Ветроэнергетика и альтернативная энергетика.  

Вернуться   Ветроэнергетика и альтернативная энергетика. > Технический раздел > Электротехника

Электротехника электрогенераторы, электродвигатели и прочая электротехника

Ответ
 
Опции темы Поиск в этой теме Опции просмотра
Старый 29.08.2012, 22:30   #1
BenGunn
VIP
 
Регистрация: 16.05.2012
Адрес: Пермь
Сообщений: 641
По умолчанию Магнитная индукция и все что с ней связано

Тема магнитной индукции, ЭДС и т.д. была поднята в нескольких темах, поэтому я решил создать отдельную тему, чтобы не загромождать тему Сергея и DmitryK-а.

Цитата:
Сообщение от Сергей Посмотреть сообщение
Мы имеем скорость перемещения магнитного поля в зазоре которого находится проводник какой то длины. И наша формула Е = 2fnmNBS максимум упрощается и имеет вид Е=ВLV
Где В-индукция, L-длина проводника, V-скорость перемещения в магнитном поле.
Или я не прав?
Я думаю, что из первой формулы вполне можно вывести вторую, но она будет работать только в том случаи, когда площадь катушки примерно равна площади полюса. И вот почему. Допустим, мы намотаем катушку не из первого паза в четвертый, как сейчас, а из первого во второй. При этом, так как площадь катушки уменьшилась, ЭДС у нас уменьшится в три раза. Но L и V остались прежними. Значит, по формуле, B получится в три раза меньше, хотя магнитная система не изменилась. Поэтому лучше использовать первую формулу, так как она более общая.


Так как сейчас я жду ближайшей зарплаты, что бы заказать магниты для моего генератора, то последние три недели я пытался понять принцип работы генератора и как различные параметры влияют друг на друга. Все что я понял, попытаюсь описать в этом сообщении.

Будем рассматривать случай, когда катушка намотана на один зуб, так как его проще описывать.
Начнем с самого начала.
ЭДС возникает из-за изменения магнита потока проходящего через катушку. При использовании железа, весь магнитный поток идет по нему. Магнитный поток определяется магнитной индукцией (МИ) в зубе и площадью зуба.

Почему нам важно добиться максимальной МИ.
Максимальное значение МИ определяет амплитуду колебаний величины магнитного потока, а скорость вращение ротора влияет на длительность одного периода. Чем больше амплитуда, тем больше производная магнитного потока при той же скорости вращения ротора и соответственно больше ЭДС.

Что влияет на максимальное значение МИ.
Максимальное значение МИ достигается в зубе, когда центр магнита стоит напротив центра зуба. На величину МИ влияют
1) Площадь магнита.
2) Толщина магнита.
3) Зазор между магнитом и зубом.
4) Наличие или отсутствие под магнитом железа.
5) Кривая намагничивания ЭТС.

Давайте рассмотрим каждый пункт в отдельности.
1) Чем больше площадь магнита, тем больше МИ в зубе. Но, поэкспериментировав в Elcut-е, я пришел к выводу, что нет смысла брать магнит шириной больше чем зуб + паз. Если взять магнит шире, то магнитный поток с его краев пойдет в соседние зубы и МИ в нужном нам зубе никак не изменится. Так же не стоит брать магниты шириной меньше ширины зуба, так как при этом МИ начинает резко падать.

2) Толщина магнита влияет на его коэрцитивную силу. Один миллиметр неодимового магнита дает 880А (эта величина зависит от марки магнита). Как коэрцитивная сила влияет на МИ, мы рассмотрим ниже.

3) При преодолении воздушного зазора, тратится как раз коэрцитивная сила магнита. Чем больше зазор, тем больше магнита уходит на его преодоление.

4) Железо под магнитом позволяет соседним магнитам замкнуться. При проходе через железо коэрцитивная сила магнита почти не уменьшается. Если же под магнитами железа нет, то им приходится преодолевать своеобразный воздушный зазор, на что уходит много коэрцитивной силы. Особенно это критично для тонких магнитов.
Толщина железа под магнитами, должна быть в пределах от половины до полной ширины магнита. Если взять железо тоньше, то оно может войти в насыщение (что это будет разобрано ниже), что приведет к потерям. Если взять толще, то ничего плохого не буде, но и хорошего тоже. Так как мы можем не знать кривую намагничивания железа, которое мы будем использовать, то думаю лучше его брать толщиной в ширину магнита.

5) Электротехнические стили имею такую характеристику, как кривая намагничивания. Эта кривая показывает, как изменяется МИ в материале, при приложении к нему определенной коэрцитивной силы. На рисунке кривая намагничивания стали 1311. Видно, что вначале МИ быстро увеличивается, а потом начинает расти очень медленно. Когда МИ почти не увеличивается, говорят, что железо вошло в насыщение. Я считаю, что нет смысла брать толстые магниты, так как уже после 1,5Тл для увеличения МИ требуется значительное увеличение толщины магнитов. Как пример, разница в МИ между магнитом толщиной 5мм и 10мм будет всего процентов 10, если не меньше. Я думаю, если под магнитами есть железо, а зазор между ротором и статором 0,5-1мм, то стоит использовать магниты толщиной 3-5мм.


Теперь немного поговорим о краевых потерях и количестве полюсов. Для примера рассмотрим мой генератор. У него 48 зубов, а зуб + паз 6,5мм Я хочу использовать магниты шириной 7мм. С залипаниями я собираюсь бороться по методу Ильи МГУ. На проточенный ротор можно поместить 34 или 38 магнитов. В первом случаи расстояние между магнитами будет 2мм, а во втором 1мм. Так как у меня магнит чуть шире, чем зуб + паз, то расчеты в Elcut-е показали, что во втором случаи МИ всего на 1,5% меньше, т.е. краевые потери почти не увеличились. Но, добавив 4 магнита, мы увеличиваем частоту на 11%, что приведет к увеличению ЭДС. Поэтому я предпочел второй вариант. Единственно, что я ещё не анализировал, так это то, что из-за такого числа магнитов, некоторые из них будут стоять не по центру зуба. Сейчас буду писать программу, которая позволит провести такой анализ и будет выдавать порядок намотки катушек.

Потом я решил проверить, что будет, если вместо 38 полюсов сделать 19. При этом одноименные магниты я максимально сдвинул, что позволило увеличить расстояние между разноименными магнитами. Такая перестановка увеличила МИ в зубе на 8%. Но меня смущает, что при таком количестве полюсов существенно увеличивается длинна боковых частей катушек. Это приведет к увеличению внутреннего сопротивления, что может съесть всю прибавку в ЭДС. Плюс железо под магнитами надо будет делать в два раза толще.

Уф, так много текста, я ещё не писал. Написал бы ещё больше, но думаю пока достаточно. Старался писать как можно понятнее. Если есть ляпы, то прошу меня поправить, на абсолютную истину я не претендую. На все вопросы постараюсь ответить.
Миниатюры
Нажмите на изображение для увеличения
Название: 1.jpg
Просмотров: 764
Размер:	13.3 Кб
ID:	8043  
BenGunn вне форума   Ответить с цитированием
Старый 30.08.2012, 04:59   #2
Сергей
Модератор
 
Аватар для Сергей
 
Регистрация: 12.05.2010
Адрес: Украина г.Запорожье
Сообщений: 5,312
По умолчанию

Цитата:
Сообщение от BenGunn Посмотреть сообщение
я пришел к выводу, что нет смысла брать магнит шириной больше чем зуб + паз. Если взять магнит шире, то магнитный поток с его краев пойдет в соседние зубы и МИ в нужном нам зубе никак не изменится.
Нельзя так категорично. Нужно указывать какую электромашину мы расматриваем.
К примеру у меня асинхроник 54 паза и 6 полюсов (то есть 1000об/мин синхроная скорость). Один полюс это 9 пазов. И почему это я должен брать магнит зуб+паз?
Да пусть он хоть три зуба сразу перекроет, а ещё лучше все девять.


Цитата:
Сообщение от BenGunn Посмотреть сообщение
2) Толщина магнита влияет на его коэрцитивную силу. Один миллиметр неодимового магнита дает 880А (эта величина зависит от марки магнита). Как коэрцитивная сила влияет на МИ, мы рассмотрим ниже.
880А, это надо понимать Ампер. Но на самом деле Ампервиток.
Ничего вразумительного ниже я не нашол кроме:


Цитата:
Сообщение от BenGunn Посмотреть сообщение
Я считаю, что нет смысла брать толстые магниты, так как уже после 1,5Тл для увеличения МИ требуется значительное увеличение толщины магнитов. Как пример, разница в МИ между магнитом толщиной 5мм и 10мм будет всего процентов 10, если не меньше.
"Винегрет". Если магнит имеет скажем 1Т и его площадь 1кв.см. а магнитопровод имеет площадь в сечении 0,7кв.см. Тогда магнитная индукция в магнитопроводе вырастет до 1,5Т. (Говорю образно, невникая в материал и прочее).
Никакой связи с толщиной магнита эта индукция не имеет.
__________________
"Если руки золотые - то совершенно не важно откуда они растут."
Сергей вне форума   Ответить с цитированием
Старый 30.08.2012, 11:45   #3
Илья МГУ
VIP
 
Аватар для Илья МГУ
 
Регистрация: 10.06.2011
Сообщений: 503
По умолчанию

Цитата:
Сообщение от BenGunn Посмотреть сообщение
Потом я решил проверить, что будет, если вместо 38 полюсов сделать 19.
Для чередования + - количество полюсов может быть только чётным, т.е. 20 или 18. Пропускать полюс оставив рядом два одноимённых магнита нельзя. ЛЮБАЯ магнитная аномалия на роторе вызывает магнитное залипание, будь то один увеличенный интервал или два однополюсных магнита рядом. В прошлом году я всё это проверил экспериментально. В частности, делал 25-полюсной ротор.


По поводу программки для анализа: я пытался этим заниматься, но не смог корректно поставить задачу. Удалось лишь оценить эдс при переходе от 24-х к 26-и магнитам. А для общего случая не очень понятно, какую величину мы вычисляем.
Илья МГУ вне форума   Ответить с цитированием
Старый 30.08.2012, 14:02   #4
Сергей
Модератор
 
Аватар для Сергей
 
Регистрация: 12.05.2010
Адрес: Украина г.Запорожье
Сообщений: 5,312
По умолчанию

Цитата:
Сообщение от BenGunn Посмотреть сообщение
Я думаю, что из первой формулы вполне можно вывести вторую, но она будет работать только в том случаи, когда площадь катушки примерно равна площади полюса. И вот почему. Допустим, мы намотаем катушку не из первого паза в четвертый, как сейчас, а из первого во второй. При этом, так как площадь катушки уменьшилась, ЭДС у нас уменьшится в три раза. Но L и V остались прежними. Значит, по формуле, B получится в три раза меньше, хотя магнитная система не изменилась. Поэтому лучше использовать первую формулу, так как она более общая.
Возражаю.
Задача была поставленна не так как описано выше. Это потом перевели её в это русло, причём ничего не конкретизируя.
Поэтому повторюсь:
В пазу лежит проводник. ВСЁ.
То что за пределами паза это уже соединительные провода к вольтметру.
Если паз длиной 100мм, значит активная часть проводника 100мм.
Цепляем на этот провод вольтметр и производим измерение ЭДС.
Где здесь площадя? Нету их.
И нашему проводнику абсолютно пополам сколько полюсов над ним промелькнёт за 1 оборот, толи 2, толи 24. Если индукция одинакова то и ЭДС будет одинакова.
Распишу по другому:
У нас по кругу на роторе помещается 24 магнита.
Мы можем их расположить +-+-+- будет 24полюса
Можем сделать ++--++-- Будет 12 полюсов.
Можно +++---+++--- получится 6 полюсов
++++----++++---- 4 полюса
И наконец ++++++------++++++------ 2 полюса.
До этого момента я думаю всё понятно.
Самая выгодная система с точки зрения получения максимальной индукции и как следствие ЭДС, это 2 полюса. Потому что минимальные потери индукции между полюсами. Но в этот момент Алекс упётся в лобовые части которых вообще нет.
Рассматривается эффективность магнитной системы и всё.
Идём дальше:
Имея 24 полюса и 36 зубов мы имеем полюсное деление q=1,5 то есть дробное число. Поэтому утверждение что магнитный полюс должен быть равен зуб+паз в корне неверно. Было бы 36 полюсов на роторе, совсем другой разговор.
Вернёмся к нашему проводнику.
Фактически это виток, только вторая его часть не находится в магнитном поле и не принимает участия в выработке ЭДС. И сейчас мы попробуем найти ему место на статоре.
24 полюса, пазы 1-2
12 полюсов 1-4
6 полюсов 1-7
4 полюса 1-10
2 полюса 1-18
Поэтому если на двух полюсную систему намотать из первого паза во второй, мы не тошо третью часть потеряем, а вообще нифига не получим.
Прошу заметить, что о площадях вообще разговора нету. Только ширина полюса.
Потому как количество полюсов определяет его ширину. И чем их больше, тем больше потерь индукции между полюсами.
Вот это дело Елькуд покажет и посчитает.
Коэрцитивная сила здесь вообще не при делах, потому как нету противо ЭДС.
Вот когда она появится, тогда будем разбираться и с эти параметром. И Елькуд нам уже здесь не поможет...
__________________
"Если руки золотые - то совершенно не важно откуда они растут."
Сергей вне форума   Ответить с цитированием
Старый 30.08.2012, 19:50   #5
BenGunn
VIP
 
Регистрация: 16.05.2012
Адрес: Пермь
Сообщений: 641
По умолчанию

Сегодня понял, что мои рассуждения насчет насыщения железа и ограничения из-за этого толщины магнита, полная чушь. Как дела обстоят на самом деле, будет написано ниже.

Цитата:
Сообщение от Сергей Посмотреть сообщение
Нельзя так категорично. Нужно указывать какую электромашину мы расматриваем.
К примеру у меня асинхроник 54 паза и 6 полюсов (то есть 1000об/мин синхроная скорость). Один полюс это 9 пазов. И почему это я должен брать магнит зуб+паз?
Да пусть он хоть три зуба сразу перекроет, а ещё лучше все девять.
Я же написал, что рассматриваю случай, когда катушка намотана на один зуб. Если мы мотаем катушку на несколько зубов, то надо действовать по аналогии. Площадь полюса должна быть чуть больше площади катушки. А магниты в полюсе должны располагаться максимально близко друг к другу.

Цитата:
Сообщение от Сергей Посмотреть сообщение
880А, это надо понимать Ампер. Но на самом деле Ампервиток.
Литературе пишут Ампер, но можно и ампервиток, сути это не меняет.

Цитата:
Сообщение от Сергей Посмотреть сообщение
"Винегрет". Если магнит имеет скажем 1Т и его площадь 1кв.см. а магнитопровод имеет площадь в сечении 0,7кв.см. Тогда магнитная индукция в магнитопроводе вырастет до 1,5Т. (Говорю образно, невникая в материал и прочее).
Никакой связи с толщиной магнита эта индукция не имеет.
Примерно так, но 1,5Тл это максимальная МИ, которую мы можем получить. А вот получим мы её или нет уже зависит от толщины магнита. Подробно об этом напишу ниже.

Цитата:
Сообщение от Илья МГУ Посмотреть сообщение
Для чередования + - количество полюсов может быть только чётным, т.е. 20 или 18.
Да, что-то количество катушек не учел. Но тем примером в основном я хотел показать, как изменится МИ при группировке магнитов в полюс.

Цитата:
Сообщение от Сергей;
То что за пределами паза это уже соединительные провода к вольтметру.
Если паз длиной 100мм, значит активная часть проводника 100мм.
Цепляем на этот провод вольтметр и производим измерение ЭДС.
Где здесь площадя? Нету их.
И нашему проводнику абсолютно пополам сколько полюсов над ним промелькнёт за 1 оборот, толи 2, толи 24. Если индукция одинакова то и ЭДС будет одинакова.
Наверное, можно и этой формулой пользоваться, но меня мучают сомнения. Предлагаю, пока оставить этот вопрос, так как он особо ничего не решает.
BenGunn вне форума   Ответить с цитированием
Старый 30.08.2012, 20:05   #6
BenGunn
VIP
 
Регистрация: 16.05.2012
Адрес: Пермь
Сообщений: 641
По умолчанию

Для определения магнитного потока, который проходит по магнитной цепи требуется построить рабочую диаграмму магнита (см. рисунок). На горизонтальной оси отложена коэрцитивная сила, а на вертикальной магнитный поток. График строится по двум точкам: остаточному магнитному потоку Ф и коэрцитивной силе.
Остаточный магнитный поток находится по формуле
Ф=B*S, где
B – остаточная индукция магнита. Для неодимов она равна 1,1-1,2Тл.
S – площадь магнита, с которой магнитный поток идет в зуб.
Чем больше Ф, тем лучше. B зависит только от материала магнита, поэму наша задача максимизировать S.
Каким же образом влияют на S те факторы, о которых я писал.
Чем шире магнит, тем S больше. Но если взять магнит шире чем зуб + паз, то S не увеличится, так как магнитный поток с краем магнита уйдет в соседние зубы.
Чем меньше зазор между статором и ротором, тем S больше, так как меньше краевые потери.
Коэрцитивная сила находится по формуле
F=2*h*Hc, где
h – толщина магнита.
Hc – коэрцитивная сила материала магнита. Для неодимов она равна 840-880 кА/м.
На два мы умножаем потому, что рассматривается магнитная цепь, т.е. пара магнитов.

Построив диаграмму магнита, мы начинаем считать потери в магнитной цепи. Как их считать, я расписывать не буду. Напишу только, как на них влияют те факторы, которые мы рассматриваем.
Чем больше зазор, тем больше в нем потери, причем как раз из-за зазора возникает большая часть потерь в магнитной цепи.
Если под магнитом есть железо, то потерь в нем почти нет. А если железа нет, то возникает второй воздушный зазор, который значительно увеличивает потери. Ещё я исследовал, на сколько критично то, что магнит по краям не касается железа, из-за того, что втулка круглая. Оказалось, что потери от этого мизерные, и на них можно не обращать внимания.
Потери в зубца считаются так.
Смотрится, какая МИ будет в зубце. По графику размагничивания материала зубца определяется, какая напряженность магнитного поля соответствует данному значению МИ. А потом полученную магнитную напряженность умножают на длину пути, который должен пройти магнитный поток. Если мы вводим зуб в насыщение, то потери в нем начинают резко расти.

Но сегодня я пришел к выводу, что при переделке асинхронного двигателя не стоит особо опасаться насыщения зуба, так как при проектировании двигателя этот момент был учтен, и зуб имеют такую форму, что неодимами мы его в насыщение не вгоним. Единственное место, где могут возникнуть проблемы, это спинка статора. И то только в том случаи, если мы будем мотать катушку на большое число зубцов. Главное, что бы ширина спинки статора была больше половины суммы ширин зубцов, входящих в одну катушку.

Посчитав потери, мы получим некоторое число Ампер. Отложим это число на горизонтальной оси и проведем вертикальную линию. Точка пересечения вертикальной линии с графиком магнита покажет, какой магнитный поток пройдет по магнитной цепи.
Если мы будем увеличивать толщину магнита, то угол наклона графика будет уменьшаться, и при тех же потерях, мы получим больший магнитный поток. Но если коэрцитивная сила магнитов существенно больше потерь, то увеличение толщины почти ничего не даст.
Например, при зазоре в 0,5мм и использование железа под магнитами, потери будет в районе 500-1000А. Возьмем 1000А. Магниты толщиной 4мм, будут иметь общую коэрцитивную силу 6720А. Тогда в зубе будет (6720-1000)/6720*100 = 85% от магнитного потока. Если увеличить толщину магнитов до 8мм, то коэрцитивная сила станет равна 13440А, а магнитный поток будет равен (13440-1000)/13440*100=92%. Получается, увеличив толщину магнитов в два раза, мы получили прибавку всего в 7%. Поэтому я и считаю, что оптимальная толщина магнитов 3-5мм.
Миниатюры
Нажмите на изображение для увеличения
Название: 1.jpg
Просмотров: 718
Размер:	50.2 Кб
ID:	8044  
BenGunn вне форума   Ответить с цитированием
Старый 30.08.2012, 22:00   #7
BenGunn
VIP
 
Регистрация: 16.05.2012
Адрес: Пермь
Сообщений: 641
По умолчанию

Цитата:
Сообщение от Илья МГУ Посмотреть сообщение
По поводу программки для анализа: я пытался этим заниматься, но не смог корректно поставить задачу. Удалось лишь оценить эдс при переходе от 24-х к 26-и магнитам. А для общего случая не очень понятно, какую величину мы вычисляем.
Я хочу, что бы моя программа делала примерно тоже, что и программа для расчета мотора, на которую вы давали ссылку. Только я ещё хочу, чтобы кроме порядка намотки катушек, программа вычисляла отклонение центра магнита от центра катушки. Это позволит оценить потери в ЭДС.
BenGunn вне форума   Ответить с цитированием
Старый 30.08.2012, 22:29   #8
Сергей
Модератор
 
Аватар для Сергей
 
Регистрация: 12.05.2010
Адрес: Украина г.Запорожье
Сообщений: 5,312
По умолчанию

Цитата:
Сообщение от BenGunn Посмотреть сообщение
Если мы будем увеличивать толщину магнита, то угол наклона графика будет уменьшаться, и при тех же потерях, мы получим больший магнитный поток.
Цитата:
Сообщение от BenGunn Посмотреть сообщение
Остаточный магнитный поток находится по формуле Ф=B*S,
Если так рассуждать, то можно договориться до того, что коэрцитивная сила будет влиять на магнитную индукцию в зазоре.
__________________
"Если руки золотые - то совершенно не важно откуда они растут."
Сергей вне форума   Ответить с цитированием
Старый 30.08.2012, 22:39   #9
BenGunn
VIP
 
Регистрация: 16.05.2012
Адрес: Пермь
Сообщений: 641
По умолчанию

Цитата:
Сообщение от Сергей Посмотреть сообщение
Если так рассуждать, то можно договориться до того, что коэрцитивная сила будет влиять на магнитную индукцию в зазоре.
А так и будет.
Хорошим примером является генератор DmitryK-а. У него магниты толщиной 1мм, а зазор 1,2мм. Обычно считают, что на 1мм зазора уходит 1мм магнита, но тогда получается, что у DmitryK-а генератор не должен работать, так как вся толщина магнита уйдет на преодоление воздушного зазора. Но когда я провел моделирование в Elcut-е, оказалось, что магнитная индукция в зазоре всего 0,5Тл, а не 0,8-1Тл, как обычно. Из-за того, что МИ меньше, потери в зазоре получаются меньше, чем коэрцитивная сила магнита и магнитный поток проходит в зуб. Правда, МИ в зубце получается всего 0,7-0,8Тл.
BenGunn вне форума   Ответить с цитированием
Старый 30.08.2012, 23:07   #10
Сергей
Модератор
 
Аватар для Сергей
 
Регистрация: 12.05.2010
Адрес: Украина г.Запорожье
Сообщений: 5,312
По умолчанию

Ой не нравится мне всё это. Ну да ладно считайте, не буду вам мешать.
__________________
"Если руки золотые - то совершенно не важно откуда они растут."
Сергей вне форума   Ответить с цитированием
Ответ

Опции темы Поиск в этой теме
Поиск в этой теме:

Расширенный поиск
Опции просмотра

Ваши права в разделе
Вы не можете создавать новые темы
Вы не можете отвечать в темах
Вы не можете прикреплять вложения
Вы не можете редактировать свои сообщения

BB коды Вкл.
Смайлы Вкл.
[IMG] код Вкл.
HTML код Вкл.

Быстрый переход

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Индекс цитирования
Flag Counter

Часовой пояс GMT +4, время: 22:49.


Powered by vBulletin® Version 3.8.2
Copyright ©2000 - 2018, Jelsoft Enterprises Ltd. Перевод: zCarot
Copyright © 2010 Windpower Russia