PL226439B1 - Hybrydowy generator drgań skrętnych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest hybrydowy generator drgań skrętnych.

Obecnie do najbardziej zbliżonych konstrukcyjnie urządzeń elektromagnetycznych mogących generować drgania skrętne należą: generatory impulsów, generator drgań skrętnych, silniki prądu stałego użyte do generacji drgań skrętnych lub bezszczotkowe silniki prądu stałego użyte do generacji drgań skrętnych).

Dotychczas nieznane jest rozwiązanie techniczne łączące w jednym urządzeniu elektromagnetycznym funkcjonalności generacji elektromagnetycznych momentów przemiennych skrętnych i funkcji silnika napędowego. Hybrydowy generator drgań skrętnych (HGDS) to rodzina prostych konstrukcyjnie urządzeń łączących zdolność do generowania drgań skrętnych z możliwością napędową silnika elektrycznego.

Stwierdzono nieoczekiwanie, że połączenie znanych dwóch maszyn tj: maszyny generującej drgania skrętne z silnikiem elektrycznym umożliwia wytwarzanie momentów skrętnych o różnych częstotliwościach, momentów skrętnych o programowalnym przebiegu chwilowym.

Hybrydowy generator drgań skrętnych (HGDS) składa się z generatora drgań skrętnych - tworzącego tzw. moduł generacyjny oraz bezszczotkowego silnika prądu stałego (BLDC) tworzącego tzw. moduł silnikowy, które połączone są ze sobą trwale wirnikiem hybrydowym. Wirnik hybrydowy generatora drgań skrętnych składa się z obwodu uzwojeń wirnika generatora drgań skrętnych, które są w postaci uzwojenia klatkowego oraz składa się z obwodu wzbudzenia pola elektromagnetycznego w postaci magnesów trwałych. Przy czym oba odwody uzwojenia klatkowego oraz wzbudzenia magnesami trwałymi umieszczone są po przeciwległych powierzchniach cylindrycznych korpusu wirnika tj: zewnętrznej i wewnętrznej. Hybrydowy generator drgań skrętnych wyposażony jest również w układ stojanów zewnętrznych i w układ stojanów wewnętrznych, w których umieszczone są dwa układy: uzwojeń trójfazowych modułu generacyjnego i uzwojeń trójfazowych modułu silnikowego, wykonywany w dwóch wariantach:

wariant 1 - z modułem generatorowym umieszczonym w części zewnętrznej generatora z modułem silnikowym umieszczonym wewnątrz generatora drgań skrętnych, wariant 2 - z modułem generatorowym umieszczonym w części wewnętrznej generatora z modułem silnikowym umieszczonym w części zewnętrznej generatora drgań skrętnych,

Celem wynalazku jest nowatorska konstrukcja urządzenia elektromagnetycznego - hybrydowego generatora drgań skrętnych - umożliwiająca wytwarzanie momentów skrętnych o różnych częstotliwościach, momentów skrętnych o programowalnym przebiegu chwilowym, przy zatrzymanym wirniku lub przy dowolnej prędkości kątowej wirnika, wytwarzania przebiegów momentów napędowych z naniesionymi na nie momentami skrętnymi o różnych częstotliwościach drgań.

Istota według wynalazku charakteryzuje się tym, że modułowy generator 1 umieszczony na zewnętrznej powierzchni generatora, połączony jest z modułem silnikowym 2 umieszczonym w wewnętrznej części generatora poprzez wewnętrzny wirnik hybrydowy 3, którego cylindryczna powierzchnia zewnętrzna i cylindryczna powierzchnia wewnętrzna przenikana jest prostopadle przez pola stojanów zewnętrznego 4 i wewnętrznego 5.

Istota według wynalazku charakteryzuje się tym, że moduł silnikowy 2 umieszczony na zewnętrznej powierzchni generatora, połączony jest z modułowym generatorem 1 umieszczonym w wewnętrznej części generatora poprzez wewnętrzny wirnik hybrydowy 3, którego cylindryczna powierzchnia zewnętrzna i cylindryczna powierzchnia wewnętrzna przenikana jest prostopadle przez pola stojanów zewnętrznego 4 i wewnętrznego 5.

Korzystnie hybrydowy generator charakteryzuje się tym, że wirnik hybrydowy 3 wyposażony jest w uzwojenie klatkowe 11 oraz segmentowe magnesy trwałe 13 w postaci układu wzbudzania pola magnetycznego.

Zaletą wynalazku jest możliwość wygenerowania większej niż jedną częstotliwość drgań skrętnych w różnych warunkach pracy, obejmujących postój - wirnik zatrzymany, a także różne nastawiane prędkości obrotowe wirnika, ponadto dzięki możliwości wykorzystania tradycyjnych technologii produkcji silników elektrycznych generator może być skalowalny.

Hybrydowy generator pozwala na redukcję kosztów oraz ograniczenie liczby niezbędnych elementów wykonawczych wykorzystujących pracę wibracyjną tj: sita przesypowe, taśmociągi, przenośniki i separatory wibracyjne, etc. Dzięki wygenerowaniu szerokopasmowego pobudzenia mechanicznego,

PL 226 439 B1 może znaleźć zastosowanie w procesach diagnostycznych np. SHM - structural health monitoring, analizy modalnej, identyfikacji procesów czy przy projektowaniu konstrukcji mechanicznych

Hybrydowy generator drgań skrętnych (HGDS) stosuje się jako urządzenie wspomagające diagnostykę, analizę oraz projektowanie złożonych układów mechanicznych, służy wykonaniu rzeczywistej charakterystyki modalnej prototypu projektowanego układu, eksponując częstotliwości drgań własnych, jako proces diagnostyczny, wychwytujący zmiany charakterystyk częstotliwościowych wywołanych awarią lub zużyciem podzespołów w układzie mechanicznym. Hybrydowy generator drgań skrętnych HGDS to zmodyfikowana konstrukcyjnie indukcyjna maszyna klatkowa, w której dobór parametrów konstrukcyjnych tj: liczba prętów klatki wirnika, rodzaj uzwojenia stojana i liczba żłobków stojana) dobrano tak, aby wyeksponować elektromagnetyczne momenty pasożytnicze. Moduł generacyjny, oprócz szczątkowego momentu asynchronicznego, wytwarza momenty przemienne o różnych częstotliwościach. Częstotliwości, jak i amplitudy momentów przemiennych zależą od prędkości obrotowej wirnika oraz od częstotliwości sieci zasilającej. Częstotliwości generowanych momentów przemiennych w funkcji prędkości kątowej wirnika opisują tzw. charakterystyki częstotliwościowo-prędkościowe poprzez następujące funkcje:

^{(1) f} (y, p) = I ^{+ f}o | ⁽²⁾ f (v,p ) = ¹ ~^{Qm 1} gdzie: m - prędkość kątowa wału generatora (w stanie ustalonym), 0 - częstotliwość sieci zasilającej, v, p - rzędy harmonicznych przestrzennych pola magnetycznego wytwarzających dany moment przemienny.

W celu określenia wartości amplitud momentów przemiennych sformułowany został model matematyczny modułu generacyjnego HGDS, w którym uwzględniono 15 harmonicznych przestrzennych przepływu. Wybór tych harmonicznych przestrzennych przepływów dokonany jest według ścisłych reguł, aby uwzględnić w modelu harmoniczne o największym znaczeniu dla generacji momentów przemiennych. W modelu uwzględniono harmoniczne przestrzenne: rzędy harmonicznych, uwzględniające liczbę par biegunów generatora, zestawione w tabeli 1.

Tabela 1

2	26	58	82	86
22	34	50	62	116
10	38	46	74	94

Harmoniczne umieszczone w rzędach tabeli 1 tworzą pomiędzy sobą pary, które generują momenty przemienne. Sformułowany, w dwuosiowych układach współrzędnych aedq, model matematyczny generatora drgań skrętnych ma następującą postać macierzowego układu równań różniczkowych:

Fi^dq ₌ - R i^a/3dq - Pj_m^-M('ś)i^ai^ld‘i) dt σθ gdzie: i^aedq - wektor prądu generatora w dwuosiowym układzie współrzędnych aedq, u^aedq - wektor napięć zasilających w dwuosiowych układach współrzędnych aedq, M(P) - blokowa macierz współczynników indukcyjności własnych i wzajemnych, R - blokowa macierz rezystancji, m - prędkość kątowa wirnika.

Równanie momentu elektromagnetycznego, generowanego przez moduł generatorowy hybrydowego generatora drgań skrętnych HGDS ma postać:

τ = ϊ^{αβΤ 1} e> ^Łc

[Ai_sr2(3) Ai_srl0(3) Ai_sr22(3)] gdzie: Msr2( ) - macierz współczynników indukcyjności wzajemnych (stojan-wirnik) związanych z harmonicznymi z pierwszego wiersza tabeli 1, Msr10( ), Msr22( ) - macierze współczynników indukcyjności wzajemnych (stojan-wirnik) związanych z harmonicznymi z drugiego i trzeciego wiersza tabeli 1, i_s ^ae - wektor prądu stojana w jego dwuosiowym układzie współrzędnych, i2^dq, ir10^dq, i_r22 ^dq - wektory prądów wirnika w dwuosiowych układach współrzędnych wirnika.

PL 226 439 B1

Przedmiot wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia czwartą części przekroju poprzecznego generatora hybrydowego drgań skrętnych z modułem generatorowym umieszczonym w części zewnętrznej generatora z modułem silnikowym umieszczonym wewnątrz generatora drgań skrętnych, fig. 2 przedstawia czwartą części przekroju poprzecznego hybrydowego generatora drgań skrętnych z modułem generatorowym umieszczonym w części wewnętrznej generatora z modułem silnikowym umieszczonym w części zewnętrznej generatora drgań skrętnych.

Przykład 1 - wariant 1

Hybrydowy generator drgań skrętnych składa się ze stojana zewnętrznego 4 modułu generacyjnego, zbudowanego z blachy 6 stojana zewnętrznego 4 modułu generacyjnego 1 oraz uzwojeń 7 stojana zewnętrznego 4 modułu generacyjnego 1 i ze stojana wewnętrznego 5, zbudowanego z blachy 8 wirnika 3 modułu silnikowego 2 oraz uzwojeń 9 stojana wewnętrznego 5 modułu silnikowego 2, przy czym oba stojany 4 i 5 współpracują ze sobą poprzez wirnik hybrydowy 3, który składa się z blachy 8 wirnika 3 modułu silnikowego 2, uzwojenia klatkowego 11 wirnika 3, stojana zewnętrznego 4 modułu generacyjnego 1, segmentowych magnesów trwałych 13 wirnika 3 stojana wewnętrznego 5 modułu silnikowego 2, umieszczonych po przeciwległych zewnętrznych powierzchniach cylindrycznych korpusu wirnika 3 stojana wewnętrznego 5 i po przeciwległych wewnętrznych powierzchniach cylindrycznych korpusu wirnika 3 stojana wewnętrznego 5, części nośnej 12 wirnika 3, blachy 14 wirnika 3, stojana zewnętrznego 4 modułu generacyjnego 1. Stojan zewnętrzny 4 opasa hybrydowy generator drgań skrętnych po jego obwodzie zewnętrznym. Stojan wewnętrzny 5 umieszczony jest w środkowej części hybrydowego generatora drgań skrętnych. Pomiędzy stojanem zewnętrzny 4 i stojanem wewnętrznym 5 umieszczony jest hybrydowy wirnik 3 w postaci cylindra. W wirniku hybrydowym 3 wzdłuż jego zewnętrznego obwodu, umieszczono uzwojenie klatkowe 11, natomiast wzdłuż obwodu wewnętrznego wirnika hybrydowego 3 umieszczono segmentowe magnesy trwałe 13. Uzwojenia 7 stojana zewnętrznego 4 modułu generacyjnego 1 umieszczono wzdłuż jego wewnętrznego obwodu. Uzwojenia 9 modułu silnikowego 2 umieszczono wzdłuż zewnętrznego obwodu stojana wewnętrznego 5, którego rdzeń tworzą blachy 15.

Przykład 2 - wariant 2

Hybrydowy generator drgań skrętnych składa się ze stojana zewnętrznego 4, zbudowanego z blachy 6 stojana zewnętrznego 4 modułu generacyjnego 1 oraz uzwojeń 16 stojana zewnętrznego 4 modułu silnikowego 2 i ze stojana wewnętrznego 5, zbudowanego z blach 18 stojana wewnętrznego 5 modułu generacyjnego 1 oraz uzwojeń 17 stojana wewnętrznego 5 modułu generacyjnego 1, przy czym oba stojany 4 i 5 współpracują ze sobą poprzez wirnik hybrydowy 3, który składa się z uzwojenia klatkowego 11 wirnika 3 modułu generacyjnego 1, segmentowych magnesów trwałych 13 modułu silnikowego 2, umieszczonych po przeciwległych zewnętrznych powierzchniach cylindrycznych korpusu wirnika 3 stojana 5 i po przeciwległych wewnętrznych powierzchniach cylindrycznych korpusu wirnika 3 stojana 4, części nośnej 12 wirnika 3, blach 14 wirnika 3 modułu generacyjnego 1, blach 8 wirnika 3 modułu silnikowego 2. Stojan zewnętrzny 4 opasa hybrydowy generator drgań skrętnych po jego obwodzie zewnętrznym. Stojan wewnętrzny 5 umieszczony jest w środkowej części hybrydowego generatora drgań skrętnych. Pomiędzy stojanem zewnętrzny 4 i stojanem wewnętrznym 5 umieszczony jest hybrydowy wirnik 3 w postaci cylindra. W wirniku hybrydowym 3 wzdłuż jego zewnętrznego obwodu, umieszczono magnesy trwałe 13, natomiast wzdłuż obwodu wewnętrznego wirnika hybrydowego 3 umieszczono uzwojenie klatkowe 11. Uzwojenia 16 stojana zewnętrznego 4 modułu silnikowego 2 umieszczono wzdłuż obwodu wewnętrznego stojana zewnętrznego 4. Uzwojenia 17 stojana wewnętrznego 5 modułu generacyjnego 1 umieszczono wzdłuż zewnętrznego obwodu stojana wewnętrznego 5, którego rdzeń tworzą blachy 18.

Claims (4)

1. Hybrydowy generator drgań skrętnych składający się z modułu generacyjnego i modułu silnikowego, znamienny tym, że modułowy generator 1 umieszczony na zewnętrznej powierzchni generatora, połączony jest z modułem silnikowym 2 umieszczonym w wewnętrznej części generatora poprzez wewnętrzny wirnik hybrydowy 3, którego cylindryczna powierzchnia zewnętrzna i cylindryczna powierzchnia wewnętrzna przenikana jest prostopadle przez pola stojanów zewnętrznego 4 i wewnętrznego 5.

PL 226 439 B1

2. Hybrydowy generator według zastrz. 1, znamienny tym, że wirnik hybrydowy 3 wyposażony jest w uzwojenie klatkowe 11 oraz segmentowe magnesy trwałe 13 w postaci układu wzbudzania pola magnetycznego.

3. Hybrydowy generator drgań skrętnych składający się z modułu generacyjnego i modułu silnikowego, znamienny tym, że moduł silnikowy 2 umieszczony na zewnętrznej powierzchni generatora, połączony jest z modułowym generatorem 1 umieszczonym w wewnętrznej części generatora poprzez wewnętrzny wirnik hybrydowy 3, którego cylindryczna powierzchnia zewnętrzna i cylindryczna powierzchnia wewnętrzna przenikana jest prostopadle przez pola stojanów zewnętrznego 4 i wewnętrznego 5.

4. Hybrydowy generator według zastrz. 3, znamienny tym, że wirnik hybrydowy 3 wyposażony jest w uzwojenie klatkowe 11 oraz segmentowe magnesy trwałe 13 w postaci układu wzbudzania pola magnetycznego.