В последнее время большое внимание уделяется разработке и созданию генераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Интерес к этому классу генераторов обусловлен их лучшими энергетическими показателями, простотой конструкции, большим сроком службы, надежностью, способностью работать при высоких частотах вращения в тяжелых условиях эксплуатации. Электрические машины с применением постоянных магнитов феррита бария FeBa и феррита стронция FeSr, а также магнитов ЮНДК появились в 30-е годы прошлого столетия. Невысокие удельные характеристики выпускаемых в то время постоянных магнитов ограничивали возможности по наращиванию мощности генераторов собранных на этих магнитах.
Разработанные в 80-90-е годы из нового материала постоянные магниты NdFeB получили широкое распространение в промышленном изготовлении генераторов на постоянных магнитах. В настоящее время многие мастера-исследователи собирают своими руками различные вариации генераторов, стоит только купить неодимовый магнит для генератора или найти его в неисправном электрооборудовании. Чаще всего для изготовления пробных образцов генераторов используют плоский магнит 40х20х2 или 50х18х4 мм, пластину 60х10х5 мм, магниты в форме бруска например: 40х10х10 мм, 100х15х15 мм.
Генератор — (лат. generator «производитель») прибор, преобразующий какой – либо вид энергии (химическую, тепловую, световую, механическую) в электрическую. В упрощенном виде в генераторе можно выделить следующие части:
а) индуктор — магнит или электромагнит, создающий магнитное поле;
б) якорь — обмотка, в которой при изменении магнитного потока возникает индуцированная ЭДС;
в) контактные кольца и скользящие по ним контактные пластинки (щетки), при помощи которых снимается или подводится ток к вращающейся части генератора.
Вращающаяся часть называется ротором генератора, а неподвижная часть его — статором.
Генератор на постоянных магнитах вырабатывает как переменный, так и постоянный ток. Переменный ток – это электрический ток, который изменяется по модулю и направлению. Переменный ток широко применяется в устройствах связи (радио, телевидение, проволочная телефония на дальние расстояния и т. п.), промышленности и бытовых целях. В основе своей работы генераторы переменного тока на постоянных магнитах используют вращающееся магнитное поле, создаваемое магнитами. В зависимости от мощности энергопотребления различают однофазные и трехфазные генераторы переменного тока. Примерами генераторов переменного тока на постоянных магнитах могут служить автомобильные генераторы на постоянных магнитах и ветрогенераторы на постоянных магнитах.
Хотя в промышленности применяется главным образом переменный ток, генераторы постоянного тока используются в различных промышленных, транспортных и других установках — в электролизной промышленности, на судах, тепловозах и т. д. Генераторы постоянного тока могут быть выполнены с магнитным, электромагнитным возбуждением и комбинированным возбуждением. Для создания магнитного потока в генераторах первого и последнего типов используют также постоянные магниты.
По типу конструкции ротора различают синхронные и асинхронные генераторы.
Синхронный генератор – механизм, работающий в режиме генерации энергии, в котором частота вращения магнитного поля стартера равна частоте вращения ротора. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое пересекая обмотку стартера, наводит в ней ЭДС электродвижущая сила. В синхронном генераторе ротор выполнен в виде постоянного магнита. Число полюсов ротора может быть два, четыре и т.д., но обязательно кратно двум. В бытовых электростанциях чаще всего применяют ротор с двумя полюсами. Синхронный генераторы способны кратковременно выдавать ток в 3-4 раза выше номинального. Также синхронные генераторы оптимальны для подключения оборудования с высокими стартовыми токами. Опыт разработок синхронных генераторов с постоянными магнитами показал, что наибольший эффект достигается у генераторов с большими частотами вращения. Поэтому не случайно они находят применение в авиации с приводом от авиационных двигателей. Синхронные генераторы используют обычно в качестве источников переменного тока постоянной частоты и устанавливают на электростанциях, в электрических установках, на транспорте.
Асинхронный генератор работает в режиме торможения. В этом случае ротор вращается в одном направлении с магнитным полем стартера, но с опережением. Теоретически асинхронные генераторы на постоянных магнитах возможны, но на практике они редко изготавливаются. Также они имеют ряд недостатков: высокая себестоимость, зависимость от активно-индуктивного характера нагрузки; ненадежность работы в экстремальных нагрузках; зависимость выходного напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя и т.д.
По типу первичного двигателя генераторы можно разделить на турбогенераторы, гидрогенераторы, двигатели внутреннего сгорания, ветрогенераторы, парогенераторы, то есть по виду двигателей, которые преобразуют природные энергетические ресурсы в механическую работу. Применение высокоэнергетических постоянных магнитов состава неодим-железо-бор позволило упростить конструкцию и значительно уменьшить размеры и вес генераторов, что послужило толчком к развитию малой ветроэнергетике, как в России, так и за рубежом.
Опыт проектирования, разработки, производства и эксплуатации генераторов с высококоэрцитивными постоянными магнитами показал их высокие технико-экономические характеристики, обоснованность и целесообразность их применения в системах электроснабжения. Особенностями параметров редкоземельных магнитов являются низкое значение магнитной проницаемости, высокое значение коэрцитивной силы по намагниченности от напряженности магнитного поля. Генераторы на неодимовых магнитах нашли применение в ветроэнергетике, автотранспорте, авиации, машиностроении и других областях.