PL218762B1 - Jednofazowy magnetoelektryczny silnik synchroniczny - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest jednofazowy magnetoelektryczny silnik synchroniczny z tarczowym wirnikiem zewnętrznym przeznaczony do napędu różnego rodzaju urządzeń.

Znane ze stosowania jednofazowe synchroniczne silniki magnetoelektryczne mają cylindryczne wirniki w kształcie walca umieszczone wewnątrz nieruchomego stojana. Spotykane są również silniki z wirnikami zewnętrznymi w kształcie wydrążonego walca, wewnątrz których umieszczony jest cylindryczny stojan.

Maszyna elektryczna tarczowa znana z europejskiego zgłoszenia patentowego nr EP1276213, zawiera stojan i dwie tarcze wirnika rozmieszczone po obu stronach stojana, przy czym tarcze umieszczone są na wspólnym wale. Tarcze mają magnesy trwałe umieszczone pomiędzy nabiegunnikami. Stojan wykonany z materiału ferromagnetycznego, wyposażony jest w obwód magnetyczny z zębami, na których nawinięte są uzwojenia. Zęby wykonane są w płaszczyźnie równoległej i przeciwległej do powierzchni wirników. Dwie tarcze mogą być przesunięte kątowo względem siebie. Moment elektromagnetyczny powstaje w wyniku oddziaływania strumienia magnetycznego wytworzonego przez uzwojenia stojana ze strumieniem magnetycznym wytworzonym przez magnesy trwałe umieszczone na tarczach wirnika. W rozwiązaniu tym, moc elektryczna równoważna mocy mechanicznej przekazywanej przez wał silnika, musi być pobrana ze źródła energii elektrycznej zasilającego uzwojenia stojana. Ponadto duże straty mocy w uzwojeniach stojana spowodowane przepływem prądu roboczego pobieranego ze źródła zasilającego, powodują zmniejszenie sprawności energetycznej maszyny.

Maszyna elektryczna z magnesem trwałym znana jest z polskiego opisu patentowego nr 204809. Maszyna zawiera wirnik, stojan i element z magnesu trwałego, który zamocowany jest na wirniku albo na stojanie. Element z magnesu trwałego ogranicza szczelinę powietrzną pomiędzy wirnikiem i stojanem, przy czym skierowana ku szczelinie powietrznej powierzchnia boczna elementu z magnesu trwałego ma kształt cylindryczny taki, że szczelina powietrzna ma stałą szerokość. Ponadto element z magnesu trwałego na przeciwległej stronie względem szczeliny powietrznej, ma powierzchnię boczną niecylindryczną taką, że element ten w kierunku obwodowym ma różną grubość.

Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi znany z polskiego opisu patentowego nr 179512, zawiera twornik posiadający określoną liczbę zębów połączonych na trwałe z jarzmem, które są oddzielone od siebie żłobkami. W żłobkach umieszczone są cewki. Wzbudnik składa się z wielu magnesów rozmieszczonych na podstawie i jest oddzielony od twornika szczeliną powietrzną. Silnik jest tak zwymiarowany tak, że zęby twornika posiadają stały przekrój poprzeczny na całej swojej wysokości, a szerokość żłobków wzdłuż głowni zębów jest równa szerokości tych głowni, dla zminimalizowania niepożądanego efektu reluktancyjnego występującego ze względu na obecność żłobków. Silnik może być wykonany, jako liniowy lub wirujący.

Istota silnika według wynalazku polega na tym, że rdzenie ferromagnetyczne z nawiniętym uzwojeniem umieszczone są symetrycznie po obwodzie stojana, ponadto na rdzeniach od strony obu tarcz wirnika osadzone są magnesy trwałe stojana, przy czym na każdym rdzeniu górny magnes trwały stojana ma biegunowość przeciwną do dolnego magnesu trwałego stojana. Jednocześnie osie magnesów trwałych stojana są prostopadłe do osi magnesów trwałych wirnika.

Korzystnie, liczba magnesów trwałych na jednej tarczy wirnika jest równa liczbie ferromagnetycznych rdzeni stojana.

Korzystnie, uzwojenia nawinięte na rdzenie połączone są ze sobą tak, że wytwarzane strumienie magnetyczne mają jednakową biegunowość.

Korzystnie, korpus stojana wykonany jest z materiału niemagnetycznego.

Korzystnie, magnesy trwałe wirnika umieszczone na górnej tarczy wirnika są przesunięte względem magnesów trwałych wirnika umieszczonych na dolnej tarczy wirnika.

Korzystnie, magnesy trwałe umieszczone na górnej tarczy wirnika są połączone zworami magnetycznymi, a magnesy trwałe umieszczone na dolnej tarczy wirnika są również połączone dolnymi zworami magnetycznymi.

Moment elektromagnetyczny silnika powstaje w wyniku współdziałania strumieni wytworzonych przez magnesy trwałe stojana i strumieni wytworzonych przez magnesy trwałe wirnika, natomiast moc elektryczna pobierana ze źródła zasilającego przez uzwojenia stojana pełni jedynie rolę sterującą.

PL 218 762 B1

Pobierana moc elektryczna jest wielokrotnie mniejsza od mocy mechanicznej oddawanej przez wał silnika. Strumień magnetyczny wytwarzany przez uzwojenia stojana zapobiega jedynie powstawaniu stanów symetrii magnetycznej układu w pewnych położeniach wirnika, czyli eliminuje przerwy w powstawaniu momentu elektromagnetycznego, jakie wystąpiłyby w pewnych położeniach wirnika.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia rozwinięty przekrój silnika, fig. 2 - przekrój poprzeczny A-A stojana silnika, a fig. 3 - przekrój poprzeczny B-B wirnika.

P r z y k ł a d 1

Jednofazowy magnetoelektryczny silnik synchroniczny ma stojan z rdzeniami ferromagnetycznymi 1, na których nawinięte są uzwojenia 2, dwie tarcze wirnika 5a i 5b, a na tarczach 5a i 5b umieszczone są magnesy trwałe 6a i 6b. Uzwojenia 2 nawinięte na rdzenie 1, połączone są ze sobą tak, ze biegunowość strumienia wytwarzanego przez nie jest jednakowa. Korpus stojana 3 wykonany jest z materiału niemagnetycznego. Rdzenie 1 w stojanie, są rozmieszczone symetrycznie na okręgu o promieniu r, a kąt a między rdzeniami jest jednakowy. Do rdzeni 1 przymocowane są magnesy stojana górne 4a oraz dolne 4b. Tarcze wirnika górna 5a i dolna 5b osadzone są na wspólnym wale 8. Na każdej tarczy 5a, 5b są rozmieszczone równomiernie magnesy trwałe wirnika górne 6a i dolne 6b. Osie magnesów trwałych stojana 4a, 4b są prostopadłe do osi magnesów trwałych 6a, 6b umocowanych na tarczach wirnika 5a, 5b. Uzwojenia 2 zasilane są prądem przemiennym o częstotliwości f, a prędkość obrotowa wirnika jest proporcjonalna do tej częstotliwości. Elektromagnetyczny moment obrotowy silnika powstaje w wyniku oddziaływania strumieni górnych magnesów trwałych stojana 4a i magnesów trwałych wirnika 6a oraz dolnych magnesów trwałych stojana 4b i magnesów trwałych wirnika 6b. Strumień wytwarzany przez uzwojenia 2 zapobiega jedynie powstawaniu stanów symetrii magnetycznej układu w pewnych położeniach wirnika, czyli zapewnia ciągłość występowania momentu elektromagnetycznego.

P r z y k ł a d 2

Jednofazowy magnetoelektryczny silnik synchroniczny wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą że magnesy trwałe wirnika 6a umieszczone na niemagnetycznej górnej tarczy wirnika 5a, połączone są zworami magnetycznymi 7a, a także magnesy trwałe wirnika 6b umieszczone na dolnej tarczy wirnika 5b, połączone są zworami magnetycznymi 7b. Ponadto magnesy trwałe wirnika 6a usytuowane na górnej tarczy 5a, są przesunięte względem magnesów trwałych wirnika 6b usytuowanych na dolnej tarczy 5b o kąt n/n_e = 45°. Tarcze 5a, 5b osadzone są na łożyskach 9 umieszczonych na wspólnym wale 8.

Uzwojenia 2 zasilane są jednofazowym prądem przemiennym ciągłym lub jednofazowym prądem przemiennym impulsowym o dowolnej częstotliwości f = 1/T, przy czym T jest to okres prądu przemiennego. Prędkość wirowania wału 8 zależy od częstotliwości f prądu zasilającego uzwojenia 2 oraz liczby ferromagnetycznych rdzeni 1 stojana n = f/ne [obr/s].

Powstawanie obrotowego momentu elektromagnetycznego polega na tym, że w czasie, gdy górne magnesy trwałe wirnika 6a są przyciągane do górnych magnesów trwałych stojana 4a to dolne magnesy trwałe wirnika 6b są odpychane od dolnych magnesów trwałych stojana 4b. Po pewnym czasie jest odwrotnie. Czas obrotu wirnika o kąt n/n_e odpowiada czasowi jednego półokresu prądu zasilającego uzwojenia 2. Strumień wytwarzany przez uzwojenia 2 umieszczone na rdzeniach 1 zapobiega powstawaniu stanów symetrii magnetycznej układu w pewnych położeniach wirnika, czyli zapewnia ciągłość występowania momentu elektromagnetycznego.

Claims (6)

1. Jednofazowy magnetoelektryczny silnik synchroniczny zawierający stojan, po obu stronach którego umieszczone są tarcze wirnika z magnesami trwałymi, przy czym stojan wyposażony jest w uzwojenia, znamienny tym, że rdzenie ferromagnetyczne z nawiniętym uzwojeniem (2) umieszczone są symetrycznie po obwodzie stojana, ponadto na rdzeniach od strony tarcz wirnika (5a, 5b) osadzone są magnesy trwałe stojana (4a, 4b), przy czym dla każdego rdzenia górny magnes trwały stojana (4a) ma biegunowość przeciwną do dolnego magnesu trwałego stojana (4b), jednocześnie osie magnesów trwałych stojana (4a, 4b) są prostopadłe do osi magnesów trwałych wirnika (6a, 6b).

PL 218 762 B1

2. Silnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że liczba magnesów trwałych wirnika (6a, 6b) na jednej tarczy wirnika jest równa liczbie (ne) ferromagnetycznych rdzeni (1) stojana.

3. Silnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenia (2) nawinięte na rdzenie (1) połączone są ze sobą tak, że wytwarzane przez nie strumienie magnetyczne mają jednakową biegunowość.

4. Silnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że korpus stojana (3) wykonany jest z materiału niemagnetycznego.

5. Silnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że magnesy trwałe wirnika (6a) umieszczone na górnej tarczy wirnika (5a) są przesunięte względem magnesów trwałych wirnika (6b) umieszczonych na dolnej tarczy (5b).

6. Silnik, według zastrz. 1, znamienny tym, że magnesy trwałe (6a) umieszczone na górnej tarczy wirnika (5a) są połączone zworami magnetycznymi (7a), a magnesy trwałe (6b) umieszczone na dolnej tarczy wirnika (5b) są również połączone zworami magnetycznymi (7b).