхронной машины, у которой ток подается в ОБ через кольцевой щеточный контакт, в рассматриваемой машине питание ОБ осуществляется от специального возбудителя (В), обеспечивающего бесконтактную передачу энергии от статора к ротору электромагнитным путем. Так как при этом на ротор передается электрическая энергия переменного тока, возбудитель питает ОБ через установленный на роторе вращающийся выпрямитель, что и определяет название машины. Типичная компоновка элементов бесконтактной синхронной машины (БСМ) с вращающимся выпрямителем (ВВ) показана на рис. 5.
В качестве возбудителя можно использовать вращающийся трансформатор (Вт), асинхронный (АВ) и синхронный (СВ) возбудители.
За рубежом серийно выпускается автотракторный генератор с возбудителем и вращающимся выпрямителем, с протяжной вентиляцией, типа Т4 фирмы Bosch. Его технические данные приведены в Таблице № 4 в сравнении с отечественным индукторным генератором, и генератором с контактными кольцами английской фирмы Lucas.
- Бесконтактные генераторы с укороченными полюсами.
В машинах этого типа обмотки якоря и возбуждения находятся на статоре, а ротор имеет когтеобразные выступы (полюсы) из магнитомягкой стали, которая за счет МДС возбуждения приобретают чередующуюся магнитную полярность и создает в рабочем воздушном зазоре знакопеременное магнитное поле. Подобные конструкции могут выполняться в виде чисто механических конструкций, не содержащих постоянных магнитов, вращающихся выпрямителей, многовитковых обмоток и шихтованных сердечников. Подобные конструкции обладают высокой надежностью, слабой чувствительностью к внешним воздействиям, что позволяет создавать высоконадежные компактные генераторы. Общие недостатки БСМ с когтеобразными полюсами связаны с повышенными магнитными потоками рассеивания.
В целях унификации бесщеточные генераторы с укороченными полюсами выполняются на базе серийных генераторов /5/.
Например на базе выпускавшегося щеточного генератора Г250 был разработан бесщеточный генератор Г252, мощностью 700-750 Вт с разнесенными клювообразными полюсами и подвешенной в расточке пакета статора обмотки возбуждения (ОБ).
ОВ крепится в средней зоне пакета статора. В таблице № 2 приведены электрические и технические характеристики генератора Г252 в сравнении с бесщеточными генераторами ведущих зарубежных фирм, а также генераторами щеточного исполнения.
Конструкция имеет преимущества. Сравнительно малые длины магнитных силовых линий в магнитопроводе, а следовательно, меньшая требуемая величина намагничивающей силы возбуждения.
Недостатком является несколько большая трудоемкость его изготовления, а также невозможность балансировки ротора в сборе, что снижает качественные показатели генератора.
По использованию активных материалов бесщеточные генераторы значительно уступают аналогичному показателю генераторов щеточного исполнения /5/ .Так, по сравнению с щеточными генераторами Г221 и Г265 генератор Г252 имеет более низкие технические показатели: по максимальному коэффициенту использования ниже на 12 -25 %, по удельному коэффициенту использования на 6-20%.
Генераторы Г252 прошли эксплуатационные испытания и устанавливались на автомобилях МАЗ-555 /5/. Производство бесщеточных генераторов с укороченными полюсами только начинается, первыми моделями этого семейства являются генераторы 45.3701 и 49.3701,которые планируется устанавливать на автомобили семейства УАЗ /6/.
Таблица № 2
| Бесщеточные генераторы | Щеточные генераторы | ||||
| Параметры | Г252 | Marchall (Франция) | Delco Remi (США) | Г221 | Г256 |
| Напряжение,В | 14.0 | 14.0 | 14.0 | 14.0 | 14.0 |
| Максимальный ток,А | 54.0 | 31.5 | 72.0 | 41.5 | 57.5 |
| Расчетный ток,А | 34.0 | 21.0 | 48.0 | 30.0 | 40.0 |
| Мощность,Вт: расчетная максимальная | 475 750 | 300 440 | 675 1000 | 420 580 | 560 810 |
| Масса без шкива,кг | 6,3 | 3.45 | 12.5 | 4.3 | 5.12 |
| Максимальный коэффициент использования,Вт/кг | 119.0 | 128 | 80 | 134 | 158 |
| Удельному коэффициент использования,Вт 10/кг мин | 36.8 | 39.0 | 27.0 | 39.0 | 48.0 |
| Максимальный коэффициент использования активных материалов, Вт /кг | 167 | 175 | 147 | 270 | 257 |
| Максимальная плотность тока, А/мм | 25.2 | 20.0 | 30.0 | 26.0 | 22.0 |
- Индукторные генераторы. У индукторных машин магнитная индукция в каждой точке рабочего зазора изменяется только по величине, а её направление остается постоянным. Следовательно индукция в зазоре индукторной машины (ИМ) имеет пульсирующий характер и содержит переменную (рабочую) и постоянную (нерабочую) составляющие. Обмотка якоря и возбуждения в ИМ находятся на статоре. а изменение во времени магнитного потока, сцепленного с обмоткой якоря, достигается за счет периодического изменения магнитного сопротивления на пути рабочего потока при вращении зубчатого ротора.Достоинствами ИМ помимо способности генерировать ток повышенной частоты являются простота конструкции ротора, высокая надежность, хорошее регулирование напряжения, работоспособность в сложных окружающих условиях (при повышенных температурах, пониженном давлении, присутствии агрессивных сред и т.п.).Главный недостаток ИМ проявляется в наличии постоянной составляющей магнитного потока, которая не участвует в наведении рабочей ЭДС, но загружает магнитопровод и требует существенного увеличения его объема и массы по сравнению с обычными синхронными машинами /1/,/7/.