Proiectarea Unui Motor cu Magneti Permanenti de Tip Smco

=== 7148389e2aae8c335bcfbecfb65a7fd11e54f596_32237_1 ===

UNIVERSITATEA CCCCCCCCCCC

FACULTATEA GGGGGGGGGGGG

Specializarea: ggggggggggggggggggggggggggggg

LUCRARE DE LICENȚĂ

Proiectarea unui motor cu magneți permanenți de tip SmCo

Conducător științific,

Prof. dr. Ing. GGGGGGGGGG

Student:

HHHHHHHHHHHHHHH

2014

CUPRINS LUCRARE

DEFINIȚII ȘI ABREVIERI

Definiții

Abrevieri

JT – joasă tensiune

MT – medie tensiune

ÎT – înaltă tensiune

CEI – International Electrotechnical Commission

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers

UE – Uniunea Europeană

SE – sistem energetic

ESD – Electrotstatic Discharge

PRAM – Protecții prin Relee, Automatizări și Măsurări

SEN – Sistem Electroenergetic Național

MSMP – Mașini sincrone cu magneți permanenți

INTRODUCERE

Actualiatea temei

În secolul al XX-lea, acționările electrice au avut o dinamică spectaculoasă și aceasta datorită realizărilor de prestigiu din domeniul electronicii de putere.

Pentru acționările de viteză constantă sunt folosite, în special, mașinile asincrone și cele sincrone. Cele mai numeroase sunt acționările electrice ce folosesc mașinile asincrone cu puteri între circa 0,1 KW și 400 KW. Ca pondere numerică, după unele statistici, mașinile asincrone reprezintă 90% din totalul mașinilor utilizate, dar, numai 50 – 55% ca pondere, în privința puterii instalate. Pentru sistemele de acționări electrice reglabile sunt folosite mașinile de curent continuu în proporție de 70%, mașinile asincrone și sincrone în proporție de 15%, iar alte 15% sunt acționări ce presupun folosirea ambreiajelor electromagnetice. Această “distribuție” a utilizării mașinilor electrice este, însă, într-o permanentă schimbare.

În acționările automatizate din diverse procese industriale, se urmărește ca viteza de rotație (fixă sau reglabilă) să nu fie influențată de diverși factori perturbatori posibili în exploatare.

În diverse aplicații, aceasta poate fi realizată prin introducerea traductoarelor și buclelor de reacție externe, cascadate, mai mult sau mai puțin complexe. Aceste bucle de reacție asigură corectarea/diminuarea/eliminarea eroărilor care apărute în sistem.

Una dintre soluțiile simple este utilizarea buclelor de reacție interne, care să asigure ca fără corecții externe, viteza sau poziția rotorului motorului electric, să fie cea dorită. O mașină electrică cu astfel de proprietăți este motorul sincron.

Un criteriu de clasificare important este după principiul de conversie al energiei electrice. Aici, motoarele sincrone se împart în patru categorii și anume:

motoare sincrone cu excitație electromagnetică;

motoare sincrone cu magneți permanenți;

motoare sincrone cu reluctanță variabilă;

motoare sincrone cu histerezis.

În lucrarea de față vom aborda motoarele sincrone din categoria a doua: „Motoare sincrone cu magneți permanenți”.

De-a lungul studiilor efectuate de către specialiștii din domeniu, motoarele sincrone cu magneți permanenți, pentru puteri medii și mici, reprezintă cea mai bună soluție din punct de vedere tehnico-economic. Pentru puteri mari și foarte mari, sunt indicate motoarele sincrone cu excitație electromagnetică, iar pentru acționări de putere redusă, sunt recomandate motoarele cu histerezis.

Avantajele utilizării motoarelor cu magneți permanenți

simplitate constructivă asigurându-se o fiabilitate ridicată:

fără contacte alunecătoare;

fără perii și inele.

își mențin viteza neschimbată, indiferent de perturbațiile tensiunii din rețea;

sunt silențioase în funcționare.

Aplicații în care pot fi utilizate:

în medii explozive sau corozive, în industria petrolului, chimiei sau a mineritului;

în acționarea automobilelor electrice, a avansurilor la mașini-unelte, a sistemelor automate de poziționare.

în antrenarea grupurilor inerțiale ce asigură alimentarea calculatoarelor electronice, (datorită faptului că își mențin viteza neschimbată, indiferent de perturbațiile tensiunii din rețea);

în antrenarea ventilatoarelor instalațiilor de aer condiționat, a ventilatoarelor calculatoarelor și echipamentelor electronice de putere (datorită faptului că sunt silențioase în funcționare).

Scopul și obiectivele lucrării

Scopul proiectului:

Prezentarea stadiului actual în domeniul mașinilor electrice, în special a motoarelor cu magneți permanenți.

Analiza succintă a diferitelor tipuri de motoare cu magneți permanenți.

Proiectarea unui motor cu magneți permanenți.

Obiectivele proiectului:

Obiectivul principal al acestei lucrări constă în prezentarea motoarelor cu magneți permanenți, precum și proiectarea acestuia.

Conținutul lucrării

Lucrarea este structurată în 5 capitole după cum urmează:

În Capitolul 1 intitulat “Introducere” sunt prezentate:

Importanța și actualitatea temei propuse a fi prezentate;

Scopul și obiectivele lucrării realizate;

Rezumat al conținutului lucrării.

Capitolul 2 intitulat “Mașini electrice cu magneți permanenți (MMP)”, abordează succint, următoarele subiecte:

Elemente constructive ale mașinilor cu magneți permanenți;

Tipuri constructive întâlnite;

Caracteristicile mașinilor cu magneți permanenți.

Capitolul 3 intitulat “Materiale magnetice utilizate la mașini cu magneți permanenți”, prezintă:

Analiza performanțelor și a caracteristicilor materialelor magnetice moi (tipuri de aliaje feromagnetice, caracteristici de magnetizare, caracteristici de pierderi, parametrii caracteristici, etc.)

Analiza performanțelor și a caracteristicilor materialelor magnetice dure (tipuri de magneți permanenți, caracteristici de magnetizare/ demagnetizare, parametrii caracteristici, etc.)

Evaluarea performanțelor magneților permanenți pe baza de SmCo (firme producătoare din prezent, clasificarea magneților pe baza de Samariu-tipuri)

Capitolul 4 intitulat “Modelarea și simularea funcționării MMP”, prezintă:

– caracteristici ale MMP (cuplu-turatie, etc.)

– modelarea clasica-ecuatii, modele noi

Capitolul 5 intitulat “Proiectarea unui motor cu magneți permanenți de 2kW (Date motor MMP; geometrie; parametrii schemei echivalente a MMP studiat)”, prezintă.

Capitolul 6 intitulat “Validarea modelului propus”, prezintă

simulari/ determinari experimentale la functionarea in gol si la diferite tipuri de sarcina la arbore

Lucrarea se încheie cu Concluzii generale și contribuții personale iar la final cu Bibliografie.

MAȘINI ELECTRICE SINCRONE CU MAGNEȚI PERMANENȚI (MSMP)

Odată cu dezvoltarea magneților permanenți, trecând la cei cu performanțe îmbunătățite, aceștia au fost utilizați în excitarea mașinilor sincrone. Această soluție a condus la avantaje importante, pe care le-am specificat și în capitolul anterior:

construcție simplă – fără contacte alunecatoare și înfășurare de excitație;

fiabilitate sporită;

dimensiuni și greutăți specifice reduse;

randamente superioare.

În anumite condiții motoarele cu magneți permanenți pot funcționa la cos φ = 1 sau chiar capacitiv (în regim de compensator sincron, când se comportă ca o baterie de condensatoare, livrând putere reactivă) ceea ce constituie un avantaj important în comparație cu motoarele asincrone și, chiar cu cele sincrone reactive.

Actual, motoarele cu magneți permanenți sunt utilizate frecvent în acționări de viteză reglabilă, fiind alimentate prin convertizoare de frecvență, în industria chimică sau textilă, în medicină, în cinematografie, în sisteme automate, etc.

Construcția motoarelor sincrone cu magneți permanenți

Ca orice mașină electrică și mașina sincronă cu magneți permanenți are două elemente constructive principale:

statorul mașinii;

rotorul mașinii.

Motoarele sincrone se pot clasifica după mai multe criterii. Unul dintre critetriile principale de clasificare este după tipul de material magnetic utilizat.

Un alt criteriu de clasificare este după direcția câmpului magnetic și anume:

cu câmp magnetic radial, așa-numitele motoare cu rotorul cilindric;

cu câmp magnetic axial, așa-numitele motoare cu rotor disc.

Configurația constructivă clasică a motroarelor cu câmp magnetic radial, este prezentată în Fig. 2.1.

Fig. 2.1. Elementele constructive ale motorului sincron

cu magneți permenenți cu câmp radial.

Statorul mașinilor sincrone cu magneți permanenți.

Din punct de vedere constructiv este asemănător cu cel al mașinilor asincrone, fiind prevăzut cu o înfășurare monofazată, bifazată sau trifazată, introdusă în crestături.

În cazul generatoarelor sincrone, înfășurarea statorică poate fi concentrată, în jurul unor poli aparenți.

Statorul motoarelor sincrone cu magneți permanenți este prevăzut cu o înfășurarea repartizată în crestături.

Rotorul mașinilor sincrone cu magneți permanenți.

Prezintă o mare diversitate constructivă. În cazul motoarelor cu magneți permanenți cele mai utilizate variante sunt cele prezentate în cele ce urmează [1], [2].

Motoare sincrone cu câmp (flux) magnetic radial

Fig. 2.2. Motorul sincron cu magneți permanenți cu flux radial.

În figura de mai sus se poate remarca direcția radială a fluxului magnetic produs de curentul care circulă în directie axială prin înfășurarea statorică. Motoarele sincrone cu flux radial (MSFR) sunt cele mai ușor și cele mai ieftin de fabricat, cu atât mai mult cu cât statorul este similar cu statorul mașinilor asincrone.

Un dezavantaj este că sunt mai voluminoase decât motoarele cu flux axial (MSFA). Motoarele sincrone cu flux radial se pot reliza în diferite configurații, după cum se prezintă mai jos.

Motoare cu magneți la suprafață și rotor interior

Configurația unui astfel de motor este prezentata în Fig. 2.3.

Fig. 2.3. Secțiune transversală prin motorul sincron cu magneți la

suprafața rotorului și rotor interior (o pereche de poli).

După cum se poate remarca, în cazul acestor motoare, magneții sunt plasați pe suprafața rotorului interior, constituind cea mai frecventă configurație.

Principalele avantaje al acestui tip de motoare:

simplitatea constructivă;

prețul de cost mai mic în comparație cu al altor motoare cu magneți permanenți.

Dezavantajul major al acestei soluții constructive:

magneții permanenți sunt expuși câmpurilor de demagnetizare;

magneții sunt supuși forțelor centrifugale care pot provoca desprinderea lor de rotor.

Deoarece forțele centrifuge cresc pe măsură ce crește și viteza de rotație, motoarele de acest tip sunt frecvent utilizate în aplicații care necesită viteze mici ce antrenare.

Motoare cu magneți la suprafață și rotor exterior

Această soluție constructivă este prezentată în Fig. 2.4. Motorul este constituit dintr-un stator bobinat plasat în centrul mașinii, iar magneții permanenți sunt plasați pe circumferința interioară a rotorului exterior. Motoarele astfel construite prezintă unele avantaje:

Diametrul rotorului este mai mare decât în cazul motoarelor cu flux radial convenționale, ceea ce permite execuția unui număr mare de poli.

Fig. 2.4. Secțiune transversală prin motorul sincron cu magneți la

suprafața rotorului și rotor exterior (o pereche de poli).

Forțele centrifuge apărute în timpul mișcării de rotație a rotorului presează magneții pe suprafața rotorului, astfel încât detașarea acestora este puțin probabilă.

Motoare cu magneți inserați

Ca și motoarele sincrone prezentate anterior, motoarele cu magneți inserați au magneții montați la suprafața rotorului. Cu toate acestea, spațiul dintre magneții permanenți este ocupat parțial cu material feromagnetic, după cum se poate observa în Fig. 2.5.

Fig. 2.5. Secțiune transversală prin motorul sincron

cu magneți inserați (o pereche de poli).

Fierul dintre magneții permanenți crează o proeminență și produce un cuplu electromagnetic de reluctanță pe lângă cuplul produs de magneți.

Motoare cu magneți înglobați

Un alt mijoc de a plasa magneții permanenți este de a-i îngloba în miezul feromagnetic al rotorului. Avantajul oferit de motoarele sincrone cu magneți îngropați este constituit de faptul că există posibilitatea concentrării fluxului produs de magneți în rotor și astfel să se obțină inducții mari în întrefier. În plus, magneții înglobați sunt bine protejați împotriva fenomenului de demagnetizare și al solicitărilor mecanice.

Există multe posibilități de a îngloba magneții permanenți în rotor. În cele ce urmează se vor prezenta cele mai utilizate două configurații.

Magneți permanenți în formă de V

În această configurație (Fig. 2.6), doi magneți pentru fiecare pol sunt plasați pe două direcții ce formează un anumit unghi, căpătând astfel forma literei „V”. Între extremitățile magneților plasați în V și întrefier, există două briere de fier.

Principalul dezavantaj al acestor motoare îl constituie existența barierelor feromagnetice.

Grosimea minimă a barierei este limitată din considerente de ordin mecanic. Din această cauză, o mare parte din fluxul magneților permanenti se pierde prin aceste bariere în loc să străbată întrefierul, contribuind la producerea cuplului electromagnetic.

Fig. 2.6. Secțiune transversală prin motorul sincron

cu magneți în V (o pereche de poli).

Motoarele cu magneți în V nu sunt recomandate în cazul aplicațiilor care impun un număr mare de poli ai mașinii. Cu cât crește numărul de poli, cu atât se micșorează spațiul alocat magneților și cu atât mai mic va fi unghiul dintre cei doi magneți plasați în V. Datorită acestui fapt, materialul feromagnetic dintre aceștia se poate satura foarte ușor, dacă unghiul este prea mic.

Un alt dezavantaj al acestui tip de motoare constă în necesitatea utilizării unui număr mare de magneți permanenți, ceea ce conduce la creșterea prețului de cost.

Magneți permanenți magnetizați tangențial

În această variantă de motor sincron cu magneți înglobați, rotorul constă într-un ansamblu de piese feromagnetice și magneți permanenti, fixațe împreună pe u n arbore din material neferomagnetic (Fig. 2.7). daca arborele ar fi confecționat din material feromagnetic, o mare parte din fluxul produs de magneții permanenți s-ar pierde prin arbore.

Fig. 2.7. Secțiune transversală prin motorul sincron cu magneți

tangențial magnetizați (o pereche de poli).

Dezavantajul acestui tip de motor constă în numărul cu atât mai mare de piese feromagnetice și magneți permanenți ce trebuie ansamblate, cu cât numărul de poli este mai mare. În aceste condiții, pot apare dificultăți de ordin mecanic și tehnologic.

Însă, în comparație cu varianta anterioară, acest tip de motor nu conține nici o barieră feromagnetică, ceea ce face ca fluxul de scăpari să fie foarte mic.

Motoare cu magneți permanenți cu poli gheară

Configurația rotorului cu magneți permanenți cu poli gheară este prezentată în Fig.2.8.

Fig. 2.8. Rotorul cu magneți permanenți și poli gheară.

În figura de mai sus, magnetul permanent are o formă de coroană cilindrică, magnetizată axial. Cele două șaibe feromagnetice prezintă gheare care constituie polii mașinii. Traseul câmpului magnetic este următorul: iese din gheara N, traversează întrefierul, o porțiune a statorului, alt întrefier și se închide prin gheara vecină S.

Construcțiile cu poli gheară au avantajul obținerii unui câmp magnetic inductor uniform în întrefier, în dreptul ghearelor.

Prezența magnetului axial exclude posibilitatea demagnetizării sale de către câmpul de reacție al statorului. Ghearele masive permit pornirea acestor motoare, datorită curenților turbionari induși, întocmai ca la motoarele asincrone cu rotor masiv.

Din punct de vedere tehnologic, toate rotoarele cilindrice prezentate anterior, cu excepția celor cu poli gheară, se realizează din tole de tablă silicioasă, în care sunt ștanțate locașurile pentru magneți. Pentru realizarea porțiunilor nemagnetice ale rotoarelor în zona dintre magneți și arbore, se utilizează aluminiul turnat.

Motoare sincrone cu câmp (flux) magnetic axial

Motoarele sincrone cu flux axial (MSFA) constituie o soluție pentru aplicațiile care impun viteze mici de antrenare. În comparatie cu motoarele sincrone cu flux radial, motoarele cu flux axial se caracterizează printr-un diametru mare și o lungime relativ mică (Fig. 2.9).

Fig. 2.9. Motor sincron cu magneți permanenti

și flux axial (MSFA).

După cum indică și numele acestui tip de motor, conform figurii de mai sus, fluxul magnetic se închide axial, iar curentul circulă în direcție radială.

Există diferite tipuri de motoare sincrone cu flux axial (MSFA), însă configurația cea mai conună este ces denumită în lucrările de specialitate machina în formă de tor (“torus machine”), prezentată în Fig. 2.10.

Fig. 2.10. MSFA de formă toroidală („torus machine”).

În această configurație, statorul este plasat între două rotoare laterale care sunt fixate rigid de arbore. Magneții permanenți ale celor două rotoare sunt plasați în opoziție unii față de ceilelți, iar statorul are o formă toroidală, nefiind prevăzut neaparat cu crestături.

Principalele avantaje ale unei astfel de motor constau în:

Motorul este compact și ușor, cu lungime axială redusă.

Realizează o bună ventilație a înfășurărilor staorului.

Absența crestăturilor și întrefierul relativ mare, determină cupluri de agățare neglijabile, pierderi de înaltă frecvență reduse și zgomot redus în funcționare.

Oferă posibilitatea de a amplsa pe acelasi arbore mai multe discuri statorice și rotorice, pentru a mări suprafața efectivă a întrefierului.

Principalul dezavantaj al acestei masini constă în complexitatea operațiilor de sasmblare, datorită forțelor axiale.

Motoare sincrone cu magneți permananți și autopornire

Un motor sincron cu cu magneți permanenți și autopornire (line-start synchronous motor) sau MSMPA, este un motor sincron cu magneți permanenți, al cărui rotor este prevăzut cu o colivie de pornire (Fig. 2.11). Colivia, similară cu cea a unui motor asincron, are rolul de a permite porinrea motorului sincron prin conectare direct la rețea, fără a mai fi nevoie de a se utiliza un convertor tensiune – frecvență. Motorul pornește în asincron datorită coliviei cu care este dotat rotorul și în regim staționar funcționează în sincronism. În Fig.2. 12, se prezintă secțiunea transversală prin rotorul unui motor cu magneții la suprafața rotorului și colivie de pornire.

Colivia de pornire îndeplinește și rolul de a amortiza oscilațiile rotorului în timpul regimurilor tranzitorii de funcționare.

Există în prezent tendința ca motoarele sincrone cu magneți permanenți cu autopornire să înlocuiască motoarele asincrone, având avantajul unui randament și a unui factor de putere mai bun.

Fig. 2.11. Secțiune transversală prin motorul sincron cu magneți permanenți

și autopornire (o pereche de poli).

Fig. 2.12. Secțiune transversală prin motorul sincron cu magneți permanenți

la suprafața rotorului și colivie rotorică.

În schimb, aceste motoare au capacitate de pornire mai mică și pret de cost mai ridicat. Ele nu sunt încă foarte răspândite în domeniul acționărilor electrice deoarece proiectarea lor este în prezent suficient de complicată și sunt mai scumpe decât motoarele asincrone.

Caracteristicile mașinilor sincrone cu magneți permanenți

Spre deosebire de mașinile sincrone clasice, care sunt mai des utilizate, în regim de generator, mașinile sincrone excitate cu magneți permanenți sunt utilizate, cu preponderență, ca motoare. Cea mai importantă caracteristică a acestor mașini este reprezentată de caracteristica unghiulară, M = f(θ).

La fel ca la mașinile sincrone clasice (pentru simplitate, în analiză, se va considera cazul mașinilor sincrone cu poli înecați), dacă θ0 ≤ 0 (θ0 fiind unghiul inițial de poziție al rotorului, legat de unghiul intern al mașinii, δ prin relația:

(2.1)

și neglijând rezistența înfășurării statorice (R = 0), pentru cuplul electromagnetic dezvoltat de motor (considerat trifazat) se obține:

(2.2)

în care: U – tensiunea de fază statorică;

Ef0 – tensiunea indusă prin mișcarea magnetului permanent;

ω – pulsația curenților statorici;

Xs – reactanța sincronă.

Pe baza relației (2.2) se pot trasa caracteristicile unghiulare ale motorului. În realitate, valoarea maximă a cuplului sincron depinde, într-o măsură importantă, de valoarea rezistenței statorice.

(2.3)

unde: m – cuplul relativ la cuplul maxim.

Cuplul maxim se obține pentru δ = 0 și Ef0 = UN, și are expresia:

(2.4)

Expresia cuplului electromagnetic (când nu se neglijează rezistența R) este prezentată în relația (2.5):

(2.5)

Notând b = R/Xs, rezultă expresia cuplului relativ:

(2.6)

Valoarea maximă a cuplului m se obține pentru b = ctg|θ0| și are expresia:

(2.7)

Pentru b = 0, rezultă:

(2.8)

iar pentru θ0 = 0, se obține m = 0, indiferent de valorile lui b.

În Fig. 2.13, sunt reprezentate caracteristicile unghiulare m = f(θ0) pentru regimul de funcționare ca motor, pentru diferite valori ale lui b.

Fig. 2.13. Caracteristicile unghiulare ale mașinii sincrone

cu magneți permanenți.

Cuplul maxim și zona de funcționare stabilă se diminuează odată cu creșterea rezistenței statorice.

Din relația (2.5) se deduce faptul că, pentru rezistențe statorice mici, cuplul maxim crește odată cu Ef0. În concluzie, se obțin performanțe bune dacă magneții permanenți posedă inducții remanente cât mai mari.

Motoarele cu magneți permanenți lucrează cu o capacitate de suprasarcină de 1,5 – 2 , dacă unghiul |θ0| are valori de 300 – 400 [1].

În situațiile în care pornirea motoarelor sincrone cu magneți permanenți se face în asincron, proiectarea coliviei de pornire trebuie să aibă în vedere condițiile concrete în care se face pornirea: la cupluri de sarcină reduse sau la cupluri de sarcină mari. Curenții în regim de pornire ajung ca și la motoarele asincrone, la valori de 6 – 8 ori curentul nominal. Acest curent de valoare mare, produce un câmp magnetic care determină demagnetizarea magneților permanenți. Este motivul pentru care se iau măsuri de ecranare a magneților după locul de plasare a coliviei, precum și o stabilizare artificială a acestora.

În procesul tranzitoriu de pornire, are loc un fenomen specific motoarelor asincrone. La alunecări mari, fluxul magnetic continuu al rotorului induce în înfășurările statorului tensiuni de joasă frecvență, care creează în circuitul înfășurare – sursă curenți importanți, deoarece reactanța înfășurării este mică, iar a sursei este neglijabilă. Curenții care se închid prin înfășurarea statorică cu frecvența variabilă în funcție de viteza de rotație a rotorului, creează un cuplu de pornire suficient de mare de semn contrar, care determină o variație M = M(s) cu o „șea” în zona alunecărilor mari, conform Fig. 2.14. Există astfel posibilitatea ca motorul să nu ajungă la sincronism dacă la arbore se exercită un cuplu de sarcină mai mare decât minimul obținut pe caracteristica de pornire Mmin.

Fig. 2.14. Caracteristica M = M(s) a motorului cu magneți permananți,

în comparație cu cea a motorului asincron.

Pentru evitarea acestei situații se proiectează motorul subexcitat, astfel încât tensiunea indusă în regim de pornire să nu depășească anumite valori.

Motoarele sincrone cu magneți permanenți alimentate de la convertoare statice tensiune – frecvență, prezintă avantajul pornirii cu frecvență redusă la cuplu de sarcină nominal, cu curenții de pornire menținuți în limite impuse.

Reglajul vitezei acestor motoare se face prin modificarea frecvenței, caz în care, se menține raportul tensiune/frecvență (U/f) constant, pentru a asigura un flux constant în mașină [3].

Schema echivalentă a motorului sincron cu magneți permanenți

Similar cu motorul sincron excitat separat, motorul sincron cu magneți permanenți va fi studiat într-un referențile d – q solidar cu rotorul (Fig. 2.15). Datorită faptului că în timpul funcționării motorului rotorul își modifică în permanență poziția față de stator, la un moment oarecare de timp t, axa rotorică d, va face un unghi θr cu axa fixă statorică. Tensiunea magnetomotoare (t.m.m.) statorică, care se rotește cu aceeași viteză cu cea a rotorului, face cu un unghi δs cu axa d a rotorului [1, 2, 4].

Modelul unui motor sincron cu magneți permanenți într-un referențial solidar cu rotorul, rezultă în urma unor ipoteze simplificatoare :

Fig. 2.15. Refernțialul d – q solidar cu rotorul.

Se neglijează saturația circuitului magnetic a mașinii.

Tensiunea electromotoare indusă este de formă sinusoidală.

Pierderile prin histerezis și curenți turbionari se neglijează.

Curentul care generează câmpul magnetic este constant.

Ținând cont de aceste ipoteze simplificatoare, dacă în model se include și infășurarea de amortizare, ecuațiile tensiunilor vor fi de forma:

(2.9)

În relațiile (2.9), expresiile fluxurilor totale vor avea forma:

(2.10)

Fluxul ψPM produs de magneții permanenți, poate fi considerat a fi produs de un curent de excitație:

(2.11)

În acest fel, definirea fluxurilor mașinii nu se va abate de la semnificația lor din cazul mașinii sincrone clasice, excitată separat. Trebuie de precizat faptul că datorită fenomenului de saturație reflectat asupra inductanței de magnetizare Lmd, curentul iPM nu este constant.

Se constată faptul că dacă se include în modelul matematic al mașinii sincrone cu magneți permanenți și înfășurarea de amortizare, ecuațiile care definesc modelul sunt identice cu cele ale mașinii sincrone clasice din care lipsește ecuația circuitului de excitație.

Schema echivalentă care derivă din ecuațiile de mai sus este prezentată în Fig. 2.16.

Fig. 2.16. Schema echivalentă a MSMP într-un referențial d – q solidar cu rotorul.

Magnetul permanent poate fi reprezentat ca o sursă de curent iPM în circuitul rotoric. Acest curent produce împreună cu inductanța de magnetizare, fluxul din întrefier ψPM = LmdiPM.

În Fig. 2.17, se prezintă diagrama fazorială de funcționare a motorului sincron cu magneți permanenți, într-un referențial d – q solidar cu rotorul, conform ecuațiilor de mai sus. Statorul este reprezentat prin sistemul de aze X – Y. Diagrama fazorială corespunde punctului nominal de funcționare, caracterizat prin: us = 1 [u.r.], is = 1 [u.r.], φs = 120, lsd = lsq = 0,5 [u.r.]. Unghiul de sarcină este δs ≈ 26,50, iar factorul de putere cos(φs) = 0,98.

În numeroase cazuri, motoarele sincrone cu magneți permanenți nu dispun de înfășurări de amortizare, caz în care expresiile fluxurilor se simplifică:

Fig. 2.17. Diagrama fazorială a motorului sincron cu magneți permanenți.

(2.12)

Într-un motor sincron cu magneți permanenți există în afară de înfășurarea de amortizare și alți factori care pot avea efect de amortizare, cum ar fi tălpile polare masive (nu sunt executate din tole). Rezistivitatea proprie a magneților permanenti este atât de mare, încât aportul lor la amortizare este neglijabil. Un ușor efect de amortizare îl produce și miezul rotoric dacă este masiv. Dacă miezul magnetic al rotorului este constituit din tole, curenții turbionari vor fi atât de mici încât nu pot produce efecte de amortizare demne de luat în considerație. În Fig.2.18 se prezintă schema echivalentă în cazul absenței efectului de amortizare relațiile (2.12).

Fig. 2.18. Schema echivalentă a MSMP într-un referențial d – q solidar cu rotorul

în absența efectului de amortizare.

Alți factori care ar putea avea efect de amortizare în afara înfășurării de amortizare sunt dificil de estimat și cu atât mai dificil, dacă nu imposibil de măsurat.

MATERIALE MAGNETICE PENTRU MAȘINI CU MAGNEȚI PERMANENȚI

Prima mențiune despre un material magnetic aparține filosofului grec Thales din Milet în jurul anului 600 B.C. Acesta era un mineral magnetic natural, o formă de magnetită Fe3O4. Mineralul a primit numele de magnet, deoarece a fost descoperit în Magnesia, în districtul Thessaly.

Primii magneți artificiali au fost acele de fier, magnetizate prin contactul cu magneții naturali, iar prima utilizare practică a magnetismului a constituit-o busola.

Alte referințe despre existența magneților provin din China, în jurul anilor 500 A.D.

Cele mai vechi studii sistematice despre magneți sunt cuprinse în cartea lui W. Gilbert, scrisă în 1600. În lucrarea sa, Gilbert descrie procedeul de magnetizeze al pieselor de fier și oțel.

Un pas înainte important în studiul magnetismului îl constituie inventarea electromagnetului de către J. Henry și W. Sturgeon în anul 1825. În 1867, manualele germane precizau modul în care se puteau obține aliaje feromegnetice din materiale neferomagnetice și aliaje neferomagnetice ale materialelor feromagnetice, în principal fierul. Spre exemplu, în anul 1901, a fost conceput aliajul Heusler, cu proprietăti magnetice comparabile cu cele ale magneților deja cunoscuți. Aliajul Heusler conținea 30 % mangan și 15% până la 19% aluminiu, restul compoziției fiind cuprul.

În anul 1917 au fost descoperite în Japonia aliajele din cobalt și oțel Alnico (Al, Ni, CO, Fe), iar în 1938, tot în Japonia Kato și Takei au obținut magneți din pulberi oxidice, care constituie precursorii feritelor moderne.

Definirea mărimilor caracteristice

Noțiunea de magnet permanent definește un material caracterizat prin aceea că prezintă un câmp magnetic remanent care poate fi menținut practic constant pe perioade îndelungate. Caractristica de bază a magneților permanenți este curba de demagnetizare, care reprezintă partea din cadranul II a ciclului de histerezis (Fig. 3.1.) [4].

Fig. 3.1. Caracteristicile de bază ale magneților permanenți.

Această curbă se caracterizează prin valoarea inducției remanente Br și intensitatea câmpului magnetic coercitiv Hc.

Energia magnetică localizată în magnet este caracterizată printr-o mărime denumită densitatea de energie w, care se definește ca fiind:

(3.1)

Densitatea de energie are valoarea zero pentru H = 0 sau pentru B = 0 și un maxim în punctul A, definit în Fig. 3.1, caracterizat de H = Hm și B = Bm și pentru care se obține densitatea de energie maximă wm = BmHm/2. Firmele producătoare de magneți permanenți definesc din punct de vedere energetic magneții prin produsul (BH)max.

Fig. 3.2. Modelul de circuit magnetic cu magnet permanent.

Mărimile Br și Hc caracterizează o stare ideală a materialului magnetic propriu-zis, fără a da nici o indicație asupra legăturii cu circuitul magnetic care interesează. În acest scop se consideră circuitul magnetic simplu, ilustrat în Fig. 3.2. Circuitul este compus din rptorul R și statorul cu magnet permanent inclus S. Ceea ce interesează este inducția magnetică în întrefierurile notate cu g.

Aplicând legea circuitului magnetic pe curba închisă Γ, rezultă:

(3.2)

în care ks este coeficientul de saturație al circuitului considerat.

Aplicând legea fluxului magnetic pe suprafața închisă Σ, se poate scrie:

(3.3)

și definind:

(3.4)

se obține:

(3.5)

de unde, prin înlocuirea fluxurilor cu produsele respective, se obține:

(3.6)

Din relațiile (3.2) și (3.6), dacă se ține cont că Bg = μ0∙Hg, se poate scrie:

(3.7)

Relația (3.7) reprezintă ecuația unei drepte, numită dreapta caracteristică, care trece prin origine. La intersecția acestei drepte cu caracteristica de demagneetizare se găsește punctul de funcționare al magnetului permanent.

Panta dreptei este dată de relația:

(3.8)

și este determinată de configurația circuitului magnetic.

Se observă că dacă g = 0, rezultă Hm = 0 și în concluzie, pe baza curbei de demagnetizare: Bm = Br.

În cazul în care magnetul permanent, magnetizat în circuit închis la punctul de funcționare A, caracterizat de unghiul α, conform Fig. 3.3 este scos în afara circuitului magnetic, orice schimbare ulterioară a stării de magnetizare a magnetului permanent nu se mai face după caracteristica de magnetizare ci după o curbă denumită curbă de revenire.

Fig. 3.3. Definirea curbei de revenire.

Această curbă nu este univocă, ci prezintă ramuri caracteristice fenomenului dr histerezis, dar practic poate fi echivalată cu o dreaptă. În esență, această curbă reprezintă un ciclu de histerezis minor, cu originea în punctul de funcționare anterior schimbării de stare magnetică.

Panta dreptei de revenire este dată de relația:

(3.9)

și se numește coeficient de revenire, cu valori cuprinse între (1 ÷ 2)∙μ0. Coeficientul de revenire este denumit de unii autori permeabilitate reversibilă sau permeabilitate permanentă.

Coeficientul de revenire depinde de inducția corespunzătoare punctului de funcționare pe curba de demagnetizare. În general, orice material magnetic are ca date de catalog:

curba de demagnetizare Bm = f(Hm) și curba

μrev = f(Bm).

Aceste date de catalog constituie informații suficiente pentru proiectarea circuittului magnetic în care va funcționa. În cazul în care nu este dată curba μrev = f(Bm) se ia valoarea acestui coeficient corespunzătoare punctului de funcționare optim al magnetului permanent, adică punctul de funcționare caracterizat prin coordonatele (BH)max.

Cu cât coeficientul de revenire are o valoare mai scăzută, cu atât mai stabil este magnetul în raport cu câmpurile de magnetizare: variații mari de câmp ΔH duc la variații mici ale inducției magnetice ΔB.

Proiectarea mașinilor electrice cu magneți permanenți utilizează un sistem de mărimi raportate, cu scopul de a aduce simplificări în calculul circuitelor magnetice. Pentru raportare, se aleg ca mărimi de bază:

intensitatea câmpului magnetic de bază: Hb = Hc în [A/m];

inducția magnetică de bază: Bb = Br în [T];

lungimea de bază, egală cu distanța medie de la polul magnetului la secțiunea sa neutră: hb = hm/2 în [m];

secțiunea de bază egală cu aria secțiunii magnetului: Sb = Sm în [m2], conform Fig. 3.4,a).

Fig. 3.4. Geometria magnetului de bază și curba de demagnetizare

în sistemul de mărimi relative.

În funcție de mărimile de bază, pot fi calculate alte mărimi derivate ale sistemului, cum ar fi:

tensiunea magnetică de bază: Fb = Hb∙hb = Hc∙hm în [A];

fluxul magnetic de bază: Φb = Bb∙Sb = Br∙Sm în [Wb];

permeabilitatea magnetică de bază: μb = Bb/Hb = Br/Hc în [H/m];

reluctanța magntică de bază: Rb = Fb/Φb = Hc∙hm/( Br∙Sm) în [H-1]

permeanța magnetică de bază:Gb = 1/Rb = Br∙Sm/(Hc∙hm) în [H];

densitatea de energie de bază:

(2.10)

În sistemul de mărimi relative, caracteristica de demagnetizare intersectează axele de coordonete în punctele A’r (H’r = 0 și B’r = Br/Bb = 1), A’c (H’c/Hb = 1 și B’c = 0) – Fig. 3.4,b), pentru toate materialele magnetice. Ceea ce diferă de la un material la altul este concavitatea curbei.

Permeanța circuitului exterior pentru punctul K de funcționare pe caracteristica de funcționare în mărimi relative este dată de relația:

(3.11)

Relația de mai sus demonstrează faptul că în sistemul de mărimi relative, panta dreptei caracteristice este egală cu permeanța circuitului exterior raportată, spre deosebire de expresia relativ complicată a acestei pante în sistemul de mărimi reale (relația 3.8).

Coeficientul de revenire în sistemul de mărimi relative va avea expresia:

(3.12)

având formal aceeași expresie cu relația din sistemul de mărimi reale (3.9).

Magneți permanenți utilizați în construcția motoarelor sincrone

Creșterea performanțelor mașinilor electrice se datorează și îmbunătățirilor de material, mai ales în domeniul materialelor electrotehnice și al materialelor feromagnetice, în special magneții permanenți.

Mașinile sincrone cu magneți permanenți prezintă avantajele:

absența sursei de alimentare și a înfășurării de excitatie;

reducerea greutății specifice;

creșterea randamentului;

simplificarea construcției;

posibilitatea creșterii numărului de poli și a raportului cuplu/volum;

caracteristici de reglaj liniare.

Dezavantajele magneților permanenți sunt determinate de influența asupra proprietăților magnetice, a temperaturii și a câmpului magnetic de reacție, demagnetizant (în special în cazul aliajului Alnico) [4,5].

Magneții permanenți utilizați în prezent în construcția mașinilor electrice, se pot împărți în cinci mari grupe, în funcție de proprietătile de material, după cum se poate remarca în Tab. 3.1.

Din tabelul 3.1 se poate observa că proprietățile ideale privind inducția remanentă maximă, câmpul coercitiv maxim și energia magnetică maximă nu se regăsesc la unul și același tip de magnet. O proiectare judicioasă a mașinii poate însă elimina într-o măsură semnificativă deficiențele prezentate mai sus.

Magneți permanenti tip Alnico

Cei mai utilizati magneți permanenți în construcția mașinilor electrice sunt magneții de tip Alnico. Acest aliaj conține un procent de cobalt cuprins între 10 % și 40 %, material care le sigură o inducție remanentă ridicată, însă la un preț de cost ridicat.

Principalul avantaj al acestor tip de magneți permanenți, pe lângă valoarea ridicată a inducției remanente, îl constituie valoarea redusă a coeficienților de temperatură. Coeficientul de temperatură al inducției Br este -0,02 %/0C, iar temperatura maximă de funcționare este de 520 0C. Aceste proprietăți permit obținerea unei valori mari a inducției în întrefier, la temperaturi ridicate ale magneților.

Din păcate, câmpul coercitiv este foarte redus, iar curba de demagnetizare este extren de neliniară. Prin urmare este foarte ușor ca magneții Alnico să fie magnetizați dar și demagnetizați ușor.

Magneții sunt confecționați prin turnare, după ce au fost omogenizați la temperaturi ridicate și răciți în câmp magnetic. În scopul ridicării valorii câmpului lor coercitiv, ei sunt supuși la tratamente de revenire. Cele mai bune performanțe le au magneții Alnico anizotropi, cu cristale orientate. Se remarcă faptul că au inducții remanente cuprinse între 0,7 T și 1,2 T, câmpuri coercitive între 70 kA/m și 160 kA/m și energii magnetice maxime de până la 90 kJ/m3. Cu cât performanțele acestor magneți sunt mai bune, cu atât prețul lor este mai ridicat.

Magneții permananți de tip Alnico au dominat piața motoarelor cu magneți permanenți cu puteri cuprinse între câțiva wați și 150 kW începând cu anul 1940 și până în anul 1960 când au început să fie cel mai des utilizate feritele. Acestea au prețul de cost cel mai scăzut pe unitatea de densitate de energie magnetică, fiind de câteva ori mai ieftine decât magneții Alnico.

Feritele

Feritele având la bază bariumul și stronțiul au fost inventate în anul 1950. Materialele de bază ale feritelor, oxidul de fier și oxidul de stronțiu se găsesc din abundență, iar fabricarea lor prin presare și sinterizare în câmp magnetic este un proces tehnologic relativ simplu.

Formula chimică a feritelor se poate exprima ca fiind MOx6(Fe2O3), unde M este bariu (Ba), stronțiu (Sr) sau plumb (Pb). Teritele pe bază de stronțiu au un câmp coercitiv mai mare decât cele pe bază de bariu. Cele pe bază de plumb prezintă dezavantaje în procedeele de producție, datorită necesității de protejare a mediului ambiant.

Feritele au un câmp coercitiv mai mare decât al magneților Alnico, dar în același timp au o inducție remanentă mai mică.

Coeficienții de temperatură sunt relativ mari. Coeficientul inducției Br este de -0,2 %/0C, iar coeficientul câmpului Hc este de -0,27 %/0C. Temperatura maximă de funcționare este de 400 0C. Inducțiile remanente maxime sunt în jur de 0,39 T, câmpul coercitiv este cuprins între 250 kA/m și 265 kA/m, iar energiile maxime de peste 30 kJ/m3.

Inducția remanentă redusă impune utilizarea unor soluții constructive mai complicate, cu concentrare de flux, care mărește coeficientul de dispersie și reduce eficiența de utilizare a energiei magnetice a feritei.

O altă caracteristică importantă a feritelor constă în faptul că prezintă o rezistență electrică foarte ridicată, ceea ce înseamnă că nu există pierderi prin curenți turbionari în corpul magnetului permanent.

Magneții permanenți din ferite oferă costurile cele mai reduse pentru motoarele cu puteri de ordinul fracțiunilor de cai putere, iar față de magneții Alnico prezintă avantaje economice pentru motoare cu puteri de până la aproximativ 7,5 kW.

Magneți permanenți Mn – Al – C

Magneții permanenți din aliaje mangan – aluminiu – carbon (Mn – Al – C), prin prețul scăzut al materialelor de bază reprezintă o soluție în domeniul magneților permananți utilizați în construcția mașinilor electrice. Acești magneți se caracterizează prin inducție remanentă superioară, pentru câmpuri coercitive egale.

În Tab. 3.2, se prezintă performanțele magneților permananți de tip Mn – Al – C produși în Japonia.

După cum se observă, acești magneți permanenți prezintă energii magnetice maxime duble față de ferite, de peste 50 kJ/m3, pentru câmpuri coercitive de 250 kA/m și inducție remanentă de 0,58 T.

Magneți permanenți pe bază de samariu – cobalt (SmCo)

Magneții permanenți de acest tip se se obțin prin sinterizare. Prima generație de astfel de magneți a apărut în anul 1960, dar a fost disponibilă din punct de vedere comercial în anul 1970. Magneții SmCo prezintă inducții remanente medii, câmpuri coercitive și energii magnetice maxime foarte ridicate (Tab.3.3).

Coeficientul de temperatură al inducției Br este cuprins între 0,03 și 0,045 %/0C, iar coeficientul de temperatiră pentru câmpul Hc evopuează între 0,14 și 0,4 %/0C. Temperatura maximă de funcționare este cuprinsă între 300 și 350 0C.

Aceste materiale magnetice cu performanțe foarte ridicate (Br = 0,9 T, Hc = 700 kA/m, (BH)max = 220 – 250 kJ/m3) din păcate au un preț de cost ridicat datorită faptului că în compoziția lor intră metale rare, materiale deficitare pe plan mondial. Este motivul pentru care aceste materiale magnetice erau utilizate până nu de mult în tehnica aerospațială, în domeniile speciale în care obținerea unor mașini de volum și greutate mici avea prioritate în fața prețului de cost.

Însă, în ultimul timp, aria aplicabilității acestor materiale magnetice s-a lărgit considerabil, fiind utilizate și în domeniul motoarelor pentru mașini – unelte și roboți industriali.

Magneți permanenți pe bază de Neodym (Nd)

Cea mai recentă categorie de materiale magnetice o constituie magneții pe bază de Neodym. Aceștia sunt în esență combinații Neodym – Fier – Bor, având performanțe magnetice foarte ridicate, superioare aliajelor cu samariu.

În anul 1983, la Conferința Internațională de Magnetism care a avut loc la Pittsburg, S.U.A., firma japoneză Sumitamo Specials Metals Inc. a anuntat realizarea unui nou aliaj magnetic Nd – Fe – B, sub numele de Neomax, caracterizat prin energii magnetice de peste 300 kJ/m3. Acest aliaj care în prezent este realizat cu tehnologii îmbunatățite, atinge valori maxime ale energiei magnetice de peste 320 kJ/m3.

Aliajul Neodym – Fier – Bor este caracterizat prin energii magnetice de peste 10 ori mai mari decât feritele și cel puțin o treime peste Samariu – Cobalt.

Se remarcă faptul că în rețeta de bază, cobaltul este înlocuit cu fier, fapt care nu numai că reduce costul produsului final, dar se dispensează de un material strategic greu de obținut. Neodym este un material de cinci ori mai răspândit decât Samariu, iar conținutul pur în minereurile de bază este de 17 % ÷ 25 %.

Acest aliaj prezintă un punct Curie scăzut, de 310 0C, fapt care limitează utilizarea lui la temperaturi de peste 115 0C. Însă, aliat cu un procent redus de cobalt, aceasta temperatură poate fi crescută cu 20 0C până la 40 0C.

Caracteristicile magneților permananți de tip Ne – Fe – B sunt prezentate în Tab. 3.4.

După cum se poate remarca analizând acest tabel, magneții de tip Nd – Fe – B disponibili pe piața mondială prezintă inducții remanente între 1,1 T și 1,3 T, câmpuri coercitive cuprinse între 800 kA/m și 1050 kA/m și energii magnetice (BH)max între 240 kJ/m3 și 290 kJ/m3.

Magneții de tip Ne – Fe – B care se produc în cantități din ce în ce mai mari au după cum s-a precizat anterior, caracteristici magnetice mai bune decât magneții de tip SmCo, dar din păcate doar la temperatura camerei. Curbele de demagnetizare și în special câmpul coercitiv sunt puternic dependente de temperatură.

Coeficientul de temperatură pentru inducția Br este cuprins între -0,09 %/0C și -0,15 %/0C. Coeficientul de temperatură pentru câmpul Hc este cuprins între -0,4 %/0C și -0,8 %/0C.

Magneții de tip Ne – Fe – B prezintă și dezavantajul că sunt sensibili la agenții care produc fenomenul de coroziune.

Importanța cunoașterii proprietăților claselor de magneți permananți utilizați în construcția mașinilor electrice

În domeniul proiectării și construcției mașinilor electrice cu magneți permanenți, este esențial să se cunoască proprietățile fizice ale acestor clase de magneți permanenți. Tab. 3.5, oferă o prezentare sintetică a proprietăților magneților permananți utilizati în construcția mașinilor electrice.

Densitatea cea mai mică o prezintă feritele și aliajele Mn – Al – C, magneții Alnico și cei cu pământuri rare (SmCo și Ne – Fe – B) fiind mai grei.

Feritele, magneții Alnico și aliajele cu pământuri rare sunt foarte dure, casante, prelucrarea lor ulterioară turnării făcându-se doar prin rectificare. Magneții Mn – Al – C și aliajele cu pământuri rare (numai cele înglobate în rășini polimerice) se prelucrează pe mașini – unelte obișnuite. Ele se pot freza, strunji, etc.

Compușii cunoscuți sub denumirea de pământuri rare, nu sunt în general rari de loc, însă mineralele lor naturale formează compuși amestecați în mare măsură cu alte elemente. Pentru a produce un metal din categoria pământurilor rare, trebuie să fie rafinați mai mulți alți compuși fără valoare comercială.

După cum s-a precizat anterior, caracteristicile magnetice ale magneților permanenți variază cu temperatura. Prin încăzire, crește agitatia termică și are loc o scădere a magnetizării. În momentul atingerii punctului Curie, materialul devine paramagnetic.

Feritele au punct Curie scăzut și suportă temperaturi de lucru sub 400 0C. Materialele magnetice înglobate în rășini polimerice au temperaturi de lucru sub 100 0C.

Aliajele Mn – Al – C pot funcționa până la temperaturi de 300 0C, aliajele cu pământuri rare până la 400 0C, iar aliajele de tip Alnico până la 600 0C. Dacă se depășesc aceste temperaturi sau dacă magneții permanenți sunt obligați să suporte mult timp temperaturi apropiate de aceste limite, după revenirea lor la temperatura normală a mediului, se constată o scădere a inducției remanente, denumită scădere ireversibilă.

O scădere mult mai puțin pronunțată se înregistrează în cazul unui regim de funcționare la temperatură normală pe o perioadă mare de timp (de ordinul anilor). Acest fenumen este cunoscut sub numele de îmbătrânire a magnetului. În scopul diminuării acestui fenomen, se face o stabilizare a magneților din acest punct de vedere. Procedeul de stabilizare este cunoscut sub denumirea de îmbătrânire artificială și constă în menținerea magnetului după ce a fost magnetizat, la o temperatură superioară temperaturii de exploatare.

În timpul funcționării, odată cu creșterea temperaturii, se constată o diminuare a fluxului magnetului permanent, care însă revine la valoarea inițială în momentul în care temperatura revine și ea la valoarea inițială. Fenomenul poată denumirea de scădere reversibilă. Pentru a caracteriza acest fenomen, se definește un coeficient reversibil cu temperatura, de forma:

(3.13)

În Tab. 3.6 sunt concentrate datele privind variația performantelor și a structurii în funcție de temperatură pentru diferite clase de magneți permanenți.

Din tabelul 3.6 se observă că materialele de tip Alnico se comportă cel mai bine din punctul de vedere al variației parametrilor cu temperatura. Este motivul pentru care sunt des folosite în construcția tahogeneratoarelor, a căror tensiune de ieșire nu trebuie să varieze în funcție de temperatura mediului ambiant.

Similar cu coeficientul reversibil cu temperatura care dă indicații asupra comportării la schimbările de temperatură, există un coeficient care indică comportamentul magnetului în prezența fluxurilor demagnetizante. Acest coeficient reflectă capacitatea magnetului de a-și menține caracteristicile magnetice la apariția cămpurilor demagnetizante și poartă denumirea de coeficient de revenire (μrev).

Din acest punct de vedere, comportarea cea mai bună o au feritele și aliajele cu pământuri rare.în scopul evitării situațieiîn care caracteristicile unei mașini se modifică odată cu apariția întâmplătoare a unor câmpuri magnetice cu efect demagnetizant, se procedează la stabilizarea magnetului permanent, după ce a fost inclus în circuitul magnetic al mașinii și magnetizat. Stabilizarea se face printr-o demagnetizare artificială, prin cearea unor condiții similare celor mai dificile situații ce pot apărea în cursul exploatării.

Un alt parametru important ce trebuie cunoscut în proiectarea și construcția mașinilor electrice cu magneți permanenți îl constituie conductibilitatea termică a materialului magnetic respectiv. Cunoașterea acestui parametru permite aprecierea eficienței evacuării căldurii din mașină. Valorile tipice pentru magneții metalici sunt de ordinul 0,025 cal∙0C/cm. Conductibilitatea termică a feritelor este mai scăzută.

Pentru proiectanții și constructorii de mașini electrice cu magneți permanenți este important să se cunoască valoarea intensității câmpului magnetizant necesar magnetizării până la saturație a magneților permanenți. Această valoare este necesară la dimensionarea dispozitivelor de magnetizare.

Studiile prezentate în [6] prezintă valorile intensității câmpului magnetizant pentru diferite clase de magneți:

Alnico: 240 – 480 kA/m;

Ferită: 800 – 950 kA/m;

Magneți pe bază de samariu: 1600 – 3200 kA/m;

Magneți pe bază de neodym: 2400 – 4000 kA/m.

Un aspect de multe ori decisiv în alegerea tipului de magnet permanent pentru proiectarea și construcția unei mașini electrice, este aspectul economic.

Din cele prezentate anterior s-a putut constata că performanțele materialelor magnetice diferă în funcție de diverși factori externi, dintre care cel mai important este temperatura. Din această cauză, aspectul economic se analizează în cele mai multe cazuri ținând cont de modificarea parametrilor magnetului permanent în funcție de temperatură.

Studiind caracteristicile magneților permanenți și performanțele acestora în diferite condiții de funcționare (variații de temperatură, câmpuri magnetice demagnetizante, timp) se pot trage următoarele concluzii generale:

Pentru mașinile electrice de mare performanță, la care este foarte important ca volumul și respectiv momentul de inerție să fie reduse, aliajele speciale sunt superioare atât din punct de vedere tehnic, cât și economic tuturor celorlalte soluții posibile. Este cazul motoarelor pentru periferice de calculator, aplicații aerospațiale, roboți, aparatură medicală, aparatură de laborator, mașini – unelte cu comandă numerică, etc.

Pentru mașinile la care cerințele de performanță dinamică sunt mai reduse, feritele reprezintă soluția economică cea mai bună. Magneții Mn – Al – C fiind utilizați pentru obținerea de performanțe tehnice superioare.

În concluzie, se poate remarca faptul că dacă pentru magneții permanenți clasici limita din punct de vedere economic pentru care această soluție este superioară excitației electromagnetice, este de 10 kW, pentru aliajele cu pământuri rare, soluția este superioară excitației electromagnetice pentru un interval cuprins între 100 kW și 1000 kW.

BBBBBBBBBBBBBB

ccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccc

NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN

vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv

ANEXE

Tab. 3.1. Caracteristicile magnetice ale diverselor tipuri de magneți permanenți.

Tab. 3.2. Caracteristicile magnetice ale aliajelor Mn – Al – C.

Tab. 3.3. Caracteristicile magnetice ale aliajelor cu metale rare, aliaj samariu – cobalt.

Tab. 3.4. Caracteristicile magnetice ale aliajelor pe bază de Neodym.

Tab. 3.5. Caracteristicile fizice ale materialelor magnetice.

Tab. 3.6. Variația cu temperatura a performanțelor și structurii materialelor magnetice.

BIBLIOGRAFIE

[1]. Jacek Gireas, Mitchell Wing, “Permanent Magnet Motor Technology. Design and Applications, Second Edition”, Marcel Dekker Inc., 270 Madison Avenue, New York, 2002.

[2]. Florence Libert, “Design, Optimization and coparison of Permanent Magnet Motors for a Low – Speed Direct – Driven Mixer”, Royal Institute of Technology Department of Electrical Engineering Electrical Machines and Power Electronics, Stockholm 2004.

[3]. T.J.E. Miller, “Brushless Permanent-Magnet and Reluctance Motor Drives”, Clarendon Press, Oxford 1989,

[4]. Duane Hanselman, “Brushless Permanent Magnet Motor Design” Magna Phisics Publishing, 2006.

[5]. R. Măgureanu, N. Vasile, “Sevomotoare fără perii tip sincron”, Editura Tehnică, București, 1990.

[6]. K. M. Richardson, E. Spooner, “Magnetisation Procedures for Nd-Fe-B magnets in Eelectrical Machines”, Conference on Electrical Machines and drives, London, sept., 1988.