Возбуждение электродвигателей на постоянных магнитах

Для работы любого электродвигателя необходимо наличие электромагнитного поля, способного взаимодействовать с током ротора или якоря для создания электромагнитного момента.

И, по сути, получается, что цепь возбуждения абсолютно любой электрической машины – это магнит, источник магнитного поля. Поэтому совершенно логична замена этой цепи на обыкновенные постоянные магниты.

Конечно, в отношении асинхронных двигателей эта затея заведомо провальна: создать вращающееся электромагнитное поле постоянными магнитами удастся вряд ли.

Но для двигателей постоянного тока и для синхронных электрических машин идея использования постоянных магнитов в цепи возбуждения не только реализуема, но и весьма привлекательна. «Привлекательность» объясняется следующими причинами:

1. Привычная обмотка возбуждения на электромагнитах является пусть и совсем небольшим, а все же потребителем активной электроэнергии. Поэтому постоянные магниты в цепи возбуждения позволяют повысить энергетические показатели и, в частности, КПД.

2. Постоянные магниты упрощают конструкцию цепи возбуждения, повышают надежность электродвигателя в целом. В особенности это касается синхронных двигателей, система возбуждения которых конструктивно находится в составе ротора.

В классическом варианте с использованием электромагнитов в конструкцию синхронной машины включаются токосъемные кольца и щетки для питания обмотки возбуждения постоянным током. Но этот токосъемный узел серьезно снижает надежность двигателя и сокращает наработку на отказ.

В то же время, постоянные магниты не нуждаются в электрическом питании, поэтому при их использовании отсутствует необходимость в токосъемном узле для ротора.

В использовании постоянных магнитов для возбуждения электродвигателей есть своя специфика. Так, двигатель постоянного тока на таких магнитах может иметь лишь одну электромеханическую характеристику, которая схожа с характеристикой ДПТ независимого возбуждения.

Кроме того, для ДПТ с возбуждением на постоянных магнитах отсутствует возможность регулирования по цепи. Этому есть объяснение: ведь отсутствует цепь возбуждения как таковая.

Схожая проблема характерна и для синхронных двигателей с возбуждением на постоянных магнитах. В этих машинах уже невозможно регулировать коэффициент мощности по цепи. А это значит, что такие синхронные двигатели нельзя или очень сложно использовать для компенсации реактивной мощности.

Еще одна проблема эксплуатации электрических машин с возбуждением на постоянных магнитах – это влияние размагничивающей реакции якоря. Ток якоря тоже создает свое магнитное поле, которое оказывает влияние на эффективность возбуждения.

Однако если в обычных ДПТ это решается установкой дополнительных компенсационных обмоток, а в синхронных двигателях цепь можно включать в работу лишь на подсихронной скорости, то при использовании для возбуждения постоянных магнитов эта проблема не имеет радикального решения.

Если число пар полюсов ДПТ с возбуждением на постоянных магнитах равно двум, то для уменьшения влияния реакции якоря применяются магниты тангенциальной или даже кольцевой конструкции. Больший размер магнитов в направлении силовых линий поля уменьшает эффект размагничивания.

При большем числе пар полюсов в ДПТ с этой целью применяются постоянные магниты радиальной конструкции с полюсными наконечниками из магнитотвердого материала.

В синхронных электродвигателях для снижения размагничивающей реакции якоря расстояния между соседними полюсами постоянных магнитов делаются как можно меньшими, а размеры самих магнитов – как можно большими. Однако эти меры не решают проблему полностью.

Несмотря на указанные недостатки, постоянные магниты очень популярны для использования в цепях возбуждения маломощных электродвигателей, в которых размагничивающее влияние реакции якоря не является критичным.