PL224171B1 - Rdzeń magnetycznie miękki stojana silnika elektrycznego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest rdzeń magnetycznie miękki stojana silnika elektrycznego, zwłaszcza silnika wysokoobrotowego.

Silniki wysokoobrotowe o prędkości obrotowej powyżej 30 000 obr/min mają szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach techniki, takich jak przemysł maszynowy, produkcja energii elektrycznej z biogazu lub pary, przemysł samochodowy, przemysł wojskowy, i inne. Jednakże masowe wykorzystanie aktualnie produkowanych silników wysokoobrotowych w praktyce jest mocno ograniczone bardzo wysoką ich ceną wynikającą z konieczności stosowania skomplikowanych układów chłodzeniowych, co również niekorzystnie zwiększa ich gabaryty i ciężar. Aktualnie w świecie prowadzone są intensywne badania nad opanowaniem technologii nowoczesnego elektrycznego silnika wysokoobrotowego ze wzbudzeniem magnetoelektrycznym i wykorzystaniem magnesów trwałych NdFe lub SmCo. Podstawowym elementem silnika wysokoobrotowego jest rdzeń magnetycznie miękki stojana, w którym wydziela się zasadnicza część ciepła powstająca podczas pracy silnika. Silnik obracający się z prędkością 100 000 obr/min powoduje, że proces przemagnesowania rdzenia zachodzi z częstotliwością około 2 kHz. Stąd od materiału, z którego wykonuje się rdzeń magnetycznie miękki stojana, wymaga się małych strat mocy w rdzeniu.

W Polsce po raz pierwszy prace nad silnikiem wysokoobrotowym z wirnikiem z magnesów neodymowych podjęte były na Politechnice Śląskiej (K. Krykowski). Wykonano wówczas model silnika (badania niepublikowane) z zastosowaniem rdzenia magnetycznie miękkiego ze stali elektrotechnicznej FeSi3 o grubości taśmy 0.1 mm i oporze właściwym 47 niTcm, który wykazywał nadmierne grzanie (90°C) już po kilku minutach pracy.

Rdzeń magnetycznie miękki stojana o znacznie mniejszych stratach wykonano, zgodnie z wynalazkiem, z taśmy amorficznej Fe₇₈Si₁₃B₉ o grubości 0,025 mm i oporze właściwym > 135 niTcm. Przekrój poprzeczny rdzenia magnetycznie miękkiego stojana według wynalazku pokazano na fig. 1. Rdzeń ten składa się z pierścieni 1 o grubości 0,025 mm mających średnice zewnętrzne Φ_ζ i wewnętrzne 0_w, wykonanych z taśmy amorficznej Fe₇₈Si₁₃B₉. Pierścienie 1 tworzą pakiet o współczynniku wypełnienia 90%. Rdzeń jest wykonany jako jednolity, odpowiednio skonsolidowany stos pierścieniowy o wysokości h, pokryty na gorąco żywicą epoksydową 2 w celu zabezpieczenia przed rozwarstwieniem. Na fig. 2 pokazano widok rdzenia od góry.

Zaletą rdzenia magnetycznie miękkiego stojana silnika wysokoobrotowego według wynalazku jest to, że pozwala on w dużym stopniu na zmniejszenie grzania się rdzenia, spowodowanego powstawaniem w nim prądów wirowych, dzięki zastosowaniu taśmy amorficznej o grubości 0.025 mm i dużym oporze właściwym wynoszącym 135 niTcm. Tym samym w nowych silnikach wysokoobrotowych zostaną wyeliminowane bardzo drogie systemy chłodzeniowe, co z kolei będzie skutkować znacznym zmniejszeniem gabarytów tych silników i obniży koszty wytworzenia nowej generacji silników.

Zastosowanie przedmiotu wynalazku pokazane jest w przykładowym wykonaniu na fig. 3, który przedstawia schemat ilustrujący budowę wysokoobrotowego bez szczotkowego silnika prądu stałego z magnesami trwałymi, który składa się z osi obrotu wirnika 3, z rdzenia 4 będącego przedmiotem wynalazku, uzwojenia stojana 5 i wirnika 6 wykonanego z magnesów NdFe. Zależność strat mocy od indukcji magnetycznej, zmierzoną przy częstotliwości 2 kHz dla rdzeni wykonanych z taśmy FeSi3 i taśmy amorficznej Fe78Si13B9, przedstawiono na fig. 4 rysunku. Jak widać na wykresie, straty mocy w rdzeniu amorficznym Fe78Si13B9 są około 3,7 razy mniejsze od strat w rdzeniu polikrystalicznym FeSi3, zatem amorficzny rdzeń magnetycznie miękki typu Fe78Si13B9 nie powinien się nagrzewać w ogóle, lub najwyżej o kilka stopni. Związane jest to głównie z tym, że taśma amorficzna Fe78Si13B9 ma grubość 4 razy mniejszą niż taśma polikrystaliczna FeSi3, a jej opór właściwy jest prawie 3 razy większy. W związku z tym natężenie prądów wirowych będących źródłem grzania rdzenia, powstających w rdzeniu amorficznym Fe78Si13B9, jest wielokrotnie mniejsze od natężenia prądów wirowych powstających w rdzeniu polikrystalicznym FeSi3.

Jak pokazano na fig. 1 i fig. 2 rysunku, rdzeń magnetycznie miękki składa się z pierścieni o grubości 0.025 mm i o średnicy zewnętrznej 0_z = 57 mm oraz wewnętrznej 0_w = 37 mm, ułożonych jeden na drugim pod określonym naciskiem zapewniającym współczynnik wypełnienia rdzenia ok. 90%. Wysokość rdzenia wynosi 30 mm, a jego masa wynosi około 270 g. Podstawowe parametry magnetyczne rdzenia wynoszą (przy częstotliwości f = 50 Hz):

wymagana indukcja magnetyczna: Bm > 1T remanencja magnetyczna: B_r = 0.6 T

PL 224 171 B1 straty mocy dla f = 50 Hz, B = 1 T: P_s < 0.3 W/kg straty mocy dla f = 2 kHz B = 0,6 T: P_s < 15 W/kg

Rdzeń ten został zastosowany do budowy silnika prototypowego o mocy 1 kW i prędkości obrotowej 70 000 obr/min spełniając stawiane mu wymagania.

Claims (1)

1. Rdzeń magnetycznie miękki stojana silnika elektrycznego, zwłaszcza silnika wysokoobrotowego, zbudowany w postaci pakietu pierścieniowego, znamienny tym, że wykonane z taśmy amorficznej Fe₇₈Si₁₃B₉ o grubości 0,025 mm i oporze właściwym > 135 uiTcm o średnicach zewnętrznej Φ_ζ i wewnętrznej Φ_ν pierścienie 1 tworzą pakiet o współczynniku wypełnienia 90%, który jest pokryty żywicą epoksydową 2.