PL233865B1 - Maszyna elektryczna - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest maszyna elektryczna, która może pracować w trybie silnikowym zamieniając energię elektryczną w energię mechaniczną ruchu obrotowego lub w trybie prądnicowym zamieniając energię mechaniczną ruchu obrotowego w energię elektryczną.

Od czasu powstania pierwszych silników elektrycznych konstruktorzy próbują tworzyć coraz to nowsze konstrukcje które mają na celu wyeliminować lub zmniejszyć wady poprzednich rozwiązań. Potrafimy wyróżnić wiele cech silników, są to cechy ogólne, podobne dla wszystkich napędów, takie jak sprawność silnika którą można zdefiniować dla każdego napędu i zazwyczaj ma ona wartość z przedziału 50% do 95%, oraz cechy szczególne które przyjmują wartości różniące się czasem o kilka rzędów wielkości takie jak moc, obroty na minutę czy np. masa bądź koszt produkcji. W ostatnich czasach coraz bardziej istotne zaczyna być nie tylko wykorzystywanie elektryczności do pomocy we wszelkich pracach ale także sposób w jaki to robimy, tzn. oczywistym już jest że wolimy odkurzać podłogę odkurzaczem niż zamiatać miotłą ale od pewnego czasu istotne jest aby ten odkurzacz miał wysokowydajny silnik o niewielkiej mocy ale dużej sile ssącej. Związane jest to głównie z zauważaniem przez nas cech napędów, które kiedyś nie były pierwszoplanowe, a czasem wręcz pomijalnie nieistotne. Te cechy to np. energooszczędność, kultura pracy (np. cichobieżność, mniejsze generowanie zakłóceń elektromagnetycznych) czy recykling. Przedmiotem niniejszego patentu jest silnik elektryczny o wyjątkowo wysokiej sprawności przetwarzania energii elektrycznej w mechaniczną. Silnik ten może także pracować jako prądnica. Napęd elektryczny o wyjątkowo wysokiej sprawności ma wiele bardzo korzystnych cech które w obecnych czasach zaczynają być przez nas zauważane, a nie są do końca oczywiste, przykładowe cechy to:

A: Energooszczędność. Wysoka sprawność 99% to jednocześnie bardzo niewielkie straty rzędu 1 %. Silnik o mocy mechanicznej 1000 W pobiera 1010 W - 1015 W mocy elektrycznej a nie 1100 W czy 1300 W jak obecnie często się zdarza. Przy masowym stosowaniu tej konstrukcji silników wiąże się to z dużymi oszczędnościami energii elektrycznej.

B: Oszczędności finansowe. W realiach przemysłowego wykorzystywania napędów energooszczędność wiąże się z dużymi oszczędnościami finansowymi właściciela wynikającymi z małych strat energii dostarczanej do urządzenia.

C: Mała wielkość. Małe straty energii wewnątrz napędu oznaczają mniejsze wydzielanie ciepła, co za tym idzie możliwe jest konstruowanie stosunkowo niewielkich gabarytowo napędów o porównywalnej mocy do obecnych dużo większych rozwiązań ponieważ napędy te nie przegrzeją się podczas pracy w wyniku wewnętrznego wydzielania ciepła.

D: Duża dynamika. Napędy o dużej mocy a niewielkich gabarytach charakteryzują się wyjątkowo dużą dynamiką ponieważ małe rozmiary oznaczają niewielkie momenty bezwładności a stosunkowo duża moc daje duży moment napędowy. Oznacza to możliwość osiągania dużych przyspieszeń co jest bardzo preferowane np. w takich zastosowaniach jak robotyka.

E. Niska cena. Silniki o zwartej konstrukcji, niewielkiej masie w porównaniu do rozwiązań istniejących na rynku, wymagają użycia mniejszej ilości materiałów i są mniej problem atyczne w produkcji. Łatwiej wykonywać operacje montażu silnika ważącego 12 kg niż ważącego 80 kg. Wszystko to przekłada się na niższy koszt produkcji napędu.

Obecnie stosowanych jest wiele konstrukcji silników elektrycznych, głównym kryterium doboru silnika jest rodzaj i charakter wykonywanej pracy. Inny napęd będzie zastosowany do wentylatora klimatyzacji a inny do zmiany pozycji ramienia robota. Ostatnim kryterium doboru napędu jest jednak zawsze rachunek ekonomiczny, czyli koszt zakupu, instalacji i eksploatacji napędu. We wszystkich rodzajach napędów elektrycznych i w większości zastosowań można zauważyć coraz to więcej konstrukcji o podwyższonej sprawności i coraz chętniejsze ich stosowanie. Jest to tendencja która będzie trwałą dopóki nie odkryjemy jak stworzyć napęd elektryczny działający bez strat.

W obecnym stanie techniki zauważyć można następujące źródła strat energii w napędach:

A. Straty w postaci wydzielania się ciepła w uzwojeniach silnika. Straty te wynikają z przepływu prądu w przewodniku o niezerowej oporności. Moc wydzielana na rezystancji uzwojenia silnika równa jest liczbowo iloczynowi wartości prądu w drugiej potędze i wartości rezystancji uzwojeń Pstrat = R * I² (Pstrat [W], R[Ohm], l[A]). Można znacząco zredukować te straty obniżając gęstość prądu w uzwojeniach oraz obniżając oporność uzwojeń. Obniżenie gęstości prądu powoduje zmniejszenie momentu generowanego przez silnik, aby uzyskać użyteczną moc silnika należy zwiększyć w takim przypadku wartość

PL 233 865 B1 prędkości obrotowej silnika gdyż moc mechaniczna silnika równa jest wartości prędkości obrotowej pomnożonej przez wartość momentu napędowego Pmech = ω * Mnap (Pmech[W], ro[Rad/s], Mnap [Nm]). Obniżenie oporności uzwojeń można uzyskać poprzez zmianę materiału z jakiego są wykonane, jest to kompletnie nieekonomiczne gdyż srebro ma niewiele mniejszą oporność właściwą niż miedź a jest dużo droższe, lub poprzez zwiększenie przekroju poprzecznego uzwojeń (pogrubienie uzwojeń) i skrócenie długości uzwojeń. Zwiększenie prędkości obrotowej silnika można uzyskać poprzez zwiększenie napięcia przykładanego do uzwojeń. Zmiany takie spowodują w klasycznych konstrukcjach silników duży wzrost prądu rozruchowego oraz zwiększenie prędkości obrotowej silnika. Silnik w chwili uruchomienia po takich zmianach prawdopodobnie uległby uszkodzeniu na skutek spalenia uzwojeń, gdyż wartość prądu płynącego w uzwojeniach wynika głównie z oporności uzwojeń i przyłożonego do nich napięcia. Po uruchomieniu silnika wraz ze zwiększaniem się prędkości obrotowej silnika wartość prądu płynącego przez uzwojenia maleje na skutek indukcyjności uzwojeń oraz generowania się w uzwojeniach napięcia wstecznego będącego konsekwencją przenikania przez uzwojenia zmiennego pola magnetycznego. Negatywne skutki obniżania oporności uzwojeń silnika obecnie można redukować używając zewnętrznych układów elektronicznych do kontroli wartości prądu. Takie rozwiązania stosuje się w serwonapędach gdzie sterownik serwonapędu cały czas bada prąd płynący przez uzwojenia aby nie przekroczył on bezpiecznej wartości dla silnika. Zauważyć można, że napędy te charakteryzują się wysoką sprawnością, małymi rozmiarami, stosunkowo dużą mocą i dużą dynamiką. Zawdzięczamy to głównie rozwojowi tranzystorów mocy MOSFET, obniżaniu się ich oporności w stanie przewodzenia i zmniejszaniu się czasów przełączania co pozwala tworzyć bardzo wydajne układy zasilania napędów.

B. Straty w rdzeniach obwodów magnetycznych uzwojeń. W znaczącej większości silników uzwojenia współpracują z rdzeniami bądź rdzeniem obwodu magnetycznego silnika wykonanym z pakietu blach krzemowych lub z innego materiału. Spełnia to dwa główne zadania, mechanicznie ustala położenie uzwojeń oraz ukierunkowuje strumień pola magnetycznego w odpowiedni sposób. Niestety zmienne pole magnetyczne generowane przez uzwojenia cały czas przemagnesowuje rdzeń uzwojeń a to generuje straty mocy. Rdzeń po prostu zwiększa swoją temperaturę na skutek ciągłej zmiany pozycji domen magnetycznych. Można wyeliminować ten rodzaj strat mocy poprzez pozbycie się rdzenia magnetycznego. Silniki takie znane są od wielu lat i noszą nazwę silników bezrdzeniowych lub bezżelazowych. Produkowane są przez takie firmy jak MaxonMotor (linia napędów maxon RE motors), Faulhaber czy Portescap (Brush DC Coreless Motor 28DT12). Konstrukcja tego typu napędu nie tylko w klasycznych silnikach znajduje zastosowanie, np. ramię z głowicami w dyskach twardych HDD posiada także napęd bezrdzeniowy. Ramka wykonana z cewki uzwojenia zalanej w żywicy epoksydowej porusza się w polu magnetycznym generowanym przez parę magnesów neodymowych. Obecnie jest to bardzo szeroko rozpowszechnione rozwiązanie wśród producentów tego typu urządzeń. Konstrukcja taka charakteryzuje się bardzo wysoką dynamiką i sprawnością.

Innym przykładem napędu bezrdzeniowego (bezżelazowego) może być napęd membrany w głośniku. W polu magnetycznym generowanym przez magnes pierścieniowy porusza się bardzo lekka cewka przyklejona do membrany głośnika. Tak jak poprzednio można zauważyć bardzo wysoką dynamikę napędu.

C. Straty w mechanicznych komutatorach. Komutacja mechaniczna tzw. zestykowa polega na doprowadzaniu prądu poprzez szczotki najczęściej grafitowo-miedziane do wycinków komutatora znajdującego się na wirniku maszyny do których to wycinków dołączone są poszczególne cewki uzwojenia wirnika. Ze względu na oporność elektryczną połączenia szczotki - komutator występują na styku straty energii elektrycznej, występuje także iskrzenie będące wynikiem załączania i rozłączania obwodów elektrycznych w sposób mechaniczny. Można wyeliminować te straty stosując inną budowę silnika tzn. umieszczając uzwojenia w stojanie a magnesy na wirniku silnika i zmieniając prądy w cewkach uzwojenia komutatorem elektronicznym. Taki rodzaj komutacji nazywa się komutacją bezzestykową i poza wyeliminowaniem problematycznego elementu z wnętrza silnika, zwiększa także niezawodność całego napędu.

D. Straty wynikające z konieczności generowania obwodu wzbudzenia magnetycznego w sposób elektryczny. Niektóre konstrukcje silników np. jednofazowe silniki uniwersalne prądu zmiennego posiadają w swojej konstrukcji cewki uzwojeń które generują strumień magnetyczny wzbudzenia z którym oddziałuje pole magnetyczne generowane przez cewki umieszczone na wirniku silnika. Rozwiązanie takie szeroko stosowane jest do dziś w urządzeniach gospodarstwa domowego, robotach kuchennych, odkurzaczach itp. Prąd zmienny zasilający silnik doprowadzony jest poprzez szczotki i komutator do wirnika. Wymusza to aby w stojanie także pojawiło się zmienne pole magnetyczne. Dlatego nie stosuje się jako elementy wzbudzenia pola magnetycznego w stojanie magnesów stałych tylko cewki uzwojeń

PL 233 865 B1 elektromagnesów i zasila się je z tego samego źródła co wirnik silnika. Pomimo iż jest to bardzo szeroko rozpowszechnione rozwiązanie powoduje ono iż silniki tego typu mają małą sprawność. Problem ten można wyeliminować poprzez zmianę konstrukcji silnika, zastosowanie magnesów stałych np. neodymowych do generowania strumienia magnetycznego wzbudzenia i komutatora elektronicznego. Dzięki takiej koncepcji silnika straty wydzielane w uzwojeniach silnika generowane są tylko w uzwojeniach oddziałujących w polem wzbudzenia, nie ma strat w samym generowaniu pola wzbudzenia gdyż jest ono tworzone przez magnesy stałe.

W opisie patentowym US6163097 przedstawiona jest konstrukcja która zawiera większość omawianych powyżej rozwiązań. Niemniej jednak należy zwrócić uwagę na pewne problemy:

A. W patencie tym tarcze zawierają magnesy trwałe jako magnesy pierścieniowe monolityczne namagnesowane naprzemiennie wielobiegunowo co stanowi problem technologiczny oraz zmniejsza selektywność czy wręcz zaburza rozkład pola magnetycznego pomiędzy poszczególnymi biegunami magnetycznymi w kolejnych tarczach wirnika.

B. W patencie tym tarcze zawierają magnesy trwałe jako magnesy pierścieniowe monolityczne namagnesowane naprzemiennie wielobiegunowo co obniża wytrzymałość tarcz na rozerwanie w trakcie ruchu obrotowego. Autor nie przewiduje żadnego wzmocnienia konstrukcji tarczy np. poprzez zastosowanie zewnętrznego pierścienia wykonanego np. z włókna szklanego, który przyczyniłby się do zwiększenia maksymalnej prędkości obrotowej wirnika.

C. W patencie tym przedstawiono pakiety uzwojenia jako układy pierścieniowe zbudowane z blach, prętów czy profili miedzianych o bardzo niskiej rezystancji. Układ taki jest bardzo niewygodny przy montażu urządzenia. Wymaga on aby kolejno zakładać tarczę wirnika i pierścień uzwojeń statora itd. Ponad to bardzo niska rezystancja uzwojeń statora oraz wiele biegunów magnetycznych na tarczach wirnika wymuszają wysoką częstotliwość zmian zasilania uzwojeń. Efekt naskórkowości który wystąpi w zastosowanych przez autora uzwojeniach zmniejszy sprawność układu i doprowadzi do obniżenia mocy urządzenia. Celowe jest w tego typu urządzeniach użycie uzwojeń wykonanych z przewodów wielożyłowych tzw. licy miedzianej. Wiele żył np. 200 o bardzo małej średnicy poniżej 0,4 mm powoduje wyeliminowanie efektu naskórkowości i równomierne przepływanie prądu w całej powierzchni przekroju przewodu uzwojenia.

W opisie patentowym US5619087 przedstawiona jest konstrukcja, która również zawiera większość omawianych wcześniej rozwiązań. Niemniej jednak należy zwrócić uwagę na pewne problemy:

A. W patencie tym tarcze zawierają naprzemiennie bieguny magnetyczne złożone z magnesów trwałych gdzie każdy taki biegun zbudowany jest z wielu magnesów o stosunkowo małych rozmiarach pomiędzy którymi nie ma kontaktu a magnesy te mają celowo różną wartość indukcji pola magnetycznego. Zabieg ten ma na celu zmniejszenie wibracji w czasie pracy oraz poprawę wytrzymałości przy zwiększonej prędkości obrotowej. Zmniejsza to jednak pole przekroju czynnego bieguna magnetycznego. Silnik taki może generować ograniczony moment napędowy co ogranicza jego użyteczność.

B. W patencie tym tarcze zawierają naprzemiennie bieguny magnetyczne złożone z magnesów trwałych a linie sił pola magnetycznego „zamykają się” w statycznych pierścieniach wykonanych z blachy magnetycznie miękkiej zamocowanych w płytach czołowych (łożyskowych) silnika. Jest to niekorzystne rozwiązanie ponieważ ciągłe przemagnesowywanie materiału pierścieni zamykających obwód magnetyczny obniża sprawność całego układu.

Celem wynalazku jest skonstruowanie maszyny elektrycznej charakteryzującej się minimalnymi stratami energii w czasie pracy.

Maszyna elektryczna składająca się ze stojana zawierającego płyty łożyskowe, osłonę zewnętrzną oraz uzwojenia przewodzące prąd elektryczny związane materiałem kompozytowym i ukształtowane w postaci segmentów uzwojenia stanowiących wycinek pierścienia o rozpiętości kątowej będącej częścią kąta pełnego, przy czym całkowita wielokrotność tej części daje kąt pełny, tzn. np. 180 stopni, 120 stopni, 90 stopni itd. i wirnika zawierającego wał z przymocowanymi tarczami zawierającymi odseparowane od siebie bieguny magnetyczne, charakteryzuje się tym, że segmenty wsunięte są pomiędzy tarcze zewnętrzne i tarcze wewnętrzne wirnika wykonane z niemagnetycznego kompozytu odpowiednio wzmocnionego włóknami o wytrzymałości większej od 1 GPa, w których osadzone są bieguny magnetyczne namagnesowane w kierunku osiowym tarcz wewnętrznych, składające się z co najmniej jednego magnesu trwałego. Bieguny te są odseparowane od siebie przerwą, którą jest materiał kompozytowy niemagnetyczny konstrukcji tarcz zewnętrznej i wewnętrznej. Ponadto każda tarcza zewnętrzna i tarcza wewnętrzna posiadają na obwodzie pierścień wzmacniający zewnętrzny wykonany z niemagnetycznego materiału kompozytowego wzmacnianego włóknami o wytrzymałości powyżej

PL 233 865 B1

GPa, powstały poprzez nawinięcie włókien z żywicą na powierzchnię walcową tarczy, przy czym tarcze zewnętrzne (pierwsza i ostatnia tarcza) wirnika posiadają pierścień zamykający obwód magnetyczny wykonany z materiału ferromagnetycznego.

Pierścień wzmacniający wzmacnia tarcze mechanicznie aby nie uległy rozerwaniu w wyniku działania sił odśrodkowych. Bieguny magnetyczne mogą ale nie muszą mieć kształt prostopadłościenny, tzn. w płaszczyźnie tarczy kształt prostokąta. Bieguny mogą mieć także kształt trapezu przy czym krótsza podstawa trapezu znajduje się od strony osi tarczy bądź też kształt wycinka pierścienia. Istotne jest aby bieguny zajmowały stosunkowo duże pole powierzchni tarczy przy jednoczesnym zapewnieniu odpowiedniej grubości mostków pomiędzy biegunami co ma znaczący wpływ na wytrzymałość tarczy przy dużych prędkościach obrotowych gdyż mostki te łączą wewnętrzną część tarczy z zewnętrznym pierścieniem wzmacniającym tarczę.

Maszyna korzystnie zawiera czujnik pomiaru kąta obrotu wału składający się z zamocowanej na stałe na wale maszyny tarczy kodowej czujnika położenia kątowego wirnika, obracającej się razem z tarczami maszyny i elementów światłoczułych lub czujników pola magnetycznego współpracujących z tarczą kodową czujnika, przymocowanych na stałe do stojanu silnika.

Ponadto korzystnie niemagnetycznym kompozytem wzmocnionym włóknami o wytrzymałości większej od 1 GPa jest kompozyt na bazie żywic epoksydowych.

Korzystnie czujnik pomiaru kąta obrotu wału ma większą rozdzielczość niż liczba biegunów magnetycznych na pojedynczej tarczy.

Korzystnie tarcze wirnika posiadają otwory doprowadzające powietrze chłodzące wykonane prostopadle do powierzchni tarczy pomiędzy obszarem z biegunami magnetycznymi a wałem wirnika oraz szczeliny doprowadzające powietrze chłodzące do uzwojeń pozwalające przedostawać się powietrzu z wyżej wymienionych otworów do przestrzeni pomiędzy tarczami w której znajdują się segmenty uzwojeń silnika chłodząc je w czasie pracy.

Korzystnie segmenty uzwojenia połączone są w pakiety uzwojenia wypełniające przestrzenie pomiędzy wieloma tarczami.

Korzystnie obudowa posiada w tylnej płycie łożyskowej dwa złącza na przewody pneumatyczne przez które dostarczane i odbierane jest z zewnątrz powietrze chłodzące wewnętrzne elementy maszyny.

Przedmiot wynalazku został zilustrowany na rysunku, na których Fig. 1 przedstawia przekrój główny maszyny, Fig. 1a przedstawia przekrój główny maszyny z otworami do zewnętrznego chłodzenia powietrzem, Fig. 2 przedstawia przekrój wirnika, Fig. 3 przedstawia tarczę zewnętrzną i jej przekrój wzdłuż linii A-A, Fig. 4 przedstawia tarczę wewnętrzną, Fig. 5 przedstawia pakiet segmentów uzwojeń, Fig. 6 przedstawia segment uzwojenia, Fig. 7 przedstawia pojedynczą fazę uzwojenia, Fig. 8 przedstawia różne kształty biegunów magnetycznych wykonanych z pojedynczego magnesu.

P r z y k ł a d 1

Maszyna elektryczna o średnicy zewnętrznej równej 228 mm i długości 246 mm składająca się ze stojana zawierającego osłonę boczną 3, przednią płytę łożyskową 1 z osadzonym łożyskiem przednim 4 wału 7, tylną płytę łożyskową 2 z osadzonym łożyskiem tylnym 5 wału 7 oraz uzwojenia przewodzące prąd elektryczny związane kompozytem szklano-epoksydowym i ukształtowane w postaci segmentów uzwojenia 20 o grubości 4 mm stanowiących wycinek pierścienia o rozpiętości 120 stopni. W segmentach związane są kompozytem epoksydowym 24 trzy fazy uzwojenia: faza A 21, faza B 22 i faza C 23 wykonane z wielożyłowej licy miedzianej 60 x 0,1 mm. 45 segmentów uzwojenia 20 podzielone jest na trzy pakiety segmentów uzwojeń 6 po 15 segmentów na każdy pakiet w ramie pakietu segmentów uzwojeń 19. Pakiety te wsunięte są pomiędzy tarcze wirnika. Wirnik składa się z wału 7 oraz dwóch tarcz zewnętrznych 8 i czternastu tarcz wewnętrznych 9 wykonanych z kompozytu szklanoepoksydowego o grubości 6 mm stanowiącego korpus tarczy zewnętrznej 16 i korpus tarczy wewnętrznej 18, w których osadzone są 24 bieguny magnetyczne 15 namagnesowane w kierunku osiowym tarcz wewnętrznych 9, składające się jednego prostopadłościennego magnesu neodymowego 27 o wymiarach 30 mm x 10 mm x 6 mm każdy, namagnesowanego wzdłuż wymiaru 6 mm, materiał magnetyczny N42. Tarcze zewnętrzne 8 o średnicy zewnętrznej 183 mm oraz tarcze wewnętrzne 9 wzmocnione są pierścieniami wzmacniającymi zewnętrznymi 13 i 17 odpowiednio, wykonanymi z kompozytu szklanoepoksydowego powstałego poprzez nawinięcie włókien szklanych z żywicą na powierzchnię walcową tarcz przy czym tarcze zewnętrzne 8 (pierwsza i ostatnia tarcza) wirnika posiada dodatkowo pierścień zamykający obwód magnetyczny 14 wykonany ze stali magnetycznie miękkiej. Wszystkie tarcze wirnika posiadające bieguny magnetyczne zabezpieczone są kształtowo przed obrotem względem wału 7

PL 233 865 B1 a osiowo utrzymywane są na swojej pozycji poprzez powierzchnię oporową na wale 7 z jednej strony i nakrętkę 11 mocowania tarcz wirnika z drugiej strony. Zarówno tarcze zewnętrzne 8 jak i tarcze wewnętrzne 9 posiadają w swej budowie otwory 25 doprowadzające powietrze chłodzące o średnicy 10 mm przez które w czasie pracy powietrze przedostaje się do szczelin 26 doprowadzających powietrze chłodzące do uzwojeń i pod wpływem siły odśrodkowej tłoczone jest w przestrzeń wokół segmentów uzwojeń 20. Czujnik pomiaru kąta obrotu wału 7 składa się z zamocowanej na stałe na wale maszyny tarczy kodowej 12 i sensorów światłoczułych 10 współpracujących z tarczą kodową 12 czujnika, przymocowanych na stałe do stojanu silnika i posiada rozdzielczość 360 impulsów na jeden obrót wału 7.

Maszyna zasilana z zewnętrznego sterownika pracując w trybie silnikowym osiągnęła przy napięciu zasilającym równym 400 V moc 101.72 kW mocy mechanicznej. Prąd wynosił 256 A i przy prędkości obrotowej równej 21080 obr/min osiągnięto moment napędowy równy 46,08 Nm. Sprawność maszyny w tym trybie pracy wyniosła 99,34% ± 0,05%.

W trybie pracy prądnicowej maszyna przy bardzo podobnych prędkościach obrotowych i momencie napędzającym przy mocy 100 kW osiągnęła sprawność przetwarzania energii mechanicznej w elektryczną 99,42% ± 0,05%. Wyniki osiągnięte w prototypie potwierdzają słuszność zastosowania rozwiązań opisywanych powyżej. Bardzo niewielkie straty na poziomie 0,6% pozwoliły aby powstała maszyna elektryczna o dużej mocy i niewielkich rozmiarach co było także celem do osiągnięcia.

P r z y k ł a d 2

Maszyna elektryczna jak w przykładzie 1 wykonana została z wykorzystaniem biegunów magnetycznych 15 jako pojedyncze magnesy neodymowe o kształcie trapezu 28 przy czym krótsza podstawa trapezu znajduje się od strony osi tarczy. Wymiary każdego magnesu 28 wynosiły odpowiednio: dłuższa podstawa trapezu 12 mm, krótsza podstawa trapezu 8 mm, wysokość trapezu 30 mm, grubość bieguna 6 mm i wzdłuż tego wymiaru namagnesowany był biegun, materiał magnetyczny N42. Powyżej opisane bieguny magnetyczne 15 zastosowane były zarówno w czternastu tarczach wewnętrznych 9 jak i w dwóch tarczach zewnętrznych 8.

Maszyna zasilana jak poprzednio z zewnętrznego sterownika pracując w trybie silnikowym osiągnęła przy napięciu zasilającym równym 400 V moc 101,85 kW mocy mechanicznej. Prąd wynosił 256 A i przy prędkości obrotowej równej 21020 obr/min osiągnięto moment napędowy równy 46,27 Nm. Sprawność maszyny w tym trybie pracy wyniosła 99,46% ± 0,05%.

W trybie pracy prądnicowej maszyna przy bardzo podobnych prędkościach obrotowych i momencie napędzającym przy mocy 100 kW osiągnęła sprawność przetwarzania energii mechanicznej w elektryczną 99,53% ± 0,05%. Wyższa sprawność potwierdza pozytywny wpływ zmiany kształtu biegunów magnetycznych 15 na działanie maszyny.

P r z y k ł a d 3

Maszyna elektryczna jak w przykładzie 1 wykonana została z wykorzystaniem biegunów magnetycznych 15 jako pojedyncze magnesy neodymowe o kształcie wycinka pierścienia 29 przy czym mniejszy promień pierścienia znajduje się od strony osi tarczy. Wymiary każdego magnesu 29 wynosiły odpowiednio: zewnętrzny promień 83 mm, wewnętrzny promień 53 mm, rozpiętość kątowa wycinka pierścienia 9°, grubość bieguna 6 mm i wzdłuż tego wymiaru namagnesowany był biegun, materiał magnetyczny N42. Powyżej opisane bieguny magnetyczne 15 zastosowane były zarówno w czternastu tarczach wewnętrznych 9 jak i w dwóch tarczach zewnętrznych 8.

Maszyna zasilana jak poprzednio z zewnętrznego sterownika pracując w trybie silnikowym osiągnęła przy napięciu zasilającym równym 400 V moc 101,91 kW mocy mechanicznej. Prąd wynosił 256 A i przy prędkości obrotowej równej 19930 obr/min osiągnięto moment napędowy równy 48, Nm. Sprawność maszyny w tym trybie pracy wyniosła 99,52% ± 0,05%.

W trybie pracy prądnicowej maszyna przy bardzo podobnych prędkościach obrotowych i momencie napędzającym przy mocy 100 kW osiągnęła sprawność przetwarzania energii mechanicznej w elektryczną 99,57% ± 0,05%. Jak w przykładzie 2 wyższa sprawność potwierdza pozytywny wpływ zmiany kształtu biegunów magnetycznych 15 na działanie maszyny.

P r z y k ł a d 4

Maszyna elektryczna jak w przykładzie 3 wykonana została z dodatkowymi otworami 30 i 31 w tylnej płycie łożyskowej 2. W czasie pracy maszyny przy mocy 100 kW zmierzono temperaturę wewnątrz maszyny o 12°C niższą niż w przykładzie 3. Temperatura z 68°C obniżyła się do 56°C przy zasilaniu powietrzem o temperaturze 25°C i wydatku równym 30 litrów na minutę. Obniżona temperatura wewnątrz maszyny pozwala w przyszłości na dalsze zwiększanie mocy mechanicznej na wale.

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Maszyna elektryczna składająca się ze stojana zawierającego płyty łożyskowe, osłonę zewnętrzną oraz uzwojenia przewodzące prąd elektryczny związane materiałem kompozytowym i ukształtowane w postaci segmentów uzwojenia stanowiących wycinek pierścienia o rozpiętości kątowej będącej częścią kąta pełnego, przy czym całkowita wielokrotność tej części daje kąt pełny, tzn. np. 180 stopni, 120 stopni, 90 stopni itd. i wirnika zawierającego wał z przymocowanymi tarczami zawierającymi odseparowane od siebie bieguny magnetyczne, znamienna tym, że segmenty (20) wsunięte są pomiędzy tarcze zewnętrzne (8) i tarcze wewnętrzne (9) wirnika wykonane z niemagnetycznego kompozytu (16) i (18) odpowiednio wzmocnionego włóknami o wytrzymałości większej od 1 GPa, w których osadzone są bieguny magnetyczne (15) namagnesowane w kierunku osiowym tarcz wewnętrznych (9), składające się z co najmniej jednego magnesu trwałego a bieguny te są odseparowane od siebie przerwą, którą jest materiał kompozytowy niemagnetyczny (16) i (18) konstrukcji tarcz zewnętrznej i wewnętrznej (8) i (9) odpowiednio a ponadto każda tarcza zewnętrzna (8) i tarcza wewnętrzna (9) posiadają na obwodzie pierścień wzmacniający zewnętrzny (13) i (17) odpowiednio wykonany z niemagnetycznego materiału kompozytowego wzmacnianego włóknami o wytrzymałości powyżej 1 GPa, powstały poprzez nawinięcie włókien z żywicą na powierzchnię walcową tarczy, przy czym tarcze zewnętrzne (8) (pierwsza i ostatnia tarcza) wirnika posiadają pierścień zamykający obwód magnetyczny (14) wykonany z materiału ferromagnetycznego.
2. 2. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera czujnik pomiaru kąta obrotu wału składający się z zamocowanej na stałe na wale maszyny tarczy kodowej (12), obracającej się razem z wałem (7) maszyny i elementów światłoczułych lub czujników pola magnetycznego (10) współpracujących z tarczą kodową (12) czujnika, przymocowanych na stałe do stojanu silnika.
3. 3. Maszyna według zastrz. 2, znamienna tym, że czujnik pomiaru kąta obrotu wału ma większą rozdzielczość niż liczba biegunów magnetycznych (15) na pojedynczej tarczy wirnika (8) lub (9).
4. 4. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że niemagnetycznym kompozytem wzmocnionym włóknami o wytrzymałości większej od 1 GPa jest kompozyt na bazie żywic epoksydowych.
5. 5. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że tarcze (8) i (9) wirnika posiadają otwory (25) wykonane prostopadle do powierzchni tarczy pomiędzy obszarem z biegunami magnetycznymi (15) a wałem (7) wirnika oraz szczeliny bądź otwory doprowadzające powietrze chłodzące do uzwojeń (26) z wyżej wymienionych otworów (25).
6. 6. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że segmenty uzwojenia (20) połączone są w pakiety segmentów uzwojeń (6) wypełniające przestrzenie pomiędzy wieloma tarczami (8) i (9) wirnika.
7. 7. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że uzwojenia wykonane są z przewodu typu lica wielożyłowa.
8. 8. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że bieguny magnetyczne (15) mają wymiar w kierunku promieniowym większy niż w kierunku prostopadłym do promieniowego w płaszczyźnie tarczy.
9. 9. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że magnesy stałe wykorzystane do utworzenia bieguna magnetycznego (15) tarczy (8) lub (9) zawierają neodym.
10. 10. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że bieguny magnetyczne (15) mają kształt w płaszczyźnie tarczy (8) i (9) prostokątny.
11. 11. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że bieguny magnetyczne (15) mają kształt w płaszczyźnie tarczy (8) i (9) trapezu równoramiennego gdzie krótsza podstawa trapezu jest skierowana w stronę osi tarczy.
12. 12. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że bieguny magnetyczne (15) mają kształt w płaszczyźnie tarczy (8) i (9) wycinka pierścienia.
13. 13. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że posiada w tylnej płycie łożyskowej (2) dwa złącza (30) i (31) na przewody pneumatyczne przez które dostarczane i odbierane jest z zewnątrz powietrze chłodzące wewnętrzne elementy maszyny.