CC BY
37
Электромеханические системы
УДК 62-5, 612.313.3, 621.313.8 DOI: 10.14529/power210111
ЭВОЛЮЦИЯ ТРЕБОВАНИЙ К СВОЙСТВАМ МАТЕРИАЛОВ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
В.И. Нагайцев1, С.В. Сергеев2, А.В. Сизякин3
10ОО «КАТЕ», г. Москва, Россия,
2 АО «СПЕЦМАГНИТ», г. Москва, Россия,
3 Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва, Россия
В статье рассматриваются этапы развития технологии производства сплавов магнитно-твердых материалов, предназначенных для применения в составе индукторов электрических машин. Показано влияние характеристик магнитно-твердых сплавов на подход к проектированию электрических машин. Определены особенности наиболее распространённых в настоящее время сплавов, определяющие область их применения. Показана необходимость регулирования потока возбуждения для тяговых электродвигателей. Обоснована принципиальная возможность использования синхронных гистерезисных электродвигателей, обладающих возможностью регулирования потока возбуждения по цепи статора, в качестве тяговых. Показаны достоинства и недостатки гистерезисного электродвигателя. Рассмотрены алгоритмы управления гистерезисным электродвигателем, позволяющие улучшить энергетику его работы в режиме запуска и в рабочем режиме. Проведено сопоставление процессов перемагничивания материала индуктора при работе гистерезисного двигателя и двигателей с возбуждением от постоянных магнитов, показаны особенности процессов перемагничивания ротора гистерезисного двигателя при работе в составе электропривода. Сформулированы требования к сплавам, необходимым для применения в индукторах тяговых гистерезисных электродвигателей.
Ключевые слова: синхронный двигатель с магнитоэлектрическим возбуждением, гистерезисный двигатель, постоянный магнит, тяговый электропривод, магнитно-твердые материалы.
Введение
Электрические машины предназначены для электромеханического преобразования энергии. В электрических машинах, называемых электрогенераторами ЭГ, происходит преобразование механической энергии в электрическую, а в электродвигателях ЭД происходит обратное преобразование энергии - электрической в механическую. Оба вида электрических машин принято называть электромеханическими преобразователями ЭМП. Несмотря на то, что ЭМП представляют собой реверсивные преобразователи, их проектирование для генераторного и двигательного режимов выполняют по-разному, хотя принцип действия и ЭГ, и ЭД основан на одних и тех же законах электродинамики.
Синхронные ЭМП с позиций электромеханического преобразования энергии содержат две следующие функциональные составные части: якорь - часть ЭМП, в обмотке которой наводится ЭДС вращения, и индуктор - часть ЭМП, создающая магнитный поток возбуждения. В том случае, если якорь расположен на статоре, как в асинхронных машинах, индуктор располагают на роторе. Если якорь расположен на роторе, как в коллекторных машинах постоянного тока, тогда индуктор устанавливают на статоре. Лишь в индукторных машинах и якорь, и обмотка возбуждения
(электромагнитный индуктор) расположены на статоре.
До освоения промышленностью магнитотвер-дых материалов с гистерезисными характеристиками, позволяющими использовать их в составе электрических машин, в качестве индуктора синхронных ЭМП использовали электромагнит, питаемый постоянным током. При этом питание электромагнита приходится осуществлять через скользящие контакты. Такие ЭМП принято называть машинами с электромагнитным возбуждением. Их главное достоинство состоит в возможности изменять значение потока возбуждения путем регулирования тока в обмотке возбуждения.
В ЭГ использование регулятора тока (потока) возбуждения позволяет регулировать (стабилизировать) напряжение на нагрузке при изменениях частоты вращения и тока нагрузки. Причем объем и масса регулятора тока (потока) значительно меньше, чем стабилизатора напряжения в цепи якоря.
В ЭД путем изменения тока возбуждения изменяют крутящий момент. При этом используется свойство ЭМП быть усилителем. Действительно, регулятор тока возбуждения имеет примерно на порядок меньшую мощность, чем «проходной» регулятор тока якоря, рассчитываемый на полную мощность ЭД (так как ток возбуждения
в 10.. .15 раз меньше тока якоря). Соответственно использование регулятора тока возбуждения позволяет уменьшить объем и массу электропривода. Коэффициент усиления ЭМП составляет значение, не превышающее 15.
При использовании синхронного ЭМП в составе современного вентильного электропривода его свойство быть усилителем часто оказывается невостребованным. Дело в том, что такой электропривод содержит в силовой цепи якоря управляемый электронный преобразователь (коммутатор обмотки якоря, выполненный обычно по схеме трехфазного мостового инвертора), который по сути является усилителем с коэффициентом усиления от нескольких сотен до нескольких тысяч единиц. Тем не менее и в таком электроприводе иногда возникает необходимость в регулировании потока возбуждения, в частности, если необходимо совместить два или несколько существенно различающихся режимов работы.
Например, в электроприводе стиральной машины имеется режим отжима при частоте вращения 1000.1200 об/мин и малых моменте нагрузки и моменте инерции (стиральный барабан без воды), а также режимы стирки и полоскания при частоте вращения 40.50 об/мин и большом моменте нагрузки (барабан с водой). ЭД, способный развивать и максимальную частоту вращения, и наибольший требуемый крутящий момент, имеет недопустимо большой объем. Поэтому рациональным считают совмещение как бы двух ЭД в одном: либо в режиме отжима ЭД работает с пониженным потоком возбуждения, а в режимах стирки и полоскания - с повышенным потоком возбуждения, либо при переходе от одного режима работы к другому переключают число полюсов обмотки якоря. Эти решения позволяют использовать ЭД меньшей массы и меньшего объема.
Без регулирования потока возбуждения сложно обойтись и в случаях, когда кратность изменения частоты вращения и крутящего момента велика. Так, в тяговом электроприводе транспортных средств кратность регулирования обычно составляет 15.20. И здесь ЭД, способный развивать и высокую частоту вращения, и большой пусковой момент, имеет недопустимо большие объем и массу. Поэтому тяговую характеристику (зависимость крутящего момента от частоты вращения при условии постоянства механической мощности) формируют с использованием регулирования потока.
История развития магнитно-твердых
материалов, применяемых
в электрических машинах
При освоении промышленностью постоянных магнитов в 20-х годах прошлого столетия начались попытки использования их в качестве индукторов ЭМП. Машины с возбуждением от постоянных магнитов стали называть магнитоэлектрическими
(в отличие от машин с электромагнитным возбуждением). Электромеханики положительно оценили возможности магнитоэлектрического возбуждения: ЭМП не потребляет из сети энергию на возбуждение, поэтому потенциально имеет повышенный КПД, и не требуется подводить энергию через скользящие контакты; конструктивно индуктор проще, чем электромагнит, а также более технологичен. Смирились даже с тем, что отсутствует возможность регулирования потока возбуждения (магнит намагничен заранее, и изменить его магнитное состояние в процессе работы ЭМП представлялось невозможным). Естественно, электромеханики постарались сформулировать требования к характеристикам магнитных материалов.
Прежде всего материал должен иметь высокое значение остаточной индукции Вг. Чем оно выше, тем больше поток, и при том же крутящем моменте в ЭД потребуется меньший ток якоря, КПД повысится, а у генератора будет выше ЭДС вращения - можно уменьшить число витков и увеличить сечение обмоточного провода, а в итоге при той же ЭДС тоже повысить КПД.
Поскольку под действием размагничивающего фактора индукция в рабочей точке меньше остаточной индукции Вг, то следующим требованием стало обеспечение наибольшей возможной выпуклости петли гистерезиса. Чем ближе форма петли к прямоугольной, тем ближе значение индукции в рабочей точке к остаточной индукции.
В 1935 г. были разработаны литые сплавы для постоянных магнитов типа альнико (российское наименование ЮНДК), кунифе и кунико [1, 2]. Остаточная индукция их составляла Вг = 0,7.0,9 Тл, а коэрцитивная сила Нс = 400.600 А/см. Эти сплавы благодаря высочайшей термостабильности, повышенной механической прочности и возможности сборки ЭМП при размагниченном состоянии магнитов (с последующим их намагничиванием в сборе) дожили до настоящего времени. Современные марки ЮНДК имеют Вг = 0,9.1,33 Тл и Нс = 500.900 А/см.
По заявленным свойствам они вполне подходили для использования в качестве индукторов ЭМП. Однако обнаружились сложности. Прежде всего при прочих равных условиях индуктор на постоянных магнитах оказался дороже электромагнитного индуктора. Для снижения стоимости было признано рациональным предельно уменьшать объем магнита. Отсюда следовало, что ЭМП нужно проектировать так, чтобы рабочая точка магнитной системы ЭМП была расположена в области с максимальным значением энергетического произведения на кривой размагничивания, ВНтах. Все методики проектирования магнитоэлектрических ЭМП, разработанные в шестидесятые годы прошлого столетия профессором Московского энергетического института и научным руководителем Проблемной лаборатории по применению
постоянных магнитов В.А. Балагуровым [3, 4], используют предпосылку, что магнит должен работать в этой области. Тогда его объем оказывается минимальным и стоимость магнитоэлектрического ЭМП приближается к стоимости ЭМП с электромагнитным возбуждением.
Литые магниты оказались не совсем удобны и тем, что «механизм» перемагничивания их доменной структуры таков, что для сохранения магнитных свойств, приобретённых после намагничивания, требуется магнитная стабилизация. Последняя может быть выполнена, например, в составе ЭМП путем циклического воздействия размагничивающего поля, вызванного реакцией якоря, при последовательном включении и отключении обмотки якоря ЭМП не менее 5 раз. Такое воздействие приводит к перемещению (снижению) рабочей точки из начального положения по частным циклам петли гистерезиса к некоторому стабильному положению с меньшим значением индукции.
В том случае, если есть возможность рассчитать распределение магнитной индукции в магнитной цепи ЭМП, можно, зная положение рабочей точки и поле реакции якоря, определить значение напряженности поля стабилизации. Стабилизацию обычно осуществляют импульсно в том же намагничивающем устройстве, которое применяют для намагничивания индуктора ЭМП, подачей импульса тока в противоположном направлении.
Кроме отмеченных выше сложностей сочетание низкой коэрцитивной силы с высокой остаточной индукцией магнитно-твёрдых материалов типа ЮНДК приводит к тому, что (даже после стабилизации магнитов в составе ЭМП) при извлечении индуктора из расточки якоря магниты существенно теряют намагниченность. Происходит это за счёт того, что собственное размагничивающее поле магнитов в индукторе почти вдвое больше размагничивающего поля в составе ЭМП. При этом рабочая точка из положения, близкого к BHmax, перемещается в положение, близкое к Hc, с соответствующей потерей намагниченности. При возвращении индуктора в расточку якоря потеря намагниченности приводит к значительному снижению индукции в рабочем зазоре ЭМП.
По указанным причинам было выставлено еще одно требование - материал магнита должен иметь большую коэрцитивную силу, чем у литых магнитов типа ЮНДК, с принципиально новым механизмом перемагничивания, исключающим возникновение частных циклов петли гистерезиса при периодическом воздействии размагничивающего поля. Разработчики магнитно-твёрдых материалов восприняли это как желание увеличить максимальное энергетическое произведение.
В 1936 г. были созданы литые платиноко-бальтовые магниты (ПЛК) с достаточно высокой индукцией насыщения и значительно большей коэрцитивной силой, чем у магнитов ЮНДК [5].
Но они оказались слишком дорогими, примерно в 20 раз дороже, чем ЮНДК. По этой причине магниты ПЛК и сейчас используют крайне редко.
В 1950 г. фирмой Philips были разработаны неметаллические ферритовые магниты (оксид бария, феррит стронция). Современные гистере-зисные характеристики этих материалов имеют следующие значения: Нс = 1200.2500 А/см, но Br = 0,25.0,4 Тл [2]. Несмотря на малое значение остаточной индукции, эти магнитные материалы успешно применяют в индукторах маломощных магнитоэлектрических двигателей благодаря малой стоимости, малой массе и высокой технологичности. К сожалению, они не подходят для магнитоэлектрических ЭМП большой мощности, к которым предъявляются более жесткие ограничения по объему.
Примерно в 1970 г. разработчики создали новый класс материалов для постоянных магнитов и новые технологии порошковой металлургии. Это магнитно-твёрдые материалы на основе редкоземельных элементов [6, 7].
Вначале были созданы самарий-кобальтовые магниты системы SmCo5. Они обладают существенно высокой коэрцитивной силой Нс = 8000.13 000 А/см и остаточной индукцией Br = 0,8.0,9 Тл. Главное их достоинство в сравнении с литыми и деформируемыми сплавами -на порядок более высокое значение коэрцитивной силы, что позволило избавиться от таких неприятностей, как необходимость намагничивания изделий в сборе, обязательная стабилизация обратным полем, влияние близко расположенных ферромагнитных тел и пр. Однако высокая хрупкость, плохая стойкость к ударам является ограничением этого материала к применению. Кроме того, поскольку в своём составе он содержит всего два, но очень дорогостоящих компонента (редкоземельные металлы Sm и Со), стоимость магнитов из него часто оказывается неприемлемо высока.
Развитием редкоземельных магнитно-твёрдых материалов на базе Sm и Co явился материал системы Sm2Coi7 с пониженным содержанием Sm и более высокими гистерезисными характеристиками: Br = 1,15.1,2 Тл и Нс = 10 000.16 000 А/см. Низкие значения коэффициентов температурных изменений остаточной индукции (-0,025 % / °С) и коэрцитивной силы (-0,16 % / °С) позволяют этим материалам работать в магнитных системах при температуре до 350 °С вне зависимости от положения рабочей точки. Но и этот материал имеет высокую стоимость, поэтому находит применение в основном в авиационной и космической технике.
К началу 1980 г. появился еще один вид высокоэнергетических магнитных материалов на основе сплава неодима, железа и бора. В настоящее время магниты из этого материала стали самыми популярными в бытовой технике и изделиях общетехнического применения. За последние примерно
Таблица 1
Сведения о современных магнитных материалах
Год Наименование Остаточная Коэрцитивная Цена за 1 кг,
разработки группы материалов индукция Br, Тл сила, А/см тыс. руб.
1935 ЮНДК (альнико) 0,9.1,3 500.900 2,5.2,8
1936 ПЛК 0,7.0,75 1800.3000 60.80
1950 Ферриты (бария, стронция) 0,25.0,4 1200.2500 0,06.0,15
1970 SmCo (КС 37, К25ДЦ) 0,9.1,2 8000.16 000 15.30
1980 Неодим-железо -бор 1,0.1,4 10 000.20 000 4,5.9,0
35 лет удалось существенно улучшить их характеристики: остаточная индукция Вг = 1,0.. .1,3 Тл при коэрцитивной силе Нс = 10 000.20 000 А/см. Однако основной их недостаток - повышенные (в сравнении с магнитами системы Sm2COl7) значения коэффициентов температурных изменений остаточной индукции (-0,12 % / °С) и коэрцитивной силы (-0,6 % / °С), к сожалению, преодолеть не удалось. Поэтому температурный порог использования этих магнитов не превышает 200 °С. Кроме того, магниты, полученные методом порошковой металлургии, с содержанием железа порядка 60 % подвержены объёмной коррозии, и защитить их чрезвычайно трудно и затратно. Даже многослойное гальваническое покрытие никелем, цинком, медью и их композициями не является гарантией зашиты от коррозии. Однако стоимость неодимо-вых магнитов примерно в 2,5.3 раза ниже, чем самарий-кобальтовых. И это дает им существенное преимущество.
Высокоэнергетические магниты все шире применяют как в ЭД, так и в ЭГ, что позволяет заметно повысить массогабаритные показатели ЭМП при прочих прежних условиях. Казалось бы, достигнут предел требований к свойствам материала магнитов, применяемых в ЭМП: достаточно высокие значения коэрцитивной силы и остаточной индукции, рекордно высокое значение энергетического произведения, высокая стабильность магнитных свойств - все это способствует стабильности индукции в рабочем зазоре ЭМП и стабильности его характеристик, а также обеспечению повышенного КПД. Правда, как сказано выше, высокоэнергетические магниты дороговаты и работоспособны в ограниченном диапазоне температур, но при необходимости (например, при ограниченном объеме, выделяемом для размещения ЭМП) с этим можно смириться.
Однако при использовании таких магнитов о регулировании потока возбуждения в процессе работы ЭМП приходится окончательно забыть, так как якорь ЭМП не способен создать необходимую для изменения магнитного состояния магнита намагничивающую МДС. Если же необходимость регулирования потока возбуждения является принципиальным требованием, а неприменимость скользящих контактов не позволяет перейти на электромагнитное возбуждение, то приходится
опять пересмотреть требования к материалу постоянных магнитов.
Следует отметить еще одну тенденцию в разработке постоянных магнитов. Это магнитопласты и магнитоэласты. Их магнитные свойства занимают промежуточное положение между свойствами ферритовых магнитов и неодимовых магнитов в силу того, что магнитный материал от 30 до 50 % в объеме изделия замещен пластичным немагнитным материалом. Достоинства их состоят в невысокой стоимости и простоте механической обработки. Эту группу магнитных материалов называют SmFeN. Появились они в конце 90-х годов, и сейчас в Китае растет их производство. Для использования в ЭМП они совершенно не подходят. В маломощных ЭМП ферриты более предпочтительны, так как выигрывают по стоимости. А в мощных ЭМП индуктор из магнитного материала, не содержащего примесей, позволяет существенно уменьшить объем машины при допустимом незначительном увеличении стоимости.
Сведения о производимых в настоящее время (на начало 2021 г.) группах магнитных материалов, приведены в табл. 1.
Электродвигатели с регулируемым
магнитным возбуждением
Вернемся теперь к поиску возможности регулирования потока возбуждения в магнитоэлектрическом ЭМП.
Среди синхронных ЭМП выделяется группа гистерезисных электродвигателей (СГД) [8]. Особенность их состоит в том, что активную часть ротора выполняют из магнитного материала с относительно невысокой коэрцитивной силой (от 20 до 200 А/см). Это делают с той целью, чтобы, используя якорь двигателя в качестве намагничивающего аппарата, изменять магнитное состояние активной части ротора. Иными словами, значение МДС обмотки якоря достаточно для намагничивания индуктора двигателя.
Для гистерезисных электродвигателей в шестидесятых годах прошлого столетия были созданы специальные деформируемые сплавы, содержащие кобальт и ванадий, получившие название викаллои. Благодаря содержанию кобальта викаллои имеют высокую остаточную индукцию Вг = 0,9.1,25 Тл и среднее значение коэрцитивной силы, которое
получают в диапазоне Нс = 40.200 А/см путем специальной термической обработки (в результате отпуска при определенной температуре в течение 1-2 часов с последующим охлаждением). Чем больше содержание кобальта, тем меньше Вг, но больше Нс и дороже материал. Поэтому для гисте-резисных двигателей применяют и деформируемые сплавы с пониженным содержанием кобальта 12.16 %, легированные вольфрамом и молибденом. Требуемые магнитные свойства этих сплавов слабо зависят от температуры термообработки, а формируются варьированием химического состава сплава. Такие сплавы в 3.4 раза дешевле викаллоя.
При запуске СГД его якорь создает вращающийся в пространстве вектор МДС, под действием которого активная часть ротора намагничивается и поддерживается в этом магнитном состоянии. Наведенные в активной части ротора магнитные полюса (вектор потока) вращаются синхронно с МДС якоря, отставая от нее на гистерезисный угол у. Но они не остаются в одном месте на теле активной части ротора, а перемещаются по телу вслед за МДС синхронно с ней. Благодаря гистерезису, т. е. отставанию на угол у вектора потока от вектора МДС, образуется крутящий момент, увлекающий ротор во вращение вслед за своими полюсами, бегущими по его телу. Таким образом ротор разгоняется до синхронизма, при котором полюса на нем останавливаются в фиксированном положении, тело ротора, вектор потока и вектор МДС вращаются синхронно, только вектор МДС опережает вектор потока, связанный с телом ротора. В синхронизме процессы происходят так же, как в обычном магнитоэлектрическом двигателе. Но есть две особенности. Во-первых, магнитное состояние активной части ротора не стабилизировано, поэтому колебания нагрузки и напряжения питания приводят к изменениям потока возбуждения и нестабильности характеристик двигателя. Во-вторых, якорь потребляет из сети повышенную намагничивающую составляющую тока. Созданная этой составляющей тока намагничивающая МДС затрачивается не только на проведение магнитного потока по рабочему зазору двигателя и стали якоря, но и на поддержание намагниченного состояния активной части ротора. Из-за наличия большой составляющей намагничивающего тока СГД имеет пониженный КПД.
Однако еще в 1908 г. немецкий электромеханик Б. Тир предложил способ повышения КПД гистерезисного электродвигателя, который широко используется и в настоящее время. Суть способа состоит в том, что магнитное состояние активной части ротора переводят из точки максимальной индукции (Вм) на петле гистерезиса в точку, характеризующуюся значением индукции, меньшим Вг. Тогда активная часть ротора превращается в постоянный магнит, который сам отдает МДС для
проведения потока по рабочему зазору и стали якоря. При этом степень возбуждения двигателя (отношение ЭДС вращения к напряжению) повышается. К сожалению, при неточном переводе с немецкого языка этот способ назвали способом перевозбуждения, а не повышения степени возбуждения. Термин прижился, и теперь режим работы СГД с повышенным КПД принято называть режимом перевозбуждения в синхронизме.
Как отмечено выше, обычно запускают СГД, подавая на его обмотку якоря напряжение неизменной синхронной частоты. Разгон происходит под действием гистерезисного (не синхронного) крутящего момента. И при этом поддерживается состояние активной части ротора в точке максимальной намагниченности, т. е. в процессе всего запуска потребляется большая намагничивающая составляющая тока и КПД существенно понижен.
При использовании СГД в составе вентильного электропривода, в котором имеется датчик положения ротора, КПД запуска можно существенно повысить. Для этого сначала в обмотку якоря подают импульс тока, намагничивающий активную часть ротора, а затем, используя сигналы от датчика положения ротора, т. е. жесткую позиционную ОС, ведут вектор потока и тело ротора синхронно с повышаемой частотой вращения вектора МДС якоря. При этом используется не гистерезисный крутящий момент, а момент синхронного двигателя, обусловленный отставанием вектора потока (связанного с телом ротора) от вектора МДС на угол нагрузки.
В синхронном же режиме осуществляют импульсное периодическое перевозбуждение. Причем оно может не только подтверждать прежнее магнитное состояние активной части ротора, обеспечивая неизменный поток возбуждения, но и подмагничивать либо размагничивать активную часть ротора, обеспечивая регулирование потока возбуждения [9].
Итак, сказанным выше раскрыт «механизм» регулирования потока возбуждения в электродвигателе, в котором в качестве индуктора использован материал, предназначенный для постоянного магнита. Фактически этим сформулированы новые требования к свойствам материала постоянных магнитов для использования в электрических машинах, которые раньше предъявлялись не в полной мере.
Требования эти таковы:
- максимально возможная индукция насыщения Вг;
- максимально возможное отношение Вг / Вм;
- вполне конкретное значение напряженности поля в «усике» петли гистерезиса, имеющей наибольшую выпуклость, Нму (в диапазоне от 20 до 400 А/см), обеспечиваемое режимом термомагнитной обработки и составом компонентов сплава;
- максимально возможное отношение Нс/Нм;
- наибольший коэффициент выпуклости петли гистерезиса, построенной в координатах В = $Н).
Этим требованиям хорошо отвечают деформируемые сплавы типа 25Х15КА и другие из данной группы. Требуется только подробно отладить технологию проведения термомагнитной обработки и контроля получаемых магнитных свойств. Необходимо также иметь требуемый сортамент стали.
Перспективными являются и сплавы, содержащие высокотемпературные диэлектрические включения (например, стеклянные шарики) в шихту, позволяющие формировать необходимые значения напряженности поля. Выполненная из них активная часть ротора является сплошной деталью, что обеспечивает механическую прочность высокочастотного ротора и в то же время - пониженные потери от вихревых токов благодаря диэлектрическим частицам.
Принципиальным является и тот факт, что нет опасений отрицательного влияния различных размагничивающих факторов. Материал магнита не должен обладать высокой коэрцитивной силой. Периодическое импульсное воздействие по цепи якоря позволяет восстановить утраченное по каким-либо причинам магнитное состояние и значение потока возбуждения, обеспечиваемого индуктором электродвигателя.
Но главным является то, что появилась возможность пусть дискретно, а не непрерывно, регулировать поток возбуждения в магнитоэлектрическом двигателе, чего до сих пор даже представить себе было невозможно.
Особенности процессов перемагничивания материала ротора гистерезисного электродвигателя в сравнении с процессами, происходящими в магнитоэлектрическом двигателе На рисунке приведена диаграмма состояний магнитной цепи магнитоэлектрического двигателя,
у которого один и тот же якорь, а на роторе установлен магнит из разного магнитного материала. Диаграмма состояний удобна тем, что позволяет найти графически решение уравнения равновесия магнитной цепи при наличии в ней нелинейных элементов.
На этой диаграмме линия 1 является кривой размагничивания (спинкой петли гистерезиса) литого магнита ЮНДК25БА, линия 2 - кривой размагничивания неодимового магнита, линия 3 -кривой размагничивания ферритового (оксидно-бариевого) магнита, линия 4 - спинкой петли гистерезиса деформируемого сплава 25Х15КА. У неодимового магнита и ферритового магнита кривая размагничивания на рассматриваемом участке является практически прямой линией благодаря высокому значению коэрцитивной силы и малому значению магнитной проницаемости ц (для неодимового магнита ц = 1,15.1,4; для ферритового магнита ц = 1,5.2,0). И эти магниты практически не размагничиваются полем реакции якоря, так как МДС якоря много меньше коэрцитивной силы этих магнитов. А магнитное состояние магнита из сплава ЮНДК25БА перед применением необходимо стабилизировать, создав стабилизирующее значение напряженности поля Нст, превышающее значение напряженности, создаваемое МДС реакции якоря (на диаграмме состояний точка А отхода прямой возврата находится левее точки В пересечения прямой возврата с линией сдвига 6). Положение линии 6 на диаграмме определяется сдвигом линии 5, характеризующей суммарную магнитную проводимость рабочего зазора двигателя и стали якоря, на значение напряженности поля, создаваемое МДС якоря.
Точка С пересечения линии 5 с прямой (принято допущение о стабилизации путем перемаг-ничивания по частному циклу) возврата является рабочей при условии, что весь ток якоря поперечный, а продольная составляющая отсутствует.
Диаграмма состояний магнитной цепи магнитоэлектрического двигателя при использовании ротора из разных магнитных материалов
Она же является рабочей (т. е. графическим решением уравнения равновесия магнитной цепи) и при полном отсутствии тока якоря. При наличии размагничивающей составляющей МДС якоря рабочая точка смещается от точки С влево, и когда весь ток становится продольным, а вектор МДС якоря направлен встречно вектору потока магнита, рабочей становится точка В и магнит испытывает наибольшее размагничивающее действие. Так как при этом точка В оказывается правее точки А отхода прямой возврата, то после исчезновения продольной размагничивающей составляющей тока (т. е. МДС) магнитное состояние восстанавливается до точки С. Магнитная проницаемость на линии возврата составляет 3.12.
На самом деле линия возврата АС становится практически прямой после выполнения нескольких (не менее 5) частных циклов стабилизации. Иначе вокруг этой усредненной прямой существует частный цикл петли гистерезиса.
Линия 7 на диаграмме состояний характеризует магнитную проводимость путей рассеяния потока, по которым он минует рабочий зазор, и эта проводимость включена параллельно последовательно включенным проводимостям зазора и стали якоря. Поэтому индукция в рабочем зазоре определяется как разность индукции в нейтральном сечении магнита (отрезок СП) и индукции рассеяния (отрезок ЕП) при одной и той же напряженности, т. е. представлена на диаграмме отрезком СЕ.
При использовании на роторе неодимового магнита рабочей является точка F пересечения линии размагничивания 2 с линией нагрузки 5. А индукции в рабочем зазоре соответствует отрезок FH, т. е. она выше, чем при использовании литого магнита типа ЮНДК, даже несмотря на меньшую остаточную индукцию неодимового магнита. И это потому, что прямая возврата стабилизированного магнита ЮНДК лежит ниже линии размагничивания неодимового магнита. Благодаря большей индукции в зазоре двигатель с неодимо-вым магнитом развивает больший крутящий момент при том же токе. Можно также обеспечить тот же момент, уменьшив сечение рабочего зазора при том же магнитном потоке, и тем самым уменьшить объем двигателя. В этом состоит достоинство использования неодимового магнита. Но этот магнит примерно втрое дороже, поэтому в каждом конкретном случае следует оценить целесообразность его использования.
При использовании на роторе двигателя фер-ритового магнита индукция в рабочем зазоре примерно вдвое меньше, чем при магните типа ЮНДК -точка Z пересечения линии размагничивания 3 с линией нагрузки 5 лежит ниже точки С. Следовательно, крутящий момент такого двигателя будет примерно вдвое меньше. Однако к маломощным двигателям обычно не предъявляют жестких требований по минимизации объема. В этих усло-
виях ради снижения стоимости двигателя идут на увеличение его объема. В большем объеме больше сечение рабочего зазора и можно обеспечить тот же магнитный поток. Проиграв в объеме примерно в 1,5.2 раза, можно выиграть в стоимости в 15.20 раз. Этим и объясняется широкое использование ферритовых магнитов в маломощных двигателях. Увеличение же объема мощных двигателей не столь существенно снижает их стоимость, но ограничивает частоту вращения, поэтому не является целесообразным.
Посмотрим теперь, как использовать на роторе двигателя деформируемый сплав 25Х15КА. Его петля гистерезиса формируется воздействием МДС якоря. Следовательно, точка J «усика» петли гистерезиса, в которой максимальны индукция В 'м и напряженность Н'м, формируется значением МДС якоря, обеспечивающим именно это значение напряженности Н'м. А оно известно и соответствует точке В на диаграмме состояний. Отложив от точки К вправо по прямой возврата отрезок, равный отрезку ВК, получим положение точки Н'м. Петля гистерезиса материала, формируемая термомагнитной обработкой, должна иметь остаточную индукцию не ниже 1 Тл и максимальную напряженность, равную значению Н'м. Если это условие будет обеспечено, то после подачи в обмотку якоря импульса тока намагничивания рабочей станет точка L. В случае отсутствия продольной составляющей тока эта точка на диаграмме останется рабочей и при работе двигателя. Однако магнитное состояние магнита в ней не стабилизировано. Поэтому даже просто при наличии качаний ротора характеристики двигателя будут нестабильными.
При использовании же двигателя в составе вентильного электропривода совместно с трехфазным мостовым инвертором этот недостаток устраняется. Дело в дискретном переключении ключей инвертора (и, соответственно, обмотки якоря). По сигналу от датчика положения ротора выставляется положение вектора МДС якоря (индуктивностью пока пренебрежем), а вектор потока вместе с телом ротора поворачивается на пространственный угол 60° - от положения 120° до положения 60° через положение 90°, при котором весь ток поперечный. Следовательно, в процессе поворота ротора действует сначала размагничивающая, а затем подмагничивающая составляющая реакции якоря. Причем ее амплитуда равна половине МДС якоря (против угла 30° лежит катет, равный половине гипотенузы). В результате магнитное состояние магнита стабилизируется на частном цикле, образуется прямая возврата с соответствующей точкой R отхода от основной кривой размагничивания. Сигналы датчика положения ротора не дают ротору выйти за пределы допустимого угла по отношению к вектору МДС. Но даже если это произойдет, например, из-за сбоя сигналов информации, то предусмотренные периодические
импульсы намагничивания, подаваемые в обмотку якоря, восстановят магнитное состояние магнита (либо подтвердят его, если сбоев не произошло). Влияние индуктивности (ток в индуктивности нарастает с запаздыванием по отношению к моменту подачи напряжения), которое выше было не учтено, компенсируется введением угла опережения включения обмотки якоря при коммутации ключей инвертора. В установившемся режиме рабочей становится точка Х пересечения линии возврата из точки R и линии нагрузки 5.
Теперь при использовании такого магнита вентильный электропривод позволяет изменять поток возбуждения за счет изменения магнитного состояния магнита. Индукцию в зазоре можно уменьшить, если увеличить поперечную размагничивающую составляющую МДС якоря. Для этого достаточно изменить угол опережения коммутации. Цифровой управляющий контроллер позволяет хранить в памяти таблицу соответствия индукции и угла коммутации и при управлении делать выборку управляющего сигнала из таблицы, а затем отрабатывать этот сигнал. При необходимости увеличить значение индукции изменению угла коммутации должен предшествовать намагничивающий импульс.
Заключение
На основании изложенного можно заключить, что в настоящее время появилась необходимость серийного промышленного выпуска деформируемых магнитных сплавов и отработки методов их термомагнитной обработки для применения в вентильных магнитоэлектрических двигателях. Желательный сортамент - листы толщиной от 2 до 6 мм. Кроме того, особого внимания заслуживает разработка магнитных сплавов с включением в шихту мелких частиц высокотемпературных диэлектрических материалов, что позволяет формировать нужное значение напряженности поля и выполнять активную часть ротора монолитной благодаря сниженным потерям от вихревых токов. Монолитный же ротор благодаря механической прочности позволяет увеличить частоту вращения.
В табл. 2 сведены последовательно формировавшиеся требования электромехаников к свойствам постоянных магнитов для ЭМП, о которых сказано в данной статье, группы имеющихся магнитных материалов, пригодных для применения в ЭМП, а также степень их соответствия (достоинства и недостатки) предъявляемым требованиям.
Таблица 2
Эволюция требований к свойствам магнитных материалов для ЭМП
№ Основные требования Группы созданных Достоинства Недостатки
п/п к свойствам материалов материалов материалов материалов
1 Высокое значение оста- Литые сплавы группы Достаточное значение Необходимость стаби-
точной индукции Вг ЮНДК Вг, хорошие механические свойства, технологичность, приемлемая стоимость лизации магнитного состояния
2 Наибольшая выпук- Модификации литых Те же, что у всех спла- Те же, что у всех литых
лость петли гистерезиса сплавов (ЮНДК24Б, вов группы. Более вы- сплавов.
при высокой Вг ЮНДК25А, ЮНДК25БА) сокая индукция в рабочем зазоре
3 Более высокая коэрци- Сплавы платины Достаточное значение Чрезвычайно высокая
тивная сила Нс, чем у с кобальтом (ПЛК) Вг и Нс. Хорошие меха- стоимость
сплавов группы ЮНДК нические свойства
Ферриты (бария, Самая низкая стои- Низкая Вг
стронция) мость. Высокая Нс. Технологичность
4 Высокая Вр, большая Викаллои Обеспечены требуемые Высокая стоимость,
выпуклость петли гис- магнитные свойства «капризная» термооб-
терезиса, но Нс ниже, работка
чем у сплавов группы Деформируемые Отвечают всем требо- Повышенные потери
ЮНДК сплавы 25Х15КА ваниям к магнитным свойствам от вихревых токов
Деформируемые спла- Снижены потери Не обнаружены
вы с включением высо- от вихревых токов.
котемпературных ди- Ротор монолитен
электрических конгло-
мератов
Литература
1. Февралева, Н.Е. Магнитнотвердые материалы и постоянные магниты. Определение характеристик. Справочник/Н.Е. Февралева. - Киев.: Наукова думка, 1969. - 232 с.
2. Кунцевич, А.В. Ферриты: Энциклопедический справочник. В 5 т. Т. 1: Магниты и магнитные системы /А.В. Кунцевич, А.В. Подольский, И.Н. Сидоров. - СПб.: Лик, 2004. - 358 с.
3. Балагуров, В.А. Электрические машины с постоянными магнитами /В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев, А.Н. Ларионов. -М.; Л.: Энергия, 1964. - 480 с.
4. Балагуров, В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока / В.А. Балагуров. - М.: Высшая школа, 1982. - 272 с.
5. Постоянные магниты. Справочник / под ред. Ю.М. Пятина. - М.: Энергия, 1986. - 488 с.
6. Мищенко, А. С. Перспективы материалов для постоянных магнитов / А. С. Мищенко // Прикладные публикации сотрудников. - Группа АМТ&С, 2006. - 6 с.
7. Лилеев, А.С. XVI Международная конференция по постоянным магнитам / А.С. Лилеев //Прикладные публикации сотрудников. - Группа АМТ&С, 2007. - 6 с.
8. Делекторский, Б.А. Проектирование гироскопических электродвигателей / Б.А. Делекторский, Н.З. Мастяев, И.Н. Орлов; под ред. к.т.н. И.Н. Орлова. - М.: Машиностроение, 1968. - 252 с.
9. Делекторский, Б.А. Управляемый гистерезисный привод / Б.А. Делекторский, В.Н. Тарасов. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 126 с.
Нагайцев Валерий Иванович, канд. техн. наук, доцент, главный конструктор электронных и гибридных систем, ООО «КАТЕ», г. Москва; nagayvi@yandex.ru.
Сергеев Сергей Владимирович, начальник Дизайн-центра магнитов и магнитных систем, АО «СПЕЦМАГНИТ», г. Москва; serg@inbox.ru.
Сизякин Алексей Вячеславович, канд. техн. наук, доцент кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов и электрического транспорта», Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва; al.sizyakin@gmail.com.
Поступила в редакцию 22 декабря 2020 г.
DOI: 10.14529/power210111
EVOLUTION OF REQUIREMENTS TO THE MATERIAL PROPERTIES OF PERMANENT MAGNETS FOR ELECTRICAL MACHINES
V.I. Nagaitsev1, nagayvi@yandex.ru,
S.V. Sergeev2, serg@inbox.ru,
A.V. Sizyakin3, al.sizyakin@gmail.com
1 LLC "KATE", Moscow, Russian Federation,
2 JSC "SPETCMAGNIT", Moscow, Russian Federation,
3 National Research University "Moscow Power Engineering Institute",
Moscow, Russian Federation
The paper presents the development of a technology for the production of magnetically hard alloys intended for use in the inductors of electrical machines. It shows how the properties of such alloys affect the design of electrical machines. The paper further describes the application-determining properties of the most common alloys. It also proves why it is necessary to control the excitation flux in traction motors. In addition, the paper describes the fundamental possibility to use hysteresis motors for traction due to their ability to control the excitation flux using the stator circuit. It further analyzes the advantages and disadvantages of such motors. Consideration is given to hysteresis motor control algorithms that improve its energy performance when starting and running. The paper also compares the magnetic reversal of the inductor in hysteresis motors and in permanentmagnet motors while discussing the magnetic reversal of hysteresis motor rotors in electric drives in detail. As a result, the paper concludes with the requirements to alloys to be used in the inductors of traction hysteresis motors.
Keywords: permanent magnet-excited synchronous motor, hysteresis motor, permanent magnet, traction electric drive, magnetically hard materials.
References
1. Fevraleva N.E. Magnitnotverdyye materialy i postoyannyye magnify. Opredeleniye kharakteristik. Spravochnik [Hard magnetic materials and permanent magnets. Definition of characteristics. Handbook]. Kiyev, Naukova dumka Publ., 1969. 232 p.
2. Kuntsevich A.V., Podol'skiy A.V., Sidorov I.N. Ferrity: Entsiklopedicheskiy spravochnik. T. 1: Magnity i magnitnyye sistemy [Ferrites: An Encyclopedic Reference. Vol. 1: Magnets and magnetic systems]. St. Petersburg, Lik Publ., 2004. 358 p.
3. Balagurov V.A., Galteyev F.F., Larionov A.N. Elektricheskiye mashiny s postoyannymi magnitami [Electric machines with permanent magnets]. Moscow, Leningrad, Energiya Publ., 1964. 480 p.
4. Balagurov V.A. Proyektirovaniye spetsial'nykh elektricheskikh mashin peremennogo toka [Design of special AC electric machines]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1982. 272 p.
5. Pyatina Yu.M. (Ed.). Postoyannyye magnity. Spravochnik [Permanent magnets. Handbook]. Moscow, Energiya Publ., 1986. 488 p.
6. Mishchenko A.S. [Perspectives of materials for permanent magnets]. Prikladnyye publikatsii sotrudnikov [Employee Applied Publications]. AMT&C group, 2006. 6 p. (in Russ.)
7. Lileyev A.S. [XVI International Conference on Permanent Magnets]. Prikladnyye publikatsii sotrudnikov [Employee Applied Publications]. AMT&C group, 2007. 6 p. (in Russ.)
8. Delektorskiy B.A., Mastyayev N.Z., Orlov I.N. Proyektirovaniye giroskopicheskikh elektrodvigateley [Design of gyroscopic motors]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1968. 252 p.
9. Delektorskiy B.A., Tarasov V.N. Upravlyayemyy gisterezisnyy privod [Controlled hysteresis drive]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1983. 126 p.
Received 22 December 2020
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ
Нагайцев, В.И. Эволюция требований к свойствам материалов постоянных магнитов для электрических машин / В.И. Нагайцев, С.В. Сергеев, А.В. Сизя-кин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2021. -Т. 21, № 1. - С. 99-108. DOI: 10.14529/power210111
FOR CITATION
Nagaitsev V.I., Sergeev S.V., Sizyakin A.V. Evolution of Requirements to the Material Properties of Permanent Magnets for Electrical Machines. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2021, vol. 21, no. 1, pp. 99-108. (in Russ.) DOI: 10.14529/power210111
