Магнитные двигатели на постоянных магнитах (схема, видео)

Согласно закону сохранения энергии, любой современный эл. привод не может иметь КПД выше 100%, потому как часть энергии нужно потратить на собственные нужды. Решить этот вечный вопрос призван двигатель на постоянных магнитах (униполярный, линейный, роторный, гравитационный и т. п), в котором механическое перемещение компонентов происходит за счет их взаимодействия на уровне магнитных свойств.

Принцип действия вечного магнитного движителя

Большинство современных эл. двигателей используют принцип трансформации эл. тока в механическое вращение ротора, а вместе с ним и приводного вала. Это значит, что любой расчет покажет КПД меньше 100%, а сам агрегат является зависимым, а не автономным. Та же ситуация наблюдается в случае генерирующего устройства. Здесь уже момент вращения вала, которое происходит за счет тепловой, ядерной, кинетической или потенциальной энергии движения среды, приводит к выработке электрического тока на коллекторных пластинах.

Наши рекомендации:

Если вы ищете хороший интернет-магазин Электрики, советуем посетить магазин 220 ВОЛЬТ. Если же вы не хотите сами заморачиваться с Электрикой, мы рекомендуем поискать профессионального мастера на сайте Ремонтник.ру

Двигатель на постоянных магнитах использует совершенно иной подход к работе, который нивелирует или сводит к минимуму необходимость в сторонних источниках энергии. Описать принцип работы такого двигателя можно на примере «беличьего колеса». Для изготовления демонстративной модели не требуются особые чертежи или расчет надежности. Необходимо взять один постоянный магнит тарельчатого (дискового) типа, полюса которого располагаются на верхней и нижней плоскостях пластин. Он будет служить основой конструкции, к которой нужно добавить два кольцевых барьера (внутренний, внешний) из немагнитных, экранирующих материалов. В промежуток (дорожку) между ними помещается стальной шарик, который будет играть роль ротора. В силу свойств магнитного поля, он сразу же прилипнет к диску разноименным полюсом, положение которого не будет меняться при движении.

Статор представляет собой условно пластину из экранируемого материала, на которую по кольцевой траектории крепят постоянные магниты, например, неодимовые. Их полюса расположены перпендикулярно по отношению к полюсам дискового магнита и ротора. В результате, когда статор приближается к ротору на определенное расстояние, возникает поочередное притяжение, отталкивание в магнитном поле, которое формирует момент затем перерастает во вращение шарика по кольцевой траектории (дорожке). Пуск и остановка происходят за счет приближения или отдаления статора с магнитами. Этот вечный двигатель на постоянных магнитах будет работать до тех пор, пока они не размагнитятся. Расчет ведется относительно размера коридора, диаметров шарика, пластины статора, а также цепи управления на реле или катушках индуктивности.

На подобном принципе действия было разработано немало моделей действующих образцов, например, синхронных двигателей, генераторов. Наиболее известными среди них являются двигатели на магнитной тяге Тесла, Минато, Перендев, Говарда Джонсона, Лазарева, а также линейные, униполярные, роторные, цилиндровые и т. д.

Рассмотрим каждый из примеров подробнее.

Магнитный униполярный двигатель Тесла

Наши рекомендации:

Если вы ищете хороший интернет-магазин Электрики, советуем посетить магазин 220 ВОЛЬТ. Если же вы не хотите сами заморачиваться с Электрикой, мы рекомендуем поискать профессионального мастера на сайте Ремонтник.ру

Выдающийся ученый, ставший в свое время пионером в области снабжения эл. током, асинхронных электродвигателей на переменном токе, не обделил своим вниманием и расчетом вопрос вечного источника энергии. В научной среде это изобретение именуется иначе, как униполярный генератор Тесла.

Первоначально расчет данного типа устройства вел Фарадей, но его прототип при сходном принципе действия не обладал должной эффективностью, стабильностью работы, то есть не достиг цели. Термин «униполярный» означает, что в схеме агрегата кольцевой, дисковый (пластина) или цилиндровый проводник расположен в цепи между полюсами постоянного магнита.

Магнитный двигатель Тесла и его схема

На схеме, которая была представлена в оригинальном патенте, есть конструкция с двумя валами, на которых размещаются две пары магнитов: В, В создают условно положительное поле, а С, С – отрицательное. Между ними располагаются униполярные диски с отбортовкой, используемые в качестве генерирующих проводников. Оба униполярных диска связаны между собой тонкой металлической лентой, которая может быть в принципе использована, как проводник (в оригинале) или для вращения диска.

Двигатель Минато

Наши рекомендации:

Если вы ищете хороший интернет-магазин Электрики, советуем посетить магазин 220 ВОЛЬТ. Если же вы не хотите сами заморачиваться с Электрикой, мы рекомендуем поискать профессионального мастера на сайте Ремонтник.ру

Еще одним ярким примером использования энергии магнетизма для самовозбуждения и автономной работы является сегодня уже серийный образец, разработанный более тридцати лет назад японцем Кохеи Минато. Его отличают бесшумность и высокая эффективность. По собственным заявлениям Минато, самовращающийся магнитный двигатель подобной конструкции имеет КПД выше 300%.

Наши читатели рекомендуют! Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют ‘Экономитель энергии Electricity Saving Box’. Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.

Двигатель Минато

Ротор имеет форму диска или колеса, на котором под определенным углом располагаются магниты. Когда к ним подводится статор с большим магнитом, возникает момент и колесо Минато начинает вращаться, используя попеременное сближение и отталкивание полюсов. Чем ближе статор к ротору, тем выше момент и скорость вращения. Питание осуществляется через цепь реле прерывателя.

Для предотвращения импульсов и биения при вращении колеса Минато, используют реле стабилизаторы и сводят к минимуму потребление тока управляющего эл. магнита. Недостатком можно считать отсутствие данных по нагрузочным характеристикам, тяге, используемых реле цепи управления, а также необходимость периодического намагничивания, о которой, кстати, тоже от Минато информации нет.

Может быть собран, как и остальные прототипы, экспериментально, из подручных средств, например, деталей конструктора, реле, эл. магнитов и т. п.

Двигатель Лазарева

Наши рекомендации:

Если вы ищете хороший интернет-магазин Электрики, советуем посетить магазин 220 ВОЛЬТ. Если же вы не хотите сами заморачиваться с Электрикой, мы рекомендуем поискать профессионального мастера на сайте Ремонтник.ру

Устройство двигателя Лазарева

Отечественный разработчик Николай Лазарев создал работающий и довольно простой вариант агрегата, использующего магнитную тягу. Его двигатель или роторный кольцар, состоит из емкости, разделенной пористой перегородкой потока на верхнюю и нижнюю части. Они сообщаются между собой за счет трубки, по которой из нижней камеры в верхнюю идет поток воды/жидкости. В свою очередь поры обеспечивают гравитационное перетекание вниз. Если под потоком жидкости поместить колесико, на лопастях которого будут закреплены магниты, то получиться добиться цели потока – вращения и создания постоянного магнитного поля. Схема роторного двигателя Николая Лазарева используется для расчета и сборки простейших самовращающихся устройств.

Магнитный мотор Говарда Джонсона

Магнитный мотор Говарда Джонсона

В своей работе и следующем за ней патенте на изобретение, Говард Джонсон использовал энергию, генерируемую потоком непарных электронов, присутствующих в магнитах для организации цепи питания мотора. Статор Джонсона представляет собой совокупность множества магнитов, дорожка расположения и движения которых будет зависеть от конструктивной компоновки агрегата Говарда Джонсона (линейной или роторной). Они закрепляются на специальной пластине с высокой степенью магнитной проницаемости. Одноименные полюса статорных магнитов направляются в сторону ротора. Это обеспечивает поочередное притяжение и отталкивание полюсов, а вместе с ними, момент и физическое смещение элементов статора и ротора относительно друг друга.

Организованный Говардом Джонсоном расчет воздушного зазора между ними позволяет корректировать магнитную концентрацию и силу взаимодействия в большую или меньшую сторону.

Генератор Перендева

Наши рекомендации:

Если вы ищете хороший интернет-магазин Электрики, советуем посетить магазин 220 ВОЛЬТ. Если же вы не хотите сами заморачиваться с Электрикой, мы рекомендуем поискать профессионального мастера на сайте Ремонтник.ру

Генератор Перендева

Еще одним неоднозначным примером действия магнитных сил является самовращающийся магнитный двигатель Перендев. Его создатель Майк Брэди, до того, как в его отношении начали уголовное производство, даже успел обзавестись патентом, создать одноименную фирму (Перендев) и поставить дело на поток. Если анализировать представленную в патенте схему и принцип, или чертежи самодельных эл. двигателей, то ротор и статор имеют форму диска и внешнего кольца. На них по кольцевой траектории размещают отдельные магниты, соблюдая определенный угол относительно центральной оси. За счет взаимодействия поля отдельных магнитов статора и ротора Перендев, возникает момент и происходит их взаимное перемещение (вращение). Расчет цепи магнитов сводится к определению угла расхождения.

Синхронный двигатель на постоянных магнитах

Устройство синхронного двигателя на магнитах

Одним из основных видов электродвигателей является синхронный, частота вращения магнитных полей статора и ротора которого равны. У обычного электромагнитного мотора обе эти части состоят из обмоток на пластинах. Но если конструкцию якоря поменять и вместо катушки поставить постоянные магниты, то можно получить интересную, эффективную, действующую модель синхронного двигателя. Статор имеет привычную компоновку магнитопровода из пластин и обмоток, в которых способно генерироваться вращающееся магнитное поле от электрического тока. Ротор создает постоянное поле, которое взаимодействует с предыдущим, и создает крутящий момент.

Наши рекомендации:

Если вы ищете хороший интернет-магазин Электрики, советуем посетить магазин 220 ВОЛЬТ. Если же вы не хотите сами заморачиваться с Электрикой, мы рекомендуем поискать профессионального мастера на сайте Ремонтник.ру

Также следует отметить, что в зависимости от схемы, относительное расположение статора и якоря могут меняться, например, последний будет выполнен в форме внешней оболочки. Для пуска мотора от тока из сети используется цепь из магнитного пускателя (реле, контактора) и теплового защитного реле.

Синхронные тяговые двигатели с постоянными магнитами

Синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов, обладающие преимуществами в отношении массогабаритных показателей и потребления энергии, все чаще находят применение в тяговом приводе, хотя они требуют использования сложных систем управления и пока имеют недостаточную надежность.

За последние несколько лет от ведущих мировых поставщиков подвижного состава поступило много предложений, касающихся использования синхронных тяговых двигателей с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ). Такие двигатели имеют меньшие габариты и массу по сравнению с преобладавшими до сих пор на рынке трехфазными асинхронными двигателями.

СДПМ использовались, в частности, на установившем 3 апреля 2007 г. мировой рекорд скорости электропоезде AGV V150 постройки компании Alstom (рис. 1). Они находят применение на подвижном составе различного назначения (таблица) — от трамвая-поезда Citadis Dualis (рис. 2) до двухэтажного междугородного электропоезда Twindexx (рис. 3) для железных дорог Швейцарии (SBB).

Рис. 1. Высокоскоростной электропоезд AGV V150 во время рекордного пробега Рис. 2. Трамвай-поезд Citadis Dualis (фото: Alstom) Рис. 3. Электропоезд Twindexx (источник: Bombardier)

Считается, что железнодорожные компании-операторы консервативны в отношении применения новых технологий. В то же время разработчики и изготовители тягового подвижного состава заинтересованы в скорейшей реализации передовых технических решений. Если использование новых разработок способствует существенному улучшению эксплуатационных показателей, эти разработки достаточно быстро находят применение, что подтверждается опытом внедрения импульсных преобразователей для питания тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения, тяговых двигателей постоянного тока независимого возбуждения, синхронных двигателей и трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. С развитием технологий повышалась эффективность тягового привода и совершенствовалось управление им, что позволило улучшить характеристики сцепления и снизить потребление энергии.

СДПМ и электронная аппаратура управления ими представляют собой наиболее современную технологию в области тягового привода. Миллионы СДПМ благодаря своей сравнительно малой массе и хорошей управляемости уже используются в приводах гибридных автомобилей. Более крупные двигатели предоставляют такие же возможности для повышения эффективности тягового привода железнодорожного подвижного состава. Данная технология внедряется на новом подвижном составе различного назначения. Однако при этом выявились несколько существенных проблем, требующих решения.

На автомобилях с двигателями внутреннего сгорания для регулирования скорости обычно используют сложное механическое устройство — коробку передач, благодаря чему двигатель может работать в оптимальном скоростном диапазоне. Тяговые двигатели подвижного состава железных дорог должны эффективно работать во всем диапазоне скорости, обеспечивая передачу крутящего момента на колеса через одноступенчатый редуктор либо непосредственно. Такое простое в плане механического оборудования решение позволяет создать надежные системы привода, не требующие сложного технического обслуживания.

Таким образом, первое требование, предъявляемое при проектировании тяговых двигателей, — их способность обеспечивать крутящий момент или тяговое усилие в широком диапазоне скорости (от 0 до 320 км/ч).

Безусловно, важно, чтобы тяговый двигатель работал надежно. В то же время, с точки зрения машиниста и железнодорожной компании-оператора, в равной степени имеет значение точное и плавное регулирование момента во всем диапазоне скорости при помощи системы управления тяговым приводом. Надлежащее регулирование крутящего момента обеспечивает оптимальное использование сцепления между колесом и рельсом, плавное ускорение, способность поддержания постоянной скорости и возможность применения электрического торможения.

При взаимодействии колес с рельсами крутящий момент тягового двигателя преобразуется в линейную силу тяги или торможения. На рис. 4 представлен график зависимости силы тяги от скорости, а также кривая сопротивления движению поезда. Кривая силы тяги пересекает кривую сопротивления движению в точке так называемой установившейся скорости, т. е. максимальной теоретически возможной скорости. Вблизи этой точки величина изменения силы тяги, за счет которой создается ускорение поезда (на рис. 4 обозначена красной стрелкой), невелика. На рис. 5 показаны характеристики мощности тягового привода и потребной тяговой мощности (мощность равна произведению скорости и силы тяги).

Тяговые двигатели, как правило, рассчитываются на определенный режим работы. Двигатель должен развивать требуемый момент при нулевой скорости и поддерживать его до номинальной во всей зоне 1 кривой силы тяги. Выше этой скорости тяговый двигатель развивает максимальную выходную мощность. В зоне 2 сила тяги обратно пропорциональна скорости. В зоне 3 вследствие ограничений характеристик тягового двигателя сила тяги обратно пропорциональна квадрату скорости.

Рис. 4. Тяговая характеристика и сопротивление движению Рис. 5. Характеристики мощности

При низкой скорости крутящий момент двигателя теоретически может быть больше, чем передаваемый при взаимодействии колеса и рельса. Однако это привело бы к перегрузке двигателя, поэтому таких режимов следует избегать посредством соответствующих действий машиниста или электронной системы управления.

Ранее для управления тяговыми двигателями постоянного тока применялось регулирование напряжения посредством изменения схемы их соединения с последовательного на параллельное и регулирование тока с помощью пускотормозных резисторов. На современном подвижном составе для управления как коллекторными двигателями постоянного тока, так и синхронными и асинхронными двигателями переменного тока используются электронные системы, обеспечивающие изменение напряжения или как напряжения, так и частоты. Применяемые ныне системы тягового электропривода позволяют достичь качественного управления во всем диапазоне скорости при относительно простых алгоритмах регулирования.

Регулирование СДПМ позволяет достаточно легко достичь требуемых характеристик в зоне постоянного крутящего момента, однако для регулирования в зоне постоянной мощности требуются более сложные алгоритмы.

Двигатели переменного и постоянного тока, как и СДПМ, по существу работают на основе одних и тех же физических законов. Поэтому принципы управления ими до некоторой степени подобны. В электрических машинах всех видов крутящий момент возникает при взаимодействии двух магнитных полей. Для появления крутящего момента между векторами напряженности этих магнитных полей должен быть определенный угол, в идеальном случае равный 90 эл. град. Упомянутые поля могут быть созданы токами, протекающими по обмоткам двигателя, или постоянными магнитами.

В настоящее время в тяговом приводе находят применение главным образом трехфазные асинхронные двигатели. Тем не менее весьма важно понимать природу и поведение магнитных полей статора и ротора электрических машин других типов.

В традиционном двигателе постоянного тока северные и южные полюса поля статора всегда ориентированы в одном и том же направлении, в то время как поле якоря (ротора) сдвинуто на 90 эл. град вследствие использования коллектора. В двигателе последовательно-го возбуждения один и тот же ток проходит как через обмотку статора, так и через обмотку ротора, тогда как в случае использования двигателя независимого возбуждения имеется возможность независимо управлять полями ротора и статора.

В традиционном трехфазном синхронном двигателе магнитное поле ротора создается током, протекающим по его обмотке, а ориентация поля определяется физическим положением обмотки ротора. Поле статора создается током, протекающим по его обмотке, и вращается со скоростью, определяемой частотой инвертора, от которого получает питание обмотка статора. Угол между полями статора и ротора увеличивается в зависимости от крутящего момента, а частоты вращения ротора и поля статора одинаковы. Когда угол становится отрицательным, двигатель переходит в тормозной режим.

В трехфазном асинхронном двигателе магнитное поле статора индуцирует в обмотке ротора ток (рис. 6), который, в свою очередь, генерирует магнитное поле. Последнее, взаимодействуя с полем статора, создает тяговый или тормозной момент. В режиме тяги частота вращения ротора ниже частоты вращения поля статора, заданной преобразователем, а в режиме торможения — выше. Крутящий момент не возникает, если частоты вращения равны. Соотношение частот вращения ротора и поля статора характеризуется величиной, называемой скольжением.

В СДПМ поле ротора создается магнитами, которые либо распределены по поверхности ротора, либо размещены в его пазах (рис. 7). В последнем случае обеспечивается большая механическая прочность и меньшие потери на вихревые токи в роторе. В качестве материала для постоянных магнитов получил распространение сплав неодим-железобор (Nd2Fe14B) благодаря его оптимальным магнитным свойствам. Магнитное поле статора создается с помощью трехфазной многополюсной обмотки, размещенной в пазах шихтованного сердечника.

Рис. 6. Принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором Рис. 7. Принцип работы СДПМ

Во всех электрических машинах вращающееся магнитное поле генерирует ЭДС, противоположную по направлению питающему напряжению — так называемую противо-ЭДС. При нулевой частоте вращения она равна нулю, однако с ее ростом линейно возрастает. Для поддержания постоянной величины крутящего момента в зоне 1 (см. рис. 4 и 5) следует увеличивать напряжение питания.

Крутящий момент электрической машины представляет собой произведение магнитного потока и тока. Силовой полупроводниковый преобразователь регулирует питающее постоянное или однофазное напряжение таким образом, чтобы значения тока в обмотках двигателя находились в допустимых пределах. Наиболее современным решением является использование преобразователей на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) с широтно-импульсной модуляцией.

В зоне 1, где сила тяги постоянна, напряжение (а в случае асинхронного двигателя — и частота) должно возрастать пропорционально частоте вращения двигателя, при этом значение произведения магнитного потока и тока, т. е. крутящего момента, поддерживается постоянным. При превышении номинального значения частоты вращения приложенное напряжение не может быть увеличено из-за ограничений параметров силового преобразователя и изоляции двигателя. Однако с точки зрения механических характеристик частота вращения может быть выше.

Переход в зону 2 осуществляется посредством ослабления поля, при этом уменьшается противо-ЭДС или (для СДПМ) осуществляется противодействие ее влиянию. В двигателях постоянного тока это достигается уменьшением величины тока, протекающего через обмотку возбуждения, за счет включения параллельно ей сопротивления ослабления поля, в традиционном синхронном двигателе — путем уменьшения тока в обмотке ротора. В асинхронном двигателе ослабление поля происходит автоматически с увеличением частоты тока обмотки статора, в то время как питающее напряжение остается неизменным. В СДПМ осуществить ослабление поля сложнее, поскольку поле ротора создается постоянными магнитами.

В зоне 3 магнитный поток и ток уменьшаются быстрее, чем в зоне постоянной мощности, чтобы избежать превышения предельных электрических и механических характеристик двигателя. Например, в двигателе постоянного тока независимого возбуждения ток якоря также снижается в зависимости от скорости.

Основная причина расширения применения СДПМ в тяговом приводе — их существенные преимущества по сравнению с трехфазными асинхронными двигателями. В пределах примерно 80% рабочего диапазона КПД СДПМ больше на 1-2%, а удельная мощность — на 30-35%, вследствие чего при равной мощности габариты и масса СДПМ примерно на 25% меньше.

В асинхронном двигателе имеет место нагрев ротора вследствие наличия мощности скольжения. В СДПМ он фактически отсутствует, благодаря чему нет необходимости в охлаждении ротора. Статор СДПМ обычно полностью герметичен и имеет жидкостное охлаждение, что способствует повышению надежности двигателя. Кроме того, при использовании СДПМ возможно осуществлять электрическое торможение при низких значениях скорости, что делает принципиально возможным самоуправляемое торможение при замыкании накоротко обмоток статора. Однако достижение этих преимуществ невозможно без компромисса. Выявлены семь основных факторов, препятствующих распространению СДПМ для целей электрической тяги, хотя уже разработаны методы решения этих проблем.

Ограничения размеров и стоимости четырехквадрантного преобразователя и двигателя не позволяют использовать их во всем диапазоне скорости только путем поддержания величины питающего напряжения, настолько превышающей противо-ЭДС, чтобы величина тока была достаточна для достижения требуемого крутящего момента. Проблема может быть решена с помощью ослабления поля, благодаря чему создаются зоны постоянного момента и постоянной мощности. Поскольку регулирование поля, создаваемого постоянными магнитами, затруднительно, ослабление поля достигается подачей тока в обмотки статора. Таким образом создается поле с вектором напряженности, направленным против вектора напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами ротора. При этом возникают потери в меди обмотки статора, что в некоторой степени снижает положительный эффект, получаемый благодаря низким потерям при использовании ротора с постоянными магнитами.

Для управления токами, создающими эффект ослабления поля, необходимо определить положение ротора с точностью до 1-2 эл. град. Для четырехполюсного двигателя требуется механическое разрешение не менее чем 1,5 эл. град. Если использовать датчики, от них требуются весьма высокие точность и надежность, чтобы обеспечить нормальную работу системы управления. Возможно управление и без применения датчиков, однако при этом может быть снижена точность регулирования.

Магнитный поток зависит от температуры, при этом напряженность поля снижается примерно на 1% при увеличении температуры ротора на 10 К. Для СДПМ, которые работают в температурном диапазоне 200 К (от -40 до +160 °С), это имеет существенное значение. Поэтому электронная система управления должна контролировать рабочую температуру и учитывать ее при формировании управляющего сигнала.

Каждый СДПМ требует индивидуального силового полупроводникового регулятора, гарантирующего подачу управляющего импульса на включение силовой цепи строго в требуемый момент времени. Впрочем, в современном тяговом при-воде все чаще используются индивидуальные системы управления каждым двигателем. Таким образом, эта проблема решается.

При значительных токах и высоких температурах может произойти необратимое размагничивание, даже если температура ротора не достигает точки Кюри между 310 и 370 °C. Однако более опасно короткое замыкание в обмотке статора, которое может привести к разрушению двигателя, поскольку создаваемое постоянными магнитами вращающееся поле продолжает индуцировать значительные токи в статоре. Здесь размагничивание может быть полезным, поскольку снижает эти токи.

Еще одна проблема связана с тем, что при работе без нагрузки (когда поезд движется в режиме выбега) вращающийся ротор двигателя с постоянными магнитами продолжает индуцировать токи в сердечнике статора. Возникающие вихревые токи наряду с эффектом гистерезиса вызывают потери в стали, что снижает КПД двигателя.

Редкоземельные металлы, используемые в СДПМ, обладают хорошими магнитными свойствами, но довольно чувствительны к механическому и тепловому воздействию. Конструкция ротора у СДПМ сложнее, чем у асинхронных двигателей. Схема управления СДПМ также сложнее в связи с наличием многократных контуров обратной связи и необходимости преобразования сигнала.

Существует достаточно много областей применения, где преимущества СДПМ безусловно преобладают над их недостатками, и это делает их привлекательными для разработчиков тягового привода. Меньшие размеры и масса имеют особое значение при ограниченности пространства — например, в случае необходимости размещения двигателя на оси колесной пары без редуктора.

Более высокий КПД и меньшие потери в роторе обеспечивают существенные преимущества СДПМ с точки зрения совершенствования эксплуатационных характеристик подвижного состава и сокращения потребления энергии (рис. 8). Это видно, в частности, на примере электропоезда V150 компании Alstom. Асинхронные двигатели устанавливаются на тележках, расположенных под кузовами моторных вагонов, тогда как СДПМ могут быть размещены на тележках под узлами сочленения, что позволяет уменьшить сложность и массу тягового привода.

Рис. 8. Электромеханическая характеристика и КПД СДПМ

СДПМ могут в перспективе получить намного более широкое применение в тяговом приводе (таблица), подобно тому, как в середине 1980-х годов завоевали популярность трех-фазные асинхронные тяговые двигатели, пришедшие на смену двигателям постоянного тока.

Примеры применения тяговых СДПМ

Оператор, страна	Подвижной состав	Изготовитель
NTV (Италия)	25 высокоскоростных поездов AGV	Alstom
SBB (Швейцария)	59 двухэтажных электропоездов Twindexx	Bombardier
SNCF (Франция)	31 трамвай-поезд Citadis Dualis	Alstom
SNCF (Франция)	Электропоезда Regiolis (рамочный контракт)	Alstom
SNCF (Франция)	Электропоезда Omneo (рамочный контракт)	Bombardier
Прага (Чехия)	Низкопольные трамвайные вагоны типа 15T	Skoda
Метрополитен Токио (Япония)	Электропоезда серии 16000	Kawasaki
JR East (Япония)	Пригородные электропоезда серии E331 для Токио	Toshiba
Опытные образцы
Метрополитен Мюн­хена (Германия)	Электропоезд типа C19 с тележками Syntegra	Siemens
Китай	Прототип локомотива на топливных элементах	CNR Yongji
Швеция	Электропоезд Grona Taget	Bombardier
Турция	Низкопольный трамвай Citadis X04	Alstom
Япония	Поезд с изменяемой шириной колеи	RTRI

Железные Дороги Мира — 2011

Бесколлекторные двигатели с постоянным магнитом

Применение больших двигателей переменного тока с постоянным магнитом (ПМ) при решении серьезных промышленных и оборонных задач становится более заметным. Их количество ограничено скорее рядом рыночных проблем, чем технологией. Большая плотность мощности и эффективность — вот главные преимущества таких двигателей.

Показанный во время испытаний 11,4 МВт высокоскоростной (6225 об/мин) бесколлекторный двигатель с ПМ от Canopy Technologies (DRS и Elliot) относится к семейству двигателей, которое охватывает диапазон мощностей 4-32 МВт. Он предназначен для промышленного применения

Бесколлекторные двигатели с постоянным магнитом (ПМ) лучше известны в отраслях, где требуются сравнительно небольшие габариты и низкая потребляемая мощность. Такие двигатели могут иметь практически любой размер без каких-либо технологических ограничений. Большие бесколлекторные двигатели с ПМ не являются чем-то совершенно новым. Они поставляются отдельными производителями, стремящимися преодолеть экономические трудности, которые еще недавно ограничивали ассортимент таких двигателей.

Большие бесколлекторные двигатели с ПМ имеют ряд преимуществ, среди которых можно назвать большую плотность мощности и высокую эффективность из-за отсутствия потерь в роторе. Выгоды от их использования связаны с ценой, поскольку затраты на производство и стоимость материалов, включая высокоэффективные магниты, быстро растут. Для управления бесколлекторными двигателями с ПМ также необходим частотно-регулируемый привод (VFD). Тем не менее, анализ показателей затрат и результатов показывает, что двигатели с ПМ более предпочтительны по сравнению с альтернативными технологиями (см. ниже) для отраслей промышленности с тяжелым режимом работы, судовых двигателей, в военной/ оборонной области и в других секторах, число которых постоянно растет.

Всесторонний анализ потенциального применения является главным для обоснования затрат и результатов. Этому могут помочь недавние улучшения. Известная эксплуатационная готовность приводов в сочетании с такой существенной тенденцией, как снижение цены на приводы и магнитные материалы наводит на мысль о том, что все больше таких двигателей будет эксплуатироваться в ближайшем будущем. Лучшая осведомленность пользователей о больших двигателях с ПМ будет способствовать такому росту применения.

Приводы и магниты дают импульс к развитию

Компания DRS Technologies Inc., известный разработчик и производитель больших бесколлекторных двигателей с ПМ, начала применять некоторые из своих разработок в области силовых систем в оборонной промышленности, на промышленных предприятиях, на судах и на транспорте. Усовершенствования в области технологии магнитов и частотно-регулируемых приводов, необходимых для запуска и работы двигателей с ПМ, позволили создать двигатели больших размеров. Приводы, использующиеся в DRS, являются приводами высокого напряжения (1,5-6,6 кВ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и векторным или бездатчико-вым векторным управлением.

Размер вала является реальным индикатором высокого выходного крутящего момента (1600 Нм в длительном режиме; 4100 Нм – в пиковом) бесколлекторного двигателя с ПМ от Powertec мощностью 300 кВт в непрерывном режиме с внешним диаметром, уменьшенным до 40 см (слева). Считается, что он был первым большим бесколлекторным двигателем, который прошел испытания на удар Navy Mil-S-901D. Блок со станиной NEMA 259T от Powertec создает крутящий момент 1000 Нм для перемещения по азимуту системыAdvanced Gun System в новых Stealth Destroyers ВМС США (справа)

Эдгар С. Тэкстон, главный инженер и руководитель отдела проектирования систем в компании DRS Power Technologies, отмечает, что в последние десять лет произошло значительное улучшение надежности VFD наряду с увеличением номинальной мощности, которая может достигать 60 МВт и более. Увеличение мощности отчасти связано с появлением современных устройств коммутации мощности, таких как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры с полным управлением по затвору (IGCT). «Двигатели с ПМ в полной мере проявляют себя в тех областях, где необходимы VFD или там, где управление с регулируемой частотой дает преимущества в эксплуатации, которые перевешивают высокую стоимость VFD» — говорит Э. С. Тэкстон.

Если говорить о магнитных материалах, нужно отметить, что их коррозионная стойкость, механические свойства и температурный диапазон значительно улучшились. В результате машины с ПМ могут эксплуатироваться как в отраслях промышленности с тяжелым режимом работы, так и в военной области. «Стоимость постоянных магнитов из редкоземельных металлов за последние десять лет снизилась в пять раз, в то время как соответствующая удельная намагничивающая сила возросла в три раза» — поясняет Тэкстон. Это означает улучшение показателей соотношения затрат и результатов в 15 раз и является существенным для постоянной «доступности по цене».

В DRS Technologies считают, что по своим возможностям конструкция их бесколлекторного двигателя с ПМ с более высоким числом полюсов превосходит альтернативный синхронный двигатель. К его преимуществам относится уменьшение веса и габаритов

Еще одна компания, имеющая длительную историю производства высокоэффективных бесколлекторных двигателей с ПМ (и приводов) — это Powertec Industrial Motors Inc. В настоящее время она достигла уровня 300 кВт для стандартной продукции. Основные области применения связаны с военной и оборонной отраслями, а также с применением в промышленном производстве с взрывоопасными условиями. Одно время компания производила бесколлекторные двигатели постоянного тока мощностью до 450 кВт. В этих машинах с наружным диаметром около 65 см использовались ферритовые постоянные магниты. Они поставлялись с воздушным или жидкостным охлаждением. Такие двигатели относятся к заказной продукции, и в настоящее время серийно не выпускаются. В 2006 г. планируется выпустить новую модель мощностью до 750 кВт.

В Powertec согласны с тем, что между двигателями и приводами существует определенная взаимосвязь. Раньше большие мощные IGBT-приводы, способные работать с бесколлекторными двигателями, были недоступны из-за высоких цен. «За последние пять лет это положение существенно изменилось. Теперь такие приводы стали доступнее по более приемлемым ценам’,’- отмечает Эд Ли, главный исполнительный директор Powertec. Для управления двигателями в компании используются низковольтные приводы (до 600В).

Тем не менее, в Powertec считают, что причины нехватки больших двигателей с ПМ связаны в большей мере с рыночными, а не с технологическими факторами. «Несмотря на то, что большие двигатели с ПМ доступны, они имеют высокую стоимость по сравнению со стандартными двигателями. По этой причине, вне зависимости от того, что эффективность, меньшие габариты (высокая плотность мощности) и более высокие динамические характеристики являются важными при эксплуатации, покупатель не будет тратить лишние деньги», — утверждает Ли. В результате этого производителей таких двигателей все еще не так много.

На сегодняшний день, отмечает Ли, в промышленных двигателях используются два наиболее доступных редкоземельных магнитных материала:
— неодим-железо-бор (Nd-Fe-B) и самарий-кобальт. Они близки по магнитной проницаемости, однако самарий имеет лучшие характеристики при высокой температуре. Несмотря на то, что цена на магниты из Nd-Fe-B за последние пять-семь лет существенно снизилась, этот материал остается более дорогостоящим по сравнению с равноценными материалами, которые используются в роторах асинхронного двигателей переменного тока. «Стоимость магнита и низкий объем производства оказывают влияние на то, что цена бесколлекторных двигателей с ПМ остается высокой. Это, соответственно, оказывает влияние на недостаточный спрос на эти двигатели» — делает вывод Ли.

Высокий крутящий момент

В Automation & Drives Div. Siemens AG считают, что большие двигатели с ПМ в основном применяются для работы с высоким крутящим моментом. Такие двигатели имеют конструкцию с непосредственным приводом (без коробки передач). «Это связано с тем, что, заботясь о сокращении издержек производства, производители все больше внимания уделяют снижению расходов на техническое обслуживание своих фондов», — поясняет Роберт Ленинг, менеджер по большим двигателям переменного тока в Siemens A&D Large Drives Div. «Один из шагов в данном направлении — это использование технологии прямого привода, которая позволяет обходиться без коробки скоростей, — отмечает Ленинг. — По сравнению с двигателями коробки скоростей требуют более тщательного обслуживания и пристального наблюдения, они также имеют более низкий ресурс работы».

Далее он указывает на низкоскоростную модель высокомоментных двигателей от Siemens, замечая: «По нашему мнению, большие двигатели с ПМ с номинальной частотой вращения от 800 до почти 5000 об/мин не имеют реальных преимуществ перед стандартными асинхронными машинами’.’ Технология на основе ПМ также может быть «интересна» для электродвигателей с высоким числом оборотов, например 10000 об/мин и выше. В этом случае их эффективность выше, чем у асинхронных двигателей. По его словам, однако, применение двигателей с данной технологией в этой области обычно очень специфично.
Ленинг упоминает также, что стоимость высокоэффективных магнитов снижается, что делает технологию двигателя с ПМ более привлекательной. Несмотря на это, полная технология прямого привода пока еще дороже по сравнению с асинхронными двигателями. «Следовательно, двигатели с ПМ вряд ли заменят в обозримом будущем традиционные асинхронные двигатели для стандартных приложений»,- говорит он, отмечая также усовершенствование средств проектирования и «ноу-хау» для разработки двигателей с ПМ, на котором основана эта линейка устройств.

В Yaskawa Electric соглашаются с мнением, что не существует технических барьеров для создания больших бесколлекторных двигателей с ПМ в диапазоне до 100 кВт. Проблемы в основном носят экономический характер. Обсуждения с потребителями и ссылки на мощные двигатели встречаются часто, однако это изделие не относится к числу типовых или «серийных» Yaskawa предоставляет экономические характеристики и обеспечивает надежность технологии двигателя с внутренним постоянным магнитом (IPM), использующейся в мощных двигателях на протяжении нескольких лет. Кроме этого, компания использует серводвигатели с IPM в своих станках (последнюю статью о серводвигателях с IPM см.: Control Engineering Россия, 2006 г., № 2, стр. 17-21).

Являясь частью новой линейки продукта HT-direct от Siemens, этот бесколлекторный двигатель с ПМ с водяным охлаждением имеет номинальный диапазон крутящего момента 18000 Нм при напряжении 690 В. Выпуск двигателей HT-direct запланирован на июнь 2006 г. Они также будут поставляться с вариантом воздушного охлаждения

На производителей этих устройств все большее влияние оказывает экономическая необходимость сокращения времени вывода нового изделия на рынок. В компании утверждают, что для того, чтобы помочь потребителям извлечь выгоду из применения цифровых сервосистем в процессах и механизмах с высокой мощностью, Yaskawa распространяет технологию двигателей с IPM на свое производственное оборудование для повышения номинальной мощности.

Итальянская компания Oemer Motori Elettrici Spa — еще один производитель, больших бесколлекторных двигателей с ПМ. Компания, в частности, предлагает безредукторные электродвигатели с большим пусковым моментом с диапазоном мощности до 300 кВт и числом оборотов до 500 об/мин, трехфазные серводвигатели с жидкостным охлаждением мощностью до 318 кВт при 5000 об/мин, и высокопроизводительные блоки, которые достигают мощности на выходе свыше 1 МВт при номинальной скорости до 2600 об/мин для скоростных промышленных приложений. Линейка продукции Oemer была представлена на выставке SPS/IPC/Drives в Германии в ноябре 2005 г.

Большое число преимуществ

По данным DRS Technologies двигатели с ПМ на 1-2% превосходят по КПД асинхронные двигатели и синхронные двигатели при полной нагрузке и на 10-15% — при неполной нагрузке. Эффективность обеспечивается за счет полного возбуждения ротора без тока и отсутствия соответствующих потерь на всех скоростях. В качестве примера Тэкстон приводит низкоскоростной двигатель корабельной силовой установки, достигающий поразительного КПД -99,3%!

При этом упрощается охлаждение двигателя, поскольку тепло, исходящее от ротора, незначительно. Охлаждение необходимо только для статора и, поскольку он является «внешней структурой» более предпочтительным становится водяное охлаждение. Упрощение схемы охлаждения также приводит к гибкой геометрии двигателя. «Машины с ПМ поддерживают намного более широкий диапазон соотношений размеров, чем стандартные двигатели. Возможны короткие, с большим диаметром и длинные, узкие машины, так же как и радиальные (традиционные) и аксиальные (дисковые) модели с воздушным зазором», — говорит он.

Габариты и вес компактных бесколлекторных двигателей с ПМ уменьшаются на 1/2 — 1/3 по сравнению с габаритами традиционных двигателей. Кроме того, их характеризует простота, поскольку обмотка есть только у статора, что увеличивает надежность. В отличие от этого асинхронные двигатели имеют роторную и статорную обмотку, в то время как синхронные двигатели с фазным полем (WFS) конструктивно еще более сложны. Они включают основной статор, основной ротор, ротор-возбудитель, обмотки статора-возбудителя и, в большинстве случаев, вращающийся выпрямитель, поясняет Тэкстон.

В DRS Technologies продемонстрировали опытные образцы двигателей с ПМ, которые достигают более высокой мощности для заданной скорости по сравнению с традиционными машинами, что дает большую гибкость в согласовании нагрузки и избавляет от необходимости использования передаточных механизмов (в конструкции двигателя с прямым приводом). «Двигатели с ПМ имеют ту же стоимость, что и стандартные машины. До тех пор, пока есть необходимость использовать VFD, существует минимальное основание для выбора стандартной машины»,- продолжает Такстон.

В Powertec преимущества больших бесколлекторных двигателей видят в более высоком КПД, высокой плотности мощности (меньшем объеме, приходящемся на выходную мощность) и в более высоких динамических характеристиках. КПД бесколлекторных двигателей с ПМ на 3% превосходит аналогичный показатель асинхронных двигателей переменного тока. Ли указывает на то, что эта разница может быть и меньше, если будут предприняты все меры для минимизации потерь в асинхронных двигателях (как это сделано, например, в особых энергосберегающих конструкциях).

«Однако такие асинхронные двигатели с низким скольжением вряд ли будут удобными для работы прямо от сети без привода из-за очень высокого начального тока и пониженного пускового момента, — добавляет Ли. — С другой стороны, бесколлекторные двигатели с ПМ также не могут работать прямо от сети, поскольку они должны подключаться при определенном положении вала».

В Siemens главные преимущества применения больших бесколлекторных двигателей с ПМ видят в более низких эксплуатационных расходах, более высокой общей работоспособности системы и меньшей рабочей площади. Отсутствие коробки скоростей помогает в различных областях: более низкие расходы на техническое обслуживание и более высокая эффективность электропривода, благодаря меньшим потерям мощности, а также меньшая сложность системы.

Проблемы управления, большее число полюсов

Управление большими двигателями с ПМ не представляет особых сложностей. Приводы с ШИМ сейчас обеспечивают уровень управления, соответствующий решению ответственных задач промышленного производства, а также позволяют снизить мощность гармоник
системы и повысить коэффициент мощности.

По мнению Тэкстона из DRS высокая плотность мощности для большинства бесколлекторных двигателей с ПМ обусловлена большим, чем у стандартных двигателей, числом полюсов. «Двигатели с ПМ могут иметь в три раза больше полюсов, чем WFS-двигатель того же диаметра». Это позволяет сделать двигатель более легким, малогабаритным и с более гибкой геометрией.

Вместе с тем, наличие большего числа полюсов означает, что VFD способен вырабатывать более высокие частоты. Для определенной скорости и двигателя с ПМ показатель 415 Гц на входе не является исключительным. «У высокоскоростных мощных двигателей этот показатель может быть основным для разработки топологии сетиУГВ, также как и диапазон частот устройств управления»,- добавляет к сказанному Тэкстон.

В Powertec отмечают, что помимо необходимости коммутации бесколлекторного двигателя с ПМ с учетом его положения, другие проблемы в управлении этими двигателями такие же, что и у асинхронных двигателей той же мощности. По словам Ли, около половины используемых в настоящее время приводов настраиваются на тип двигателя с помощью программных алгоритмов управления коммутацией для бесколлекторных двигателей и управления скольжением для асинхронных двигателей.

«Эта процедура сведена к выбору в меню», — утверждает Ли. Он ссылается на способность бесколлекторного двигателя работать в качестве генератора с возбуждением от ПМ. «Там, где благодаря установке режима высоких скоростей имеют место скорости двигателя выше «базовой скорости’,’ генерируемое напряжение может значительно превысить допустимый уровень, предусмотренный конструкцией шины’,’- утверждает Ли. Это может нанести вред только в некоторых редких случаях, но должно быть согласовано при установке.

В Siemens сходятся во мнении, что проблемы управления не отличаются существенно от тех же проблем с асинхронными двигателями. Бесколлекторные двигатели с ПМ работают под управлением VFD с незначительно измененным алгоритмом программы.

Примеры использования

В DRS Technologies недавно прошел испытания на полной мощности в 36,5 МВт, 127 об/мин корабельный двигатель для ВМС США, который создавал крутящий момент более 2700000 Нм. В Canopy Technologies LLC, совместном предприятии DRS и Elliott Company Inc. (50/50), которое является ведущим производителем скоростного электропривода, завершено испытание промышленного двигателя (первое фото) мощностью 11,4 МВт (6225 об/мин).Утверждается, что это два самых мощных двигателя с ПМ в мире. Большие высокоэффективные двигатели с ПМ находят наилучшее применение в больших морских судах. Их использование особенно привлекательно из-за растущей стоимости топлива. DRS также производит высокоэффективные двигатели с ПМ, которые, как сообщается, достигают свыше 1,65 кВт/кг в диапазоне мощностей 380-750 кВт.

Среди множества сфер применения Powertec упоминает новую Advanced Gun System ВМС США для программы Stealth Destroyer, где используется множество больших высокодинамичных бесколлекторных двигателей с ПМ. Двигатель поднятия по высоте, имеющий диаметр всего 30 см, развивает крутящий момент более 1080 Нм при пиковой скорости 2000 об/мин (свыше 220 кВт в пике). По данным Powertec ВМС рекомендует использование бесколлекторных двигателей там, где это только возможно — в новых или модернизируемых приложениях — благодаря их меньшим размерам и массе.

Еще одна сфера применения включает надежное управление азимутом и углом места гигантской антенны весом 1800 т, входящей в систему Missile Defense Antenna. Для обеспечения необходимой мощности и высокой динамики были поставлены восемь бесколлекторных двигателей мощностью 170 кВт, управляющие азимутом, и четыре двигателя мощностью 37 кВт, управляющие углом места. Таким образом, общая мощность двигателей составляла 1500 кВт.

Двигатель с воздушным охлаждением от Powertec мощностью 300 кВт со станиной NEMA 3213T (40 см в диаметре), показанный ранее — это иллюстрация компактности этих машин. Вентилятор и распределительная коробка показаны в пропорции с реальным двигателем. Распределительная коробка кажется огромной из-за требований NEMA к ее объему при подключении многочисленных проводов.

Состояние технологии бесколлекторных двигателей с ПМ представляет собой своего рода головоломку. Несколько лет назад журнал Control Engineering отмечал, что по мере роста спроса могли бы производиться все более мощные двигатели. В журнале был поставлен вопрос: «Если такие двигатели будут созданы, появятся ли пользователи?» Эд Ли из Powertec формулирует эту мысль таким образом: «По мере того, как все большее число потребителей захотят иметь и начнут приобретать эти двигатели, тем большее количество двигателей более крупных размеров появится на рынке».

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Высокомоментные бесколлекторные двигатели с постоянными магнитами

Мощные и экономичные синхронные двигатели с постоянными магнитами работают без дополнительных передаточных элементов и обеспечивают очень высокий крутящий момент за счет более совершенной конструкции.

Многообразие конфигураций поставляемых электродвигателей позволяет решать самые разные задачи. Один из специальных типов двигателей, известный как высокомоментный безредукторный электродвигатель с постоянными магнитами (PM), характеризуется высоким отношением диаметра к длине и большим числом магнитных полюсов, что оптимизирует создание крутящего момента. Эти относительно низкоскоростные электродвигатели, обычно работающие с частотой ниже 1000 об/мин, предлагаются на рынке как в корпусном, так и в бескорпусном варианте.

Бесколлекторные (синхронные) безредукторные роторные двигатели (DDR) имеют ряд конструктивных особенностей, обеспечивающих выполнение заданных функций. Прямой (безредукторный) привод означает отсутствие элементов передачи мощности между двигателем и приводимой во вращение нагрузкой, что, в свою очередь, дает преимущества перемещения с высокой динамикой практически без люфта и превосходную жесткость при статических/динамических нагрузках. Все это обеспечивает прецизионное управление движением. Использование в роторе большого числа магнитных полюсов способствует созданию высоких крутящих моментов. Наблюдается тенденция к увеличению размеров двигателей с DDR (диаметр некоторых моделей уже превышает 1 метр), вместе с тем на рынке также предлагаются двигатели c меньшими габаритами. Пиковый крутящий момент на выходе, превышающий 20000 Нм, не является чем-то необычным.

Большой диаметр, большое число полюсов

В компании Bosch Rexroth Corp. отмечают другие преимущества высокомоментных двигателей DDR, такие как лучшее согласование с инерцией нагрузки, лёгкость управления, низкий уровень шума и рациональную конструкцию (см. диаграмму «Прямой привод упрощает конструкцию средств автоматизации»). Карл Рапп, руководитель отделения станкостроения Electric Drives & Controls Div. компании, подтверждает, что увеличение числа полюсных пар и диаметра ротора создаёт более высокий крутящий момент на выходе. Кроме того, оптимизация ориентации магнита, усовершенствование конфигурации пазов статора и технологии наматывания обмотки, а также конструкции воздушного зазора способны свести пульсации крутящего момента к минимуму. «Низкий уровень пульсаций крутящего момента требуется для обеспечения высокого качества операций шлифования/ хонингования, это качество также необходимо и в других областях применения», — говорит Рапп.

Технология, лежащая в основе высокомоментных двигателей прямого привода, позволяет упростить конструкцию станка и повысить точность перемещения. Это показано выше на примере делительно-поворотного стола. При этом исключается люфт в редукторе и приводном ремне.

В компании Danaher Motion также считают, что большой диаметр и повышенное число полюсов являются отличительными признаками высокомоментных электродвигателей прямого привода. «Крутящий момент квадратично зависит от диаметра и прямо пропорционально от длины ротора» — поясняет Том Инглэнд, директор по управлению производством компании. «Повышенное число полюсов, которое обеспечивает более высокое удельное содержание меди в обмотках, создающих крутящий момент, приводит к повышению эффективности магнитного поля», — констатирует Инглэнд.

Высокомоментные двигатели DDR предлагаются на рынке в двух классических вариантах. Вариант «бескорпусного» двигателя состоит из кольцеобразного ротора и набора элементов статора, которые заказчик должен встроить в конструкцию станка. По мнению Инглэнда должны быть также предусмотрены средства обратной связи и охлаждения, а также соединительные кабели, что требует выполнения существенного объема конструкторских и сборочно-монтажных работ. Тонкая кольцеобразная конструкция «бескорпусного» двигателя отличается применением полого входного вала большого размера. «Смонтированный в корпусе» двигатель DDR имеет корпус, подшипники, а также стандартный или полый вал. «Однако если станок уже оснащён подшипниками, смонтированный в корпусе двигатель не будет работать, поскольку непосредственное соединение трех (и более) подшипников на одной оси вызовет их повреждение», — продолжает он.

Недавно компания Danaher Motion реализовала другой подход, разработав третий, усовершенствованный вариант двигателя DDR, в основу которого, как сообщается, заложены преимущества предшествующих вариантов при одновременном исключении их недостатков. Под названием «кассетный DDR» (или CDDR) эти высокомоментные электродвигатели сохранили повышенное число полюсов и большой диметр, но не имеют подшипников. «Ротор устанавливается на подшипниках оборудования заказчика, что обеспечивает упрощенный монтаж при минимальном объеме конструкторской работы, а также возможность демонтажа двигателя без разборки станка,»- комментирует Инглэнд.

По мнению представителя компании Danaher, так сложилось исторически, что недостатком двигателей прямого привода всегда оставалась сложность их применения и стоимость. «Ситуация изменилась с внедрением технологии двигателей CDDR. Эта технология сделала доступными преимущества прямого привода как для простых механизмов, так и для классических, высокопроизводительных приложений сервоприводов», — заключает Инглэнд. Сегодня двигатели по технологии CDDR находят применение в упаковочном оборудовании, механизмах подачи прессов, в механизмах и оборудовании, используемых в перерабатывающей промышленности, в типографском и медицинском оборудовании.

Плотность крутящего момента, мощные магниты

В компании Siemens рассматривают конструкцию с высокой плотностью крутящего момента как неотъемлемую часть выпускаемых компанией высокомоментных двигателей. По словам Ральфа Бэрана, начальника производства серводвигателей и мехатронных устройств в подразделении Siemens Energy & Automation (E&A), плотность крутящего момента во многом зависит от силы постоянных магнитов. Компания Siemens использует магниты из сплава неодима, железа и бора (Nd-Fe-B) (которые считаются самыми мощными и доступными среди магнитов, изготовленных из редкоземельных металлов) в своих вмонтированных в корпус и бескорпусных (встраиваемых) высокомоментных двигателях.

Другим показателем высокой плотности крутящего момента является количество магнитных полюсов, предусмотренных конструктивным исполнением. Увеличение числа полюсов трансформируется в высокий крутящий момент на выходе, однако такая закономерность более действенна при малом числе полюсов. Например, существенное повышение крутящего момент может быть достигнуто при увеличении количества полюсов от четырех до восьми при сохранении постоянного объема двигателя, однако, по словам Бэрана, прирост крутящего момента будет гораздо меньше при изменении количества полюсов, скажем, от 32 до 46. «На основании практического опыта увеличение количества полюсов до 30 является хорошим способом повышения плотности крутящего момента»,- констатирует он. (Тем не менее, на рынке предлагаются бескорпусные высокомоментные двигатели с количеством полюсов, значительно превышающим 100.)

Компания Baumuller Nurnberg GmbH также уделяет большое внимание установлению оптимального соотношения между диаметром и длиной в конструкции своих многополюсных, синхронных, высокомоментных двигателей с постоянным магнитом серии DST. «В результате этого был достигнут устойчиво высокий крутящий момент в широком диапазоне скоростей», — говорит Марцел Мёллер, начальник производства электродвигателей.

В швейцарской компании ETEL S.A. отмечают, что наличие всё более эффективных средств моделирования и анализа упрощает разработку и оптимизацию двигателей. «Оптимизация конструкции двигателя приведет к максимальному повышению плотности потока за счет использования продуманной пластинчатой конструкции зубца и выбора материала пластин при одновременном сохранении возможности монтажа максимального количества материала обмоток, что необходимо для создания крутящего момента, перпендикулярного направлению магнитного потока»,- говорит Кевин Дерабас, президент ETEL S.A. в США. При этом он ссылается на конструкцию, запатентованную компанией ETEL S.A., с целью повышения «коэффициента заполнения» пластинчатых структур медными обмоточными проводами. Тем самым достигается коэффициент заполнения, равный 60% по сравнению с 30% для предыдущих конструкций. Компания ETEL S.A. изготавливает широкий спектр бескорпусных высокомоментных электродвигателей.

Особенности управления

По мнению компании Bosch Rexroth управление высокомоментными двигателями DDR осуществляется практически аналогично управлению другими бесколлекторными двигателями, однако требует определенных, специальных мер. Время срабатывания контуров управления (по току, скорости и положению) должно быть минимальным для достижения высокого уровня статической/динамической жёсткости. Интеллектуальные сервоприводы обеспечивают высокую скорость работы всех внутренних контуров (как правило, через каждые 0,25 мс). «Так как связка «привод + высокомоментный двигатель» обеспечивает подачу крутящего момента на обрабатываемую деталь, от нее непосредственно зависят точность и плавность обработки этой детали», — говорит Рапп. Как отмечалось выше, для точной механической обработки особо важное значение имеет снижение пульсации крутящего момента.

Для получения высокой степени жёсткости необходима более широкая полоса пропускания усилителя привода. «Высокая динамика способна возбудить механические гармоники, которые должны быть отфильтрованы усилителем за счет настроек фильтров, которые не должны вносить ограничения в характеристики», — предупреждает Рапп. Выбор стредств обратной связи также имеет принципиальное значение. Рекомендуется обратная связь с синусоидальным сигналом, поскольку интеллектуальные приводы извлекают из этого сигнала информацию об изменении скорости. «Следует избегать обратной связи последовательного типа, а также обратной связи с прямоугольным сигналом, поскольку это приводит к ограничению характеристик», — говорит Рапп.

Для работы бесколлекторных двигателей, оснащенных постоянными магнитами, требуется электронная коммутация (или переключение полюсов). Для высо-комоментных двигателей с DDR электронная коммутация не является простой процедурой, поскольку системы обратной связи полого вала являются чаще всего инкрементными, а не абсолютными, что требует от усилителя привода выполнения автоматической коррекции коммутации после каждого включения устройства управления. «Эта процедура ещё более усложняется при использовании двигателей с повышенным числом полюсов, так как расстояние между полюсами становится очень малым», — отмечает Рапп. Интеллектуальные приводы, например, привод IndraDrive компании Bosch Rexroth, предусматривают различные функции коммутации. Предпочтение отдается методу насыщения, поскольку его можно применять без механических перемещений в двигателе, объясняет он.

Бэран, представитель Siemens E&A, утверждает: «Физически высокомоментные двигатели имеют те же самые характеристики управления, что и другие бесколлекторные двигатели с постоянным магнитом. Тем не менее, исключение механических элементов из трансмиссии обеспечило избавление от люфта [«мертвого» хода] и от проблемы отсутствия механической жёсткости». Результатом этого явилось впечатляющее повышение механической жесткости трансмиссии.

Применительно к контроллеру это означает, что он может работать с большей скоростью без выхода за установленные пределы, что дает возможность его применения при повышенном уровне ускорения/торможения с более точным позиционированием и управлением траекторией, поясняет Бэран. «Опыт показал, что в отличие от традиционной комбинации «мотор-муфта-редуктор «,для станков, конструкция которых предусматривает использование прямого привода, можно добиться приблизительно десятикратного улучшения их динамики»,- говорит он.

Как сообщается, ввиду отсутствия редукторов и других механических элементов трансмиссии, двигатели DST с прямым приводом производства компании Baumuller имеют нулевой люфт, что обеспечивает высокую эффективность управления. Эта характерная особенность позволяет делать выводы о качестве соответствующего технологического процесса путем контроля крутящего момента и скорости двигателя, объясняет Мёллер. Изменения в эксплуатационных параметрах, например, изменения вязкости смазки, сопоставляются в контроллере с помощью компьютерных программ, в результате чего повышается эффективность управления системой и качество продукции. «Как правило, прямые приводы также повышают КПД всей системы и приводят к экономии энергии», — добавляет Мёллер.

Компания ETEL высказывает мнение о крайней необходимости хорошо демпфированного замкнутого сервоконтура для управления крутящим моментом двигателя, равно как и необходимости привода, способного справляться с энергией рекуперации во время быстрых торможений. Только благодаря конструкции прямого привода стало возможным «видеть» полный резонанс нагрузки и непосредственно отраженную инерцию. В случае аварийного останова электродвигатель быстро превращается в генератор, вырабатывающий большое количество рекуперированной энергии, которая должна при соответствующем управлении рассяться в приводе или поступить снова к источнику энергии, объясняет Дерабас.

Важность охлаждения

Большой крутящий момент вызывает выделение тепла в обмотках электродвигателя, которое должно отводиться во избежание его повреждения. «Охлаждение также сводит к минимуму температурное расширение статора, — констатирует Рапп. — Такое расширение может оказывать влияние на точность технологического процесса (вследствие увеличения размеров деталей), а также способно вызвать напряжённое состояние и повреждение элементов крепления двигателя». Поскольку двигатель встраивается в конструкцию станка, изготовители оборудования должны принимать во внимание различия в температурном расширении разнородных материалов с тем, чтобы предотвратить повреждение статора при его установке на станке. В компании Bosch Rexroth приводят пример одной из конструкций оборудования, которая допускала лишь частичную установку статора в посадочное отверстие станка. При отсутствии охлаждающей жидкости температурное расширение, возникшее на стороне статора за пределами станка, со временем вызвало растрескивание обмоток.

«Метод охлаждения и объем, выбор жидкости, сжатого воздуха или конвекции — всё это зависит в основном от потребляемой мощности или от средней загруженности, а также от анализа температурного расширения»,- добавляет Рапп.

Бескорпусные, высокомоментные двигатели IndraDyn T производства компании Bosch Rexroth состоят из кольцеобразного статора с трехфазными обмотками и ротора с постоянными магнитами. При скорости вращения 60 об/мин двигатель создает постоянный крутящий момент, равный 6300 Нм. На более низкой скорости пиковый крутящий момент равен 13800 Нм.

В компании Siemens также отмечают принципиальную роль охлаждения для повышения плотности крутящего момента. Самые большие тепловые потери происходят в обмотках статора бесколлекторных электродвигателей с PM, так как в роторе из-за отсутствия намагничивающих токов таких потерь нет. Одним из эффективных способов отвода тепла, вырабатываемого этими двигателями, является пропускание охлаждающей воды по трубам на минимальном расстоянии от обмоток статора, поясняет Бэран. «Испытания показали, что крутящий момент на выходе двигателя, спроектированного с расчетом на естественное воздушное охлаждение, может быть увеличен на 30% при условии его оптимизации под водяное охлаждение»,- отмечает он.

По данным компании ETEL реальная выходная мощность высокомоментных двигателей ограничена способностью удаления из обмоток тепла, вызванного их сопротивлением, а также тепловыми потерями на вихревые токи в пластинчатой структуре статора. (Потери на вихревые токи увеличиваются с ростом числа полюсов.) При невозможности отвода всего тепла увеличение температуры в обмотках в итоге приведет к разрушению изоляции, что повлечет за собой поступление тепла в ротор. Это тепло, в свою очередь, вызвать размагничивание высокомощных магнитов ротора, поясняет Дерабас. «Циркуляция воды на минимальном расстоянии от обмоток статора является эффективным средством с точки зрения экономии и теплоизоляции для максимального отвода тепла» — добавляет он. Вот почему на внешнем диаметре статора часто обнаруживаются кольцевые каналы, которые обеспечивают плотное расположение трубок охлаждения.

Вмонтированный в корпус высокомоментный двигатель прямого привода 1FW3 производства компании Siemens обеспечивает постоянный крутящий момент до 7000 Нм при скорости вращения 200 об/мин.

Высокомоментные двигатели серии DST производства компании Baumuller создают постоянный крутящий момент в диапазоне до 6130 Нм, обеспечивают степень защиты IP54 и включают в себя модели с полым валом (не показаны). Пиковый крутящий момент равен 13500 Нм. Варианты выбора обратной связи включают резольвер и синусно-косинусный преобразователь (дополнительная поставка).

Компания Baumuller встраивает водяное охлаждение в свои высокомоментные двигатели DST в качестве необходимой меры для достижения самого высокого крутящего момента. «Только так возможно достичь высокой плотности крутящего момента и одновременно высокой перегрузочной способности, — констатирует Мёллер. — Более того, встроенное водяное охлаждение обеспечивает более высокий класс защиты (IP54), что способствует соответствию двигателей DST жестким условиям промышленного применения». Кроме повышенной охлаждающей способности, другим неочевидным преимуществом водяного охлаждения является пониженный уровень шума. Компания Baumuller (и другие производители) отмечают, что высокомоментные двигатели DDR с водяным охлаждением работают тише, чем их аналоги, охлаждаемые вентиляторами.

Представитель компания Danaher Motion утверждает, что её кассетные двигатели CDDR имеют высокий КПД и способны заменить устройства с водяным охлаждением за счет внедрения герметичных, невентилируемых двигателей при существенном сокращении затрат. Тем не менее, для дальнейшего увеличения выходного крутящего момента этих двигателей в них можно добавить водяное или воздушное охлаждение.

Обзор областей применения

Несмотря на то, что высокомоментные электродвигатели DDR не относятся к изделиям крупносерийного производства, они имеют широкий диапазон применения. Станки, обрабатывающие центры, оборудование для обработки металлов давлением, агрегатные станки с делительно-поворотным столом, печатные линии, а также оборудование для обработки пластмасс — вот основные рынки этих двигателей. По данным компании Bosch Rexroth более экзотические сферы применения этих двигателей включают ветроэнергетику и использование энергии морских волн. Компания ETEL приводит пример использования этих двигателей в новом поколении подъемников, где замена гидравлических элементов позволяет снизить затраты на техническое обслуживание и упростить установку.

В компании Siemens отмечают использование высокомоментного двигателя 1FW3 (установленного в корпусе) и двигателя 1FW6 (встроенного типа) в составе многочисленных станков, а также для других производственных применений. Последние из упомянутых бескорпусных двигателей предназначены для встраивания в механизм пользователя, который обеспечивает установку двигателя на подшипники. Станки, оснащенные двигателями 1FW6, должны иметь энкодеры. Двигатели 1FW3, вмонтированные в корпус, содержат подшипники и энкодер. Они применяются в производстве изделий из пластмасс (в экструдерах, намоточных станках, в машинах для литья под давлением и т.д.), а также в бумажной и текстильной промышленности.

Компания Baumuller делает акцент на широком применении двигателей DST в частности в червячных и финишных приводах прессов для выдавливания пластмасс/машин для литья под давлением, а также в приводах цилиндров с печатной формой и офсетных цилиндров в полиграфической промышленности.

Одним словом, высокомоментные двигатели находят свою нишу там, где раньше применялись зубчатые передачи, цепи или приводные ремни, высказывается представитель компании ETEL.

Изготовители бесколлекторных высо-комоментных электродвигателей с прямым приводом и постоянными магнитами твердо убеждены в том, что производители оборудования могут добиться серьезных преимуществ в повышении производительности и качества при условии оптимизации их станочного оборудования под эти двигатели. Опыт, накопленный в Siemens E&A, показал реалистичность таких преимуществ. «В некоторых случаях производительность станков возросла на 50%, а их точность увеличилась примерно на 30%»- говорит Бэран.

Высокомоментный двигатель кассетного типа (CDDR) производства компании Danaher Motion (показан в разрезе) отличается обратной связью по положению и зажимной муфтой, которая крепится к валу станка пользователя. Двигатель имеет 46 магнитных полюсов и создает на выходе постоянный крутящий момент, равный 500 Нм при объёме 0,23 дм3.

В Siemens E&A называют дополнительные причины, по которым производителям оборудования следует применять эти высокомоментные двигатели. Они включают сокращённый объем технического обслуживания и меньшее количество запасных частей в силу малого количества деталей, использованных в конструкции этих двигателей, экономию энергии за счет более эффективной силовой передачи, а также экономию пространства за счет использования малогабаритных и компактных станков вместо станков, оснащенных комбинацией из мотора и редуктора.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Вечный двигатель на магнитах — блог Мира Магнитов

Со времен обнаружения магнетизма идея создать вечный двигатель на магнитах не покидает самые светлые умы человечества. До сих пор так и не удалось создать механизм с коэффициентом полезного действия больше единицы, для стабильной работы которого не требовалось бы внешнего источника энергии. На самом деле концепция вечного двигателя в современном виде вовсе и не требует нарушения основных постулатов физики. Главная задача изобретателей состоит в том, чтобы максимально приблизится к стопроцентному КПД и обеспечить продолжительную работу устройства при минимальных затратах.

Реальные перспективы создания вечного двигателя на магнитах

Противники теории создания вечного двигателя говорят о невозможности нарушения закона о сохранении энергии. Действительно, нет совершенно никаких предпосылок к тому, чтобы получить энергию из ничего. С другой стороны, магнитное поле – это вовсе не пустота, а особый вид материи, плотность которого может достигать 280 кДж/м³. Именно это значение и является потенциальной энергией, которую теоретически может использовать вечный двигатель на постоянных магнитах. Несмотря на отсутствие готовых образцов в общем доступе, о возможности существования подобных устройств говорят многочисленные патенты, а также факт наличия перспективных разработок, которые остаются засекреченными еще с советских времен.

Норвежский художник Рейдар Финсруд создал свой вариант вечного двигателя на магнитах

К созданию подобных электрогенераторов приложили силы знаменитые физики-ученые: Никола Тесла, Минато, Василий Шкондин, Говард Джонсон и Николай Лазарев. Следует сразу оговориться, что создаваемые с помощью магнитов двигатели называются «вечными» условно — магнит теряет свои свойства через пару сотен лет, а вместе с ним прекратит работу и генератор.
 

Самые известные аналоги вечного двигателя магнитах

Многочисленные энтузиасты стараются создать вечный двигатель на магнитах своими руками по схеме, в которой вращательное движение обеспечивается взаимодействием магнитных полей. Как известно, одноименные полюса отталкиваются друг от друга. Именно этот эффект и лежит в основе практически всех подобных разработок. Грамотное использование энергии отталкивания одинаковых полюсов магнита и притяжения разноименных полюсов в замкнутом контуре позволяет обеспечить длительное безостановочное вращение установки без приложения внешней силы.

Антигравитационный магнитный двигатель Лоренца

Двигатель Лоренца можно сделать самостоятельно с использованием простых материалов

Если вы хотите собрать вечный двигатель на магнитах своими руками, то обратите внимание на разработки Лоренца. Антигравитационный магнитный двигатель его авторства считается наиболее простым в реализации. В основе этого устройства лежит использование двух дисков с разными зарядами. Их наполовину помещают в полусферический магнитный экран из сверхпроводника, который полностью выталкивает из себя магнитные поля. Такое устройство необходимо для изоляции половин дисков от внешнего магнитного поля. Запуск этого двигателя выполняется путем принудительного вращения дисков навстречу друг другу. По сути, диски в получившейся система являются парой полувитков с током, на открытые части которых будут воздействовать силы Лоренца.

Асинхронный магнитный двигатель Николы Тесла

Асинхронный «вечный» двигатель на постоянных магнитах, созданный Никола Тесла, вырабатывает электричество за счет постоянно вращающегося магнитного поля. Конструкция довольно сложная и трудно воспроизводимая в домашних условиях.

Вечный двигатель на постоянных магнитах Николы Тесла

«Тестатика» Пауля Баумана

Одна из самых известных разработок – это «тестатика» Баумана. Устройство напоминает своей конструкцией простейшую электростатическую машину с лейденскими банками. «Тестатик» состоит из пары акриловых дисков (для первых экспериментов использовались обычные музыкальные пластинки), на которые наклеены 36 узких и тонких полосок алюминия.
Кадр из документального фильма: к Тестатике подключили 1000-ваттную лампу. Слева — изобретатель Пауль Бауман
После того, как диски толкали пальцами в противоположные стороны, запущенный двигатель продолжал работать неограниченно долгое время со стабильной скоростью вращения дисков на уровне 50-70 оборотов в минуту. В электроцепи генератора Пауля Баумана удается развить напряжение до 350 вольт с силой тока до 30 Ампер. Из-за небольшой механической мощности это скорее не вечный двигатель, а генератор на магнитах.
 

Вакуумный триодный усилитель Свита Флойда

Сложность воспроизведения устройства Свита Флойда заключается не в его конструкции, а в технологии изготовления магнитов. В основе этого двигателя используются два ферритовых магнита с габаритами 10х15х2,5 см, а также катушки без сердечников, из которых одна является рабочей с несколькими сотнями витков, а еще две – возбуждающие. Для запуска триодного усилителя необходима простая карманная батарейка 9В. После включения устройство может работать очень долго, самостоятельно питая себя по аналогии с автогенератором. По утверждениям Свита Флойда, от работающей установки удалось получить выходное напряжение в 120 вольт с частотой 60 Гц, мощность которого достигала 1 кВт.

Роторный кольцар Лазарева

Большой популярностью пользуется схема вечного двигателя на магнитах на основе проекта Лазарева. На сегодняшний день его роторный кольцар считается устройством, реализация которая максимально близка к концепции вечного двигателя. Важное преимущество разработки Лазарева состоит в том, что даже без профильных знаний и серьезный затрат можно собрать подобный вечный двигатель на неодимовых магнитах своими руками. Такое устройство представляет собой емкость, разделенную пористой перегородкой на две части. Автор разработки использовал в качестве перегородки специальный керамический диск. В него устанавливается трубка, а в емкость заливается жидкость. Для этого оптимально подходят улетучивающиеся растворы (например, бензин), но можно использовать и простую водопроводную воду.
Механизм работы двигателя Лазарева очень просто. Сначала жидкость подается через перегородку вниз емкости. Под давлением раствор начинает подниматься по трубке. Под получившейся капельницей размещают колесо с лопастями, на которых устанавливают магниты. Под силой падающих капель колесо вращается, образуя постоянное магнитное поле. На основе этой разработки успешно создан самовращающийся магнитный электродвигатель, на которой зарегистрировало патент одно отечественное предприятие.

Мотор-колесо Шкондина

Если вы ищете интересные варианты, как сделать вечный двигатель из магнитов, то обязательно обратите внимание на разработку Шкондина. Конструкцию его линейного двигателя можно охарактеризовать как «колесо в колесе». Это простое, но в то же время производительное устройство успешно используется для велосипедов, скутеров и другого транспорта. Импульсно-инерционное мотор-колесо представляет собой объединение магнитных дорожек, параметры которых динамично изменяются путем переключения обмоток электромагнитов.

Общая схема линейного двигателя Василия Шкондина

Ключевыми элементами устройства Шкондина являются внешний ротор и статор особой конструкции: расположение 11 пар неодимовых магнитов в вечном двигателе выполнено по кругу, что образует в общей сложности 22 полюса. На роторе установлены 6 электромагнитов в форме подков, которые установлены попарно и смещены друг к другу на 120°. Между полюсами электромагнитов на роторе и между магнитами на статоре одинаковое расстояние. Изменение положения полюсов магнитов относительно друг друга приводит к созданию градиента напряженности магнитного поля, образуя крутящий момент.

Неодимовый магнит в вечном двигателе на основе конструкции проекта Шкондина имеет ключевое значение. Когда электромагнит проходит через оси неодимовых магнитов, то образуется магнитный полюс, который является одноименным по отношению к преодоленному полюсу и противоположным по отношению к полюсу следующего магнита. Получается, что электромагнит всегда отталкивается от предыдущего магнита и притягивается к следующему. Такие воздействия и обеспечивают вращение обода. Обесточивание элетромагнита при достижении оси магнита на статоре обеспечивается размещением в этой точке токосъемника.

Житель г.Пущино Василий Шкондин изобрел не вечный двигатель, а высокоэффективные мотор-колёса для транспорта и генераторы электроэнергии.

Коэффициент полезного действия двигателя Шкондина составляет 83%. Конечно, это пока еще не полностью энергонезависимый вечный двигатель на неодимовых магнитах, но очень серьезный и убедительный шаг в правильном направлении. Благодаря особенностям конструкции устройства на холостом ходу удается вернуть часть энергии батареям (функция рекуперации).

Вечный двигатель Перендева

Альтернативный движок высокого качества, производящий энергию исключительно за счет магнитов. База — статичный и динамичный круги, на которых в задуманном порядке располагается несколько магнитов. Между ними возникает самооталкивающая сила, из-за которой и возникает вращение подвижного круга. Такой вечный двигатель считают очень выгодным в эксплуатации.
Вечный магнитный двигатель Перендева

Существует и множество других ЭМД, схожих по принципу действия и конструкции. Все они еще несовершенны, поскольку не способны долгое время функционировать без каких-либо внешних импульсов. Поэтому работа над созданием вечных генераторов не прекращается.

Как сделать вечный двигатель с помощью магнитов своими руками

Понадобится:

•   3 вала
•   Диск из люцита диаметром 4 дюйма
•   2 люцитовых диска диаметром 2 дюйма
•   12 магнитов
•   Алюминиевый брусок

Валы прочно соединяются между собой. Причем один лежит горизонтально, а два другие расположены по краям. К центральному валу крепится большой диск. Остальные присоединяются к боковым. На дисках располагаются неодимовые магниты — 8 в середине и по 4 по бокам. Алюминиевый брусок служит основанием для конструкции. Он же обеспечивает и ускорение устройства.

Недостатки ЭМД

Планируя активно использовать подобные генераторы, следует соблюдать осторожность. Дело в том, что постоянная близость магнитного поля приводит к ухудшению самочувствия. К тому же для нормального функционирования устройства необходимо обеспечить ему специальные условия работы. Например, защитить от воздействия внешних факторов. Итоговая стоимость готовых конструкций получается высокой, а вырабатываемая энергия слишком мала. Поэтому и выгода от использования подобных конструкций сомнительна.
Экспериментируйте и создавайте собственные версии вечного двигателя. Все варианты разработок вечных двигателей продолжают совершенствоваться энтузиастами, а в сети можно обнаружить множество примеров реально достигнутых успехов. Интернет-магазин «Мир Магнитов» предлагает вам выгодно купить неодимовые магниты и своими руками собрать различные устройства, в которых бы шестеренки безостановочно крутились благодаря воздействиям сил отталкивания и притяжения магнитных полей. Выбирайте в представленном каталоге изделия с подходящими характеристиками (размеры, форма, мощность) и оформляйте заказ.

Магнитный двигатель на постоянных магнитах. Двигатель Минато

Здравствуйте, дорогие читатели! Сегодня в статье рассмотрим магнитный двигатель Минато. 

В своей повседневной жизни полевую форму существования материи мы редко замечаем. Разве что, когда падаем. Тогда гравитационное поле становится для нас болезненной реальностью. Но есть одно исключение – поле постоянных магнитов. Практически каждый в детстве играл с ними, с пыхтением пытаясь разорвать два магнита. Или, с таким же азартом, сдвинуть упрямо сопротивляющиеся одноименные полюса. С возрастом интерес к этому занятию пропадал, или, наоборот, становился предметом серьезных исследований. Идея практического использования магнитного поля появилась задолго до теорий современной физики. И главным в этой идее было стремление использовать «вечную» намагниченность материалов для получения полезной работы или «дармовой» электрической энергии.

Изобретательные попытки практического использования постоянного магнитного поля в двигателях или генераторах не прекращаются и в наши дни. Появление современных редкоземельных магнитов с высокой коэрцитивной силой подогрел интерес к подобным разработкам. Обилие остроумных конструкций разной степени работоспособности заполонили информационное пространство сети. Среди них выделяется движитель японского изобретателя Кохеи Минато.

Сам Минато по специальности музыкант, но много лет занимается разработкой магнитного двигателя собственной конструкции, изобретенного, по его словам, во время концерта фортепьянной музыки. Трудно сказать, каким музыкантом был Минато, но бизнесменом он оказался хорошим: свой двигатель запатентовал в 46 странах и продолжает этот процесс сегодня. Необходимо отметить, что современные изобретатели ведут себя довольно непоследовательно. Мечтая осчастливить человечество своими изобретениями и остаться в истории, они с не меньшим старанием стараются скрыть детали своих разработок, надеясь в будущем получить дивиденды с продажи своих идей. Но стоит вспомнить Николу Тесла, когда тот, для продвижения своих трехфазных двигателей, отказался от патентных отчислений фирмы, осваивавшей их выпуск.

И так, магнитный двигатель Минато. Среди множества других, аналогичных конструкций, его изделие выделяется очень высокой экономичностью. Не вдаваясь в детали конструкции магнитного двигателя, которые все равно скрыты в патентных описаниях, необходимо отметить несколько его особенностей.

   Магнитный двигатель Минато

В его магнитном двигателе наборы постоянных магнитов расположены на роторе под определенными углами к оси вращения. Прохождение «мертвой» точки магнитами, которая, по терминологии Минато, называется точкой «коллапса», обеспечивается за счет подачи короткого мощного импульса на электромагнитную катушку статора. Именно эта особенность и обеспечили конструкции Минато высокую экономичность и бесшумность работы при высоких оборотах вращения. Но утверждение, что КПД двигателя превышает единицу, не имеет под собой никакого основания. 

Для анализа магнитного двигателя Минато и похожих конструкций, рассмотрим понятие «скрытой» энергии. Скрытая энергия присуща всем видам топлива: для угля она составляет 33 Дж/грамм; для нефти – 44 Дж/грамм. А вот энергия ядерного топлива оценивается в 43 миллиарда этих единиц. По разным, противоречивым оценкам, скрытая энергия поля постоянного магнита составляет около 30% потенциала ядерного топлива, т.е. это один из самых энергоемких источников энергии. А вот воспользоваться этой энергией далеко не просто. Если нефть и газ при воспламенении отдает сразу весь свой энергетический потенциал, то с магнитным полем все не так просто. Запасенная в постоянном магните энергия может совершать полезную работу, но конструкция движителей при этом очень сложна. Аналогом магнита может служить аккумулятор очень большой емкости с не менее большим внутренним сопротивлением.

Поэтому сразу возникают несколько проблем: получить большую мощность на валу двигателя при малых его габаритах и массе затруднительно. Магнитный двигатель со временем, по мере расходования запасенной энергии, будет терять свою мощность. Даже предположение о том, что энергия восполняется магнитным полем Земли, не может устранить этот недостаток. Главным же недостатком является требование прецизионной сборки конструкции двигателей, которое препятствует его массовому освоению. Минато до настоящего времени работает над определением оптимального расположения постоянных магнитов. Поэтому его обиды на японские корпорации, которые не хотят осваивать изобретение, необоснованны. Любой инженер, при выборе двигателя, в первую очередь поинтересуется его нагрузочными характеристиками, деградацией мощности в течении срока эксплуатации и еще рядом характеристик. Подобной информации по двигателям Минато, как, впрочем, и остальным конструкциям, до настоящего времени нет.

Магнитный двигатель, примеры практического воплощения

Редкие примеры практического воплощения магнитных двигателей вызывают больше вопросов, чем восхищение. Недавно фирма SEG из Швейцарии объявила о готовности выпускать под заказ компактные генераторы, приводом в которых служит разновидность магнитного двигателя Серла. Генератор вырабатывает мощность около 15 кВт, имеет размеры 46х61х12см и ресурс работы до 60 МВт-часов. Это соответствует среднему сроку эксплуатации 4000 часов. Но каковы будут характеристики в конце этого периода? Фирма честно предупреждает, что после этого необходимо повторное намагничивание постоянных магнитов. Что стоит за этой процедурой – неясно, но скорей всего, это полная разборка и замена магнитов в магнитном двигателе. А цена такого генератора составляет более 8500 евро.

Фирма Минато тоже объявила о заключении контракта на изготовление 40000 вентиляторов, на каждом из которых будет установлен магнитный двигатель. Но все эти примеры практического применения единичны. Причем, никто не утверждает при этом, что их устройства имеют КПД больше единицы, и они будут работать «вечно».

Если традиционный асинхронный двигатель выполнить из современных дорогих материалов, например, обмотки из серебра, а магнитопровод из тонкой стальной аморфной ленты (стеклометалл), то при сравнимой с магнитным двигателем цене получим близкий КПД. При этом, асинхронные двигатели будут иметь значительно больший срок службы при простоте изготовления.

Подводя итоги, можно утверждать, что пока удачных конструкций магнитных двигателей, пригодных для массового промышленного освоения, не создано. Те образцы, которые работоспособны, требуют инженерной доводки, дорогих материалов, прецизионной, индивидуальной настройки и не могут конкурировать с уже освоенными типами двигателей. И уж совсем безосновательны утверждения, что эти двигатели могут работать неограниченное время без подвода энергии.

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

СРАВНЕНИЕ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Актуальность темы

В последнее время всё большее распространение получают бесконтактные электрические машины с постоянными магнитами (ПМ). Использование ПМ позволяет получить требуемые регулировочные характеристики по напряжению и частоте вращения при значительно меньшей мощности возбуждения, (если кроме ПМ для возбуждения используются дополнительные обмотки) и объеме магнитной системы по сравнению с классическими электромагнитными системами возбуждения синхронных машин. Применение ПМ с высокой удельной энергией позволяет улучшить массогабаритные, энергетические и стоимостные показатели машин.

Важной особенностью магнитоэлектрических машин является отсутствие скользящих контактов, что позволяет применять их в системах автоматики, приводах подачи станков, компрессорах, насосах, шаровых мельницах, вентиляторах, прецизионных системах слежения

Недостатками этих машин является невозможность регулирования потока ПМ (если не применяются дополнительные средства), пульсации момента, обусловленные взаимодействием магнитов, расположенных на одном сердечнике (как правило, на роторе) с зубцами другого сердечника. Эти моменты проявляются при холостом ходе и в значительной мере обусловливают пульсации момента при нагрузке.

Значительные пульсации момента иногда являются причиной повышенных вибраций, шума и износа подшипников.

В работе рассмотрено влияние различных способов намагничивания ПМ на характеристики магнитоэлектрических машин.

Историческая справка [2]

Бесконтактные электрические машины с постоянными магнитами – первый тип электромеханического преобразователя энергии, созданного человеком. Ещё в 1831 году М. Фарадей демонстрировал принцип электромагнитной индукции с помощью устройств, содержащих неподвижные обмотки и перемещающиеся постоянные магниты. Начиная с 1832 года, различные исследователи предлагали целый ряд оригинальных конструкций электрических машин с постоянными магнитами. В 1834 году Якоби строит электродвигатель, основанный на принципе притяжения и отталкивания между электромагнитами, а в 1842 г — первый в мире получивший практическое применение магнитоэлектрический генератор постоянного тока.

Однако в дальнейшем, эти машины были практически вытеснены машинами с электромагнитным возбуждением. Это объясняется тем, что по энергетическим и массогабаритным показателям постоянные магниты долгое время значительно уступали электромагнитам.

Примерно до середины ХХ века единственным типом магнитотвёрдых материалов были мартенситные стали, среди которых наибольшее применение получили хромистые, вольфрамовые и кобальтовые стали.

Вольфрамовые стали подвержены значительному структурному старению, в особенности при повышенных температурах. Нагревание выше температуры 100⁰ С влечёт за собой почти полную потерю ими свойств постоянного магнита. С другой стороны, эти стали легко обрабатываются, обладают высокой магнитной стабильностью, не боятся ударов.

Хромистые стали были разработаны в период первой мировой войны, когда испытывался недостаток вольфрама. Введение хрома повышает остаточную индукцию и коэрцитивную силу. Старение хромистой стали значительно меньше вольфрамовой, она легко механически обрабатывается и дешёва. Наибольшее применение эти стали в гистерезисных двигателях (магнитофоны, проигрыватели и т.д.).

Существенным достижением явилось освоение производства кобальтовых сталей. Добавка кобальта положительно влияет на свойства стали: повышается остаточная индукция, коэрцитивная сила.

В дальнейшем появились также постоянные магниты, реализуемые на основе сплавов железа с кобальтом, молибденом, хромом, некоторыми другими металлами, с относительно высокими удельными свойствами.

Обзор по постоянным магнитам

Магниты обладают высокой коэрцитивной силой – до 1000 кА/м, что значительно снижает возможность размагничивания магнитов под действием реакции якоря и обеспечивает стабильность рабочих характеристик. Кроме того, обладая высокой энергией, которая характеризуется произведением BHmax, редкоземельные магниты позволяют улучшить массогабаритные показатели машин и добиться большей удельной мощности, чем в машинах других типов.

Современные виды постоянных магнитов и их характеристики [3]

Хорошие ь механические и магнитные свойства имеют сплавы на основе драгоценных металлов, например, сплавы платины, но они очень дороги и их применение не целесообразно.

Из известных в настоящее время магнитотвердых материалов, в свете указанных требований, целесообразно рассматривать следующие группы:

• Магниты с полимерным наполнителем, применяемые в медицине эластичные магнитофоры (магнитопласты, магнитоэласты). Br = до 0.05 Тл

• Магнитопласты на основе наполнителя (например, порошка анизотропного NdFeB). Поддаются механической обработке, благодаря пластичности (как резина) и возможности изготовления сложных форм методом литья под давлением (в том числе, с монтажными отверстиями и средствами крепления). Не нагреваются при работе в переменных электромагнитных полях (нечувствительны к воздействию вихревых токов).

Максимальная рабочая температура — до 120-220 градусов Цельсия, в зависимости от теплостойкости связующего материала. Br = 0.5 — 0.6 Тл (Nd-Fe-B).

• Ферриты (прессованные керамические ферритобариевые и ферритостронциевые, недорогие ферромагниты чёрного цвета). В отличие от «железных» магнитов, имеют очень высокое электрическое сопротивление (поэтому феррит бария используют в цепях, подвергающихся действию высокочастотных полей), хорошую механическую прочность, коррозионную стойкость, меньший вес, по сравнению с железными — в 1.5-2 раза. Ферритовые магниты могут быть намагничены с образованием нескольких полюсов на цельном изделии.

Имеют неплохую устойчивость к воздействию внешних магнитных полей. По стоимости — на порядок дешевле ЮНДК, имея, при этом, более высокие показатели коэрцитивной силы. Широко применяются в двигателях постоянного тока, в генераторах, в профессиональных и домашних аудио-системах.

Недостатки ферромагнитов — хрупкость и твёрдость (обрабатывать можно только шлифованием и при помощи алмазной резки). Tc of Br ~ -0.20 % на °C (Температурный коэффициент) — определяет, насколько магнитная индукция зависит от температуры. Величина -0.20 означает, что если температура увеличится на 100 градусов Цельсия, магнитная индукция уменьшится на 20 %. Уменьшение коэрцетивной силы при охлаждении ниже -20°С (что снижает, на морозе, стойкость к размагничиванию магнитным полем; зимой, при -60 градусах — магнитные свойства необратимо теряются и не восстанавливаются при возврате к нормальным термическим условиям) или при нагреве (особенно чувствительны бариевые). Если температура изменяется быстрее 5-10°C/мин — на феррите образуются трещины, что ухудшает его физические свойства. Несмотря на указанные недостатки, благодаря низкой стоимости ферритные магнитотвердые материалы находят достаточно широкое применение для использования в неответственных электрических машинах.

• Термостабильные литые или спечённые магниты «Альнико» (AlNiCo, российское название — ЮНДК) на основе сплавов железо-аллюминий-никель-медь-кобальт. Они легче редкоземельных самарийкобальтовых, при примерно одинаковых параметрах индукции, и заметно дешевле их. Имеют высокую коррозионную и радиационную стойкость. Используются в акустических системах и динамических студийных микрофонах (ставят Alnico V), в гитарных звукоснимателях, в электродвигателях и электрогенераторах, в приборостроении (сенсоры, реле и т.д.) Недостаток — AlNiCo хрупкие (обрабатываются полированием, шлифованием, резкой абразивным кругом) и легко размагничиваются (низкая коэрцитивная сила) под воздействием внешнего магнитного поля, что делает неверными показания стрелочных приборов, в которых они установлены.

• Термоустойчивые деформируемые магниты типа ХК (железо-хром-кобальт, Fe-Cr-Co). Прочность и пластичность современных типов этого сплава — на порядок превосходит аналогичные показатели ЮНДК24 (Алнико 5) при сопоставимых магнитных свойствах. Могут быть получены в виде холоднокатаного листа, горячекатаного и кованого прутка для последующей механической и термомагнитной обработки.

• Спечённые редкоземельные магниты на основе сплавов самарий-кобальт (SmCo, долговечная металлокерамика). Имеют лучшую коррозионную стойкость (то есть, не ржавеют, поэтому и не нуждаются в защитном покрытии) по сравнению с остальными редкоземельными материалами и большие значения максимальной рабочей температуры (термостабильные до 350°С) и коэрцитивной силы (то есть, магнитотвёрдые — устойчивые к размагничиванию). По сравнению с ЮНДК — на порядок большая коэрцетивная сила по намагниченности.

Недостатки — хрупкость и высокая цена. Применяются в космических аппаратах и мобильных телефонах, в мотоциклах и газонокосилках, в авиационной и компьютерной технике, в медицинском оборудовании, в миниатюрных электромеханических приборах и устройствах (наручных часах, наушниках и т.д.) Используются в современном приборостроении.

• Неодимовые — редкоземельные магниты на основе сплавов неодим-железо-бор (NdFeB). Они хрупкие и чувствительные к температуре (предел допустимого нагрева — зависит от марки магнита). После сильного перегрева — необратимо и полностью теряется намагниченность (восстановить можно перемагничиванием на специальной установке). Имеют невысокую коррозионную стойкость — легко окисляются (ржавеют), если повреждено антикоррозионноее покрытие (краска, лак, тонкая металлическая плёнка из никеля, меди или цинка). В виде порошка — могут воспламениться, с выделением ядовитого дыма. Лучше поддаются механической обработке — гибкие Nd-магнитопласты (NdFeB). Спечённые неодимовые магниты имеют преимущество — наибольшую, по сравнению с остальными видами, остаточную индукцию и очень высокое энергетическое произведение. Максимальная рабочая температура повышается — при добавлении кобальта вместо железа, но это ведёт к удорожанию материала. Широко применяются в компьютерной технике (двигатели электроприводов дисков, устройства считывания и записи информации), в моторах и датчиках.

Сравнение наиболее употребляемых ПМ различных марок [3]:

 

Рисунок 1. Сравнительные диаграммы различных материалов ПМ [3]

 

Нужно отметить, что представленные диаграммы характеризуют наиболее распространенные характеристики семейств магнитных материалов. Для магнитов различных производителей конкретные характеристики могут отличаться от приведенных (например, коэрцитивная сила магнитов Nd-Fe-B при некоторых добавках может достигать величины 22 кЭ). Тем не менее, диаграммы демонстрируют общие соотношения между семействами магнитных материалов.

Варианты расположения постоянных магнитов в синхронной машине

1) Поверхностные магниты

Магниты располагают на внешней поверхности ротора, чем обеспечивается простота конструкции, хорошие динамические характеристики и сравнительно низкая стоимость.

2) Встроенные магниты

Использование встроенных магнитов позволяет увеличить производительность электрической машины за счет возрастания плотности магнитного потока при сохранении высокого момента на больших скоростях вращения.

Способы крепления ПМ:

Закрепить магниты можно разными способами:

1) Приклеить их к ротору. Этот вариант при высокой скорости вращения малопригоден. Но в последнее время разработан ряд клеев сочень высокими свойствами.

2) Разнообразными бандажами. Это может быть как самая простая сталь или сталь с особыми магнитными свойствами, так и всевозможные титановые сплавы. Также эту задачу можно решить с помощью углеводородных материалов (карбоновые, базальтовые нити и т.д).

Методы исследования [1]

Для моделирования магнитного поля двигателя применяется конечно – элементная программа FEMM (Finite Element Method Magnetics), используемая в учебном процессе кафедры электромеханики (программа разработана профессором Массачуcетского Технологического института Д. Микером (David Meeker), США) и доступна для широкого пользования через сеть интернет.

Картины поля при радиальном и параллельном намагничивании почти не отличаются друг от друга, имеют примерно одинаковую индукцию в ярме и распределение индукции в зазоре, близкой к синусоидальной. Масса магнитов также одинакова. Таким образом для электрической машины малой полюсности и малой мощности непринципиально какой тип намагниченности ПМ будет выбран.

Применение магнитов с тангенциальной намагниченностью и намагниченностью по Хальбаху является нецелесообразным на машинах с малым количеством полюсов, что можно сказать, взглянув на полученную картину поля и распределения магнитной индукции в зазоре четырёхполюсной машины.

Гораздо лучше данный типы намагниченности проявляет себя на многополюсных машинах.

Заключение:

1) Сделан обзор литературы

а) по магнитам (используемые материалы, конфигурация, расположение, вид намагничивания)

б) по обмоткам, применяемым в бесконтактных ЭМ с ПМ

2) Проведен анализ конечно-элементных моделей, показано, что области применения различных типов намагничивания магнитов зависят от числа полюсов проектируемых машин.

Показано также, что конечно-элементные модели являются наглядным средством для сравнительной оценки технических показателей магнитоэлектрических машин.

 

Список литературы:

1. David Meeker, Finite Element Method Magnetics: OctaveFEMM: User’s Manual – 2006 – http://www.femm.info/Archives/doc/octavefemm.pdf
2. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф., Ларионов А.Н.: Электрические машины с постоянными магнитами – изд. «Энергия», 1964 – С. 4-6, 16-17.
3. Энциклопедия – Современные постоянные магниты – Электронный ресурс — http://www.valtar.ru/Magnets4/mag_4_27.htm