Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của máy phát điện nam châm vĩnh cửu

1. Cấu trúc tổng thể

MỘT nam châm vĩnh cửu máy phát điện đồng bộ Máy phát điện gồm hai phần chính: stato và rôto. Stato là phần đứng yên trong quá trình hoạt động của máy phát điện, chủ yếu bao gồm các tấm thép silic, cuộn dây phần ứng ba pha đối xứng mắc kiểu Y được phân bố trong các rãnh stato với góc điện lệch 120° giữa các pha, vỏ bảo vệ lõi sắt và các nắp đầu. Rôto là phần quay trong quá trình hoạt động của máy phát điện. vận hành máy phát điện Thông thường, rôto bao gồm lõi rôto, thép nam châm vĩnh cửu, vòng giữ và trục rôto. Vật liệu nam châm vĩnh cửu, đặc biệt là nam châm vĩnh cửu gốc coban, có độ bền kéo thấp, cứng và giòn. Nếu rôto thiếu các biện pháp bảo vệ, khi đường kính rôto máy phát điện lớn hoặc hoạt động ở tốc độ cao, lực ly tâm trên bề mặt rôto có thể đạt đến hoặc thậm chí vượt quá độ bền kéo của vật liệu nam châm vĩnh cửu, có khả năng làm hỏng nam châm vĩnh cửu. Do đó, máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu tốc độ cao thường sử dụng cấu trúc rôto vòng giữ. Cấu trúc rôto vòng giữ bao gồm việc lắp khít một vòng trụ thành mỏng làm bằng vật liệu kim loại cường độ cao xung quanh chu vi ngoài hoặc trong của rôto. Vòng giữ này cố định thép nam châm vĩnh cửu và các cực sắt mềm ở vị trí tương ứng trên rôto. Như vậy, rôto của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu giống như một khối đặc hoàn chỉnh, đảm bảo độ tin cậy trong quá trình hoạt động ở tốc độ cao.

2. Cấu trúc mạch từ rôto

Các đặc điểm cấu trúc của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu chủ yếu được thể hiện ở rôto. Nói chung, theo mối quan hệ giữa hướng từ hóa của nam châm vĩnh cửu và hướng quay của rôto, chúng có thể được phân loại thành loại tiếp tuyến và loại xuyên tâm, v.v.

(1) Cấu trúc mạch từ rôto tiếp tuyến
Trong cấu trúc mạch từ rôto tiếp tuyến, hướng từ hóa của rôto gần như vuông góc với trục từ thông khe hở không khí và nằm xa khe hở không khí hơn, dẫn đến rò rỉ từ thông tương đối lớn. Tuy nhiên, các nam châm vĩnh cửu hoạt động song song, với hai tiết diện nam châm vĩnh cửu cung cấp từ thông trên mỗi cực cho khe hở không khí, điều này có thể làm tăng mật độ từ thông khe hở không khí. Điều này đặc biệt nổi bật trong trường hợp có số cực lớn. Do đó, loại tiếp tuyến phù hợp với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu yêu cầu số cực lớn và mật độ từ thông khe hở không khí cao. Phương pháp cố định nam châm vĩnh cửu và các cực từ sử dụng cấu trúc vòng giữ, như thể hiện trong Hình 1(a).

(2) Cấu trúc mạch từ rôto xuyên tâm
Cấu trúc mạch từ rôto xuyên tâm được thể hiện trong Hình 1(b). Hướng từ hóa của nam châm vĩnh cửu trùng với trục từ thông khe hở không khí và gần khe hở không khí hơn. Trong mạch từ của một cặp cực, hai nam châm vĩnh cửu tạo ra lực từ động, hoạt động nối tiếp. Tiết diện của mỗi nam châm vĩnh cửu tạo ra từ thông trên mỗi cực cho máy phát, và lực từ động của mỗi nam châm vĩnh cửu tạo ra lực từ động cho một cực của máy phát.

Hình 1: Sơ đồ cấu trúc mạch từ rôto máy phát điện nam châm vĩnh cửu.

So với cấu trúc rôto tiếp tuyến, cấu trúc mạch từ rôto xuyên tâm có hệ số rò rỉ từ thông nhỏ hơn. Trong cấu trúc này, do nam châm vĩnh cửu trực tiếp đối diện với khe hở không khí và có hướng từ trường, mật độ từ thông khe hở không khí Bδ gần bằng mật độ từ thông Bm tại điểm hoạt động của nam châm vĩnh cửu, giúp cải thiện hiệu suất sử dụng vật liệu nam châm vĩnh cửu. Nam châm vĩnh cửu trong cấu trúc rôto xuyên tâm có thể được đúc trực tiếp hoặc gắn kết vào trục máy phát điện, làm cho cấu trúc và quy trình tương đối đơn giản. Việc đúc hợp kim nhôm giữa các cực đảm bảo tính toàn vẹn của cấu trúc rôto và cung cấp hiệu ứng giảm chấn, có thể cải thiện hiệu suất quá độ của máy phát điện và tăng cường khả năng chống khử từ của vật liệu nam châm vĩnh cửu.

(3) Cấu trúc nhúng rôto tích hợp

Hiện nay, trong các tổ máy phát điện truyền thống, động cơ và máy phát điện hoạt động tương đối độc lập. Trục khuỷu của động cơ có hai đầu, nằm ở phía trước và phía sau động cơ; đầu trước được trang bị bánh đà và dây kéo khởi động bên ngoài; đầu sau đóng vai trò là bộ truyền động đầu ra, thường được sử dụng để kết nối với máy phát điện. tổ máy phát điện tốc độ cao Máy phát điện này không chỉ tạo ra năng lượng điện mà còn, thông qua tính toán mômen quán tính, đảm bảo mômen quán tính của rôto bằng với mômen quán tính của bánh đà, nhờ đó sử dụng rôto của nó để thay thế bánh đà của động cơ sơ cấp, biến nó thành một phần không thể tách rời của động cơ sơ cấp. Điều này tạo ra một "cấu trúc nhúng tích hợp máy phát điện tốc độ cao". Nhờ đó, kích thước trục của thiết bị giảm đáng kể và trọng lượng của nó, về cơ bản đạt được sự tách biệt giữa vùng nóng và vùng lạnh của tổ máy phát điện, tạo điều kiện thuận lợi cho các giải pháp tản nhiệt và cải thiện độ tin cậy của hệ thống.