PL239127B1 - Silnik synchroniczny wzbudzany magnesami trwałymi z rozruchem asynchronicznym - Google Patents

Abstract

Silnik synchroniczny wzbudzany magnesami trwałymi z rozruchem asynchronicznym ma magnesy trwałe (3) umieszczone w gniazdach na obwodzie zewnętrznym jarzma wirnika (4). Między magnesami (3) różnej biegunowości są zęby jarzma wirnika (4). Uzwojenie (2) rozruchowe jest umieszczone w żłobkach pod magnesami trwałymi (3). Magnesy trwałe (3) każdego bieguna korzystnie składają się z n segmentów rozłożonych na łuku obwodowym jarzma wirnika (4), a każdy z segmentów jest umieszczony we własnym gnieździe, przy czym między segmentami są zęby jarzma wirnika (4). Uzwojenie wirnika (2) korzystnie jest m fazowe pierścieniowe. Uzwojenie wirnika (2) jest klatkowe.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest silnik synchroniczny z magnesami trwałymi z rozruchem asynchronicznym, który pracuje przy zasilaniu napięciem z sieci elektroenergetycznej o stałej wartości i stałej częstotliwości.

Znane są silniki asynchroniczne synchronizowane, tzw. SASy, są to silniki indukcyjne pierścieniowe. Rozruch silników odbywa się przy pomocy rezystorów rozruchowych włączanych w obwód uzwojenia wirnika poprzez pierścienie ślizgowe i szczotki. Prąd rozruchowy zwykle nie przekracza dwukrotnej wartości prądu znamionowego, przy czym moment rozruchowy jest znacząco większy od momentu znamionowego. Po rozruchu uzwojenie wirnika jest zasilane prądem stałym i silnik się samoczynnie synchronizuje, a po synchronizacji pracuje jako silnik synchroniczny. Zaletą tych silników, w stosunku do silników indukcyjnych pierścieniowych realizujących to samo zadanie, jest wyższa sprawność i cosφ pojemnościowy. Silniki te są stosowane w napędach dużej mocy i są zasilane bezpośrednio z sieci elektroenergetycznej napięcie 6 kV lub 10 kV. Niedogodnością tego rozwiązania jest układ wzbudzenia, straty mocy w obwodzie wzbudzenia obniżają sprawność układu napędowego, ponadto pierścienie wymagają okresowego przeglądu i czyszczenia, a szczotki ścierają się i należy je wymieniać.

Znane jest rozwiązanie silnika synchronicznego z magnesami trwałymi z rozruchem asynchronicznym (Patent RP nr 218489, opubl. 31.12.2014 r.) według którego wirnik silnika ma zarówno magnesy trwałe jak i uzwojenie klatkowe. Magnesy trwałe są umieszczone w szczelinach w środku jarzma wirnika, a uzwojenie klatkowe składa się z prętów miedzianych nieizolowanych umieszczonych w żłobkach na obwodzie zewnętrznym wirnika zwartych pierścieniami na czołach. Uzwojenie klatkowe służy do rozruchu asynchronicznego silnika. Gdy wirnik w czasie rozruchu osiągnie prędkość obrotową podsynchroniczną, to strumień magnetyczny magnesów trwałych samoczynnie synchronizuje go i silnik pracuje jako synchroniczny, jednak w czasie rozruchu moment elektromagnetyczny asynchroniczny, generowany przez uzwojenie klatkowe, przy prędkościach od zera do około połowy prędkości znamionowej (0 < n « 0,5nN), jest znacząco mniejszy od momentu znamionowego silnika, przy czym prąd rozruchowy jest od 5 do 7 razy większy od prądu znamionowego. W czasie pierwszego półokresu po załączeniu napięcia występuje prąd udarowy i moment udarowy, które przy niekorzystnej chwili załączenia napięcia, są znacznie większe. Ponadto w klatce wirnika wydziela się ciepło równe w przybliżeniu energii kinetycznej wszystkich mas wirujących sprzęgniętych z wałem silnika. Ciepło to powoduje wzrost temperatury klatki wirnika i zagraża rozmagnesowaniu termicznemu magnesów trwałych. Rozmagnesowanie następuje już w temperaturze (120°-150°C) i oczywiście wyższej.

Podobne rozwiązanie wirnika przedstawiono w opisie: US 2017/0264179 A1 silnika pompy głębinowej. Wirnik silnika ma magnesy trwałe i uzwojenie klatkowe. W uzwojeniu klatkowym liczba żłobków może być dowolna, pręty uzwojenia umieszczone w żłobkach nie są izolowane i są zwarte na czołach pierścieniami. Pompa głębinowa wraz z silnikiem jest wpuszczana do rury o stosunkowo małej średnicy. Moment bezwładności wirnika jest mały, rozruch silnika trwa co najwyżej kilka sekund.

Silniki z uzwojeniem klatkowym mogą być stosowane do napędu urządzeń mechanicznych i maszyn roboczych o krótkich czasach rozruchu, np. do napędu pomp, w których moment bezwładności jest mały, a moment obciążenia jest kwadratową funkcją prędkości obrotowej. Jednak wiele maszyn roboczych ma duży moment rozruchowy, niejednokrotnie większy od momentu znamionowego, przykładem są: taśmociągi z załadowaną taśmą, zasypane młyny węglowe w elektrowniach i elektrociepłowniach i w zakładach wzbogacania rud miedzi. Urządzenia mechaniczne i maszyny robocze o dużym momencie bezwładności charakteryzują się długimi czasami rozruchu, są to np. duże wentylatory przewietrzania kopalń, wentylatory wydmuchu spalin w elektrowniach i elektrociepłowniach i inne. Do napędu wymienionych urządzeń mechanicznych i maszyn roboczych nie można zastosować silnika z wirnikiem z magnesami trwałymi i uzwojeniem klatkowym. Problem rozruchu rozwiązuje uzwojenie rozruchowe pierścieniowe znane z opisu PL 226639 (ogłoszono 31.08.2017 r.). W rozwiązaniu tym magnesy trwałe są umieszczone w szczelinach w jarzmie wirnika, a uzwojenie jest umieszczone w żłobkach na obwodzie wirnika. Uzwojenie jest trójfazowe wykonane z drutu miedzianego izolowanego i jest połączone w gwiazdę bądź w trójkąt, a końce faz są dołączone do trzech pierścieni ślizgowych umieszczonych na wale wirnika.

Przy pracy synchronicznej, silniki wykonane według wymienionych patentów, są dużej mocy i pracują przy zasilaniu napięciem bezpośrednio z sieci elektroenergetycznej np. 6 kV lub 10 kV i mają, w stosunku do silników indukcyjnych realizujących to samo zadanie, większą sprawność energetyczną

PL 239 127 B1 i współczynnik mocy cosę « 1, lecz ich przeciążalność momentem przy pracy synchronicznej jest mała i mają tendencję wypadania z synchronizmu. Celem wynalazku jest zwiększyć przeciążalność momentem silników przy pracy synchronicznej i zachowaniu uzwojenia rozruchowego pierścieniowego.

Według wynalazku silnik synchroniczny wzbudzany magnesami trwałymi z rozruchem asynchronicznym ma magnesy trwałe umieszczone w gniazdach na obwodzie zewnętrznym jarzma wirnika. Między magnesami różnej biegunowości są zęby jarzma wirnika. Uzwojenie rozruchowe m fazowe pierścieniowe jest umieszczone w żłobkach pod magnesami trwałymi. Magnesy trwale każdego bieguna korzystnie składają się z n segmentów rozłożonych na łuku obwodowym jarzma wirnika, a każdy z segmentów jest umieszczony we własnym gni eździe, przy czym między segmentami są zęby jarzma wirnika.

Przedmiot wynalazku jest zilustrowany przykładem rozwiązania na rysunkach przedstawiających: fig. 1 schemat ogólny silnika, fig. 2 wycinek dwubiegunowy jarzma wirnika z magnesami trwałymi niedzielonymi (n = 1) i trzema żłobkami, fig. 3 wycinek dwubiegunowy jarzma wirnika z magnesami trwałymi niedzielonymi (n =1) i dwoma żłobkami, fig. 4 wycinek dwubiegunowy jarzma wirnika z magnesami trwałymi podzielonymi na dwa segmenty (n = 2) i jednym żłobku pod każdym segmentem oraz fig. 5 wycinek dwubiegunowy jarzma wirnika z magnesami trwałymi podzielonymi na trzy segmenty (n = 3) i jednym żłobku pod każdym segmentem.

Silnik synchroniczny wzbudzany magnesami trwałymi z rozruchem asynchronicznym jest zilustrowany na rysunku fig. 1. Silnik ma magnesy trwałe 3 umieszczone w gniazdach na obwodzie zewnętrznym jarzma wirnika 4. Między magnesami 3 różnej biegunowości są zęby jarzma wirnika 4. Uzwojenie 2 rozruchowe m fazowe pierścieniowe jest umieszczone w żłobkach 6 pod magnesami trwałymi 3. Wzajemne usytuowanie magnesów trwałych 3 i uzwojenia jest pokazane na rysunkach fig. 2 do fig. 5. Na rysunku fig. 2 pokazano wycinek 5 dwubiegunowy jarzma wirnika 4 z magnesami trwałymi 3 niedzielonymi (n = 1). Magnesy trwałe 3 są umieszczone w gniazdach. Pod każdym magnesem 3 są trzy żłobki 6. W żłobkach 6 pod magnesami 3 korzystnie jest umieścić uzwojenie trójfazowe (m = 3). W jednym żłobku 6 umieszczony jest bok uzwojenia 2 jednej fazy. Jest to uzwojenie 2 pierścieniowe trójfazowe. Końcówki uzwojenia 2 są wyprowadzone na trzy pierścienie ślizgowe 8. Pierścienie 8 są osadzone na tulei izolacyjnej 9, która jest umieszczona na wale 7 silnika, jak to pokazano na rysunku fig. 1. Uzwojenie pierścieniowe 2 jest korzystne, gdyż rozruch silnika jest łagodny, wykonuje się go rezystorami rozruchowymi włączanymi poprzez szczotki i pierścienie 8, identycznie jak w silnikach indukcyjnych pierścieniowych. Po rozruchu szczotki są podnoszone. W silnikach stosowanych do napędów maszyn roboczych o krótkim czasie rozruchu uzwojenie może być klatkowe. Na rysunku fig. 3 przedstawiono wycinek 5 dwubiegunowy jarzma wirnika 4 z magnesami trwałymi 3 niedzielonymi (n = 1). Magnesy trwałe 3 są umieszczone w gniazdach. Między biegunami magnesów są zęby jarzma wirnika 4. Pod każdym magnesem 3 są dwa żłobki. W żłobkach 6 pod magnesami 3 korzystnie jest umieścić uzwojenie dwufazowe {m = 2). W jednym żłobku 6 jest umieszczony bok uzwojenia jednej fazy. Jest to uzwojenie 2 dwufazowe pierścieniowe. Końcówki uzwojenia 2 są wówczas wyprowadzone na dwa pierścienie ślizgowe 8. Dla silników przeznaczonych do napędów maszyn roboczych o krótkim czasie rozruchu w żłobkach 6 można umieścić uzwojenie klatkowe. Na rysunku fig. 4 przedstawiono wycinek 5 dwubiegunowy jarzma wirnika 4 z magnesami trwałymi 3 podzielonymi na łuku obwodu jarzma na dwa segmenty (n = 2). Każdy z segmentów jest umieszczony we własnym gnieździe. Pod każdym segmentem jest żłobek 6. Między segmentami magnesów trwałych 3 o tej samej biegunowości jest ząb jarzma wirnika 4. W żłobkach 6 pod magnesami 3 korzystnie jest umieścić uzwojenie dwufazowe (m = 2). W jednym żłobku 6 znajduje się bok uzwojenia 2 jednej fazy. Końcówki uzwojenia 2 należy połączyć z pierścieniami ślizgowymi. Jest to uzwojenie 2 dwufazowe pierścieniowe. Zamiast uzwojenia pierścieniowego może być wykonane uzwojenie klatkowe. Na rysunku fig. 5 przedstawiono wycinek 5 dwubiegunowy jarzma wirnika 4 z magnesem trwałym 3 podzielonym na łuku obwodu jarzma na trzy segmenty (n = 3). Każdy z segmentów jest umieszczony we własnym gnieździe. Pod każdym z tych segmentów jest żłobek 6. Między segmentami magnesów trwałych 3 o tej samej biegunowości jest ząb jarzma wirnika 4. W żłobkach 6 pod magnesami 3 korzystnie jest umieścić uzwojenie 2 trójfazowe (m = 3). W jednym żłobku 6 jest umieszczony bok uzwojenia 2 jednej fazy. Końcówki uzwojenia należy połączyć z trzema pierścieniami ślizgowymi, jak na rysunku fig. 1. Jest to uzwojenie 2 trójfazowe pierścieniowe. Zamiast uzwojenia 2 pierścieniowego może być wykonane także uzwojenie klatkowe.

Silnik synchroniczny wzbudzany magnesami trwałymi 3 umieszczone na zewnętrznym obwodzie wirnika ma mała szczelinę powietrzną między stojanem i wirnikiem. Szczelina powietrzna jest determinowana wyłącznie względami mechanicznymi. Wirnik w czasie rozruchu i pracy synchronicznej

PL 239 127 B1 nie może ocierać się o stojan. W czasie rozruchu moment asynchroniczny determinują prądy w uzwojeniu stojana 1 i uzwojeniu wirnika 2, które można regulować rezystorami włączanymi w obwód uzwojenia wirnika 2 poprzez pierścienie ślizgowe 8. Charakterystyka asynchroniczna w funkcji prędkości obrotowej jest kształtowana przez rezystancję rezystorów, którą można tak zmieniać aby prąd rozruchowy nie przekraczał wartości dopuszczalnej w danym punkcie przyłączenia silnika do sieci elektroenergetycznej. Rozruch taki można stosować do silników o długim czasie rozruchu. Przy prędkości podsynchronicznej następuje samosynchronizacja wirnika strumieniem magnetycznym magnesów trwałych 3. Po synchronizacji silnik pracuje jak silnik synchroniczny. Uzwojenie wirnika 2 zostaje zwarte i pełni funkcję uzwojenia tłumiącego kołysania wirnika. Przy pracy synchronicznej moment maksymalny silnika jest proporcjonalny do strumienia wzbudzenia. Strumień wzbudzenia, przy magnesach na powierzchni wirnika i małej szczelinie, jest większy niż przy magnesach umieszczonych w jarzmie wirnika. Większa jest zatem przeciążalność momentem silnika przy pracy synchronicznej.

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. Silnik synchroniczny wzbudzany magnesami trwałymi z rozruchem asynchronicznym z uzwojeniem rozruchowym umieszczonym na wirniku w żłobkach, znamienny tym, że magnesy trwale (3) są umieszczone w gniazdach jarzma na obwodzie zewnętrznym wirnika (4), przy czym między magnesami (3) różnej biegunowości są zęby jarzma wirnika (4), a pod magnesami trwałymi (3) są żłobki (6) w których jest umieszczone uzwojenie (2) m fazowe pierścieniowe.

2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że magnesy trwałe (3) każdego bieguna korzystnie składają się z n segmentów rozłożonych na łuku obwodowym jarzma wirnika (4), a każdy z segmentów jest umieszczony we własnym gnieździe, przy czym między segmentami są zęby jarzma wirnika (4).