SPECIALIZAREA: Energetica industriala [307083]

UNIVERSITATEA: "Vasile Alecsandri" Bacău

FACULTATEA: Inginerie

SPECIALIZAREA: Energetica industriala

LUCRARE DE LICENȚĂ

Studiul generatoarelor sincrone cu magneți permanenți

de putere mica

BACAU 2016

Cuprins

I. Introducere……………………………………………………..

-Masina sincrona………………………………………………

-Generatorul sincron………………………………………..

-Motorul sincron…………………………………………….

-Principiul de functionare…………………………………..

II. Tipuri constructive de generatoare sincrone cu magneti permanenti…………………………………………………………

III. Prezentarea standului microgeneratorului cu magneti permanenti de tip “Neodim”…………………………………….

-Constructia microgeneratoruli cu magneti permanenti…

-Scheme de conexiuni pentru infasurarile

microgeneratorului………………………………………

IV. Determinari experimentale la turatia de sincronism de 3000 rot/min………………………………………………………………

-Caracteristica externa ………………………………………

-Caracteristica de mers in gol………………………………..

V. Concluzii…………………………………………………………

VI. Desene…………………………………………………………..

VII. Bibliografie………………………………………………………

I.Introducere

Masina sincrona

Mașina sincronă este o mașină de curent alternativ a cărei turație este constantă indiferent de regimul de funcționare (stabilizat) și independent de valoarea sarcinii (în limite normale). Această turație este cea de sincronism și este legată riguros de frecvența f a rețelei de curent alternativ la care este cuplată mașina. [anonimizat]. [anonimizat]-o rețea de curent alternativ. În regimul de motor mașina transformă puterea electrică primită de la o [anonimizat]. Mașina sincronă poate funcționa și drept compensator al factorului de putere. Regimul de compensator nu este însă un regim de bază distinct ci un regim de motor funcționând în gol. Cea mai largă răspândire, o [anonimizat]. Motoarele sincrone se utilizează în instalațiile la care este necesară menținerea turației riguros constantă și un factor de putere bun la turații mici. Compensatoarele sincrone se folosesc pentru compensarea puterii reactive în sistemele electroenergetice.

1.2. CONSTRUCȚIA MAȘINII SINCRONE

Mașina sincronă se compune din două părți principale: statorul, [anonimizat], așezat concentric în interiorul statorului și care constituie partea mobilă. După poziția axei de rotație mașinile sincrone pot avea o construcție orizontală sau verticală. [anonimizat]. Alternatoarele bipolare sunt de tip orizontal: pentru acționarea lor se utilizează turbine cu abur și sunt denumite turbogeneratoare.

a) Statorul la mașina sincronă de construcție normală reprezintă indusul mașinii și este format din miezul feromagnetic care poartă o înfășurare de curent alternativ polifazată (de obicei trifazată), așezat în interiorul unei carcase de consolidare și protecție.

[anonimizat], [anonimizat] 0,5 mm grosime; tolele sunt izolate între ele cu o [anonimizat]-un strat de oxizi. De partea întrefierului, tolele prezintă crestături repartizate uniform și realizate prin ștanțare. De partea carcasei se prevăd numai crestături de ghidare la procesul de împachetare; ele servesc totodată la fixarea pachetului de carcasă cu ajutorul unor pene. Tolele se împachetează în interiorul carcasei în pachete de aproximativ 5 cm grosime; între pachete se prevăd canale radiale de răcire. Înfășurarea statorului mașinii sincrone este repartizată (numărul de crestături pe pol și fază q > 1) și se conectează la rețeaua electrică de curent alternativ. Înfășurarea se execută din conductori de cupru izolat cu hârtie, fibre de sticlă, micanită sau rășini sintetice în funcție de clasa de izolație a mașinii și de tensiunea nominală. La mașina sincronă trifazată înfășurarea statorului se conectează în stea, pentru a se evita închiderea armonicelor curentului de ordinul 3 sau multiplu de 3. Carcasa mașinii se execută din oțel turnat la mașinile de puteri mici, sau din tablă sudată de oțel la mașinile de puteri mari și foarte mari. Carcasa poartă dispozitivele de fixare, pe fundație și dispozitivele de ridicare, cutia de borne a indusului și cutia de borne a inductorului, plăcuța indicatoare și scuturile frontale. Ele sunt prevăzute cu lagăre, iar unul dintre scuturi susține portperiile împreună cu periile de contact.

b) Rotorul mașinii sincrone de construcție normală constituie inductorul mașinii și este format din miezul feromagnetic echipat cu o înfășurare de excitație.

După construcția miezului rotorului, se deosebesc mașini sincrone cu poli înecați și mașini sincrone cu poli (ieșiți) aparenți. La mașina sincronă bipolară rotorul se execută cu poli înecați; miezul feromagnetic este construit dintr-un cilindru masiv din oțel care formează corp comun cu axul rotorului . În miez sunt frezate crestături radiale, repartizate uniform pe aproape 23 din periferia rotorului. Dacă se neglijează deschiderea crestăturilor din rotor, lărgimea întrefierului dintre stator și rotor este constantă. Înfășurarea de excitație este repartizată în crestăturile rotorului. În figura 1.1 este prezentată o secțiune transversală printr-un alternator bipolar.

La mașina sincronă multipolară (), rotorul se execută cu poli (ieșiți) aparenți. Miezul feromagnetic este format dintr-un jug masiv de oțel. La mașinile de turație ridicată (cu număr mic de poli) miezul polilor inductori formează corp comun cu jugul inductor iar piesele polare sunt realizate din tole și sunt fixate de poli. La mașinile de turație joasă (cu un număr mare de poli) miezul polilor inductori formează corp comun cu piesa polară și sunt fixați de jugul inductor. La motoarele sincrone mari piesele polare se execută din oțel masiv. La mașina cu poli aparenți întrefierul dintre rotor și stator nu mai este constant; în dreptul polilor inductori întrefierul este mic, iar în spațiul dintre poli întrefierul este mult mai mare.

Înfășurarea de excitație este realizată din bobine concentrate așezate pe poli inductori; bobinele polare sunt conectate în circuitul înfășurării astfel încât să se obțină un inductor heteropolar; denumirea provine din faptul că la periferia rotorului polii de un nume alternează cu polii de nume contrar. În figura 1.2 este prezentată o secțiune transversală printr-un alternator cu poli aparenți, având p = 2 perechi de poli. În piesele polare ale polilor aparenți executate din tole se prevăd crestături în care se așează o înfășurare în colivie; înfășurarea în colivie servește la pornirea în asincron a motoarelor sincrone și la amortizarea pendulațiilor rotorului, fiind denumită și înfășurare de amortizare. Pe axul rotorului sunt dispuse în general două inele, la care se conectează capetele infasurarii de excitatie:periile care calca pe inele, asigura legatura dintre sursa exterioara de curent continuu si infasurarea de excitatie.

În figura 1.3.a si b este prezentată o secțiune longitudinală și transversală a unei mașini sincrone.

S-au utilizat următoarele notații:

1- carcasă; 2- pachet de tole stator; 3- ansamblu bobinaj stator; 4- scut; 5 – arbore; 6 – ansamblu lagăr; 7 – nervuri pentru fixare obadă rotor; 8- jug rotoric; 9 – miezul polului; 10 – bobină de excitație; 11 – bară colivie rotorică; 12- carcasa excitatoarei; 13- bloc redresare; 14- ansamblu inele; 15- ansamblu portperii; 16- cablu de legătură spre înfășurarea de excitație; 17- ansamblu rezistență de descărcare; 18- cutie de borne; 19- scut răcitor; 20- răcitor; 21- ventilator interior; 22- ventilator exterior; 23- vizor nivel ulei; 24- șasiu;

Generatorul sincron

Mașina sincronă poate fi utilizată atât în regim de generator cât și în regim de motor. Totuși, în marea majoritate a aplicațiilor ea este utilizată ca și generator.

Generatoarele sincrone sunt realizate ca mașini sincrone trifazate și servesc pentru producerea energiei electrice

Generatoarele sincrone de turație mare (1500 sau 3000 rot/min) și de putere nominală mare se construiesc cu poli înecați și sunt antrenate de turbine cu abur, turbogeneratoare. Generatoarele sincrone cu poli aparenți, de turație redusă și putere nominală mare sunt antrenate, de regulă, de turbine hidraulice și se numesc hidrogeneratoare.

Încărcarea mașinii sincrone la arbore determină modificarea unghiului intern dintre tensiunea electromotoare indusă în înfășurarea statorică și tensiunea la bornele înfășurării statorice.

Acest unghi θ ia valori intre 0 grade pentru funcționarea în gol și 90 de grade pentru încărcarea maximă pe care o poate suporta în mod ideal mașina sincronă.

Principiul de funcționare a masinii sincrone în regim de generator electric

Principiul producerii unui sistem de tensiuni trifazat este același cu cel al tensiunii electromotoare monofazate și anume rotirea unei spire într-un câmp magnetic omogen. Fiind vorba de trei tensiuni, evident vor exista trei înfășurări.
Rotirea spirelor se efectuează cu viteza unghiulară constantă, fiind egal decalate spațial în structura statorului. Se consideră că rotorul masinii (inductorul) este antrenat cu viteza unghiulară de către motorul său primar, care dezvoltă un cuplu activ.
Înfășurarea de excitație a celor 2 poli, alimentată în curent continuu, produce un câmp magnetic învârtitor inductor, care se rotește cu viteza unghiulară în același sens cu rotorul.
Corespunzător acestui câmp, spirele înfășurărilor de fază ale statorului (indus) sunt întretăiate de unflux,variabilîntimp.
Dacă câmpul învârtitor inductor are o repartiție sinusoidală în spațiu, fluxul va avea o variație sinusoidală în timp, de pulsație. Într-o înfășurare de fază se va induce o tensiune electromotoare sinusoidală în timp, de aceeași pulsație, iar în cele trei înfășurări de fază se va induce un sistem de 3 tensiuni electromotoare simetrice, echilibrate.
Succesiunea în timp a celor 3 tensiuni electromotoare este impusă de sensul de rotație a câmpului învârtitor inductor. Dacă înfășurarea statorului este conectată pe o impedanță trifazată simetrică, aceasta va fi parcursă de curenții de fază care formează un sistem simetric echilibrat.  Masina furnizează impedanței de sarcină o putere activă P, funcționând deci, în regim de generator.Se consideră mașina sincronă trifazată cu 2p poli, a cărei înfășurare de excitație este alimentată în curent continuu de la o sursă oarecare, iar rotorul mașinii este antrenat de un motor primar, cu turația n, respectiv cu viteza unghiulară într-un sens dat. Înfășurarea de excitație rotorică, fie că rotorul are poli aparenți sau poli înecați, produce un câmp magnetic învârtitor inductor cu viteza unghiulară . Acest câmp magnetic învârtitor produce un flux magnetic variabil în timp, care înlănțuie spirele unei înfășurări de fază a statorului.Acest flux se poate pune sub forma: , fiind pulsația acestui flux. În înfășurarea considerată se induce deci o t.e.m. sinusoidală în timp și de aceeași pulsație . În ansamblul celor trei înfășurări se vor induce t.e.m. de forma:

(1.1)

Succesiunea în timp a celor trei t.e.m. este impusă de sensul de rotație al câmpului învârtitor inductor.

Dacă înfășurarea statorului este conectată pe o impedanță trifazată simetrică, atunci prin înfășurările de fază se vor stabili curenți care formează un sistem trifazat simetric. Dacă se notează cu decalajul în timp dintre t.e.m. din faza respectivă și curentul care parcurge aceeași fază, atunci expresiile curenților vor fi:

(1.2)

Acest sistem trifazat de curenți va da naștere unui câmp magnetic învârtitor numit câmp magnetic de reacție care are aceeași viteză unghiulară ca și câmpul magnetic învârtitor inductor. Compunând câmpul magnetic inductor cu câmpul magnetic de reacție se obține câmpul magnetic învârtitor rezultant din mașină.

În această situație mașina debitează în impedanța de sarcină o anumită putere activă pe care o ia de la motorul primar; mașina funcționează în regim de generator electric.

Bilanțul de puteri al generatorului sincron

Motorul primar dezvoltă un cuplu al cărui sens coincide cu sensul de rotație al rotorului și deci și cu sensul de rotație al câmpului magnetic învârtitor inductor. Motorul primar cedează mașinii sincrone puterea: .

Asupra statorului se exercită cuplul electromagnetic:

(1.3)

Acest cuplu este pozitiv pentru că oricare ar fi natura impedanței de sarcină, .

Acest cuplu tinde să rotească inductorul în sensul câmpului învârtitor inductor, adică în sensul succesiunii fazelor statorului. Cum statorul este fix, conform principiului acțiunii și reacțiunii, asupra rotorului se exercită un cuplu egal ca mărime și de sens opus. Prin urmare cuplul electromagnetic care se exercită asupra rotorului este un cuplu rezistent. În același timp asupra rotorului se mai exercită cuplul rezistent al frecărilor mecanice și cuplul rezistent exercitat de către excitatoarea de curent continuu dacă aceasta este cuplată pe același arbore cu rotorul mașinii sincrone.

Dacă rotorul se învârtește cu viteză unghiulară constantă și dacă se consideră ca sens pozitiv al cuplului electromagnetic sensul câmpului magnetic învârtitor inductor, atunci relația între cupluri va fi:

(1.4)

sau după înmulțirea cu viteza unghiulară :

(1.5)

unde :

– reprezintă pierderile mecanice ale mașinii

– reprezintă puterea mecanică preluată de excitatoare, dacă aceasta este cuplată pe același arbore

– reprezintă puterea electrică transmisă statorului prin intermediul câmpului electromagnetic și este denumită putere electromagnetică. Din puterea electromagnetică preluată de către stator cea mai mare parte se transmite impedanței de sarcină, o parte mai mică se pierde prin efect Joule în înfășurarea trifazată a statorului și o ultimă parte acoperă pierderile în fierul statorului:

(1.6)

În fierul rotorului nu se produc pierderi deoarece rotorul este străbătut de flux constant în timp. Bilanțul de puteri în regim de generator pentru mașina sincronă este redat în figura 1.4.

Motoare sincrone

Motorul sincron trifazat este o masina electrica la care turatia rotorului este egala cu turatia campului magnetic invartitor indiferent de incarcarea motorului. Motoarele sincrone se folosesc la actionari electrice de puteri mari si foarte mari de pana la zeci de MW. Statorul motorului sincron este asemanator cu statorul motorului de inductie (este format dintr-o armatura feromagnetica statorica si o infasurare trifazata statorica). Rotorul motorului sincron este format dintr-o armatura feromagnetica rotorica si o infasurare rotorica de curent continuu. Motoarele sincrone se folosesc la acționarea unor utilaje de mare putere la care nu este necesară reglarea turației și care nu necesită porniri prea dese.

Motorul sincron prezinta indicatori energetici superiori si siguranta marita in functionare fata de motorul asincron. Randamentul mare (0,96 … 0,98) se datoreste inexistentei pierderilor in rotor.
   Factorul de putere depinde de curentul de excitatie: in regim supraexcitat motorul sincron are factor de putere capacitiv, furnizand retelei de alimentare putere reactiva, reglabila, inlocuind o parte din bateriile de condensatoare de imbunatatire a factorului de putere.
intrefierul nu influenteaza factorul de putere, ca la motorul asincron si poate fi de 2 … 4 ori mai mare decat al acestuia, marindu-se astfel siguranta in functionare (se evita situatiile de avarie cand rotorul freaca statorul ca urmare a uzarii lagarelor).
   Cuplul electromagnetic depinde de puterea intai a tensiunii de alimentare incat motorul sincron nu este atat de sensibil la variatii de tensiune ca motorul asincron. La scaderea tensiunii, printr-o marire corespunzatoare a excitatiei (fortarea excitatiei) se poate pastra valoarea maxima a cuplului electromagnetic. La puteri peste 200 kW si turatii sub 600 rol/min, motoarele sincrone sunt mai ieftine decat motoarele asincrone iar la puteri peste 2 000 kW, masa lor este CU 10… 20 %  mai mica.
   Pornirea motorului sincron (care nu dezvolta cuplu de pornire sincron la frecventa constanta se poate face cu motor auxiliar (de lansare)sau in asincron. in perioada pornirii in asincron, care este cea mai folositei, infasurarea de excitatie se conecteaza la o rezistenta de descarcare (de 7 … 10 ori mai mare decit rezistenta infasurarii de excitatie), in scopul micsorarii tensiunii  induse de campul magnetic invirtitor in infasurarea inductorului, care poate depasi 10 kV, daca infasurarea de excitatie este deschisa si poate periclita izolatia dintre inelele colectoare. La atingerea  alunecarii minime (3 .. 5%) infasurarea de excitatie se deconecteaza de pe rezistenta de descarcare si se conecteaza la sursa de curent continuu de excitatie. Comanda automata a pornirii in asincron se poate face, in functie de timp (cu relee de timp), in functie de curentul statoric sau in functie de tensiunea indusa in rotor (cu relee de tensiune minima, polarizate).
   Reglarea curentului de excitatie urmareste asigurarea functionarii optime a motorului sub aspectul stabilitatii (la actionari cu socuri de sarcina), furnizarea puterii reactive maxime sau mentinerea factorului de putere optim.

II. Tipuri constructive de masini sincrone cu magneti permanenti

Statorul mașinilor sincrone cu magneți permanenți este similar cu al mașinilor asincrone, prezentând o înfășurare mono – bi – sau trifazată. Această înfășurare este introdusă în crestături sau poate fi concentrată în jurul unor poli aparenți, mai ales la generatoarele sincrone.

Pentru a evita demagnetizarea in timpul functionarii datorita campului magnetic de reactie, se utilizeaza pentru talpa polara un material de mare permeabilitate, pentru a dirija liniile de camp in afara magnetului(fig5.73)

Fig. Masina de curent continuu cu magneti permanenti:

1 – magnet permanent; 2 – jugul statoric; 3 – talpa polara din material de mare permeabilitate pentru dirijarea campului magnetic de reactive; 4 – rotor.

Pentru imbunatatirea performantelor se utilizeaza diferite sisteme constructive functie si de calitatile magnetului permanent.Pentru a se obtine o constructie compacta si o consolidare corespunzatoare cu mentinerea performantelor tehnice se poate utiliza varianta din figura…..

Fig.. Motor de curent continuu cu magneti permanenti:

1- carcasa din aluminiu; 2- magnet permanent; 3- polul masinii; 4- sectie in comutatie;

5- rotor; 6- talpi de prindere; 7- ax.

Campul magnetic de reactie care se inchide prin talpile polare si magnetii permanenti se afla in afara acestui camp.La o astfel de constructie tehnologia de realizare este mai costisitoare.O varianta simpla din punct devedere tehnologic este cea din figura …. insa performantele tehnice sunt mai scazute;campul de reactie se inchide prin magnetii permanenti, fapt care produce o demagnetizare a acestora, liniile de camp se inchid prin partea laterala a magnetului si in consecinta sunt micsorate performantele acestuia.

In figura …. se prezinta o masina de c.c. cu magneti permanenti si cu poli auxiliari.Chiar si in cazul cand magnetii permanenti au o inductie magnetic mica, sub pol se obtine inductia magnetica corespunzatoare datorita faptului ca suprafata polului magnetului permanent este mai mare decat suprafata polului masinii.

Fig…..Configuratia circuitului magnetic al unui motor de current continuu cu magneti permanenti din ferita de bariu (constructive avantajoasa tehnologic)

Fig……Motor cu magneti permanenti si poli auxiliari:

1 – magnet permanent; 2 – pol principal: 3- crestatura pentru dispunerea infasurarii polilor auxiliari; 4 – infasurarea polilor auxiliari; 5 – polii auxiliari: 6 – linii ale campului magnetic creat de infasurarea auxiliara; 7 – linii ale campului magnetic determinate de magnetii permanenti.

O constructie tipica pentru magnetii cu inductie mica se prezinta in figura …..Suprafata polara a celor doi magneti este mult mai mare decat suprafata polului masinii realizandu-se in acest fel o inductie magnetic corespunzatoare in intrefier.Constructia este compacta si simpla tehnologic.

Fig……Motor de curent continuu cu magneti permanenti cu inductie remanenta mica

1-jug statoric:2a si 2b-magneti permanenti.

Rotorul prezintă o mare diversitate constructivă din care se pot distinge variantele: în construcție normală (cu poli aparenți și colivie de pornire), (fig.2.1.a.b), cu poli gheară (fig.2.1.c).

În fig.2.1.a, roata polară-magnet permanent plasată pe un butuc neferomagnetic poartă la exterior o coroană lamelară, în care sunt turnate barele din Al, Cu sau aliaje, scurtcircuitate.

În fig.2.1.b, este prezentat un rotor din tole, în care sunt ștanțate locașurile unde se introduc pastilele din magneți permanenți precum și barierele de flux și crestăturile barelor înfășurării în colivie. Magneții sunt protejați de câmpurile puternic de reacție create de stator.

În fig.2.1.c, magnetul permanent are o formă de coroană cilindrică, magnetizată axial. Cele două șaibe feromagnetice masive prezintă gheare,care constituie polii mașinii. Câmpul magnetic iese dintr-o gheară N, traversează întrefierul, o porțiune a statorului, alt întrefier și se închide prin gheara vecină S.

Prezența magnetului axial exclude posibilitatea demagnetizării sale datorită câmpurilor de reacție ale statorului.

Ghearele masive permit pornirea acestor motoare datorită curenților turbionari induși, întocmai ca la motoarele asincrone cu rotor masiv.

CLASIFICAREA MICROMASINILOR SINCRONE

În funcție de principiul de conversie al energiei, μMS cu mișcare de rotație continuă se clasifică în:

sincrone cu magneți permanenți (de tip activ), μMS -MP;

sincrone cu reluctanță variabila (reactive) μMS-RV;

sincrone cu histerezis MS-H.

După modul de alimentare-comandă și caracterul mișcării realizate sincrone pot fi:

– cu alimentare și mișcare continue;

– cu alimentare prin impulsuri și mișcare innementală (pas cu pas).

După relația dintre viteza de rotație și viteza lor de sincronism, μM sincrone se clasifică în:

– normale (viteza de rotație egală cu viteza de sincronism ).

– reductoare (viteza de rotație un submultiplu al vitezei de sincronism).

Micromotoarele sincrone se construiesc într-o gama foarte largă de puteri, de la zecimi de watt până la zeci de kilowati, într-un domeniu larg de turație, de la 300 000 rot/min la 1 rot/min Constructiv aceste mașini sunt alimentate monofazat sau polifazat, astfel încât să se asigure în întrefier un câmp învârtitor care să antreneze rotorul într-o mișcare sincronă. Avantajul tuturor acestor micromotoare sincrone față de motoarele sincrone clasice constă în lipsa contactelor alunecătoare, a uzurii periilor și inelelor, a întreținerii ușoare, în posibilitatea funcționării lor în medii explozive.

Micromasini sincrone cu magneti permanenti

In prezent, masinile de curent continuu cu magneti permanenti se folosesc pe scara larga datorita imbunatatirii procedeelor de fabricatie si a performantelor acestor magneti.Avantajele mai importante ale acestor masini sunt:constructive mai simpla, greutate mai mica, dimensiuni de gabarit mai mici, pierderi reduse si deci randament ridicat.Masinile cu magneti permanenti au cost mai ridicat, deoarece magnetii permanenti au un cost ridicat; in plus isi pot modifica in timp caracteristicile fie prin imbatranirea magnetilor, fie sub influenta unor campuri magnetice puternice cu actiune demagnetizanta.Materialele cele mai utilizate in constructia magnetilor permanenti sunt aliaje pe baza de aluminiu, cobalt si crom; se mai folosesc feritele moi precum si magnetii ceramic.Caracteristica de baza a materialului magnetilor permanenti este curba de histerezis.Pentru magnetizarea magnetului permanent se folosesc bobine parcurse de curent continuu sau pulsuri puternice de curent care sa satureze materialul.Magnetizarea se face fie cu magnetul separat de circuitul magnetical masinii, fie cu magnetul inglobat in circuitul magnetic al acesteia.

În ultimul timp, o dată cu dezvoltarea producției de magneți permanenți cu performanțe îmbunătățite, din categoria acestora facand parte magnetii Neodim, s-a trecut la folosirea lor în excitarea mașinilor sincrone.

Caracteristici magneti Neodim:Magnetii neodim fier bor, cunoscuti ca si magneti din pamanturi rare sau neo magneti, ofera cea mai buna alegere cand sunt comparate performanta, dimensinea si costul. Magnetii neodim au un pret moderat si magnetii tipici din neodymium permit reducerea dimensiunii. Magnetii neo sau din pamaturi rare au rezistenta slaba la coroziune si trebuie sa fie imbracati sau placati. Atentie trebuie acordata tipului de aliaj atunci cand expunem magnetii neodymium fier bor (neo sau magneti din pamanturi rare) la temperaturi peste mediul ambiant .Magnetii neodim au o rezistenta buna la campurile externe de demagnetizare datorita fortei coercitive intrinseci (Hci) ridicate. Aceasta rezistenta face magnetii neodymium fier bor o alegere excelenta pentru aplicati electromecanice si nu numai.Magnetii densi din neodim fier bor „magneti neo- si magneti din pamanturi rare" sunt de obicei fabricati metalurgic dintr-o pulbere. Pulberea formata din neodim fier bor cu dimensiune de microni este produsa intr-o atmosfera de gaz inert si apoi compactata intr-o matrita de otel sau de cauciuc. Matrita de cauciuc este comprimata pe toate partile de lichide si este numita presare izostatica. Matritele de otel produc forme identice cu produsul final, in timp de matrita de cauciuc va crea numai blocuri mari de neodim fier bor. Performanta aliajului neodim fier bor in ambele metode de compactare este optimizata prin aplicarea unui camp magnetic, inainte sau in timpul operatiei de presare. Acest camp aplicat confera o directie preferata de magnetizare sau de orientare pentru aliajul magnetului neodim fier bor.Alinierea particulelor rezulta intr-un aliaj anizotropic si imbunatateste semnificativ inductia reziduala (Br) si alte caracteristici magnetie ale magnetilor finali numiti si „neomagneti”. Dupa presare, neo „neodymium fier bor” magneti sunt sinterizati si tratati la cald pana ating conditia lor deplin densa. Magnetii presati din neodim fier bor ajung astfel la dimensiunea finala, pe cand magnetii bloc rezultati prin metoda presarii in matrita de cauciuc sunt de obicei indreptati pe masini mari de taiat si apoi taiati in geometria finala. Aliajele presate isostatic au proprietati magnetice mai ridicate decat materialul presat simplu, dar poate sa le lipseasca uniformitatea. Alegerea metodei de fabricare a magnetilor neodim fier bor este de obicei determinata de aplicatia dorita .

Caracteristicile de temperatura ale magnetilor neodymium fier bor (NdFeb)

Magnetii sinterizati neodim fier bor "neo pamanturi rare" sunt sensibili la demagnetizare atunci cand sunt expusi la temperaturi mari. Exista mai multe clase care pot rezista la temperaturi ridicate, dar mai multi factori vor determina performantele magnetilor neodim fier bor. Una dintre cele mai pertinente variabile este geometria magnetului neo sau din pamanturi rare sau a circuitului magnetic. Magnetii neodim care sunt relativ subtiri in sectiunea transversala la pol (lungimea magnetului/ aria polului) se vor demagnetiza mai usor decat magnetii neodim care sunt grosi. Geometriile magnetice folosind placi de suport sau coliere vor raspunde mai bine la temperaturi crescute. Temperaturile de functionare maxima recomandate sunt listate in pagina caracteristicilor magnetice ale magnetilor neodim si nu iau in calcul toate conditiile de geometrie ale acestora. Diferitele elemente care compun un magnet de neodim sunt: neodim praseodim (PRND), fier (Fe), bor fier (Fe-B) si disprosiu fier (DyFe).

Caracteristicile la coroziune ale magnetilor” neodymium “(tratamentul suprafetei)

Magnetii din neodim sunt foarte sensibili la coroziune. O varietate de optiuni de acoperire si placare sunt disponibile pentru a proteja magnetul neo de mediul inconjurator. Oxidarea rapida a magnetilor necesita o pregatire riguroasa a suprafetei inainte de acoperire sau placare. Cele mai multe instalatii de tratare a suprafetelor magnetilor de neodim fier bor nu sunt adaptate pentru acest tip de aliaj magnetic si nu pot sa le acopere sau placheze cu succes. Aliajul de NeodimFierBor nu poate sa fie acoperit ca alte aliaje metalice si se vor coroda din interior spre exterior daca nu este realizat corect.

Prelucrarea magnetilor din neodymium

Magnetii neodim din pamanturi rare sunt produsi dintr-un material foarte dur si casant. In medie, duritatea acestui material este 58 Rc si masinile-unelte conventionale de prelucrat si taiat sunt inadecvate. Duritatea combinata cu structura granularacristalina nu permite utilizarea instrumentelor cu carbid. Instrumente cu diamant, masini de descarcare electrostatica (EDM) si anumite abrazive reprezinta metodele conventionale de fabricare pentru aliajele magnetice din neodim sau pamanturi rare. Alta preocupare in prelucrare este volatilitatea ridicata a pulberii sau spanul din slefuirea uscata. Aceste particule pot arde in timpul prelucrarii sau in containerele de depozitare a aschiilor. Prelucrarea va elimina de asemenea suprafata aliajului neodim fier bor si il va face mai sensibil la coroziune. Cele mai multe materiale magnetice sunt prelucrate in stare nemagnetizata. Odata ce operatiunile de fabricare si curatare sunt complete magnetul este magnetizat pana la saturatie.

Procesul de magnetizare al magnetilor neodymium

Magnetii neodim, cunoscuti si ca neomagneti, sunt magneti din pamanturi rare care cer un camp puternic de magnetizare. Campurile puternice de magnetizare au nevoie echipament special si magnetii din neodim nu sunt, in general, magnetizati de catre clienti. Natura anisotropica a magnetilor neodim sinterizati rezulta intr-o singura directie de magnetizare. Directia trebuie observata atunci cand sunt magnetizati si apoi magnetul este integrat in ansamblul final rezultat. De multe ori este folosit un indicator pentru a marca un pol anume al magnetului neodim-fier-bor (NdFeB) in procesul de asamblare. Acest indicator poate fi un simplu punct de vopsea de o anumita culoare sau o marca gravata cu laser.Campul mare necesar pentru magnetizarea magnetului NeodimFierBor va restrictiona de multe ori designul si forma magnetului neodim sau ansamblul magnetic din neodium.In tabelul urmator sunt prezentate cateva dintre tipurile constructive de magneti neodium :

Magnet Neodym

Ce inseamna specificatiile N42, N4, N50?

Magneti neodim – inel

Magnetii neodim inel sunt magneti mai greu de fabricat datorita formei lor.

Majoritatea magnetilor neodim tip inel au polii pe suprafetele circulare plate (magnetizare axiala). Exceptie face magnetul HR-10-07-03-N care este magnetizat diametral, campul magnetic este paralel cu diametrul. Acesti magneti neodim, chiar daca au gaura nu sunt potriviti pentru a fi folositi cu suruburi.
Magnetii neodim tip inel pot avea diametre cuprinse intre 6 mm si 60 mm.

III. Prezentarea standului pentru studiul microgeneratorului cu magneti permanenti

Standul pentru studiul microgeneratorului cu magneti permanenti prezentat in continuare se compune din:

-Cutie metalica suport aparate (desen anexa)

-Motor electric actionare microgenerator

-Cuplaj elastic (asigura legatura dintre motor si microgenerator)

-Microgenerator cu magneti permanenti

-Suport sustinere microgenerator

-Tahometru(pentru masurarea turatiei)

-Senzor de proximitate

-Variator de turatie

-Buton pornit/oprit

-Borne- 12 bucati, (culoare rosie) pentru inceputurile bobinajului statoric al microgeneratorului

-Borne- 12 bucati, (culoare negru) pentru sfarsiturile bobinajului statoric al microgeneratorului

-Releu termomagnetic (GV2ME08/2,5-4A) pentru protectia la supracurent a electromotorului

Fig. Stand pentru studiul microgeneratorului cu magneti permanenti

IV. Constructia generatorului sincron cu magneti permanenti

Generatorul sincron transforma energia mecanica primita pe la arbore de la motorul primar, care in acest caz este un motor asincron cu colector provenit de la o masina de spalat, in energie electromagnetica cedata pe la borne. In constructie normala, rotorul(inductorul)masinii este antrenat cu viteza unghiulara Ω intr-un anumit sens de catre motorul sau primar, care dezvolta un cuplu activ Ma.Microgeneratorul sincron cu magneti permanenti prezentat pe stand este realizat in constructie “ inversa”, in sensul ca rotorul reprezinta partea fixa(indusul), iar inductorul, realizat dintr-un magnet permanent , cilindric de tip Neodium se roteste in jurul statorului(fix) .In continuarea descrierii standului pentru studiul microgeneratorului cu magneti permanenti, si in realizarea microgeneratorului vom folosi notiunea de “stator” in loc de” rotor”.Inductorul, antrenat de motorul primar produce un camp magnetic invartitor de viteza unghiulara ce se roteste in acelasi sens cu inductorul.Corespunzator acestui camp, spirele infasurarii de faza ale statorului(indus) sunt parcurse de un flux φ variabil in timp,dand nastere in infasurarile polifazate ale acestuia la o tensiune care depinde de numarul de spire ale infasurarii si de turatia motorului primar.Indusul a fost confectionat din rotorul unui polizor unghiular “BOSCH”de 750w, la care dupa indepartarea bobinajului original si a colectorului, au fost prelucrate cotele pentru rulmenti cat si diametrul exterior al acestuia.Prelucrarea diametrului exterior a necesitat o atentie deosebita deoarece cu cat intrefierul (distanta pe raza dintre interiorul magnetului si indus) este mai mica cu atat si performantele generatorului sunt mai bune, aerul fiind cel mai greu de magnetizat.

Fig.1 A

In figura 1A si 1B este reprezentat statorul dupa indepartarea bobinajului vechi si prelucrarile mecanice, inclusive cotele de rulment.Datele tehnice ale rotorului sunt urmatoarele:

diametrul exterior: 41 mm

lungimea pachetului de tole: 46 mm

lungimea totala a rotorului: 140 mm

numarul de canale(crestaturi) ale rotorului:12

Pentru rebobinare s-a ales varianta bobinajului ondulat cu scoaterea capetelor de bobine (inceputuri si sfarsituri) in exterior deoarece s-a renuntat la colector.In mod normal pentru ca tensiunea electromotoare indusa intr-o sectie (bobina) sa fie maxima, trebuie ca pasul elementar y1 sa fie egal cu pasul polar, adica:

y 1=τ =Ze/2p 2p=2

Fig.1 B

In cazul nostru y1=12/2=6 crestaturi, adica manunchiul de ducere se va afla in crestatura 1 iar manunchiul de intoarcere a aceleiasi sectiuni in crestatura6.

Bobinaj ondulat Bobinaj buclat

Bobinajul s-a executat manual, cu 70 spire pe manunchi, cu conductor de bobinaj de cupru Cu ET1 ,Ø 0,4.Specificatia simbolurilor este urmatoarea:

-Cu –conductor de bobinaj din cupru

-ET1 –conductor acoperit cu un strat de email tereftalic

-Ø 0,4 – diametrul conductorului de bobinaj

Dupa bobinaj manunchiurile din crestatura au fost fixate cu ajutorul unor baghete din textolit de 1mm , iar apoi impregnate cu lac electroizolant pentru consolidare.Dupa impregnare statorul a fost uscat in cuptor la 80°C timp de 48h.

Fig……

Fig….

Constructia rotorului este realizata dintr-un magnet permanent de tip Neodim –inel, care este mai greu de fabricat datorita formei sale.

Acesta este de tipul HR-10-07-03-N care este magnetizat diametral, campul magnetic este paralel cu diametrul.Caracteristicile si performantele magnetilor Neodim au fost descrise pe larg in capitolul II.

Dimensiunile constructive ale magnetului sunt urmatoarele:

– diametru interior 41,5 mm

– diametru exterior 53,5 mm

– lungime 46 mm

Magnetul este incasetat intr-o carcasa din otel (OL 37) al carei desen cu cotele de prelucrare si desen sunt prezentate in anexe.Dupa introducerea magnetului in caseta , au fost aplicate cele doua flanse exterioare la capetele acesteia , avand prelucrate la interior cotele de rulment care au fost introdusi pe axul statorului.Rulmentii folositi sunt 6007 ZZ si 607 ZZ .O flansa asigura legatura dintre microgenerator si cupla elastica a electromotorului, iar cealalta prinderea si consolidarea cu ajutorul unui suport in “T”de stand.

Fig…..Magnet neodim.Vedere transversala

Fig ….Magnet neodim. Vedere longitudinala

Fig…..elementele componente ale microgeneratorului

Scheme de conexiuni pentru infasurarile microgeneratorului

Datorita faptului ca inceputurile si sfarsiturile bobinajului statoric au fost scoase in exteriorul microgeneratorului (12 inceputuri si 12 sfarsituri) , se pot realize mai multe modalitati de conexiuni ale acestora pentru a determina varianta cea mai avantajoasa.In continuare vom enumera cateva posibilitati de conexiuni ale bobinajului statoric:

– conexiune serie

– conexiune paralel

– conexiune serie-paralel

– conexiune in doua cai de curent

-conexiune in patru cai de curent

– conexiune in doua cai de curent(cu legarea in stea sau triunghi)

– conexiune in doua cai de curent(cu legarea in stea sau triunghi)