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:
- Магазин постоянных магнитов [электронный ресурс]. — URL: http://magnetmagazin.com/articles/117/ (дата обращения: 23.09.2016).
- «ЛЭПКОС», ИЦ «Северо-Западная Лаборатория» [электронный ресурс]. — URL: http://ferrite.ru/products/magnets/ndfeb/ (дата обращения: 23.09.2016).
- Магазин магнитов [электронный ресурс]. — URL: http://www.xn--24–8kcmzvj5b.xn--p1ai/page/istoriya-neodimovyh-magnitov (дата обращения: 23.09.2016).
- MAGSY [электронный ресурс]. — URL: http://www.magnity-magsy.ru/25250-neodymium-magnets-ndfeb (дата обращения: 23.09.2016).
- «ЛЭПКОС», ИЦ «Северо-Западная Лаборатория» [электронный ресурс]. — URL: http://ferrite.ru/products/magnets/smco/ (дата обращения: 23.09.2016).
- «ЛЭПКОС», ИЦ «Северо-Западная Лаборатория» [электронный ресурс]. — URL: http://ferrite.ru/products/magnets/alnico/ (дата обращения: 23.09.2016).
- Магазин магнитов [электронный ресурс]. — URL: http://www.xn--24–8kcmzvj5b.xn--p1ai/page/generatory-na-postoyannyh-magnitah (дата обращения: 23.09.2016).
- Подшипник RU [BearingRu] [электронный ресурс]. — URL: http://www.pkural.ru/tech/section124/ (дата обращения: 23.09.2016).
- Журавлев Ю. Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение // СПб.: Политехника, 2003. — 206 с.
- 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.
- SchweitzerG., BleulerH., TraxlerA. Activemagneticbearings. — Zurich: ETH, 1994. — 244 с.
