Магнитоэлектрический бесконтактный генератор с импульсным регулятором напряжения (стр. 5 из 15)
Перечисленных недостатков можно избежать, если применить микропроцессорную систему, структурная схема которой приведена на Рисунке 16 /12/.
Основные ее узлы и назначение следующие. Системный генератор (СГ) предназначен для формирования тактовых сигналов; микропроцессор (МП) вычисляет временные задержки и управляет ключами инвертора; системный контроллер (СК) формирует сигналы управления; оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) хранит переменные и промежуточную информацию о состоянии асинхронной машины; постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) содержит программу и таблицы функций управления; блок счетчиков (БС) и схема формирования вектора прерывания (СФВП) выполняют программный отсчет заданного времени, необходимого для формирования управляющих воздействий на ключи инвертора; блок-порт приема информации (ППИ) принимает сигналы датчиков скорости вращения вала стартер- генератора, питающего напряжения, положения ключа в замке зажигания; блок-порт выдачи информации (ПВИ) выдает управляющие воздействия на ключи инвертора.
Главная задача рассматриваемой системы - выдача таких управляющих воздействий на ключи инвертора, чтобы амплитуда и частота напряжения на обмотках стартер-генератора машин соответствовали требуемым с точки зрения оптимального закона управления. Решается она иначе, чем в системе "Дженерал моторс". Частота регулируется не за счет постоянства скольжения, а изменением длительности цикла переключения ключей инвертора, амплитуда - с помощью широтно-импульсного регулятора (ШИР). То есть система может изменять управляющие воздействия через некоторые промежутки времени, длительность которых задается программой. Поэтому задача регулирования частоты и амплитуды напряжения сформулирована именно с точки зрения длительности процессов.
Разработанная система управления использует оптимальные законы управления, что позволяет обеспечить пуск двигателя, а в режиме генератора - требуемую ТСХ при минимуме потерь в асинхронной машине. Разброс параметров АМ при производстве корректируется простым изменением таблиц "зашиваемых" в ПЗУ.
Созданные макетные образцы стартер-генераторов рассчитаны на напряжения 24 и 48 В. Такие напряжения позволяют уменьшить массу проводников, аккумуляторной батареи и самого стартер-генератора, а также стоимость автономного инвертора (использованы силовые транзисторы, рассчитанные на меньшие токи).
2. Специальный раздел
2.1 Исходные данные
2.1.1 Выбор генератора с постоянными магнитами
К перспективному электрооборудованию подвижных объектов предъявляются требования малой массы, высокой надежности, широких функциональных возможностей и высоких выходных характеристик систем.
Электрические генераторы с постоянными магнитами, обладая достоинствами бесконтактных машин, имеют ещё следующие преимущества: высокую надежность, простоту конструкции, высокий КПД, надежное возбуждение, улучшенные выходные характеристики, малую инерционность при переходных процессах. В определенном диапазоне частот тока и мощностей электрические генераторы с постоянными магнитами имеют лучшие массогабаритные характеристики, чем генераторы с электромагнитным возбуждением /2/,/16/.Свойственные электрическим генераторам с постоянными магнитами недостатки: отсутствие прямого способа регулирования напряжения, разброс характеристик постоянных магнитов, относительно высокая стоимость генераторов- преодолеваются.
В данном дипломном проекте выбрана стандартная, выпускаемая промышленностью, генераторная установка Г273 /17/. Её технические характеристики приведены в приложении А. Генератор Г273 имеет клювообразную (когтеобразную) систему ротора. Отличительной особенностью является то, что вместо обмотки возбуждения в данном дипломном проекте разрабатывается возможность установки постоянного магнита. Следовательно, необходимо выбрать типы постоянных магнитов, обеспечивающие надежную работу генератора, и обосновать применение когтеобразного ротора.
2.1.2 Ротор с когтеобразными полюсами с цилиндрическими постоянными магнитами, намагниченными в аксиальном направлении
Когтеобразный ротор (Рис .17) состоит из цилиндрического постоянного магнита, к торцам которого примыкают шайбы из магнитомягкой стали, имеющие когтеобразные выступы. Выступы левой шайбы чередуются по окружности с выступами правой шайбы. Каждая шайба и её выступы приобретают магнитную полярность сопряженного с ним полюса магнита, поэтому когтеобразные выступы по отношению к статору образуют систему полюсов с чередующейся полярностью.
Магнит крепится в заточках полюсных шайб. Вал обычно изготовляется из немагнитной стали во избежание шунтирования магнита. В том случае, когда на валу имеется втулка из немагнитного материала (обычно латуни), вал выполняют из магнитной стали.
Главным достоинством ротора является то, что постоянный магнит защищен магнитомягкими элементами от внешних полей, а его первоначальное намагничивание осуществляется в собранном виде внешним магнитным полем.
Наличие полюсов приводит к полной стабильности поля в воздушном зазоре, определяемого конфигурацией поверхности когтей, что позволяет получить синусоидальную форму кривой напряжения.
Рис.17 Ротор с когтеобразными полюсами с цилиндрическими постоянными магнитами, намагниченными в аксиальном направлении
Индукция в воздушном зазоре Вd достаточно высокие (Вd» 0.6..0.7 Тл), так как значение магнитного потока определяется площадью поперечного сечения магнита, которая может быть выбрана значительной. Такую конструкцию целесообразно применять для магнитов с высокими значениями коэрцитивной силы Нс.
При повышении частоты (числа полюсов) коэффициент заполнения объема ротора магнитом не снижается.
Механическая прочность когтеобразных роторов достаточно высокая. Окружная скорость может быть доведена до 80..100 м/с.
Наряду с достоинствами когтеобразные роторы обладают и рядом недостатков. Пониженная степень заполнения его объема постоянным магнитом, возможность отгиба концов когтеобразных выступов из-за центробежных сил, повышенные радиальные размеры /18/.
2.1.3 Выбор постоянного магнита
Технические и массогабаритные данные электрических генераторов с постоянными магнитами зависят прежде всего от магнитных свойств постоянных магнитов. О качестве постоянных магнитов судят по значению максимальной удельной магнитной энергии Wmax или её удвоенному значению (BH) max. В электрических генераторах с постоянными магнитами в настоящее время применяются следующие основные группы магнитотвердых материалов для постоянных магнитов: железоникелевые и железоникелькобальтовые сплавы, бариевые ферриты, интерметаллические соединения на основе редкоземельных элементов и кобальта.
Широкое применение нашли анизотропные сплавы, на базе ЮНДК24, ЮНДК35Т5, ЮНДК40Т8 с направленной кристаллизацией, обладающие большими удельной магнитной энергией и коэрцитивной силой. Магнитные свойства этих материалов приведены в Таблице № 5.
Таблица № 5
| Марка | Wм max, кДж/м | Вr, Тл | Нс, кА/м |
| ЮН15 ДК25БА | 28 | 1.25 | 62 |
| ЮНДК31Т3БА | 32 | 1.15 | 92 |
| ЮНДК35Т5АА | 40 | 1.05 | 115 |
| ЮНДК40Т8АА | 32 | 0.9 | 145 |
| NKS-100 (Япония) | 44 | 1.1 | 127 |
| Альнико VII (США) | 30 | 1.34 | 30 |
Вr - остаточная намагниченность, Нс - коэрцитивная сила.
Появление сплавов ЮНДК значительно расширило применение магнитов. Сплавы типа ЮНДК (альнико) являются металлокерамическими материалами, которые обычно изготовляются методами порошковой технологии или литьем. Эти материалы обладают наилучшей термической устойчивостью с температурой Кюри 850°. Температурные коэффициенты индукции в интервале температур от -60 до 100 °С составляет в среднем aв »(0.02 -0.07)%/°С т.е относительно невелики.
Магнитные характеристики металлокерамических магнитов из ЮНДК24, ЮНДК35Т5 и ЮНДК38Т7 приведены на Рис. 18.
Наилучшими материалами для постоянных магнитов, используемых в БЭМ, являются интерметаллические соединения на основе редкоземельных материалов /18/ вида RСo5 (самария Sm, празеодим Pr, тербия Тb, церия Ce, и др.) и кобальта. Магниты из Rco5 получают литьем или спеканием. Наиболее широкое применение имеют материалы состава: Sm-36%, Co-64%. Они имеют прямолинейную спинку кривой размагничивания и обладают высокими магнитными свойствами: Вr=0.7-0.9 Тл, Нс=560-640 кА/м, (BH) max=128-176 Тл кА/м. Эти магниты обладают уникальными значениями коэрцитивной силы, в 6-7 раз превышающие значения для магнитов типа ЮНДК. На Рис.19 приведены кривые размагничивания и значения (BH) max.
Таблица № 6.
| Марка | Wм max, кДж/м | Вr, Тл | Нс, кА/м |
| КС37 | 55 | >0.77 | >540 |
| КС37А | 65 | >0.82 | >560 |
| КСП37 | 65 | 0.9 | 520 |
| КСП 37А | 72.5 | 0.9 | 500 |
Магниты из РЗМ рассчитаны для работы при температурах от -70 до +150°С, имеют достаточно низкий температурный коэффициент при Вr, примерно 0.03- 0.05%/°С в диапазоне температур 20-200°С. В таблице № 6 даны характеристики существующих РЗМ.
Несмотря на высокие магнитные показатели, использование РЗМ магнитов пока затруднено по причине того, что, например, стоимость SmCo5 достигает нескольких миллионов рублей за килограмм.
Для стандартного генератора Г273 в целях удешевления и унификации целесообразно выбрать магниты типа ЮНДК, так как они обладают удовлетворительными, для нашего варианта характеристиками и могут создать необходимый для самовозбуждения магнитный поток. Выберем, исходя из вышеописанных данных, постоянный магнит типа ЮНДК35Т5АА (см.Таблицу № 5 и Рис 18). Этот магнит изготовлен методом порошковой технологии. Буквы АА означают, что материал монокристаллической структуры. Эти сплавы обладают хорошими магнитными свойствами, эффективно работают при температурах до 600°С и относительно недороги.