PL210725B1 - Wirnik maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest wirnik maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi zabudowanymi wewnątrz pakietu blach wirnika.

Znane są rozwiązania wirników maszyn elektrycznych z magnesami trwałymi, w których magnesy trwałe są umieszczone na obwodzie pakietowanego bądź litego wirnika. W rozwiązaniach tych magnesy trwałe są mocowane do powierzchni wirnika przy pomocy kleju. Mogą być także dodatkowo mocowane przy pomocy śrub i bandaży. Maszyna elektryczna z takim wirnikiem ma dużą szczelinę powietrzną i małą reaktancję. Rozwiązania takie nie nadają się do maszyn przewidzianych do pracy przy dużych prędkościach obrotowych, gdyż magnesy trwałe narażone są na odpadnięcie od wirnika pod wpływem sił odśrodkowych. Praca silnikowa takiej maszyny w bezprzekładniowych napędach elektrycznych o szeroko regulowanej prędkości obrotowej, z uwagi na dużą szczelinę powietrzną, jest mało podatna na regulację prędkości obrotowej w strefie regulacji z osłabianiem strumienia głównego w maszynie.

Znane są także rozwiązania wirników z magnesami trwałymi, w których magnesy trwałe płaskie, zwykle o przekroju prostokątnym, są umieszczone promieniowo w osiach międzybiegunowych „q”. Wirnik takiej maszyny składa się z segmentów, a więc konstrukcja jego jest wrażliwa na działanie sił odśrodkowych i jest stosunkowo droga. Rozwiązanie to jest stosowane w maszynach specjalnych, np. serwosilnikach małej mocy.

Znane są również rozwiązania wirników z magnesami trwałymi, w których magnesy trwałe, zwykle płaskie o przekroju prostokątnym, są umieszczone w pakiecie blach wirnika cięciwowo. W blachach, od strony zewnętrznej obwodu magnetycznego wirnika, wycięte są cięciwowo prostokątne żłobki, w których umieszczone są magnesy trwałe. W rozwiązaniu tym blachy wirnika nie mają żadnej osi symetrii. Między wałem i pakietem blach musi być pierścień niemagnetyczny bądź wał musi być niemagnetyczny, aby strumień magnetyczny magnesów trwałych nie był bocznikowany. Z tych też powodów żłobki, w których są umieszczone magnesy trwałe, powinny stykać się z pierścieniem niemagnetycznym. Ze względów technologicznych, aby segmenty blach związać między sobą, zostawia się tam mały przesmyk, który szybo nasyca się i w sposób niewielki bocznikuje strumień magnesów trwałych. Ten przesmyk determinuje wytrzymałość mechaniczną wirnika na działanie sił odśrodkowych. Konstrukcje te nie nadają się do zastosowania w silnikach, w których siły odśrodkowe mogą spowodować przekroczenie wytrzymałości mechanicznej tego przesmyku.

Znane są z opisu zgłoszenia patentowego EP 1 662 634 A2 rozwiązania wirników maszyn elektrycznych wzbudzanych magnesami trwałymi umieszczonymi w pakiecie wirnika w otworach prostokątnych, cięciwowych, obustronnie zamkniętych, leżących w płaszczyznach równoległych do osi wału. Znane są także z opisu zgłoszeń patentowych EP1 298 773 A1 i JP 5-304737 A rozwiązania wirników maszyn elektrycznych wzbudzanych magnesami trwałymi umieszczonymi w pakiecie wirnika w otworach, w których magnesy trwałe są łukowe, lecz promienie łuków są mniejsze od promienia wirnika. W obydwóch tych konstrukcjach wirnika magnesy mają jednakową grubość i nie są dzielone pod jednym biegunem, a wirnik ma dwie osie symetrii, leżące w osi bieguna magnetycznego „d” i w osi międzybiegunowej „q”. Wirniki tego typu dają rozkład pola magnetycznego w szczelinie przytwornikowej zbliżony do trapezu, mają zatem właściwości mało korzystne do sterowania sinusoidalnego.

Wirnik maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi składający się z pakietu blach ferromagnetycznych, wałka i magnesów trwałych według wynalazku charakteryzuje się tym, że w pakiecie blach wirnika, równolegle do osi wału, wzdłuż każdego z biegunów magnetycznych, są wycięte dwa otwory łukowe o promieniach łuków R1 i R2 większych od promienia R pakietu wirnika, w których są umieszczone, magnesy trwałe, przy czym są one rozdzielone niewyciętym przesmykiem blachy o szerokoś ci b równej od 0,1 h do h, przy czym h oznacza wymiar promieniowy otworu w osi biegunów, a pakiet blach wirnika zachowuje symetrię względem osi biegunów i międzybiegunowej. Pakiet blach wirnika maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi, na obu końcach ma tarcze ściskające. Pakiet jest mocowany śrubami lub nitami przechodzącymi przez otwory okrągłe w blachach, przy czym otwory te są rozmieszczone w osiach biegunów lub międzybiegunowych bądź w obu osiach. Pakiet wirnika może być także spawany, przy czym spawy są umieszczone na obwodzie wirnika w osiach międzybiegunowych.

Przykład rozwiązania wirnika maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi jest zilustrowany na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia przekrój osiowy wirnika, a fig. 2 przedstawia

PL 210 725 B1 jednobiegunowy fragment wykroju blachy wirnika z otworami równoległymi do osi wału 4 o kształcie łukowym.

Pod każdym biegunem są dwa otwory 3 przedzielone przesmykiem 3.3 leżącym w osi „d” bieguna. Przesmyk 3.3 między otworami 3, leżący w osi „d”, jak to pokazano na rysunku fig. 2, zwiększa wytrzymałość mechaniczną blach na działanie sił odśrodkowych. Przesmyk 3.3 powinien mieścić się w przedziale od 0,1 h do h, to znaczy powinien być moż liwie mał y, aby nie powię kszał strumienia rozproszenia magnesów trwałych 5, przy czym h oznacza wymiar promieniowy otworu 3 w osi „d”. Otwory łukowe 3 mają promienie łuków R1 i R2 większe od promienia R pakietu wirnika. Promień zewnętrzny R1 = R + a1, a promień wewnętrzny R2 = R + a2, przy czym a1 może zmieniać się w zakresie od zera do a2, natomiast a2 może zmieniać się w zakresie od zera do nieskończoności. Początki promieni R1 i R2 leżą. na osi „d”. Boki promieniowe, od strony osi „q”, otworów 3 mogą być proste, półokrągłe lub trójkątne 3.2. W blachach są wycięte otwory 8, najkorzystniej okrągłe, do mocowaniu pakietu wirnika 1 śrubami 7 lub nitami. Otwory 8 są usytuowane w osiach „d” lub osiach „q”, mogą być także w osiach „d” i „q”. Centrycznie w osi wału 4 w blachach jest wycięty otwór pod wałek silnika. Wykrój blachy wirnika 1 z wyciętymi otworami 3 oraz 8 zachowuje symetrię dwuosiową, to jest względem osi biegunów „d” i względem osi międzybiegunowej „q”. Wirnik maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi składa się zatem z pakietu blach ferromagnetycznych 1, z ferromagnetycznym łukiem bieguna 2, wałka 4 i magnesów trwałych 5. Na obu końcach pakietu są umieszczone tarcze ściskające 6, a pakiet jest mocowany śrubami lub nitami 7 przechodzącymi przez otwory 8 w blachach. Pakiet może być także spawany, przy czym spawy są umieszczone na obwodzie wirnika 1 najkorzystniej w osiach „q”.

Wirnik maszyny elektrycznej wykonany według wynalazku pozwala w prosty sposób kształtować rozkład indukcji w szczelinie. Poprzez odpowiedni dobór promieni R1, R2 oraz a1, a2 można ukształtować sinusoidalny rozkład indukcji magnetycznej. Silnik taki będzie naturalnie przystosowany do sterowania sinusoidalnego. Magnesy trwałe 5 umieszczone wewnątrz wirnika mają powiększony strumień rozproszenia w stosunku do wirnika z magnesami 5 naklejonymi na obwodzie wirnika 1. Strumień magnetyczny rozproszenia zamyka się przez przewężenia 3.4 oraz przesmyk 3.3. Rozproszenie to w małym stopniu zmienia efektywny strumień wzbudzenia w maszynie, gdyż przewężenia 3.4 i przesmyk 3.3 mają małe przekroje, duże reluktancje i szybko ulegają nasyceniu magnetycznemu, co zapobiega zbyt dużemu rozproszeniu strumienia wzbudzenia od magnesów. Ponadto, mała szczelina powietrza w maszynie elektrycznej między stojanem a wirnikiem zwiększa znacząco permeancję dla strumienia wzbudzenia w stosunku do permeancji obwodu magnetycznego maszyny z wirnikiem z magnesami naklejonymi na obwodzie, co zwiększa strumień wzbudzenia. Tak więc strumień wzbudzenia w maszynach elektrycznych z wirnikiem z magnesami trwałymi naklejonymi na jego powierzchni i wirnikiem wykonanym według wynalazku, może być praktycznie identyczny. Mała szczelina magnetyczna miedzy wirnikiem 1 i stojanem ma zaletę, gdyż zwiększa reaktancję synchroniczną uzwojenia stojana. Dzięki temu silnik z wirnikiem według wynalazku może pracować w napędach o szeroko, dwustrefowo regulowanej prędkości obrotowej, gdzie w pierwszej strefie regulacji prędkości utrzymywany jest stały strumień główny w maszynie, a w drugiej strefie regulacji prędkości wymagane jest zastosowanie techniki osłabiania strumienia głównego w celu utrzymania stałej wartości napięcia na zaciskach silnika. Dodatkowymi zaletami wirnika wykonanego według wynalazku są także:

- prosta konstrukcja, magnesy trwałe 5 po włożeniu w otwory 3 nie wymagają żadnego dodatkowego mocowania, można tylko uszczelnić magnesy trwałe 5 w otworach 3 pakietu wirnika 1, np. silikonem;

- stosunkowo duż a wytrzymał o ść mechaniczna wirnika 1 na działanie sił odś rodkowych (w stosunku do innych rozwiązań), konstrukcja ta może być zatem stosowana w maszynach pracujących przy dużych prędkościach obrotowych;

- magnesy trwał e 5 są zamknię te i uszczelnione wewną trz pakietu 1 wirnika, a zatem nie są narażone na korozję.

Claims (3)

1. Wirnik maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi, składający się z pakietu blach ferromagnetycznych, wałka i magnesów trwałych, znamienny tym, że w pakiecie blach wirnika (1) równolegle do osi wału (4), wzdłuż każdego z biegunów magnetycznych, wycięte są: dwa otwory łukowe (3) o promieniach łuków R1 i R2, równych lub większych od promienia R pakietu wirnika (1),

PL 210 725 B1 w których są umieszczone magnesy trwałe (5), przy czym są one rozdzielone niewyciętym przesmykiem blachy (3.3) o szerokości b równej od 0,1 h do h, przy czym h oznacza wymiar promieniowy otwory w osi biegunów, a pakiet blach wirnika (1) zachowuje symetrię względem osi biegunów (d) i osi międzybiegunowej (q).

2. Wirnik maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że na obu końcach pakietu są umieszczone tarcze ściskające (6), a pakiet jest mocowany śrubami lub nitami.(7) przechodzącymi przez otwory (8) w blachach, które są rozmieszczone w osiach biegunów (d) lub mię dzybiegunowych (q) bą d ź w obu osiach (d) i (q).

3. Wirnik maszyny elektrycznej wzbudzanej magnesami trwałymi według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że pakiet wirnika (1) jest spawany, przy czym spawy są umieszczone na obwodzie wirnika (1) w osiach międzybiegunowych (q).