โครงสร้างและหลักการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร

1. โครงสร้างโดยรวม

เอ แม่เหล็กถาวร เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัส เครื่องกำเนิดไฟฟ้าประกอบด้วยสองส่วนหลัก คือ สเตเตอร์และโรเตอร์ สเตเตอร์หมายถึงส่วนที่อยู่กับที่ในระหว่างการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วยแผ่นเหล็กซิลิคอน ขดลวดอาร์มาเจอร์แบบสมมาตรสามเฟสต่อแบบ Y กระจายอยู่ในร่องสเตเตอร์โดยมีมุมไฟฟ้าต่างกัน 120° ระหว่างเฟส ตัวเรือนที่ยึดแกนเหล็ก และฝาปิดปลาย โรเตอร์หมายถึงส่วนที่หมุนได้ในระหว่างการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า การทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดยทั่วไปแล้ว เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรจะประกอบด้วยแกนโรเตอร์ เหล็กแม่เหล็กถาวร แหวนล็อก และเพลาโรเตอร์ วัสดุแม่เหล็กถาวร โดยเฉพาะแม่เหล็กถาวรที่ใช้โคบอลต์เป็นส่วนประกอบ มีความแข็งแรงดึงต่ำ แข็ง และเปราะ หากโรเตอร์ขาดมาตรการป้องกัน เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของโรเตอร์เครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีขนาดใหญ่ หรือทำงานด้วยความเร็วสูง แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางบนพื้นผิวโรเตอร์อาจเข้าใกล้หรือเกินความแข็งแรงดึงของวัสดุแม่เหล็กถาวร ซึ่งอาจทำให้แม่เหล็กถาวรเสียหายได้ ดังนั้น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรความเร็วสูงจึงมักใช้โครงสร้างโรเตอร์แบบมีแหวนล็อก โครงสร้างโรเตอร์แบบมีแหวนล็อกนี้เกี่ยวข้องกับการนำแหวนทรงกระบอกผนังบางที่ทำจากวัสดุโลหะที่มีความแข็งแรงสูงมาติดตั้งให้แน่นรอบเส้นรอบวงด้านนอกหรือด้านในของโรเตอร์ แหวนล็อกนี้จะยึดเหล็กแม่เหล็กถาวรและชิ้นส่วนขั้วเหล็กอ่อนไว้ในตำแหน่งที่เหมาะสมบนโรเตอร์ ดังนั้น โรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรจึงมีลักษณะคล้ายกับวัตถุแข็งชิ้นเดียว ทำให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือในระหว่างการทำงานด้วยความเร็วสูง

2. โครงสร้างวงจรแม่เหล็กโรเตอร์

ลักษณะโครงสร้างของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรส่วนใหญ่จะสะท้อนให้เห็นในโรเตอร์ โดยทั่วไปแล้ว สามารถจำแนกได้ตามความสัมพันธ์ระหว่างทิศทางการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรกับทิศทางการหมุนของโรเตอร์ เป็นแบบสัมผัสและแบบรัศมี เป็นต้น

(1) โครงสร้างวงจรแม่เหล็กโรเตอร์สัมผัส
ในโครงสร้างวงจรแม่เหล็กโรเตอร์แบบสัมผัส ทิศทางการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของโรเตอร์เกือบตั้งฉากกับแกนฟลักซ์ในช่องว่างอากาศและอยู่ห่างจากช่องว่างอากาศ ส่งผลให้ฟลักซ์แม่เหล็กรั่วไหลค่อนข้างมาก อย่างไรก็ตาม แม่เหล็กถาวรทำงานแบบขนาน โดยแม่เหล็กถาวรสองหน้าตัดจะให้ฟลักซ์แม่เหล็กต่อขั้วแก่ช่องว่างอากาศ ซึ่งสามารถเพิ่มความหนาแน่นของฟลักซ์ในช่องว่างอากาศได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่มีจำนวนขั้วสูง ดังนั้น แบบสัมผัสจึงเหมาะสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรที่ต้องการจำนวนขั้วสูงและความหนาแน่นของฟลักซ์ในช่องว่างอากาศสูง วิธีการยึดแม่เหล็กถาวรและชิ้นส่วนขั้วใช้โครงสร้างวงแหวนยึด ดังแสดงในรูปที่ 1(a)

(2) โครงสร้างวงจรแม่เหล็กโรเตอร์รัศมี
โครงสร้างวงจรแม่เหล็กโรเตอร์แบบรัศมีแสดงในรูปที่ 1(b) ทิศทางการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรสอดคล้องกับแกนฟลักซ์ของช่องว่างอากาศและอยู่ใกล้กับช่องว่างอากาศ ในวงจรแม่เหล็กของขั้วคู่หนึ่ง แม่เหล็กถาวรสองตัวจะให้แรงเคลื่อนแม่เหล็กโดยทำงานแบบอนุกรม พื้นที่หน้าตัดของแม่เหล็กถาวรแต่ละตัวจะให้ฟลักซ์แม่เหล็กต่อขั้วสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และแรงเคลื่อนแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรแต่ละตัวจะให้แรงเคลื่อนแม่เหล็กสำหรับขั้วหนึ่งของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

รูปที่ 1: แผนภาพแสดงโครงสร้างวงจรแม่เหล็กของโรเตอร์เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร

เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างโรเตอร์แบบสัมผัส โครงสร้างวงจรแม่เหล็กโรเตอร์แบบรัศมีจะมีค่าสัมประสิทธิ์การรั่วไหลของฟลักซ์แม่เหล็กที่ต่ำกว่า ในโครงสร้างนี้ เนื่องจากแม่เหล็กถาวรหันหน้าเข้าหาช่องว่างอากาศโดยตรงและมีการวางแนวสนามแม่เหล็ก ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กในช่องว่างอากาศ Bδ จึงใกล้เคียงกับความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก Bm ที่จุดการทำงานของแม่เหล็กถาวร ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราการใช้ประโยชน์ของวัสดุแม่เหล็กถาวร แม่เหล็กถาวรในโครงสร้างโรเตอร์แบบรัศมีสามารถหล่อหรือติดเข้ากับเพลาของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้โดยตรง ทำให้โครงสร้างและกระบวนการค่อนข้างง่าย การหล่อโลหะผสมอะลูมิเนียมระหว่างขั้วช่วยให้มั่นใจถึงความสมบูรณ์ของโครงสร้างโรเตอร์และให้ผลในการลดการสั่นสะเทือน ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานในช่วงเปลี่ยนผ่านของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและเพิ่มความต้านทานต่อการลดอำนาจแม่เหล็กของวัสดุแม่เหล็กถาวร

(3) โครงสร้างฝังโรเตอร์แบบบูรณาการ

ปัจจุบัน ในชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบดั้งเดิม เครื่องยนต์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าค่อนข้างแยกจากกัน เพลาข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์มีปลายสองด้าน อยู่ที่ด้านหน้าและด้านหลังของเครื่องยนต์ ปลายด้านหน้าติดตั้งล้อช่วยแรงและเชือกดึงสตาร์ทภายนอก ส่วนปลายด้านหลังทำหน้าที่เป็นตัวขับส่งกำลัง ซึ่งโดยทั่วไปใช้สำหรับเชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าความเร็วสูง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าไม่เพียงแต่ผลิตพลังงานไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังใช้การคำนวณโมเมนต์ความเฉื่อยเพื่อให้โมเมนต์ความเฉื่อยของโรเตอร์เท่ากับโมเมนต์ความเฉื่อยของล้อช่วยแรง จึงใช้โรเตอร์แทนล้อช่วยแรงของเครื่องต้นกำลัง ทำให้โรเตอร์เป็นส่วนหนึ่งของเครื่องต้นกำลังอย่างสมบูรณ์ ส่งผลให้เกิด "โครงสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าความเร็วสูงแบบฝังตัว" ซึ่งช่วยลดขนาดตามแนวแกนและน้ำหนักของเครื่องได้อย่างมาก และยังช่วยแยกโซนร้อนและโซนเย็นของชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ทำให้การระบายความร้อนทำได้ง่ายขึ้น และเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบ