PL179512B1

PL179512B1 - Silnik synchroniczny z magnesami trwalymi PL PL PL

Info

Publication number: PL179512B1
Application number: PL95320219A
Authority: PL
Inventors: Nicolas Wavre
Original assignee: Etel Sa
Priority date: 1994-11-16
Filing date: 1995-11-06
Publication date: 2000-09-29
Also published as: ATE168508T1; EP0793870A2; JP3793574B2; EP0793870B2; ES2121429T3; PL320219A1; KR970707624A; FR2726948A1; WO1996015574A2; CZ288081B6; DE69503521D1; US5642013A; DE69503521T2; ES2121429T5; EP0793870B1; DE69503521T3; CN1163682A; DK0793870T3; FR2726948B1; RU2141156C1

Abstract

1. Silnik synchroniczny z magnesami trwalymi, który zawiera twornik utworzony przez jarzmo oraz li- czne zeby umocowane na jarzmie i wyznaczajace w przestrzeniach miedzy zebami zlobki, w których umie- szczone sa liczne cewki, tak ze kazda cewka otacza przynajmniej jeden zab, a naprzeciw twornika jest umieszczony wzbudnik zawierajacy liczne magnesy trwale osadzone na podstawie, przez która zamyka sie strumien, przy czym zeby rozmieszczone sa w rów- nych odstepach z okreslona podzialka zebów, a mag- nesy trwale rozmieszczone sa w równych odstepach z okreslona podzialka biegunowa, przy czym kazdy zab ma przy niezamocowanym koncu glownie zeba o okreslonej szerokosci, a suma szerokosci zlobków wyznaczona na poziomie glowni zeba i szerokosci glowni zeba, wyznacza podzialke zebów, znamienny tym, ze zeby (25; 51,51') twornika (60) sa rozmieszczo- ne wzgledem magnesów trwalych (8) wzbudnika (61) z zachowaniem podzialki zebów ( tn) róznej od podzialki biegunowej ( t p), przy czym szerokosc (bn) zlobków (2) jest dobrana tak, ze stosunek tej szerokosci (bn) do po- dzialki zebów ( tn) miesci sie w granicach 0,40 do 0,55. Fig. 4 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest silnik synchroniczny z magnesami trwałymi.

Znany silnik tego rodzaju zawiera twornik składający się z jarzma, wielu zębów posiadających jeden koniec połączony na trwałe z jarzmem i określających żłobki w przestrzeniach między sobą oraz zwoje częściowo rozmieszczone w żłobkach, ułożone tak, aby wytwarzać strumień magnetyczny w zębach podczas zasilania zwojów. Drugie, wolne końce zębów sąuformowane tak, że tworzą głownię zęba o określonej szerokości. Każdy ze żłobków ma na poziomie głowni zębów taką szerokość, że szerokość wypadkowa, będąca sumą szerokości żłobków oraz szerokości głowni, tworzy podziałkę zęba. Ponadto, silnik zawiera wzbudnik umieszczony naprzeciw głowni zębów i zawierający liczne magnesy trwałe oraz podstawę, w której zamyka się strumień i na której są rozmieszczone magnesy trwałe.

Silnik synchroniczny odpowiadający podanej charakterystyce ogólnej jest zilustrowany na fig. 1, fig. 1a, fig. 2 oraz fig. 3 i przedstawiony jako stan techniki dla przedmiotowego wynalazku.

179 512

Na figurze 1 przedstawiono przekrój poprzeczny synchronicznego silnika liniowego, znanego ze stanu techniki. Twornik 60 jest stojanem składającym się z pakietu warstw ferromegnetycznych, na którym widoczne jest jarzmo 1 oraz zęby 10, które rozmieszczone są w równych odstępach, które są równe podziałce zęba i wynoszą rn. Ponadto twornik 60 zawiera wiele żłobków 2 oddzielających od siebie zęby 10, w których umieszczone jest uzwojenie cewek 4, izolowane następnie od jarzma 1 oraz zębów 10, za pomocą warstw izolacyjnych 3. W silniku tego rodzaju, głownie zębów 10 są zakończone rozszerzającym się fragmentem lub stopką 10', której celem jest stworzenie szczeliny wejściowej 6 żłobka 2, o zmniejszonej szerokości. Uzwojenia cewek 4 są na ogół luźno nawinięte w żłobkach 2, bez szczególnego uporządkowania, czy to za pomocą nawijarki czy też ręcznie, przechodząc przez szczeliny wejściowe 6 żłobków 2. Dla utrzymania uzwojeń w żłobku 2, w stopkach 10', umieszczone są denka zamykające 5.

Na figurze 1 przedstawiono również wzbudnik 61 silnika, który w tym przypadku jest częścią ruchomą silnika, poruszającą się wzdłuż osi y. Wzbudnik 61 składa się z dużej ilości magnesów trwałych 8 w kształcie prostopadłościanów prostokątnych, które sąumieszczone w równych odstępach z podziałkabiegunową rp, na płaszczyźnie podstawy 9, przez którą wraca strumień, i którajest wykonana z materiału ferromagnetycznego. Twornik 60 oraz wzbudnik 61 są oddzielone szczeliną powietrzną 7.

Na figurze 2 przedstawiono rozkład składowej normalnej indukcji magnetycznej B wyrażoną w Teslach (T) na przestrzeni dwóch podziałek biegunowych rp. Można zauważyć, że indukcja B jest indukcją która powstaje od magnesów 8 wzbudnika 61 w zębach 10 twornika 60 dla przekroju poprzecznego przedstawionego na fig. 1, bez względu na to, czy cewki 4 sąpod napięciem czy nie. Jak pokazano na fig. 2, szczeliny 6 żłobków 2 powodujązakłócenia 15 i 16, które są dokładnie widoczne w przebiegu indukcji B. Szczeliny te, o szerokości bn są odpowiedzialne za zjawisko, które w silnikach z magnesami trwałymi znane jest powszechnie jako efekt reluktancyjny. Efekt ten powoduje powstanie siły pasożytniczej lub siły reluktancyjnej Fr, która jest skierowana wzdłuż osi y i która przeszkadza w poprawnej pracy silnika. Zmiany siły reluktancyjnej Fr przedstawiono na wykresie na fig. 3.

Wykres na fig. 3 odpowiada silnikowi posiadającemu podziałkę zębów rn równą 12 mm, podziałkę biegunowa rp równą 16 mm oraz szerokość bn żłobka 2 równą 1,5 mm, czyli stosunek bn/rn wynosi 0,125. Podziałka biegunowa rp przedstawiona jest na osi odciętych, a siła reluktancyjna Fr na osi rzędnych. Podziałkę biegunową rp wyrażono w milimetrach (mm) a siłę reluktancyjnąFr w niutonach (N). Krzywa 17 na fig. 3 odzwierciedla przebieg siły reluktancyjnej Fr, która powstałaby gdyby twornik posiadał tylko jeden żłobek. Krzywa ta charakteryzuje się dwoma punktami niestabilności 22 oraz 22' o małej stromości i punktem stabilnym 21 o dużej stromości. W punktach 22 i 22' szczelina 6 żłobka 2 znajduje się pośrodku magnesu trwałego 8 (-rp/2 i + rp/2), a w punkcie 21 znajduje się pomiędzy dwoma magnesami 8. Jeżeli wzbudnik 61 znajduje się na przykład pomiędzy punktami 0 i 3,2 na osi y, to będzie poruszał się w prawo zapewniając siłę napędową (zbocze 19) i ustabilizuje swoje położenie w punkcie

21. Ale jeżeli induktor 61 znajduje się pomiędzy 16 i 12,8, to będzie poruszał się do tego samego punktu 21 wytwarzając siłę hamującą (zbocze 20). Krzywa 18 na wykresie na fig. 3 odzwierciedla przebieg całkowitej siły reluktancyjnej Fr, która jest wytwarzana pod jednym biegunem o podziałce rp, dla twornika 60 posiadającego osiem żłobków. Pasożytnicza siła reluktancyjna ma osiem kolejnych maksimów pasożytniczych, które przeszkadzają w poprawnej pracy silnika, a siła ta w swoich maksimach wynosi 16 Niutonów. Dlatego jeżeli nie zwróci się należytej uwagi na ten fakt, silnik może okazać się bezużyteczny, ponieważ siła reluktancyjna może przewyższać maksymalną wartość siły jaka występuje w silniku pod wpływem płynącego prądu.

Generator z wałem wirującym jest znany z publikacji DE 24 90 91, gdzie twornik posiada zęby o stałym przekroju poprzecznym, które otoczone są uzwojeniami cewek. Ruchomy wzbudnik posiada na swoim skraju magnesy trwałe, które indukują podczas obrotu strumień magnetyczny w zębach oraz prąd elektryczny w cewkach. Aby zamknąć otwory żłobków między zęby wkłada się metalowe pokrywy. Pokrywy te na ogół są wykonane z materiału o małej reluktancji magnetycznej, a rolą ich jest przykrycie otworów żłobkowych, a tym samym zmniejszenie efe4

179 512 ktu reluktancyjnego. Układ metalowych pokryw komplikuje konstrukcję twornika, nie przyczyniając się do znacznego osłabienia wpływu efektu reluktancyjnego generatora. W przypadku wykonaniu pokryw, przykrywających otwory żłobkowe, z materiału o wysokiej reluktancji, efekt reluktancyjny takiego generatora byłby olbrzymi, jak ma to miejsce w przypadku, gdy nie stosuje się metalowych pokryw, a w rzeczywistości efekt reluktancyjny pochodzący od żłobków sumuje się, podziałka biegunowa pomiędzy magnesami trwałymi równa jest podziałce zęba pomiędzy zębami twornika.

Dla wyeliminowania lub znacznego ograniczenia efektu reluktancyjnego, stosuje się znana technikę polegającą na schodkowaniu warstw tworzących twornik 60, tak że jak przedstawiono w przekroju na fig. 1a, osie podłużne zębów 10 przedstawionych liniami zakreskowanymi oraz osie żłobków 2 tworzą kąt różny od 90° w stosunku do kierunku mchu wzbudnika 61, nie przedstawionego na fig. 1a. Można zauważyć, że przekrój wzdłuż osi A-A z fig. 1 nie uwzględnia uzwojeń 4 oraz powłok izolacyjnych 3 rozmieszczonych w żłobkach 2, oraz że warstwy wchodzące w skład twornika 60 nie są zaznaczone jako elementy oddzielne.

Taka technika schodkowania warstw tworzących twornik 60 powoduje następne problemy związane z potrzebą użycia skomplikowanych narzędzi w fazie produkcyjnej oraz utrudnia umieszczenie uzwojeń 4 w żłobkach 2.

Inna technika, która może być stosowana łącznie z poprzednią, polega na rozmieszczeniu magnesów 8 ukośnie, to znaczy w taki sposób, że ich krawędzie ułożone równolegle do płaszczyzny podstawy tworzą odpowiednio kąty różne od 0° do 90° z kierunkiem ruchu y wzbudnika 61 w stosunku do twornika 60. Technika ta również komplikuje produkcję silników·.

W każdym razie, poza wspomnianymi układami zawsze będzie się dążyć do wykonania szczelin wejściowych 6 żłobków 2 o szerokości bn, które będąjak najmniejsze, komplikując tym samym proces nawijania, ponieważ z powodu bardzo małego żłobka o szerokości bn, cewki przed spasowaniem muszą być ułożone luźno, dla późniejszego umożliwienia wsunięcia ich do żłobka 2 poprzez szczelinę wejściową 6 żłobka 2. Takie rozluźnienie dla ułożenia zwojów oznacza, że druty nawojowe tworzące uzwojenia cewek 4 sąrozmieszczone nieregularnie w żłobkach 2. W konsekwencji, współczynnik -wypełnienia żłobka 2 zwojami jest mały (rzędu 30%), a rezystancja termiczna pomiędzy uzwojeniami ajarzmem 1jest duża. Sprawia to, że silnik ma małą sprawność i małą pojemność cieplną.

Silnik synchroniczny według wynalazku, z magnesami trwałymi, zawiera twornik utworzony przez jarzmo oraz liczne zęby umocowane na jarzmie i wyznaczające w przestrzeniach między zębami żłobki, w których umieszczone są liczne cewki, tak że każda cewka otacza przynajmniej jeden ząb, a naprzeciw twornikajest umieszczony wzbudnik zawierający liczne magnesy trwałe osadzone na podstawie, przez którą zamyka się strumień. Zęby rozmieszczone są w równych odstępach z określonąpodziałkązębów, a magnesy trwałe rozmieszczone sąw równych odstępach z określonąpodziałką biegunową. Każdy ząb ma przy niezamocowanym końcu głownię zęba o określonej szerokości, a suma szerokości żłobków wyznaczona na poziomie głowni zęba i szerokości głowni zęba, wyznacza podziałkę zębów. Silnik tego rodzaju charakteryzuje się tym, że zęby twornika sąrozmieszczone względem magnesów trwałych wzbudnika z zachowaniem podziałki zębów różnej od podziałki biegunowej, przy czym szerokość żłobków jest dobrana tak, że stosunek tej szerokości do podziałki zębów mieści się w granicach 0,40 do 0,55.

Korzystnym jest, że każdy z zębów wyznacza dwa równoległe boki, tak że ich przekrój poprzeczny jest stały na całej wysokości. Co drugi ząb twomika jest otoczony cewką, która wypełnia dwa żłobki przylegające do tego zęba. Każdy ząb twornika jest otoczony cewka, przy czym każdy żłobek oddzielający dwa sąsiednie zębyjest wypełniony przez dwie sąsiednie cewki.

Korzystnym jest, że silnik dodatkowo wyposażony jest w zespół chłodzący zawierający rurki umieszczone w żłobkach pomiędzy cewkami i jarzmem, przy czym rurki są połączone ze sobą dla przepływu cieczy chłodzącej. Zespół chłodzący zaopatrzony jest w powłoki przenoszące ciepło, rozmieszczone tak, że jedna powłoka znajduje się w każdym żłobku częściowo otaczając w nim rurkę, przy czym te powłoki umieszczone sąw żłobkach pomiędzy jednym z sąsiednich zębów i cewką.

179 512

Korzystnym jest, że twornik zawiera parzystą liczbę zębów, z których każdy jest otoczony jedną cewką, przy czym w każdej parze sąsiednich zębów jeden jest otoczony cewkąo przekroju poprzecznym w kształcie prostokąta, a drugi jest otoczony cewką o przekroju poprzecznym w kształcie trapezu.

Całkowita siła reluktancyjna występująca w silniku według wynalazku jest znacznie mniejsza od siły występującej w znanych silnikach. Ponadto, wykonanie silnika według wynalazku jest znacznie prostsze, a więc i tańsze od wykonana silnika ze stanu techniki.

Przedmiot wynalazku objaśniony zostanie w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia częściowy przekrój liniowego silnika synchronicznego według stanu techniki, fig. 1a - przekrój częściowy silnika z fig. 1, wzdłuż osi A-A na fig. 1, fig. 2 - przebieg indukcji magnetycznej silnika z fig. 1, fig. 3 - wykres reprezentujący siłę reluktancyjną wytwarzaną przez pojedynczy żłobek w silniku z fig. 1, oraz przez osiem żłobków tego samego silnika, fig. 4 - przekrój częściowy liniowego silnika synchronicznego według wynalazku w pierwszym przykładzie wykonania, fig. 4a - przekrój częściowy silnika z fig. 4 przechodzący wzdłuż osi A-A z fig.4, fig. 5 - przebieg indukcji magnetycznej silnika z fig. 4, fig. 6 - wykres przedstawiający siłę reluktancyjną wytwarzaną przez pojedynczy żłobek silnika z fig. 4, i przez osiem żłobków tego samego silnika, fig. 7 - wykres przebiegu siły reluktancyjnej silnika synchronicznego według wynalazku, w zależności od stosunku szerokości żłobka do podziałki zęba, fig. 8 oraz fig. 9 przedstawiajądwa rodzaje nawinięć uzwojeń silnika synchronicznego według wynalazku, fig. 10 przedstawia przekrój częściowy twornika silnika synchronicznego według wynalazku w drugim przykładzie wykonania, fig. 11 oraz fig. 12 przedstawiają trzeci przykład silnika według wynalazku, z których pierwszy przedstawia widok profilu a drugi jego perspektywę, fig. 13 oraz fig. 14 czwarty przykład silnika według wynalazku, a fig. 15 przedstawia przekrój częściowy wirującego silnika synchronicznego według wynalazku.

Na figurze 4 przedstawiono częściowy przekrój liniowego silnika synchronicznego według wynalazku w pierwszym przykładzie wykonania. Podobnie jak silnik znany, przedstawiony na fig. 1 silnik składa się z twornika 60 wykonanego z pakietu warstw, zawierając jarzmo 1 oraz wiele zębów 25 posiadających jeden koniec zamocowany w jarzmie 1 a drugi koniec, tworzący głownię zęba 62 po przeciwnej stronie. Zęby 25 są rozmieszczone w równych odstępach z podziałką zęba τ n. Każdy ząb 25 jest oddzielony od sąsiedniego żłobkiem 2, w którym umieszczone jest uzwojenie 26 cewki 30 takiej, jak na fig. 8. Wysokość zębów 25, to znaczy odległość między ich początkami a końcami oznaczono jako H.

Silnik składa się również ze wzbudnika 61 umieszczonego po przeciwnej stronie głowni zębów 62. Wzbudnik 61 jest zaopatrzony w magnesy trwałe 8 mające kształt prostopadłościanów prostokątnych, które są rozmieszczone w równych odstępach z podziałką biegunową τρ, na płaskiej podstawie 9 wykonanej z materiału ferromagnetycznego, przez którą zamyka się strumień. Wzbudnik 61 oraz twornik 60 są oddzielone szczeliną powietrzną 7.

Zgodnie z wynalazkiem, zęby 25 posiadają stały przekrój poprzeczny na całej wysokości H, ponieważ boki zębów 25 są równoległe, a głownie zębów 62 nie posiadają stopek, w które wyposażonyjest silnik standardowy przedstawiony na fig. 1 (z oznaczeniem 10'). Żłobki są w ten sposób w całości „otwarte” sąsiadując ze wzbudnikiem 61, w przeciwieństwie do standardowego wykonania silników, które są „na wpół zamknięte”. Ponadto, szerokość bn żłobków 2 jest także równa szerokości bd głowni zębów 62. Ponieważ suma szerokości bd oraz bn jest równa podziałce zęba τη, stosunek bn/τπ rzeczywiście wynosi 0,5. „Rzeczywiście wynosi” oznacza tutaj, że nawet gdy stosunek bn/ra trochę odbiega od 0,5, działanie silnika według wynalazku jest wciąż zadowalające. Według badań doświadczalnych przeprowadzonych na tym rodzaju silnika, stosunek bn/ra może mieścić się w zakresie 0,40 do 0,55.

Rozpatrując przebieg indukcji magnetycznej B odpowiadającej silnikowi z fig. 4, na fig. 5 przedstawiono silne zaburzenie tego przebiegu (odnośniki 27 i 28), znacznie większe niż miało to miejsce na fig. 2 dla standardowego silnika, i powinno to logicznie prowadzić do stwierdzenia, że tak duży efekt reluktancyjny czyni silnik całkowicie bezużytecznym. W badaniach jednak stwierdzono, że jeżeli efekt reluktancyjny pochodzący od jednego żłobka (na przykład gdy twor6

179 512 nik posiada tylko pojedynczy żłobek) jest rzeczywiście bardzo duży, to efekt reluktancyjny pochodzący od kilku kolejnych żłobków zmniejszony jest do wartości znacznie mniejszej niż wartość występująca przy silnikach standardowych.

Zjawisko to zilustrowano na wykresie na fig. 6. Wykres zrealizowano dla silnika posiadaj ącego podziałkę zębów rn = 12 mm, a podziałkę biegunową rp =16 mm (to znaczy identyczne wartości podziałek z wartościami dla wspomnianego silnika standardowego). Ale szerokość żłobka bn wynosi tu 6,3 mm, tak że stosunek bn/rn równy jest 0,525. Na wykresie z fig. 6 podziałkę biegunową rp wyrażoną w mm umieszczono na osi odciętych, a na osi rzędnych siłę reluktancyjną wyrażoną w niutonach. Krzywa 35 na tym wykresie przedstawia przebieg siły reluktancyjnej Fr, która powstałaby gdyby twornik 60 posiadał tylko jeden żłobek, lub jednostkową siłę reluktancyjną, która również zawiera dwa niestabilne punkty 33 oraz 33' i jeden punkt stabilny 34. Ta jednostkowa siła reluktancyjna posiada znaczną wartość, większą niż 60 N, jak można się było tego spodziewać. Jednakże, kształt krzywej 35 przypomina krzywą sinusoidalną, co spowodowane jest faktem, że szerokość żłobka bn jest równa szerokości bd głowni zęba 62. Każdy żłobek 2 silnika z fig. 4 w oczywisty sposób wytwarza jednostkową siłę reluktaneyjnąposiadającą kształt podobny do krzywej 35 z fig. 6, a krzywe reprezentujące te jednostkowe siły reluktancyjne, które nie zostały zaznaczone, zachodzą na siebie wzdłuż osi y.

Całkowita siła reluktancji działająca w silniku takim jak przedstawiono na fig. 4 jest równa sumie jednostkowych sił reluktancyjnych o których już wspomniano. Ponieważ każda z nich ma kształt zbliżony do sinusoidy, ich suma przyjmuje bardzo małą wartość. Tak więc krzywa 36 na fig. 6 reprezentuje całkowitą siłę reluktancyjną Fr działającą w silniku takim jak na fig. 4, który ma osiem żłobków 2 oraz sześć magnesów trwałych 8. Krzywa 36 pokazuje, że w tym przypadku całkowita siła reluktancyjna wynosi około 1N, podczas gdy dla tego samego typu znanego silnika, to jest wyposażonego w żłobki ze szczelinami wejściowymi, całkowita siła reluktancyjna Fr wynosiła około 16N. Widoczna staje się zaleta silnika wykonanego według niniejszego wynalazku, co jest godną uwagi cechą tego silnika, wyposażonego w otwarte żłobki posiadające szerokość równą szerokości zęba, który z kolei charakteryzuje się stałym wymiarem przekroju na całej swojej wysokości.

Stosownie do tego, wykres na fig. 7 podsumowuje wszystko co do tej pory stwierdzono. Wykres ten zrealizowano dla silnika posiadającego ten sam stosunek podziałki biegunowej rp do podziałki zęba rn, to znaczy na przykład odpowiednio 16 mm i 12 mm. Stosunek bn/rn przedstawiono na osi odciętych przy stałej wartości podziałki zęba rn. Innymi słowy, powoduje się, że szerokość żłobka bn zwiększa się względem podziałki zęba rn. Silniki o wykonaniu standardowym znajdują się w obszarze 41, w którym całkowita siła reluktancyjna Fr zwiększa się (fragment krzywej 40) gdy stosunek bn/rn ulega zwiększeniu. Zgodnie z powszechnie obowiązującymi zasadami, całkowita siła reluktancyjna Fr może dalej się zwiększać (fragment krzywej 42) ze wzrostem szerokości żłobka bn. Stwierdzono jednak, że siła reluktancyjna osiąga maksimum, a później znowu maleje (fragment krzywej 43) osiągając minimum w obszarze 45 gdzie szerokość żłobka bn równa jest połowie podziałki zęba rn oraz gdzie mieszczą się silniki według wynalazku. Poza obszarem 45 całkowita siła reluktancyjna Fr znowu narasta, zgodnie z fragmentem 46.

Reasumując, obszar 41 zajmowany jest przez silniki standardowe wyposażone w na wpół zamknięte żłobki, podczas gdy obszar 45 zajmują silniki posiadające otwarte żłobki według wynalazku.

Szacuje się, że ze wzrostem ilości żłobków będzie malał wpływ efektu relukatncyjnego. W przypadku silników obrotowych o wielkości średniej lub dużej (od 0,1 do 1 m lub większe) mogą one posiadać dużą ilość żłobków, co umożliwia w znacznej mierze ograniczenie efektu relukatncyjnego, natomiast dla silników liniowych, których całkowita długość waha się w granicach 0,1 do 0,5 m, sytuacja jest trudniejsza z powodu stosunkowo małej liczby żłobków.

W przypadku silnika liniowego tego rodzaju, zęby wejściowe i wyjściowe twornika, z których każdy z reguły zaopatrzony jest w kant stożkowy, można ułożyć tak, że spowodują zmniejszenie całkowitej siły reluktancyjnej. Wymiarowanie zębów wejściowych i wyjściowych opisano już w literaturze specjalistycznej. Każdy zainteresowany może skorzystać z pracy

179 512

No 219 autorstwa Nicolas' a Wavre'a pod tytułem „Etude harmonique tridimensionelle des moteurs lineaires asynchrones a bobinages polyphases quelconques” (Studium składowych trójwymiarowych liniowych silników asynchronicznych posiadających uzwojenia wielofazowe dowolnego rodzaju), Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technicznego, oddział w Lozannie, 1975. W istocie, wymiary końca zębów oraz kat ich stożka są tak dobierane, aby uzyskać siłę reluktancyjnąposiadającąkształt i wartość porównywalnąz tymi siłami reluktancyjnymi jakie pochodzą od żłobków, ale o przeciwnym znaku. W ten sposób wypadkowy efekt reluktancyjny można znacznie osłabić. Mała liczba żłobków w silniku liniowym w porównaniu do silnika obrotowego jest dzięki temu kompensowana przez rozsądne wykorzystanie efektu końcowego, czyniąc w ten sposób użycie żłobków otwartych nawet bardziej korzystnym w zastosowaniu w silnikach liniowych niż w obrotowych.

Dla silnika według wynalazku, dla którego efekt reluktancyjny jest dużo mniejszy niż w przypadku silnika standardowego, nie ma potrzeby kompensowania go uciekając się do środków opisanych. Dlatego, w silniku według wynalazku, warstwy tworzące twornik 60 można układać tak, jak przedstawia przekrój poprzeczny na fig. 4a, gdzie osie podłużne zębów 10 i żłobków 2 oznaczone liniami kropkowymi mogąbyć prostopadłe do kierunku ruchu wzdłuż osi y wzbudnika 61, nie przedstawionego na fig. 4a, względem twornika 60. W wyniku takiego rozmieszczenia można wykorzystywać znacznie prostsze urządzenia produkcyjne wykonujące warstwy twornika 60.

Jak można zauważyć, na fig. 4a przedstawiono przekrój poprzeczny wzdłuż osi A-A z fig. 4, nie pokazano natomiast uzwojeń 26 oraz nie przedstawiono oddzielnie warstw tworzących twornik 60.

Ponadto, magnesy trwałe 8 można tak ustawiać, aby ich krawędzie, które są równoległe do płaszczyzny podstawy 9 były odpowiednio równoległe oraz prostopadłe do kierunku mchu y. Ustawienie takie umożliwia stosowanie prostszych narzędzi używanych do montażu magnesów trwałych 8 i podstawy 9.

Poza uzyskaniem bardzo małej całkowitej siły reluktancyjnej Fr, zęby 25 silnika według wynalazku posiadają stały wymiar przekroju poprzecznego na całej swojej wysokości H i nie mają stopek, takich jak stopki 10' w przypadku silnika standardowego przedstawionego na fig. 1, co umożliwia bardziej uporządkowane i prostsze nawijanie kolejnych zwojów tworzących cewki. Zwoje mogą więc lepiej przylegać jak pokazano na fig. 4. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie współczynnika wypełnienia przestrzeni żłobkowej dla żłobków 2 wynoszącego 60% lub nawet więcej i w ten sposób zwiększenie sprawności silnika jednocześnie umożliwienie lepszego odprowadzenia ciepła, które wytwarzanejest w zwojach. W silniku według wynalazku, każda cewka otacza tylko jeden ząb, co także powoduje zwiększenie sprawności, ponieważ zmniejsza się dzięki temu długość nawiniętego uzwojenia, co w konsekwencji oznacza zmniejszenie strat miedzi.

Ponieważ zęby 25 charakteryzują się stałym wymiarem przekroju na całej wysokości H, to żłobki 2 pozostają w całości otwarte i w ten sposób umożliwiają na ułożenie cewek na swoim miejscu. Aby wykonać te cewki, przewody wykorzystywane w tym celu są nawijane tworząc sąsiednie zwoje na oddzielnym wręgu o prostokątnym rdzeniu, który charakteryzuje się przekrojem poprzecznym równym przekrojowi poprzecznemu zęba 25. Przewód który jest wykorzystywany na ogół jest pokryty materiałem adhezyjnym, który polimeryzuje się gdy staje się gorący. Pod koniec procesu nawijania, przez przewód przepuszcza się prąd w celu nagrzania przewodu i wymuszenia przyklejenia się do siebie zwojów. W ten sposób wykonaną cewkę można zdjąć z wręgu, a następnie wsunąć jako całość na zęby 25 twornika.

Na figurach 8 i 9 przedstawiono twornik 60 silnika synchronicznego według wynalazku. Na tworniku 60 z fig. 8 każda cewka 30 otacza pojedynczy ząb 25 i wypełnia całą przestrzeń dwóch sąsiednich żłobków 2, które otaczają ten ząb 25. W konsekwencji, tylko co drugi ząb 25 otoczony jest cewką 30.

Na tworniku 60 z fig. 9 każda cewka 31 również otacza pojedynczy ząb, ale, wszystkie zęby 25 otoczone sącewką31. W konsekwencji, dwie sąsiadujące ze sobą cewki 31 wypełniają, razem całą przestrzeń żłobka 2, który oddziela dwa sąsiednie zęby 25, które te cewki 31 otaczają.

Na figurach 10 do 14 objaśniono bardziej dokładnie sposoby izolacji uzwojeń 26 twornika 60 oraz sposoby odprowadzenia ciepła wytwarzanego przez te uzwojenia 26.

179 512

Na figurze 10 przedstawiono twornik 60 z dopasowanymi uzwojeniami 26 ułożonymi w żłobkach 2 według sposobu już opisanego. Rysunek przedstawia, że na spodzie żłobka 2, pomiędzyjarzmem 1 a uzwojeniem 26 znajduje się rurka 11, w której krąży ciecz chłodząca 50. Taki system chłodzenia umożliwia natychmiastowe przekazanie ciepła wytworzonego w uzwojeniach 26 na zewnątrz. Należy zauważyć, że ponieważ żłobki 2 są proste i otwarte, to rurki 11 mogą być wcześniej przytwierdzane dzięki zakładkom na końcach (niewidoczne) tworząc rodzaj cewki. Jeżeli ten typ czynnika chłodzącego stosowanoby w rozwiązaniach standardowych (fig. 1.), to rurki 11 powinny być łączone ze sobąpo umieszczeniu ich w żłobkach 2, ponieważ wąska szczelina 6 żłobka 2 nie pozwoliłaby na umieszczenie rurek 11, co powodowałoby komplikację montażu konstrukcyjnego silnika. Na fig. 10 przedstawiono również warstwę izol^^2yj^^3 umieszczonąpomiędzy uzwojeniem 26 a zębem 25, którą z łatwością można włożyć w żłobek 2, ponieważ jest on otwarty.

Na figurze 11 przedstawiono układ bardzo podobny do układu z fig. 10, również z rurką chłodzącą 11 oraz warstwą izolacyjną 3. Ponadto, fig. 11 pokazuje, że rurka 11 jest przynajmniej częściowo otoczona warstwą 12 widoczna z perspektywy na fig. 12, na której warstwa ta jest ponadto ułożona sandwiczowo pomiędzy zębem 25 a uzwojeniem 26 i ciągnie się do głowni 62 zęba 25. Warstwa 12 służy jako środek do odprowadzenia ciepła spomiędzy uzwojeń 26 i rurki chłodzącej 11. Warstwa ta jest wykonana z materiału przewodzącego ciepło, takiego jak miedź, czy aluminium, lub materiału kompozytowego, na przykład włókna węglowego. Jeżeli warstwa jest wykonana z aluminium, to można jąutleniać. Umożliwia to na pozbycie się warstwy izolacyjnej 3, a więc dalsze zmniejszenie rezystancji cieplnej.

Jeżeli jednak warstwa 12 jest metaliczna, a więc i przewodząca prąd, to strumień rozproszenia żłobków 2 będzie w nich indukował prądy wirowe. We wszystkich silnikach synchronicznych posiadających stosunkowo głębokie żłobki, indukcyjność rozproszenia żłobka może stać się główną indukcyjnością, co ogólnie rzecz biorąc jest wadą. Jednym ze sposobów na ograniczenie indukcyjności rozproszenia żłobka jest wykorzystanie warstwy przewodzącej ciepło 12 również jako osłony przed strumieniem rozproszenia żłobka. Jeżeli osłona ta staje się nadmierna, to jej działanie można regulować poprzez obróbkę szczelin 13, jak widać na fig. 12. Szczeliny 13, podobnie jak warstwy silnika elektrycznego, zmniejszają wartość prądów wirowych. Prądy wirowe można wyeliminować umieszczając dużą liczbę szczelin bez zauważalnego zmniejszenia pojemności przewodzenia cieplnego. Stwierdzono, że dla warstwy 12 można wykorzystać stop, będący zarówno dobrym przewodnikiem cieplnym jak i przewodnikiem elektrycznym.

Na figurach 13 i 14 przedstawiono modyfikację układu z fig. 11 oraz fig. 12. System chłodzenia 14 z fig. 13 oraz fig. 14 łączy w jedną część warstwę przewodzącą 12 oraz rurkę chłodzącą 11 z fig. 11 i fig. 12. Układ 14 można wykonać z wytłaczanego aluminium.

Powyższy opis był w szczególności nakierowany na silniki liniowe ale zasady wynalazku dotyczą również synchronicznego silnika wirującego.

Na figurze 15 przedstawiono schematycznie określoną część synchronicznego silnika wirującego według wynalazku, którego wirnik 50 stanowi wzbudnik 61. Wirnik 50 został przedstawiony jedynie w sposób schematyczny jako okrąg symbolizujący jego część skrajną oraz jako wał 55, ale oczywiście zawiera również magnesy trwałe podobne do magnesów trwałych 8 silnika z fig. 1, umieszczone jak w tamtym przypadku na podstawie, przez którą przechodzi strumień, wykonaną z materiału ferromagnetycznego.

Stojan silnika z fig. 15 stanowi jego twornik 60 i składa się z jarzma 1 oraz wielu identycznych zębów 51 i 51'. W tym wykonaniu zamieszczono dwanaście zębów 51,51' i wszystkie posiadają jeden koniec na trwałe przymocowany do jarzma 1, a drugi koniec, po przeciwnej' stronie, tworzy głownię zęba 62 naprzeciwko wirnika 50.

Zęby 51 i 51' są w równych odstępach rozmieszczone z podziałką zęba rn i wyznaczają pomiędzy sobą żłobki 2, w których umieszcza się cewki '52 oraz 53.

Zgodnie z wynalazkiem, zęby 51 i 51' charakteryzują się stałym wymiarem przekroju poprzecznego na całej wysokości H, a ich szerokość bd jest równa szerokości bn żłobków 2 na poziomie głowni zębów 62. Innymi słowy, stosunek bn/rn również wynosi 0,5.

179 512

Cechy te powodują, że silnik wirujący z fig. 15 posiada takie same zalety w porównaniu do znanych modeli silników tego rodzaju, jakie posiadająopisane silniki liniowe. W szczególności, całkowity moment reluktancyjny Cr odpowiedni do obecności żłobków 2, jest znacznie mniejszy dla silnika wirującego, w porównaniu ze standardowym wirującym silnikiem synchronicznym, co widać na fig. 3, fig. 6 oraz fig. 7, które znajdują zastosowanie również w tym przypadku, gdzie moment reluktancyjny jest wyrażony w niutonometrach.

Można zauważyć w rozwiązaniu silnika z fig. 15, że podczas gdy zęby mają stały przekrój poprzeczny, to żłobki już nie, ponieważ stająsię szersze im bliżej jarzma 1, a cała konstrukcja jest coraz bardziej wybrzuszona wraz ze zmniejszaniem się średnicy silnika. Tak więc, aby lepiej wypełnić dostępnąprzestrzeń w żłobkach przy jednoczesnym wykorzystaniu zaletjakie niesie ze sobą wstępne nawijanie cewek na wręgu, proponuje się przygotowanie szeregu cewek 52 o przekroju w kształcie prostokąta oraz szeregu cewek 53 o przekroju w kształcie trapezu, na oddzielnym wręgu posiadającym rdzeń prostokątny o przekroju poprzecznym równym przekrojowi poprzecznemu zębów 51, 51'. Po zdjęciu cewek z wręgu najpierw mocuje się cewkę 53, o przekroju trapezoidalnym na co drugim zębie twornika 60. W przykładzie wykonania na fig. 15, cewki 53 są umiejscowione przy zębach 51' przy pozostawieniu zębów 51 wolnymi. Następnie mocuje się cewkę 52, o przekroju prostokątnym na każdym zębie, który pozostał wolny po nawinięciu cewek 53 o przekroju trapezoidalnym, to znaczy, na zębach 51 dla przedstawianego przykładu. W ten sposób wykorzystuje się możliwie optymalnie dostępnąprzestrzeń w żłobkach 2.

Przestrzeń 54 pozostała po wpasowaniu cewek 52 oraz 53 może zostać wykorzystana przez układ chłodzący, to jest jeden z układów opisanych na fig. 10 do fig. 14. Jednak dla wielu silników zastosowanie znajdą jedynie cewki o przekroju prostokątnym, szczególnie dla silników o wielkich średnicach.

179 512

Fig. 3 ł~

C h\n

179 512

Fig.4

179 512

Fig.la (srntf recHMift)

-► y

Fig.4a

179 512 \Ο ęp

LL

179 512

Fig.10

179 512

Fig.11

12 1

Fig.12

Fig .13

Fig. 14

179 512 νη

179 512

Fig.1 (STHN TeCHNiKi)

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi, który zawiera twornik utworzony przez jarzmo oraz liczne zęby umocowane na jarzmie i wyznaczające w przestrzeniach między zębami żłobki, w których umieszczone są liczne cewki, tak że każda cewka otacza przynajmniej jeden ząb, a naprzeciw twornika jest umieszczony wzbudnik zawierający liczne magnesy trwałe osadzone na podstawie, przez którą zamyka się strumień, przy czym zęby rozmieszczone są w równych odstępach z określoną podziałką zębów, a magnesy trwałe rozmieszczone są w równych odstępach z określoną podziałką biegunową, przy czym każdy ząb ma przy niezamocowanym końcu głownię zęba o określonej szerokości, a suma szerokości żłobków wyznaczona na poziomie głowni zęba i szerokości głowni zęba, wyznacza podziałkę zębów-, znamienny tym, że zęby (25; 51,51') twornika (60) są rozmieszczone względem magnesów trwałych (8) wzbudnika (61) z zachowaniem podziałki zębów (rn) różnej od podziałki biegunowej (rp), przy czym szerokość (bn) żłobków (2) jest dobrana tak, że stosunek tej szerokości (bn) do podziałki zębów (rn) mieści się w granicach 0,40 do 0,55.
2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy z zębów (25; 51,51') wyznacza dwa równoległe boki, tak że ich przekrój poprzeczny jest stały na całej wysokości (H).
3. Silnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że co drugi ząb (25) twornika (60) jest otoczony cewką (30), która wypełnia dwa żłobki (2) przylegające do tego zęba (25).
4. Silnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że każdy ząb (25) twornika (60) jest otoczony cewką (31), przy czym każdy żłobek (2) oddzielający dwa sąsiednie zęby (25) jest wypełniony przez dwie sąsiednie cewki (31).
5. Silnik według zastrz. 4, znamienny tym, że dodatkowo wyposażony jest w zespół chłodzący zawierający rurki (11) umieszczone w żłobkach (2) pomiędzy cewkami (30; 31; 52,53) i jarzmem (1), przy czym rurki (11) są połączone ze sobą dla przepływu cieczy chłodzącej (50).
6. Silnik według zastrz. 5, znamienny tym, że zespół chłodzący zaopatrzony jest w powłoki przenoszące ciepło (12), rozmieszczone tak, że jedna powłoka znajduje się w każdym żłobku (2) częściowo otaczając w nim rurkę (11), przy czym te powłoki (12) umieszczone są w żłobku (2) pomiędzy jednym z sąsiednich zębów (25; 51, 51') i cewką (30; 31; 52, 53).
7. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że twomik (60) zawiera parzystą liczbę zębów (51, 51') z których każdy jest otoczony jedną cewką (52, 53), przy czym w każdej parze sąsiednich zębów (51, 51') jeden jest otoczony cewką (52) o przekroju poprzecznym w kształcie prostokąta, a drugi jest otoczony cewką (53) o przekroju poprzecznym w kształcie trapezu.