Calculul parametrilor generatorului de putere cu turație redusă de 196 de polii
cu un diametru al rotorului de 1 metru pe magneți permanenți
Atunci când se utilizează unități de turație redusă, a căror axă este conectată direct la axa generatorului electric, apare problema obținerii unei tensiuni de ieșire suficient de mari și a unei puteri electrice. Una dintre căile de rezolvare a acesteia este un generator de putere multipolar cu un rotor cu un diametru suficient de mare. Rotorul generatorului electric poate fi realizat folosind magneți permanenți. Generatorul cu rotor pe magneți permanenți nu are colector și perii, ceea ce permite creșterea semnificativă a fiabilității și a timpului de funcționare fără întreținere și reparații. Utilizarea magneților permanenți cu valori ridicate ale inducției reziduale și forței coercitive poate îmbunătăți semnificativ caracteristicile electrice ale generatorului sau poate diminua dimensiunile acestuia.
2. Opțiuni de design electrogenerator
Un generator electric cu rotor pe magneți permanenți poate fi construit în funcție de diferite scheme, care se deosebesc unul de celălalt prin aranjarea în comun a înfășurărilor și a magneților. Magneții cu polaritate alternantă sunt localizați pe rotorul generatorului. Înfășurările cu o direcție alternantă a înfășurării sunt situate pe statorul generatorului. Dacă rotorul și statorul sunt discuri coaxiale, atunci acest tip de generator va fi denumit axial sau disc (Figura 2.1).
Fig. 2.1. O schemă simplificată a unui generator electric cu rotor pe magneți permanenți de tip axial (disc).
Dacă rotorul și statorul sunt cilindri coaxiali coaxiali, atunci acest tip de generator va fi numit radial sau cilindric (Figura 2.2). Într-un generator radial, rotorul poate fi intern sau extern la stator.
Fig. 2.2. O schemă simplificată a unui generator electric cu rotor pe magneți permanenți de tip radial (cilindric).
3. Calcularea tensiunii de ieșire a generatorului
Să încercăm să estimăm parametrii electrici ai generatorului electric, proiectul căruia este determinat de următoarele date:
- Diametrul exterior al rotorului generatorului este de 1 m.
- Lățimea (sau înălțimea) rotorului este de 0,05 m.
- Magneți permanenți de compoziție de neodimiu-fier-bor (Nd-Fe-B), inducție reziduală aproximativ 1,2 T, forță coercitivă de aproximativ 900 kA / m.
- Numărul de poli este de 196.
- Viteza de operare este de 1 revoluție pe secundă.
- Puterea de ieșire.
- Tensiunea de ieșire pentru o metodă de înfășurare dată.
- Modalități de optimizare a generatorului.
Desemnări acceptate (calculele sunt efectuate în sistemul SI):
B - inducția magnetică în spațiul dintre polul magnetic și vârful polului înfășurării. T
B0 este amplitudinea inducției magnetice în spațiul gol. T
BS - valoarea inducției magnetice medii pe suprafața polului în spațiu. T
d este diametrul firului de înfășurare. m
E este forța electromotoare (emf) a unei singure înfășurări a generatorului. În
E0 este amplitudinea emf al unei singure înfășurări a generatorului. În
ED este valoarea efectivă a emf-ului unei singure înfășurări ale generatorului. În
EGEN - tensiunea de ieșire a generatorului de funcționare (tensiune fără sarcină). În
f - viteza generatorului. Hz
j - densitatea curentului în firele de înfășurare ale generatorului, A / mm 2
L este lungimea medie a înfășurării bobinei. m
n este numărul de poli ai generatorului
N - numărul de viraje
PMAX este puterea electrică a generatorului în modul de scurtcircuit. W
Puterea specifică PV (puterea pe unitatea de volum), disipată în bobina generatorului, W / m 3
R este rezistența unei singure înfășurări a generatorului. ohm
RGEN - rezistența internă a generatorului (rezistența totală a înfășurărilor). ohm
S - zona polului magnetului (capătul polar al înfășurării). m 2
t este ora curentă. cu
T este perioada de rotație a generatorului. cu
F - flux magnetic prin miezul înfășurării. wb
F 0 este amplitudinea (valoarea maximă) a fluxului magnetic prin vârful polului înfășurării. wb
l - factor de ambalare al lichidării
r E este rezistența electrică a firului de înfășurare. Ohm · m
w este viteza de rotație a generatorului. rad / s
În conformitate cu legea Faraday de inducție electromagnetică [4], tensiunea la ieșirea fiecărei înfășurări a generatorului poate fi calculată prin formula:
Putem presupune că fluxul magnetic prin înfășurare variază în conformitate cu legea armonică:
unde F 0 este valoarea maximă a fluxului magnetic, care poate fi găsită prin formula:
Apoi pentru valoarea curentă a tensiunii unei singure înfășurări obținem:
Valoarea efectivă a tensiunii de ieșire a generatorului în mers în gol (bobinele n sunt conectate în serie):
care corespunde calculelor anterioare [7] și a fost confirmată de modele experimentale ale generatoarelor de energie [1, 5].
4. Calculul densității de curent admisibil în bobinaje
Pentru un fir cu curent electric, puterea specifică (puterea pe unitate de volum) care se disipează în conductă datorită prezenței rezistenței electrice și transformării în căldură se poate găsi prin formula:
Densitatea curentului în bobină depinde de puterea de eliberare a căldurii și, în consecință, de temperatura înfășurării. Această temperatură nu trebuie să depășească limita permisă pentru acest tip de fir. Calculul temperaturii în interiorul înfășurării și, în consecință, densitatea curentului admisibil în înfășurări se poate face prin metoda elementului finit [2, 3, 6, 8]. Valoarea densității de curent admisă în firele de înfășurare depinde de condițiile de proiectare și de răcire ale statorului, iar acest caz de proiectare poate ajunge la 10 A / mm2 Dacă factorul de ambalare este egal cu 0,6.
5. Calcularea inducției magnetice în spațiul interpolar
Calculul inducției magnetice în spărtură, iar fluxul magnetic penetrant bobina se poate face în diferite moduri, în particular, metoda elementelor finite [2, 3, 6, 8]. Partea de construcție a sistemului magnetic (stator cu înfășurări și un rotor cu un magnet permanent) este prezentată în Fig. 5 .1. Generatoare magnetice axiale circuit și radiale sunt aproape identice: un oțel cu fante stator, în care înfășurarea sunt stivuite pe un rotor din oțel montat magneți permanenți de dimensiuni corespunzătoare. Între magneți și miezuri de fier ale înfășurărilor are un decalaj pol, amplitudinea care este determinată de toleranțele în fabricarea pieselor și generatorul trebuie să fie cât mai mic posibil.
Fig. 5.1. Sistemul magnetic al unui electrogenerator pe magneți permanenți.
Distribuția fluxului magnetic în sistemul magnetic al generatorului este prezentată în Fig. 5 .2.
Fig. 5 .2. Distribuția fluxului magnetic în sistemul magnetic al unui generator electric pe magneți permanenți. Densitatea curentului în înfășurări este de 6 A / mm 2. în firele de înfășurare - 10 A / mm 2 (factor de ambalare 0.6). Lățimea polului este de 8 mm, lățimea spațiului liber este de 8 mm, adâncimea canalului sub înfășurare este de 10 mm. Distanța dintre rotor și stator este de 1 mm.
Când se utilizează compoziția magneți din neodim-fier-bor având o inducție reziduală de aproximativ 1,2 T și o forță coercitivă de aproximativ 900 kA / m în medie valoarea inducției magnetice prin miez bobina BS este de aproximativ 0,75 T la o densitate de curent în înfășurările 6 A / mm2 (în înfășurările de fire - 10 A / mm 2. dacă se ia factorul de ambalare egal cu 0,6).
6. Calcularea tensiunii de ieșire și a puterii de ieșire a generatorului
Pentru a calcula tensiunea de ieșire EGEN conform formulei (1), avem:
N = (4,10 ∙ 0,6) / 2 = 12 rotații (diametrul firului de 1,6 mm (secțiunea 2 mm 2) este înfășurat într-o fereastră de 10 x 4 mm 2. Factorul de ambalare este 0,6
S = 0,05, 0,008 = 0,0004 m 2
(3,14 ∙ 1000) / (8 + 8) ≈ 196
Tensiunea de ieșire a generatorului EGEN conform formulei (1) este egală cu 307 volți. Pentru un fir de cupru cu diametrul de 1,6 mm (secțiune transversală de aproximativ 2 mm 2), valoarea admisă a curentului poate fi de 20 A. Apoi, puterea de ieșire a generatorului la o viteză de 1 revoluție pe secundă va fi de aproximativ 6 kW. O parte din energie va fi transferată la sarcină, iar o parte - pentru a disipa rezistența internă a înfășurărilor generatorului. Pentru a afla care parte a puterii va fi transferată la sarcină și care parte va fi disipată pe rezistența internă a înfășurărilor generatorului, este necesar să se calculeze rezistența înfășurărilor.
Rezistența unei singure înfășurări poate fi găsită prin formula:
r E = 1,67 ∙ 10 -8 Ω ∙ m (sârmă de înfășurare din cupru)
L = 2 ∙ (8 + 4 + 50 + 4) ∙ 12 = 1584 mm = 1,584 m
Apoi rezistența unei singure înfășurări R ≈ 0,0132 Ohm și rezistența internă a generatorului cu comutarea secvențială 196 de înfășurări RGEN = 196 ∙ 0,0132 ≈ 2,6 Ohm
La un curent de 20 A, rezistența internă a generatorului va disipa aproximativ 1 kW, iar puterea rămasă (aproximativ 5 kW) va fi transferată la sarcină. Rezistența la sarcină pentru un curent de 20 A ar trebui să fie egală cu (307/20) - 2.6 = 12.75 Ohm.
La fabricarea generatorului de putere calculat mai sus, trebuie avute în vedere următoarele. Dacă numărul de înfășurări este egal cu numărul de magneți. atunci când miezul de înfășurare opus magnet datorită forțelor de atractive apar moment de mare de rezistență. pentru a le depăși va necesita un efort semnificativ asupra arborelui. Prin urmare, este posibil să crească sau să scadă numărul de înfășurări pe unitate, comparativ cu numărul de magneți (195 sau înfășurări 197, magneții 196), ceea ce va reduce semnificativ valorile de amplitudine ale momentului de rezistență. O astfel de soluție de generatoare 6 poli utilizate în construcția de [1] (numărul de poli magnetici n = 6, numărul de înfășurări m = 7) și [5] (numărul de poli magnetici n = 6, numărul de înfășurări în fiecare din cele două grupe de m = 5, în continuare grup de înfășurare sunt deplasate una în raport cu cealaltă printr-un unghi de 36 de grade). În general, puteți refuza folosirea miezurilor de oțel în bobine. apoi trageți cuplul la turația de mers în gol este aproape de zero pentru orice poziție a rotorului. Astfel de înfășurări necesitatea de a face înălțimea minimă comparabilă cu cea în elichinoy decalaj între magnet și bobina la o scădere a fluxului magnetic în diferența nu este prea semnificativă. Numărul de înfășurări poate fi astfel egal cu magnet numărul s (196).
- Rezistența activă face parte din impedanța circuitului electric, care este legată de disiparea căldurii în circuit.
- Turbina eoliana - convertorul energiei unui curent de aer in energie mecanica de miscare.
- Factor de ambalare (factor de umplere) - raportul dintre volumul conductorului și volumul înfășurării; la uniformă de înfășurare este raportul dintre suprafața totală a conductoarelor în secțiunea transversală de înfășurare (fără izolare) la suprafața secțiunii transversale a înfășurării.
- Lipsa de funcționare - modul de funcționare a unității sau a convertizorului în absența unei forțe de contra-sarcină (sarcină).
- Solenoidul cilindric este un solenoid sub forma unui cilindru cu o gaură cilindrică centrală (dacă există).
- Generator electric (generator electric) - convertor al energiei neelectrice a sursei în energie electrică.
Trimiteți-le prietenilor: