NO303038B1 - Elektrisk synkronmaskin - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en synkronmaskin som enten kan generere elektrisk kraft eller omdanne elektrisk energi til dreiemoment, med rotasjon av et felt som er bygget opp av permanentmagneter i forhold til en beviklet armatur.

Konvensjonelle likestrømsgeneratorer, likestrømsmotorer eller synkrongeneratorer og synkronmotorer kan klassifiseres i to større grupper, nemlig armaturroterende og feltroterende maskiner, og de maskiner hvor permanentmagneter benyttes hører i mange tilfeller til den siste type. I samtlige maskiner innenfor de nevnte grupper er antallet feltpoler og armaturpoler heltall og i forhold så som 1:1 eller 1:2. Videre er permanentmagnetene som feltmagneter magnetisert slik at feltet går ortogonalt i forhold til armaturspolene og roterer selv. For å kunne bringe magnetfeltet nær området ved feltpolene til nær en ønsket verdi må visse forutsetninger foreligge for formen av disse permanentmagnetiske poler, luftgapet mot armaturpolene etc.

F.eks. gjelder for konvensjonelle likestrømsgeneratorer eller synkrongeneratorer, siden permanentmagnetene som feltpoler er magnetisert ortogonalt i forhold til retningen for den relative bevegelse av armaturen, at den største tiltrekningskraft foreligger når feltpolene og armaturpolene står rett overfor hverandre, men på den annen side vil det i friområdene mellom feltpolene dannes kraftige bremsevirkninger mot armaturens rotasjon på grunn av at tiltrekningskraften hurtig reduseres. Av denne grunn er det uheldig at rotasjonen av armaturen ikke kan utføres jevnt, og det kreves altså kraftige dreiemomenter for å overvinne bremsevirkningene.

Patentskriftet EP-A-0 291 219 beskriver en motor hvis armatur har antallet m armatur- eller statorpoler som strekker seg ut rundt en sentral motoraksel. Rotoren i denne motor har antallet m-l permanentmagneter anordnet omkretsmessig utenfor og rundt de m statorpolene. Samtlige permanentmagneter er magnetisert i radial retning slik at de får en nordpol henholds-vis en sydpol vendt innover mot armaturpolene.

Hensikten med denne oppfinnelse er å skaffe tilveie en synkronmaskin som kan være en generator eller motor og som reduserer problemet med bremsevirkning ved passeringen av rotorens og statorens poler i forhold til hverandre, slik det nærmere er angitt i patentkrav 1 nedenfor, og denne maskin er særlig kjennetegnet ved de trekk som fremgår av karakteristikken i samme patentkrav.

Synkronmaskinen gir god virkningsgrad under drift og unngår de problemer man har hatt med konvensjonelle generatorer eller motorer, hvor rotasjonen ikke blir jevn på grunn av relativt store bremsevirkninger.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer omkretsret-tet magnetisering av permanentmagnetene. Også grenseområdet mellom tilstøtende omkretsliggende ender av permanentmagnetene (det vil si grenseområdet mellom en nordpol og en sydpol på nabopermanentmagneter) er anordnet slik at dette grenseområdet kommer til å strekke seg skrulinjeformet langs og rundt rotorens rotasjonsakse. Dette således forlengede grenseområde betyr at magnetkraften mellom en passerende fremstikkende pol i armaturen (statoren) og permanentmagnetpolene (feltpolene) på det omsluttende rotorhus' innside, langs grenseområdet kommer til å variere gradvis når et roterende grenseområde passere en stasjonær armaturpol.

En ikke begrensende utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse skal nå beskrives, idet det vises til de tilhørende tegninger, hvor fig. 1 viser et lengdesnitt gjennom en feltrota-sjonsgenerator i samsvar med oppfinnelsen, fig. 2 viser armatur-eller statorkjernen sett i generatorens lengderetning, fig. 3 viser samme beviklet med armaturspoler over tre faser, fig. 4 viser en ring av de permanentmagneter som utgjør generatorens roterende feltpoler, fig. 5 viser et utsnitt i større målestokk av noen av disse permanentmagneter på rotoren, fig. 6 viser et koblingsskjerna for generatorens tilkopling og måling, og fig. 7 viser et diagram over typiske spenninger, strømmer og dreiemomenter som funksjon av belastningen ved forskjellig rotorturtall.

Således viser fig. 1 en generator ifølge oppfinnelsen, med en stator med form som et flensnav med en hul midtre del, her kalt et statorhus 1. Maskinens rotor har en rotoraksel 2 som er opplagret i lagre 3 i statorhusets 1 midtre del. Sentralt på statorhuset 1 er festet en armaturkjerne 4 med ni poler (m = 9 i dette eksempel), og med en form slik som vist på fig. 2. Fig.

3 viser hvordan armaturpolene nx-ng er omviklet med en armatur-vikling slik at hver pol får sin armaturspole 5. Beviklingen og forbindelsesledningene i en første tredje del kalt fase A er vist med heltrukken strek, tilsvarende er i en andre fase B vist viklingene og tilledningene med stiplet strek, og i en tredje fase C er benyttet strekpunktert linje. Siden hver av disse tre tredjedeler som utgjør tre faser i dette tilfelle inneholder tre armaturspoler 5 vil de til sammen ni poler nx- n9dekke alle tre fasene. Rotoren har et rotorhus 6 som på fig. 1 er vist i snitt, omsluttende armaturen med kjernen 4, idet denne er laminert av jernblikk på sedvanlig måte. For å sette opp et rotorfelt på innsiden av rotorhuset 6 er det, som i mange kjente maskiner dannet feltpoler av permanentmagneter 7, og disse er montert slik at de vender inn mot armaturpolenes omkrets, nær inntil denne.

Permanentmagnetene 7 er anordnet slik at de langs feltpolenes innvendige omkrets avvekslende har en nordpol og en sydpol, slik det er illustrert på fig. 4 og 5, og magnetendene (polendene) er i tillegg anordnet skrått i forhold til midt-linjen, slik det er indikert på fig. 5. Antallet permanentmagnet-poler er 2x(m-l) = 2x(9-l) = 16, og følgelig dannes et 16-polet rotorfelt. Bare ett polpar av magnetene vil vende mot en av armaturpolene %-ng på kjernen 4 med et bestemt tidspunkt.

Siden permanentmagnetenes 7 polender er anordnet skrått vil hoveddelen av tiltrekningskraften som etableres mellom en av armaturpolene n^ng og et passerende rotorpolpar tilhørende permanentmagnetene 7 og regjere gradvis når polparet passerer.

Når f.eks. sydpolen på en bestemt permanentmagnet som danner feltet i rotorhuset har passert posisjonen utenfor armaturpolen nxpå fig. 3 og tiltrekningskraften mellom polparet da svekkes, bygges det gradvis opp en frastøtningskraft mellom den neste armaturpol n2og en annen pol på permanentmagnetene 7, idet denne pol da er en nordpol, hvorved reduksjonen i hovedtil-trekningskraften blir forskjøvet.

På denne måte oppnås et forhold som ligger nær det tilfelle hvor to poler direkte ligger overfor hverandre, og følgelig vil variasjonen i bremsekraft som skyldes plutselige endringer i tiltrekningskraften fra armaturpolen og forårsaket av den pol av permanentmagneten 7 som danner feltet, være svært liten.

Som det fremgår av koblings skjemaet på fig. 6 kobles spolene 5 sammen i hver respektive ytterende slik at det dannes en Y-konfigurasjon.

Den andre respektive ende av spolene er koblet sammen i et midtpunkt, mens ytterendene er ført til hvert av de tre midtpunkter mellom seriekoblede dioder Dla/Dlb, D2a/D2bog D3a/D3b. De tre grener med to og to dioder Dlaog Dlbetc. er så parallell-koblet slik som vist på fig. 6, og parallelt med de tre rekker dioder ligger en lastmotstand R.

På denne måte dannes en likestrømsgenerator ved at diodene likeretter vekselstrømmen fra spolene og tvinger en pulserende likestrøm gjennom lastmotstanden R.

Ved at permanentmagnetenes poler er skrådd noe, slik som omtalt ovenfor, reduseres variasjonen i styrken av det magnetfelt som dannes før og etter at de står/sto rett overfor armaturpolene. Følgelig blir den elektriske strøm som genereres i spolene 5 nesten jevn, og følgelig kan også den såkalte rippelspenning som overlagres generatorlikespenningen reduseres når synkronmaskinen arbeider som generator.

Fig. 7 viser de genererte spenninger, strømmer og dreiemomenter som tilsvarer forskjellige turtall ved et tidspunkt når et voltmeter V og et amperemeter A er tilkoblet generatoren slik som vist på fig. 6, og med forskjellige lastmotstander R på hhv. 0, 10, 100, 470, 1000 ohm, og ved ubelastet generator.

Som et eksempel benyttes en armaturkjerne 4 md 39,4 mm ytterdiameter, permanentmagneter 7 i en ring med 40 mm inner-diameter, idet disse permanentmagneter danner generatorens rotorfelt, og spoler 5 med 140 tørn med 0,16 mm isolert kobber-tråd og med spolemotstand på 9,3 ohm.

Den roterende del, det vil si rotoren kan i stedet være armaturen på innsiden av det som har vært kalt rotorhuset, mens permanentmagnetene 7 utenfor er stasjonære, og i et slikt tilfelle vil man måtte bruke en kommutator og børster for å ta ut elektrisk kraft.

Selv om beskrivelsen ovenfor bare har angått generatorer vil det samme også gjelde for motorer, idet disse i prinsip-pet er bygget opp på samme måte.

Ved å la magnetiseringsretningen for permanetmagnetene 7 sammenfalle med deres rotasjonsretning eller eventuelt armaturrotasjonsretningen dersom det er armaturen som roterer, og hvis man samtidig skrår permanentmagnetenes magnetpoler i forhold til denne rotas jonsretning kan man forlenge den mag- netiske vei mellom nordpol og sydpol og derved gjøre magnet-feltfordelingen mellom magnetpolene bredere. I området mellom en nordpol og en nabosydpol vil derved bremsemomentet reduseres, siden tiltrekningskraften ved nordpolen og frastøtningskraften ved sydpolen vil ligge forskjøvet i forhold til hverandre. Ved at armaturpolantallet er m, mens antallet feltpoler dannet av permanentmagnetene er m-l vil alltid være slik at bare ett polpar mellom armatur og felt vil ligge direkte overfor hverandre, og dette bidrar også til reduksjon av bremsevirkninger.

Hvis en styrt transistor (SIT), tyristor e.l. med små

tap benyttes som likeretterelement vil tapene ytterligere kunne reduseres. Siden permanentmagneter benyttes er også f eltviklings-tapene redusert til null.

På den annen side, siden magnetfeltstyrken gjennom armaturspolen både er bredere og mer tilflatet i maksimalområdet blir bølgeformen tilnærmet trapesformet slik at når strømmen omvandles til likestrøm ved hjelp av dioder vil omvandlingsvirk-ningsgraden være god. Med andre ord utmerker synkronmaskinen ifølge oppfinnelsen seg ikke bare ved at både mekaniske og elektriske energitap holdes svært små, men også ved at maskinen kan gi en høy ytelse ved lite tilført energi.

Claims (5)

1. Elektrisk synkronmaskin med: en stator (1, 4, 5) som omfatter et statorhus (1) og en armatur med en beviklet lame 11 oppbygget jernkjerne (4) som danner m radialt utoverrettede statorpoler (n^ng), idet beviklingen utgj øres av armaturspoler (5), og en rotor (2, 6, 7) med sin rotasjonsakse, rotoraksel (2) og et rotorhus (6) som omslutter statorens armatur og i kort radial avstand fra denne har m-l innvendige feltpoler, hver dannet av flere permanentmagneter (7) som ligger i samme retning og følger etter hverandre i rekker rundt feltpolenes innvendige omkrets, på en innovervendende del av rotorhuset (6), slik at samtlige to påfølgende magneter (7) i en rekke får et felles område hvor den ene magnets nordpol vender mot den andres sydpol, KARAKTERISERT VED at rekkene av permanentmagneter (7) ligger tett ved siden av hverandre og dekker et midtparti av den innovervendende del av rotorhuset (6), at permanentmagnetenes (7) begge ender og dermed samtlige av de felles områder i hver rekke er skråstilte, og at hver rekke er forskjøvet så mye i lengderet-ningen - i forhold til naborekken - som skråstillingen tilsier, slik at de felles områder kommer til å følge tilnærmet sammenhen-gende og innbyrdes parallelle skruelinjer skrått på tvers av rekkene og rundt og langsetter rotorakselen (2).

2. Maskin ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED m = 9 armaturpoler (n^ng), hvorved antallet feltpoler på rotoren blir åtte.

3. Maskin ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at antallet armaturspoler (5) er tre, hver omviklet en gruppe på tre armaturpoler (n-L-na, n4-n6, n7-ng) eller dannet ved sammenkobling av tre enkeltspoler, en på hver armaturpol.

4. Maskin ifølge ett av kravene 1-3, KARAKTERISERT VED å være bygget som en synkronmotor for å omdanne elektrisk kraft til mekanisk rotasjon.

5. Maskin ifølge ett av kravene 1-3, KARAKTERISERT VED å være bygget som en synkrongenerator for å omdanne mekanisk rotasjon til elektrisk kraft.