PL158609B1 - Reluctance electric machine behind a changeable total stream - Google Patents

Abstract

1. Maszyna elektryczna reluktancyjna, ze zmiennym strumieniem calkowitym, zawierajaca cylindryczny sto- jan z materialu ferromagnetycznego z szeregiem nabie- gunników stalych tworzacych wewnetrzna powierzchnie walcowa stojana i wyznaczajacych glówna os maszyny, co najmniej jedno uzwojenie elektryczne, obejmujace przynajmniej czesc stojana; wirnik z materialu ferromag­ netycznego z walem zamocowanym obrotowo w osi glównej maszyny i znajdujacym sie w obwodzie magnety­ cznym z odpowiednimi nabiegunnikami stojana, zna­ mienna tym, ze wirnik (16) sklada sie z: czesci glównej (18) podzielonej na sekcje na przemian o malej i duzej reluk- tancji umozliwiajacej zmiane przenikalnosci magnety­ cznej miedzy pierwsza para nie sasiadujacych ze soba biegunów (11A i 11C) w czasie obrotu wirnika (16) i czesci bocznikowej (17) odizolowanej magnetycznie od czesci glównej (18), podzielonej równiez na sekcje na przemian o malej i duzej reluktacji, odpowiadajacej na obwodzie sekcjom o malej i duzej reluktacji czesci glównej (18) wirnika (16) dla umozliwienia zmian przenikalnosci magnetycznej miedzy druga para nie sasiadujacych ze soba biegunów (11B i 11D) aby utworzyc obwód magne­ tyczny z pierwsza para biegunów stojana (10) i czescia glówna (18); i co najmniej jednego elementu magnety­ cznego wytwarzajacego skierowany promieniowo w sto­ sunku do walu wirnika (16) strumien magnetyczny (40) z co najmniej jednym elementem magnetycznym tworza­ cym pierscien o biegunach wyrównanych promieniowo z biegunami o jednej polaryzacji w obwodzie magnety­ cznym z glówna czescia (18) wirnika (16) i z biegunami o odmiennej polaryzacji w obwodzie magnetycznym F i g . 2 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest maszyna elektryczna reluktancyjna, ze zmiennym strumieniem całkowitym.

W dotychczasowym stanie techniki silniki i prądnice (nazwane dalej ogólnie „maszynami) są używane do szczególnych zastosowań· według ich charakterystyk roboczych i mocy. Na przykład maszyny elektryczne mogą być prądu przemiennego indukcyjne, synchroniczne lub szeregowe; względnie prądu stałego szeregowe, z magnesami trwałymi, bocznikowe lub szeregowobocznikowe; albo też uniwersalne. Pod względem prędkości obrotowej rozróżnia się maszyny o stałej i zmiennej prędkości obrotowej, o nastawialnej i zmiennej prędkości obrotowej oraz wielobiegowe. Z uwagi na ochronę mechaniczną i chłodzenie maszyny mogą być budowy otwartej i zamkniętej, przewietrzane, chłodzone wodą lub powietrzem, z chłodzeniem wentylatorowym itp. Dzięki szczególnej budowie maszyna będąca przedmiotem wynalazku jednoczy wiele korzystnych cech roboczych silników różnych typów. Łączy ona cechy maszyny synchronicznej i indukcyjnej z wirnikiem o masywnej budowie, w którym występują magnesy trwałe. Może być stosowana w różnych warunkach otoczenia, przy prądzie stałym lub zmiennym, ze stałym momentem w całym zakresie prędkości obrotowej, obejmującym bardzo duże obroty, a to dzięki masywnej konstrukcji wirnika.

Maszyna, według wynalazku, opiera się na tych samych prawach elektromagnetyzmu, jakie wykorzystane są w maszynach konwencjonalnych, ale różni się od nich układem i sposobem działania. Na przykład dotychczasowe prądnice charakteryzują się względnym ruchem cewek uzwojenia i pola magnetycznego, przy czym dzięki przecinaniu linii sił pola magnetycznego przez przewody cewek wytwarza się w nich siła elektromagnetyczna. Wymaga to uzwojenia elektrycznego wirnika, użycia pierścieni ślizgowych czy szczotek w dostosowaniu do wirującego uzwojenia lub dla komutacji przepływu prądu i realizacji ślizgowych połączeń elektrycznych. Pewne trudności związane z taką konstrukcją maszyny obejmują potrzebę ciągłej uwagi na pracę pierścieni ślizgowych czy szczotek, oraz zakłócenia w pracy powstające w rezultacie ciągłego iskrzenia, gdy styki wirnika przesuwając się wychodzą spod nieruchomych szczotek. Pierścienie ślizgowe i szczotki obniżają też sprawność eksploatacyjną na rezystancji styku szczotek i strat na tarcie mechaniczne szczotek przy obrotach wirnika. Uzwojenie wirnika zwiększa też znacznie jego ciężar czy masę, czego rezultatem jest mniejsza prędkość obrotowa i większy pobór energii z urządzenia napędzającego czy zasilającego. Ponadto stałe obroty, nagrzewanie i siły magnetyczne oddziaływujące na cewki uzwojenia i ich izolację powodują zmęczenie materiałowe, pęknięcia, degradację i w końcu po pewnym czasie uszkodzenia uzwojeń.

Niektóre dotychczasowe maszyny działają bez pierścieni i szczotek, ale mają inne właściwe im ograniczenia. Na przykład, maszyny indukcyjne zmieniają magnetyczny obwód indukcji wskutek nieuzwojonego, uzębionego wirnika. Pole magnetyczne jest wzbudzane przez elektromagnesy stojana, a cewki twornika są też uzwojenie w stojanie. Jednakże maszyny indukcyjne nie zyskują powszechnego uznania, gdyż mają większe wymiary i mniejszą sprawność od tradycyjnych maszyn pierścieniowych.

Nowsze rozwiązania tych zagadnień znaleziono przez zastosowanie w wirniku magnesów trwałych w miejsce elektromagnesów. Eliminuje to konieczność elektrycznych połączeń ślizgowych i oszczędza mocy elektrycznej, czego skutkiem jest wzmocnienie pola, zmniejszenie wytwarzania ciepła i zwiększenie gęstości mocy. Zastosowanie magnesów trwałych w maszynach ogranicza jednak ich zastosowania, jako że nie ma sposobu wysterowywania ich pracy przy zmianach obciążenia.

Inne aspekty dotychczasowych typów maszyn, pomniejszające ich zalety, to jednoczesna zmiana kierunku pola magnetycznego w całej maszynie, skutkująca w stratach na histerezę, stratach na prądy wirowe i wytwarzania ciepła; wykonanie wirnika z różnych materiałów, powodu4

158 609 jące nierównomierną rozszerzalność, naprężenia mechaniczne, straty na prądy wirowe; niestałe momenty obrotowe przy różnych prędkościach obrotowych, wywołujące wyższe harmoniczne, co zmniejsza moc wyjściową i sprawność; oraz obwód magnetyczny, pracujący przy indukcji mniejszej od nasycenia, czego skutkiem jest mała gęstość energii, a w wyniku zwiększenia wymiarów i ciężaru maszyny.

Obecny wynalazek jednoczy pozytywne cechy wielu różnych typów maszyn i nie ogranicza tych cech do omówionych. Nadto eliminuje lub łagodzi szereg trudności towarzyszących poprzednim konstrukcjom maszyny.

Sprawność i właściwości robocze maszyny są poprawione jako wynik wielu czynników. Wynalazek wykorzystuje magnesy trwałe i wieloczęściowy wirnik. Obroty wirnika wywołują zmiany wartości strumienia magnetycznego i jego kierunku (tj. odwracają ten kierunek) w stojanie bez zmiany kierunku strumienia w wirniku. W ten sposób zmiany kierunku strumienia są ograniczone tylko do tych części stojana, jakie są otoczone przez jego uzwojenie. Jest zwykle pożądane, aby strumień w wirniku miał niezmienną wartość, ale może on też ulegać zmianie, jeśli to nie jest konieczne lub pożądane. Wirnik przewodzi strumień magnetyczny przez oddzielne, odizolowane magnetycznie sekcje i zmienia kierunek przepływu strumienia w trakcie obrotów, nawet przy dużych prędkościach obrotowych. Zapobiega to niepożądanemu zanikowi strumienia i zwiększaniu wytwarzania ciepła, pozwalając na bardzo dużą gęstość energii. W zasadzie wszystkie części obwodu magnetycznego pracują w stanie pełnego nasycenia przez cały czas, co zmniejsza ilość użytej stali, rozmiary i ciężar rdzeni i zwiększa stosunek masy do ciężaru. Pole magnetyczne jest wytwarzane przez magnesy trwałe, dzięki czemu unika się zasilającego prądu wzbudzenia, jak też szczotek czy pierścieni ślizgowych. Zwiększa to też gęstość mocy przez zwiększenie indukcji magnetycznej i zmniejszenie wydzielania ciepła. W zasadzie stałe natężenie pola wraz z użyciem odpowiednio ukształtowanych i oddalonych względem siebie sekcji wirnika powoduje bardziej równonnerrij moment obrotowy lub wytwarzane napięcie, jakie są w zasadzie wolne od zniekształceń przez składowe, wyższe harmoniczne. Jeśli części obwodu magnetycznego zostają nieruchome i połączone z tarczami łożyskowymi, możliwe staje się osiągnięcie większych prędkości obrotowych i uzyskanie dłuższych wirników, jak też poprawa trwałości i niezawodności, użycie konwencjonalnej konstrukcji i technik produkcyjnych i wreszcie ułatwienia montażu i demontażu. A przy włączeniu do obwodu magnetycznego tarczy łożyskowych, pozostaje on w tej części odizolowany cieplnie od pozostałych części obwodu przez szczelinę powietrzną, co zmniejsza do minimum możliwość uszkodzenia magnesów trwałych przez podwyższoną temperaturę.

Prądnice z magnesami trwałymi do wzbudzania strumienia i pracy mogą ulegać spadkowi napięcia przy poborze prądu. Wada ta ujawnia się na skutek niemożności zmiany strumienia magnetycznego dla skompensowania spadku napięcia. Jednakże obecny wynalazek stosuje nową konstrukcję, w której magnesy trwałe połączone są z uzwojeniami kompensacyjnymi, wzbudzanymi do wzmacniania lub osłabiania strumienia magnetycznego. Uzwojenia do kompensacji napięcia są też wzbudzane selektywnie w celu wspomagania w tłumieniu nagłych skoków napięcia.

Celem wynalazku jest uzyskanie ulepszonej maszyny elektrycznej do pracy silnikowej i prądnicowej, która łączyłaby optymalne właściwości eksploatacyjne różnych maszyn. Stworzenie maszyny pracującej przy zmianach wartości i kierunku pola magnetycznego od uzwojenia stojana bez zmiany kierunku pola w wirniku, przy czym konstrukcja maszyny z wirnikiem wieloczęściowym, złożonym z uzupełniających się segmentów, izolowanych magnetycznie oraz otrzymanie maszyny z masywnym wirnikiem, który by mógł pracować przy dużych prędkościach obrotowych przy racjonalnym zastosowaniu magnesów trwałych o dużej energii.

Elektryczna maszyna reluktancyjna, bezszczotkowa, ze zmiennym strumieniem całkowitym zawierająca: cylindryczny stojan z materiału ferromagnetycznego z szeregiem wydatnych biegunów stałych, których nabiegunniki tworzą wewnętrzną powierzchnię walcową stojana i wyznaczają główną oś maszyny, z co najmniej jednym uzwojeniem elektrycznym, obejmującym przynajmniej część stojana; wirnik z materiału ferromagnetycznego z wałem zamocowanym obrotowo w głównej osi maszyny i znajdującym się w obwodzie magnetycznym z odpowiednimi nabiegunnikami stojana, ma według wynalazku wirnik, który składa się z części głównej podzielonej na sekcje na przemian o małej i dużej reluktancji umożliwiającej zmianę przenikalności magnetycznej między pierwszą parą nie sąsiadujących ze sobą biegunów w czasie obrotu wirnika; części bocznikowej odizolowanej magnetycznie od części głównej, podzielonej również na sekcje na przemian o małej i

158 609 dużej reluktancji, odpowiadającej na obwodzie sekcjom o małej i dużej reluktancji części głównej dla umożliwienia zmian przenikalności magnetycznej między drugą parą nie sąsiadujących ze sobą biegunów aby utworzyć obwód magnetyczny z pierwszą parą biegunów stojana i częścią główną; i co najmniej jednego elementu magnetycznego wytwarzającego skierowany promieniowo w stosunku do wału wirnika strumień magnetyczny z co najmniej jednym elementem magnetycznym tworzącym pierścień o biegunach wyrównywanych promieniowo z biegunami o jednej polaryzacji w obwodzie polaryzacji w obwodzie magnetycznym z częścią bocznikową wirnika, przy czym co najmniej jeden element magnetyczny umieszczony jest między główną i bocznikową częścią wirnika w celu wytwarzania strumienia magnetycznego w wirniku, tak że obroty wirnika wywołują zmiany wartości i kierunku strumieniu w stojanie bez zmiany kierunku przepływu strumienia przez wirnik.

Korzystnie sekcje o dużej reluktancji w głównej i bocznikowej części wirnika tworzą jego bieguny, przy czym każdy ich nabiegunnik ma w zasadzie takie same wymiary.

Korzystnie co najmniej jeden element magnetyczny wytwarza strumień w zasadzie liniowy, przy czym odcinek drogi przepływu tego strumienia w kierunku promieniowym rozciąga się przez co najmniej jeden element magnetyczny i sąsiednią szczelinę powietrzną do odpowiednich powierzchni głównej i bocznikowej części wirnika.

Korzystnie wirnik jest bez uzwojeń elektrycznych. Korzystnie główna część wirnika tworzy cylinder z materiału o dużej przewodności magnetycznej, zamocowany współosiowo z osią główną, przy czym cylinder ten ma wykonane w odpowiednich miejscach na obwodzie otwory, które tworzą sekcje o dużej reluktancji, przedzielone przez sekcje o małej reluktancji rdzenia wirnika.

Korzystnie część bocznikowa wirnika zawierał wał z materiału o dużej przewodności magnetycznej, umieszczony w osi głównej maszyny, przy czym wał ten ma wykonane w określonej liczbie wystające promieniowo segmenty bocznikowe o dużej reluktancji tak, że segmenty bocznikowe tworzą sekcje o dużej reluktancji, przedzielone przez sekcje o małej reluktancji umieszczone między wymienionymi segmentami.

Korzystnie główna część wirnika ma postać cylindra, wykonanego z materiału o dużej przewodności magnetycznej, współosiowego z osią główną maszyny, przy czym cylinder ten ma wykonane w określonych miejscach na obwodzie otwory, przy czym w tej cylindrycznej części głównej umieszczona jest część bocznikowa wirnika z wałem ustawionym w osi głównej maszyny, wykonanym z materiału o dużej przewodności magnetycznej, a mającym określoną liczbę segmentów bocznikowych o dużej reluktancji, które wchodzą promieniowo w otwory w części głównej wirnika. Korzystnie segmenty bocznikowe mają powierzchnię zewnętrzną tworzącą wycinek powierzchni walcowej pokrywającej się w zasadzie z zewnętrzną powierzchnią cylindryczną głównej części wirnika.

Korzystnie co najmniej jeden element magnetyczny styka się z wirnikiem i obraca się razem z nim.

Przy pracy silnikowej maszyny według wynalazku może ona być wykorzystywana jako silnik o stałej prędkości obrotowej dzięki dodatkowemu uzwojeniu tłumiącemu dla zwiększania rozruchowych momentów obrotowych i eliminowania niepożądanych wahań prędkości obrotowej przy zmianach obciążenia. Maszyna może też pracować jako silnik o zmiennej prędkości obrotowej przez sprzężenie z falownikiem, który zmuszałby wirnik do synchronizacji przy małych prędkościach obrotowych i doprowadzałby go w razie potrzeby do dużych prędkości obrotowych. Maszyna może pracować jako jednofazowa lub wielofazowa, co czyni ją bardziej uniwersalną do nowych zastosowań, w tym również do pracy prądnicowej.

Reasumując maszyna według wynalazku jest maszyną reluktancyjną ze zmiennym całkowitym strumieniem magnetycznym. Składa się ona z cylindrycznego stojana z szeregiem stałych biegunów, mających nabiegunniki tworzące wewnętrzną powierzchnię walcową stojana. Przenikalny magnetycznie wirnik tworzy obwód magnetyczny z odpowiednimi nabiegunnikami stojana. Wirnik zawiera główną część złożoną z sekcji na zmianę o dużej i małej przenikalności magnetycznej do zmiany reluktancji między pierwszą parą, nie sąsiadujących ze sobą biegunów stojana. Składowa, bocznikowa część wirnika jest odizolowana magnetycznie od jego części głównej i składa się też z wielu sekcji o dużej i małej przenikalności magnetycznej. Te sekcje o dużej i małej przenikalności magnetycznej części bocznikowej uzupełniają się z sekcjami o dużej i małej przenikalności magnetycznej części głównej wirnika i zmieniają reluktancję między drugą parą nie sąsiadujących ze sobą

158 609 biegunów stojana, tworząc obwód magnetyczny z pierwszą parą, nie sąsiadujących ze sobą biegunów stojana w części głównej. Elementy magnetyczne, wzbudzające strumień magnetyczny są w obwodzie magnetycznym z główną i bocznikową częścią wirnika tego rodzaju, że obroty wirnika wywołują zmiany wartości i kierunku strumienia w stojanie bez zmiany kierunku strumienia w wirniku.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładowym wykonaniu na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia maszynę od zewnątrz według wynalazku, w widoku perspektywicznym; fig. 2 - maszynę z wycięciem wzdłuż załamanej pod kątem prostym linii 2-2; fig.3 - widok cząstkowy w rozwinięciu rozebranej maszyny z fig. 4 - wirnik w widoku perspektywicznym ukazujący główną i bocznikową jego część składową; fig. 5 - stojan i wirnik w przekroju prostopadłym do podłużnej osi maszyny schematycznie; fig. 6 - stojan, obudowę i elementy wzbudzenia strumienia magnetycznego, z częściami wirnika wyłamanymi dla jasności rysunku w przekroju poprzecznym; fig.7 -widok perspektywiczny w przekroju podłużnym stojan, obudowę, elementy wzbudzenia i główną część wirnika w drugim przykładzie wykonania, z częścią bocznikową wirnika, pokazaną w całości, w widoku perspektywicznym w przekroju podłużnym; fig. 8 - maszynę z fig. 7 w przekroju poprzecznym wzdłuż linii 8-8; fig. 9 - maszynę w innym jeszcze przykładzie wykonania, w przekroju podłużnym, z wałem pokazany, w całości; fig. 10 - maszynę z fig. 9, w przekroju podłużnym ale obróconym o 90° względem poprzedniego przekroju wokół osi wzdłużnej maszyny; fig. 11 -maszynę z fig. 9 w przekroju poprzecznym wzdłuż linii 11-11; fig. 12 - maszynę z fig. 9 w przekroju poprzecznym wzdłuż linii 12-12; fig. 13 - maszynę z fig. 9 w przekroju poprzecznym wzdłuż linii 13-13; fig. 14 - maszynę z fig. 9 w przekroju poprzecznym wzdłuż linii 14-14; fig. 15 maszynę z fig. 9 w przekroju poprzecznym wzdłuż linii 15-15; fig. 16 - wirnik i stojan maszyny z fig. 9 - 15, w widoku perspektywicznym częściowo rozebranych.

Opis wynalazku przedstawiający kilka przykładów wykonania maszyny nie ogranicza się tylko do tych rozwiązań. Opis ma bowiem charakter przykładowy i nie obejmuje wszystkich możliwych zmian, ulepszeń i rozwiązań alternatywnych w ramach idei i zakresu określonych w załączonych zastrzeżeniach.

Figura 1 przedstawia maszynę reluktancyjną, według wynalazku, o zmiennym co do kierunku i wartości strumieniu całkowitym. Maszyna ma zewnętrzną obudowę 1 cylindryczną, jaka może być wykonana z odpowiedniego materiału niemagnetycznego. Obudowa 1 może być przedłużona, jeśli to jest niezbędne lub pożądane, przez pierścieniowe obrzeża 2. Obudowa 1 wraz z obrzeżami 2 wyznaczają podłużną oś główną 3 maszyny. Tarcze łożyskowe 4 ustawione są poprzecznie do osi głównej 3 i są przytwierdzone do obudowy 1 lub jej obrzeży 2 za pomocą śrub 6 lub innych łączników. Tarcze łożyskowe 4 mają wykonane szczeliny wentylacyjne 5 dla przepływu powietrza chłodzącego przez maszynę. Do mocowania maszyny służą łapy 7. W tarczach łożyskowych 4 osadzone są łożyska 8, ustawione w osi głównej 3 maszyny.

Jak widać na figurach 2 i 3, stojan 10 ma kształt cylindra, przy czym jest wykonany z materiału ferromagnetycznego. Ma on szereg stałych biegunów 11 tworzących między sobą obwody magnetyczne, przebiegające w kierunku promieniowym do wewnątrz, ku głównej osi 3 maszyny. Wszystkie bieguny mają ukształtowane nabiegunniki 12, które tworzą zębatą powierzchnię wewnętrzną stojana 10, wokół głównej osi 3 maszyny. Liczba biegunów 11 może być różna, zależnie od potrzeby lub życzenia. Między biegunami 11 utworzone są wycięcia na cewki 13 uzwojenia elektrycznego, otaczające po jednym lub więcej biegunów 11. Liczba biegunów 11, liczba cewek 13, liczba biegunów 11 otoczonych przez jedną cewkę 13, sposób połączeń cewek 13 między sobą, jeśli takie zachodzą oraz faza wzbudzenia silnika mogą być różne zgodnie z wymaganiami lub życzeniami, co do pożądanych właściwości elektrycznych maszyny.

Wirnik 16 składa się z części bocznikowej 17 części głównej 18 i z elementów wsporczych 19. Część bocznikowa 17 tworzy jedną całość z wałem 21, ułożyskowanym obrotowo w osi głównej 3 maszyny. Część bocznikowa 17 wirnika 16 ma określoną liczbę, wystających promieniowo segmentów bocznikowych 22, których powierzchnie zewnętrzne 23 stanowią wycinki powierzchni walcowej wirnika 16, współosiowej z osią główną 3 maszyny. Pożądane jest, by powierzchnia walcowa utworzona przez wycinki zewnętrznych powierzchni 23 segmentów 22 wirnika 16 odpowiadała w zasadzie powierzchni każdego z nabiegunników 12 stojana 10 tak, by tworzyły między sobą

158 609

Ί równomierną szczelinę powietrzną 25. Część bocznikowa 1Ί wirnika 16, zawierająca segmenty 22, wykonana jest z materiału o dużej przenikalności magnetycznej, przy czym każdy z segmentów 22 wyznacza sekcję o dużej przenikalności magnetycznej, oddzielona od sąsiednich przez sekcje o małej przenikalności magnetycznej. Wał 21 stanowiący składową część bocznika magnetycznego służy do napędu mechanicznego i znajduje się w łożyskach 8 tocznych.

Główną część 18 wirnika 16 tworzy otwarty z obu stron cylinder lub rura z materiału o dużej przenikalności magnetycznej, osadzona współosiowo względem osi głównej 3 maszyny. Część 18 ma wykonane w określonych miejscach otwory lub raczej okna 26. Układ okien 26 odpowiada układowi powierzchni 23 czołowych segmentów 22 części bocznikowej 1Ί wirnika 16 tak, że po zmontowaniu części głównej 18 i części bocznikowej 1Ί wirnika 16 ich elementy uzupełniają się wzajemnie po obwodzie. Materiał o dużej przewodności magnetycznej tworzy sekcje o małej reluktacji, a otwory 26 wyznaczają sekcje o dużej rełuktancji. Odstęp między częścią główną 18 i bocznikową 1Ί wirnika 16 jest zasadniczo większy od szczeliny powietrznej 25 między każdą z części składowych wirnika 16 i nabiegunnikami 12 rdzenia stojana 10, celem zmniejszenia do minimum strumienia rozpuszczenia między obu częściami składowymi wirnika 16 i maksymalnego zwiększenia przepływu strumienia poprzez szczelinę powietrzną 25 między wirnikiem 16 i stojanem

10. Zewnętrzna powierzchnia głównej części 18 wirnika 16 jest współosiowa z powierzchnią nabiegunników 12 rdzenia stojana, przy czym środkowe fragmenty głównej części 18 wirnika 16 tworzą z powierzchnią nabiegunników 12 stojana 10 równomierną szczelinę powietrzną 24. Część główna 18 wirnika 16 rozciąga się wzdłuż osi 3 maszyny aż w pobliże obu tarczy łożyskowych 4, zakrywając elementy wzbudzenia pola magnetycznego. Część 18 jest w kierunku promieniowym grubsza w pobliżu biegunów dla skupienia strumienia magnetycznego, a cieńsza na przeciwległych końcach, jako że strumień rozdziela się na obie strony co zmniejsza jego gęstość.

Elementy wsporcze 19 są wykonane z materiału niemagnetycznego, przez co izolują magnetycznie część bocznikową 1Ί wirnika 16 od jego części głównej 18. Elementy wsporcze 19 utrzymują w stałym położeniu część główną 18 i bocznikową 1Ί wirnika 16 względem siebie tak, że segment bocznikowy 22 wypada po środku otworów 26 w części głównej, tworząc razem masywny wirnik (patrz figury 4 i 6).

Jak wynika z fig. 5, główna część 18 wirnika 16 stwarza drogę o małej reluktacji dla przepływu strumienia między pierwszą parą nie sąsiadujących ze sobą biegunów 11A i 11C. Część bocznikowa 1Ί wirnika 16 stwarza natomiast drogę o małej rełuktancji dla przepływu strumienia między drugą parą nie sąsiadujących ze sobą biegunów 11B i 11D stojana 10.

Przedstawiony wirnik 16 nie ma uzwojeń elektrycznych i nie ma budowy uwarstwionej. Może więc być odlany z materiału ferromagnetycznego, a segmenty bocznikujące 22 mogą być zamocowane na wale 21 w dowolny sposób, łącznie z wykonaniem ich w postaci jednolitego odlewu z wałem 21. Zaleca się, aby zewnętrzna powierzchnia każdego z segmentów 23 była w zasadzie współosiowa z cylindryczną powierzchnią zewnętrzną 2Ί głównej części 18 wirnika 16.

Elementy magnetyczne 31 wzbudzenia pola stanowią magnesy trwałe i elektromagnesy. Odwołując się do figur 2, 3 i 6, magnesy trwałe 32 mają kształt pierścieni, namagnesowanych promieniowo. Odpowiednie są tu magnesy trwałe o dużej energii, jak na przykład wykonane ze stopu neodymu, żelaza i boru. Jarzmo pierścieniowe 33 z materiału ferromagnetycznego jest połączone magnetycznie z powierzchnią wewnętrzną magnesu, tworząc przejście dla równomiernego pola magnetycznego. Na zewnętrznej powierzchni magnesu osadzona jest szpula 34 z materiału ferromagnetycznego, która również tworzy gładkie przejście dla równomiernego pola magnetycznego. Omawiane elementy zawierają też zewnętrzne występy w kształcie litery L, na których umieszczone są uzwojenia do regulacji napięcia, jakie po wzbudzeniu wzmacniają lub osłabiają pole od magnesów trwałych 32. Pierścieniowy element wsporczy 36 pomaga w utrzymaniu elementów 31 wzbudzenia pola magnetycznego i mocowaniu ich do tarczy łożyskowych 4, współosiowo względem osi podłużnej 3 maszyny. Zarówno między wewnętrzną powierzchnią jarzma pierścieniowego 33 i zewnętrzną powierzchnią wału 21 maszyny występuje szczelina powietrzna 42. Między zewnętrzną powierzchnią szpuli 34 i wewnętrzną powierzchnią 28 głównej części 18 wirnika 16 występuje szczelina powietrzna 41.

Na figurach 2 i 5 zaznaczono obieg 40 strumienia magnetycznego w części maszyny. Począwszy od bieguna północnego N magnesu 31 wzbudzającego pole strumień przepływa promieniowo

158 609 na zewnątrz. Poprzez szpulę 35 i przez szczelinę powietrzną 41 przenika do powierzchni wewnętrznej 28 głównej części 18 wirnika 16. Następnie przepływa poosiowo wzdłuż głównej części 18 wirnika 16 ku środkowi i przez szczelinę powietrzną 24 między zewnętrzną powierzchnią 27 głównej części 18 wirnika 16 a wewnętrzną powierzchnią bieguna 11 przenika do stojana 10. Tu rozdziela się i przepływa dwiema gałęziami po obwodzie stojana 10 (patrz 11A na fig. 5) do przyległego bieguna obwodu magnetycznego części bocznikowej 17 wirnika 16 (patrz 11D na fig. 5). Dalej strumień przepływa promieniowo ku środkowi maszyny przez biegun 11 stojana 10 i poprzez szczelinę powietrzną 25 do segmentu bocznikowego 22 wirnika 16. Następnie przepływa promieniowo w kierunku na zewnątrz do elementu 31 wzbudzającego pole i dalej promieniowo na zewnątrz od wału 21, poprzez szczelinę powietrzną 42 do jarzma 'pierścieniowego 33 wracając do południowego bieguna magnesu trwałego 32. Jak pokazano na fig. 5, kierunek przepływu strumienia w wirniku nie ulega zmianie bez względu na jego położenie. Strumień przepływa natomiast przez stojan 10 raz w jednym, raz w drugim kierunku, stosownie do zmiany czołowych powierzchni części głównej 18 i bocznikowej 17 wirnika 16 wchodzących w obwód magnetyczny z biegunami 11 stojana 10 przy obracaniu się wirnika 16. Chociaż nie pokazano tego na rysunku, strumień przepływa w zasadzie przez wszystkie części stojana 10 i wirnika 16 przez cały czas.

Jak wynika z rysunków i opisu, elementy wytwarzające strumień i obwód magnetyczny mogą w razie takiej konieczności lub potrzebny zmieniać się. Na przykład, elementy wzbudzające pole mogą być połączone z wirnikiem 16, umieszczone między wałem 21 i wewnętrzną powierzchnią 28 głównej części 18 wirnika 16 dla zlikwidowania szczelin powietrznych 41 i 42, nadal jeszcze stanowiąc masywny wirnik 16 do bardzo dużych prędkości obrotowych.

Podobnie zmodyfikowana może być maszyna pokazana na fig. 7 przez umieszczenie elementów wytwarzających pole w postaci elektromagnesów lub magnesów trwałych, między wałem 121 i wewnętrzną powierzchnią 128 głównej części 118 wirnika 116. Eliminuje to szczeliny powietrzne 143 i 144. Należy podkreślić, że jedną z zalet szczeliny powietrznej między wirnikiem i elementami wytwarzającymi pole jest bariera cieplna izolująca magnesy trwałe od ciepła wytwarzanego w wirniku. Regulacja napięcia lub uzwojenia kompensujące mogą być wtedy oddalone od wirnika i umieszczone gdziekolwiek dla uwolnienia wirnika od uzwojeń lub całkowitego ich uniknięcia zależnie od wymaganych właściwości eksploatacyjnych. Ponadto można zastosować zwielokrotnione elementy wytwarzające pole, jak jest to pokazane na figurach 1 do 6 lub pojedynczy element, jak pokazano na fig. 7.

Figura 7 przedstawia maszynę reluktancyjną według wynalazku w drugim przykładzie wykonania z zastosowaniem pojedynczego elektromagnesu wzbudzającego. Maszyna w tym wykonaniu ma obudowę cylindryczną 101 z cylindrycznymi obrzeżami przedłużającymi 102, wyznaczającymi jej oś główną 103. Tarcze łożyskowe 104 ograniczają maszynę i utrzymują łożyska 108 na wale 121 wirnika 116. Stojan 110 ma kształt pierścieniowy, jak opisany w nawiązaniu do figur 1 do 6.

Wirnik 116 składa się z części bocznikowej 117 i części głównej 118, odizolowanych od siebie. Bocznikowe elementy wsporcze 119 utrzymują obie części w położeniu zamocowania, obrócone jedna względem drugiej. Wał bocznikowy 121 ustawiony jest w osi głównej 103 maszyny i ma utworzone wystające promieniowo magnetyczne segmenty bocznikowe 122, o powierzchniach czołowych 123 stanowiących wycinki powierzchni cylindrycznej współosiowej z główną osią 103 maszyny. Między wymienionymi powierzchniami czołowymi 123 i nabiegunnikami 112 występuje szczelina powietrzna 125.

Główna część 118 wirnika 116 ma postać cylindra współosiowego z osią główną 103 maszyny. Powierzchnia zewnętrzna 127 tego cylindra jest współosiowa z powierzchnią cylindryczną wyznaczoną przez segmentowe powierzchnie 123 bocznikowej części 117 wirnika 116. Główna część 118 wirnika 116 ma wykonane otwory, przez które wystają promieniowe segmenty bocznikowe 122. Jak zaznaczono poprzednio, otwory w części głównej 118 wirnika 116 odpowiadają pod względem wymiaru i kształtu powierzchniom czołowym 123 segmentów bocznikowych 122. Ukształtowanie wirnika 116 jest w zasadzie takie samo, jak pokazane na fig. 4, z pominięciem części tworzących szczelinę powietrzną nad elementami wytwarzającymi pole po lewej stronie rysunku.

Elementy wytwarzające pole zawierają cewkę elektryczną 132 w korpusie 134, współosiową z osią główną 103 maszyny. Element wsporczy 136, mający w zasadzie kształt cylindryczny i

158 609 9 połączona z nim magnetycznie tarcza wsporcza 137 ustalają położenie cewki wzbudzającej 132 i włączają ją w obwód magnetyczny wirnika 116.

Nawiązując do fig. 8, w czasie pracy maszyny, elektromagnes jest wzbudzony powodując przepływ strumienia magnetycznego od cewki wzbudzającej 132 do tarczy wsporczej 137, wzdłuż osi 103 maszyny. Dalej promieniowo do wewnątrz maszyny, do wału 121, przenika przez szczelinę powietrzną 144. Następnie płynie poosiowo do segmentów bocznikowych 122, promieniowo na zewnątrz poprzez wymienione segmenty 122 przenika przez szczelinę powietrzną 125 do stojana 110. Tu przepływa po jego obwodzie do sąsiedniego bieguna 111 i z kolei poprzez ten biegun promieniowo do wewnątrz, przenika przez szczelinę powietrzną 124 do zewnętrznej powierzchni 127 głównej części 118 wirnika 116, w której przepływa wzdłuż osi 103. Następnie promieniowo na zewnątrz przenika przez szczelinę powietrzną 143 do pierścieniowego elementu wsporczego 136. Wreszcie przepływa poosiowo z powrotem do bieguna południowego elektromagnesu 132. Jak zaznaczono w nawiązaniu do pierwszego wykonania, strumień nie zmienia kierunku przepływu w wirniku, a zmienia go tylko w stojanie.

Wstępne dane silnika prądu przemiennego o średnicy 7,73 cali i długości 11,11 cali, z odpowiednim rozrusznikiem są następujące: moc przy 1800 obr/min. 3HP moment obrotowy przy pełnym obciążeniu 105 funt, cal liczba obrotów/min. 0-10000, sprawność przy pełnym obciążeniu -91%, napięcie 208V, współczynnik wykorzystania - 1, fazy: 3, rodzaj pracy - ciągła, prąd przy pełnym obciążeniu 7,5 A, maks, temperatura otoczenia -40°C, moment obrotowy utyku (w % pełnego obciążenia) 190, maks, przyrost temperatury 100°C, ciężar - 71 funtów.

Na figurach 9 do 16 pokazano trzeci przykład wykonania maszyny reluktancyjnej według wynalazku, w której zastosowano dwuczęściowy stojan otoczony przez dwuczęściowy wirnik z ramionami wsporczymi.

Maszyna ma cylindryczną obudowę 201, jaka może być wykonana z odpowiedniego materiału niemagnetycznego. Obudowa 201 wyznacza oś główną 203 maszyny. Poprzecznie do osi 203 są zamocowane tarcze łożyskowe 204, przymocowane do obudowy 201 za pomocą śrub 206 lub innych łączników. Tarcze 204 mogą mieć wykonane szczeliny wentylacyjne na powietrze chłodzące, przepływające przez maszynę.

Stojan 210 (figury 11 i 16) ma kształt walca, wykonanego z materiału ferromagnetycznego z szeregiem wydatnych biegunów 211, wystających promieniowo na zewnątrz od osi głównej 203. Każdy biegun 211 ma utworzony nabiegunnik 212, przy czym wszystkie nabiegunniki 212 wyznaczają zębatą powierzchnię pierścieniową wokół głównej osi 203 maszyny. Każdy biegun 211 stojana 210 tworzy obwód magnetyczny z innymi biegunami 211, przy czym liczba biegunów 211 może być różna stosownie do potrzeby lub życzenia. Między sąsiednimi biegunami 211 utworzone są wnęki na cewki 213 uzwojenia elektrycznego, z których każda otacza po jednym lub więcej biegunów 211. Liczba cewek 213, biegunów 211 otaczanych przez jedną cewkę 213 itp. mogą być różne stosownie do potrzeby lub życzenia.

Wirnik składa się z części bocznikowej 217, części głównej 218 i wału 221. Część główną 218 tworzy para członów, mających kształt litery U, zestawionych grzbietami, a wykonanych z materiału ferromagnetycznego. Każdy z tych członów zaopatrzony jest w tarczę 219, przymocowaną poprzecznie do wału 221 tak, że wiruje razem z nim. Z krawędzi tarczy 219 wystaje poosiowo para ramion 220 na kształt wsporników lub kłów. Ramiona 220 są obrócone względem siebie o kąt 180° i są wykonane z materiału ferromagnetycznego a poza tym są połączone z ferromagnetycznymi tarczami 219. Ramiona 220 są rozmieszczone na takim promieniu od osi głównej 203 maszyny, że pozostawiają małą szczelinę 223 powietrzną między swą powierzchnią wewnętrzną, a powierzchnią zewnętrzną nabiegunnika 212 stojana 210. Dwa omówione człony w kształcie litery U, tworzące część główną 218 wirnika 216 są odizolowane magnetycznie od siebie i rozdzielone przez diamagnetyczny wał i elementy wsporcze wirnika 216.

Części bocznikowe 217 wirnika 216 mają w ogólności kształt siodła i są rozmieszczone promieniowo względem wału 221. Zgodnie z figurami 9 i 16 część bocznikowa 217 wykazuje ramiona wsporcze 224 wystające poosiowo nad nabiegunniki 212 stojana 210, tworząc z nimi szczelinę powietrzną 226. Ferromagnetyczna sekcja mostkowa 225 łączy zbliżone części ramion bocznikowych stanowiąc część obwodu magnetycznego sprzęgającego oba stojany 210. Sekcja mostkowa 225 rozciąga się wzdłuż osi 203 w pewnej odległości od wału 221. Przymocowana jest do

158 609 niego za pośrednictwem diamagnetycznego elementu wsporczego 228 wirnika 216. Część bocznikowa 217 wirnika 216 jest odizolowana magnetycznie od części głównej 218 i wystaje przez otwory 227 w części tarczowej. Odstęp między częścią bocznikową 217, a częścią główną 218 wirnika 216 jest duży w porównaniu ze szczeliną powietrzną maszyny, w celu zmniejszenia rozproszenia strumienia.

Elementy 231 wytwarzające strumień zawierający pierścieniowy magnes trwały 232 namagnesowany w kierunku osi głównej 203 maszyny. Po obu stronach magnesów trwałych 232 rozmieszczona jest para ferromagnetycznych jarzm pierścieniowych 233, połączonych z magnesami 232. Magnesy 232 tworzą ciągły pierścień, tak jak jarzmo, co daje w zasadzie ciągłą, nieprzerwaną powierzchnię i równomierny rozkład strumienia magnetycznego. Para diamagnetycznych szpul 234, przedzielających magnesy trwałe 232 i jarzma pierścieniowe 233 w kierunku promieniowym, zaopatrzona jest w uzwojenia regulujące napięcie, które po wzbudzeniu wzmacniają lub osłabiają pole magnetyczne od magnesów trwałych 232. Szpule 234 mogą być przymocowane do obudowy 201 w dowolny sposób, jak na przykład pokazany na fig. 9.

Jarzma pierścieniowe 233 i szpule 234 skupiają strumień magnetyczny od magnesów trwałych 232 i uzwojeń regulacji napięcia, kierując go do nabiegunników 236, jakie tworzą z tarczą 219 części głównej 218 wirnika 216 szczeliny powietrzne 238 i 239.

Na figurze 16 zaznaczono przykładowy obwód magnetyczny 240. Począwszy od elementu 231 wytwarzającego pole, umieszczonego między tarczami głównymi 219 wirnika 216, strumień przepływa w kierunku osiowym, przenika przez szczelinę powietrzną 239, przepływa do tarczy 219 i ramienia 220 części głównej 218 wirnika 216. Dalej strumień przepływa promieniowo na zewnątrz ramienia 220, przenika przez szczelinę powietrzną 223 do nabiegunnika 212 i do stojana 210. Według fig. 11 strumień rozdziela się w stojanie 210 na gałęzie przepływające w kierunku promieniowym na zewnątrz do sąsiedniego nabiegunnika 212 i przenika przez szczelinę powietrzną 226 do ramienia 224 części bocznikowej 218. Poprzez ramię 224 i część mostkującą 225 strumień przepływa do przeciwległego ramienia bocznikowego 224. Wtedy przepływa promieniowo do wewnątrz maszyny, przenika szczelinę powietrzną 226 dopływając znów do nabiegunnika 212 i stojana 210. Tu rozdziela się znów w drugim stojanie 210 i przepływa promieniowo na zewnątrz przez nabiegunnik 212, przenika przez szczelinę powietrzną 223 i osiąga ramię 220 głównej części 218 wirnika 216. Stąd strumień przepływa dalej przez główne ramię wirnika 216 w kierunku osiowym do tarczy 219 i przenika przez szczelinę powietrzną 238 wracając do elementu 231 wytwarzającego pole. Przy przepływie przez wirnik 216 strumień nie zmienia kierunku, mimo wirującej zmiany przebiegu. Przy przepływie natomiast przez stojan 210 strumień zmienia kierunek, gdy następne powierzchnie czołowe części bocznikowej 217 i części głównej 218 wirnika 216 wchodzą w obwód magnetyczny z kolejnym biegunem 211 stojana 210. Przy pracy silnikowej uzwojenia elektryczne są zasilane impulsowo przez odpowiedni układ regulujący wartość i kierunek strumienia. Przy pracy prądnicowej strumień przepływa przez cewki elektryczne wytwarzające siłę elektromotoryczną. Chociaż tego nie pokazano, strumień przepływa ze wszystkich w zasadzie częściach stojana 210 i wirnika 216 przez cały czas, co maksymalnie zwiększa sprawność maszyny.

Omówione ostatnio wykonanie maszyny przedstawia podwójny stojan w obwodzie magnetycznym, chociaż może ona być w ramach wynalazku rozwiązania z pojedynczym stojanem.

-ύιςτ-10

ιι:

127

—*3. Z7»6

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 5000 zł.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Maszyna elektryczna reluktancyjna, ze zmiennym strumieniem całkowitym, zawierająca cylindryczny stojan z materiału ferromagnetycznego z szeregiem nabiegunników stałych tworzących wewnętrzną powierzchnię walcową stojana i wyznaczających główną oś maszyny, co najmniej jedno uzwojenie elektryczne, obejmujące przynajmniej część stojana; wirnik z materiału ferromagnetycznego z wałem zamocowanym obrotowo w osi głównej maszyny i znajdującym się w obwodzie magnetycznym z odpowiednimi nabiegunnikami stojana, znamienna tym, że wirnik (16) składa się z: części głównej (18) podzielonej na sekcje na przemian o małej i dużej reluktancji umożliwiającej zmianę przenikalności magnetycznej między pierwszą parą nie sąsiadujących ze sobą biegunów (11A i 11C) w czasie obrotu wirnika (16) i części bocznikowej (17) odizolowanej magnetycznie od części głównej (18), podzielonej również na sekcje na przemian o małej i dużej reluktacji, odpowiadającej na obwodzie sekcjom o małej i dużej reluktacji części głównej (18) wirnika (16) dla umożliwienia zmian przenikalności magnetycznej między drugą parą nie sąsiadujących ze sobą biegunów (11B i 11D) aby utworzyć obwód magnetyczny z pierwszą parą biegunów stojana (10) i częścią główną (18); i co najmniej jednego elementu magnetycznego wytwarzającego skierowany promieniowo w stosunku do wału wirnika (16) strumień magnetyczny (40) z co najmniej jednym elementem magnetycznym tworzącym pierścień o biegunach wyrównanych promieniowo z biegunami o jednej polaryzacji w obwodzie magnetycznym z główną częścią (18) wirnika (16) i z biegunami o odmiennej polaryzacji w obwodzie magnetycznym z częścią bocznikową (17) wirnika (16) , przy czym co najmniej jeden element magnetyczny umieszczony jest pomiędzy główną (18) i bocznikową (17) częścią wirnika (16) dla wytwarzania strumienia magnetycznego w wirniku (16), tak że obroty wirnika (16) wywołują zmiany wartości i kierunku strumienia w stojanie (10) bez zmiany kierunku przepływu strumienia przez wirnik (16).
2. 2. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że sekcje o dużej reluktacji w głównej (18) i bocznikowej (17) części wirnika (16) tworzą jego bieguny, przy czym każdy ich nabiegunnik ma w zasadzie takie same wymiary.
3. 3. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że co najmniej jeden element magnetyczny (31) wytwarza strumień w zasadzie liniowy, przy czym odcinek drogi przepływu tego strumienia w kierunku promieniowym rozciąga się przez co najmniej jeden element magnetyczny i sąsiednią szczelinę powietrzną do odpowiednich powierzchni głównej (18) i bocznikowej (17) części wirnika (16)·
4. 4. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że wirnik (16) jest bez uzwojeń elektrycznych.
5. 5. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że główna część (18) wirnika (16) tworzy cylinder z materiału o dużej przewodności magnetycznej, zamocowany współosiowo z osią główną (3), przy czym cylinder ten ma wykonane w odpowiednich miejscach na obwodzie otwory (26), które tworzą sekcje o dużej reluktancji przedzielone przez sekcje o małej reluktacji rdzenia wirnika (16).
6. 6. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że część bocznikowa (17) wirnika (16) zawiera wał (21) z materiału o dużej przewodności magnetycznej, umieszczony w osi głównej (3) maszyny, przy czym wał (21) ma wykonane w określonej liczbie wystające promieniowo segmenty bocznikowe (22) o dużej reluktancji tak, że segmenty bocznikowe (22) tworzą sekcje o dużej reluktacji przedzielone przez sekcje o małej reluktancji, umieszczone między wymienionymi segmentami.
7. 7. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że główna część (18) wirnika (16) ma postać cylindra, wykonanego z materiału o dużej przewodności magnetycznej współosiowego z osią główną (3) maszyny, przy czym cylinder ten ma wykonane w określonych miejscach na obwodzie otwory (26), przy czym w tej cylindrycznej części głównej (18) umieszczona jest część bocznikowa (17) wirnika (16) z wałem (21) ustawionym w osi głównej (3) maszyny, wykonanym z materiału o dużej przewodności magnetycznej, mającym określoną liczbę segmentów bocznikowych (22) o dużej reluktancji, które wchodzą promieniowo w otwory w części głównej (18) wirnika (16).

   158 609
8. 8. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że segmenty bocznikowe (22) mają powierzchnię zewnętrzną (23) tworzącą wycinek powierzchni walcowej pokrywającej się w zasadzie z zewnętrzną powierzchnią cylindryczną (27) części głównej (18) wirnika (16).
9. 9. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że co najmniej jeden element magnetyczny (31) styka się z wirnikiem (16) i obraca się razem z nim.

   * * *