PL239128B1 - Prądnica synchroniczna ze wzbudzeniem hybrydowym - Google Patents

Abstract

Prądnica synchroniczna ze wzbudzeniem hybrydowym z wirnikiem cylindrycznym ma magnesy trwałe (2) zamocowane w rynienkach na powierzchni jarzma (1) wirnika, a uzwojenie (5) wzbudzenia jest umieszczone w żłobkach (3) pod magnesami trwałymi (2). Na wirniku, korzystnie w środku pod każdym magnesem trwałym (2), jest żłobek (3) w którym jest umieszczony bok cewki uzwojenia (5) wzbudzenia. Na wirniku, korzystnie pod obydwoma końcówkami każdego magnesu trwałego (2), jest żłobek (3) w którym jest umieszczony bok cewki uzwojenie (5) wzbudzenia.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest prądnica synchroniczna ze wzbudzeniem hybrydowym, z wirnikiem cylindrycznym, przeznaczona do elektrowni wiatrowych i małych elektrowni wodnych.

Wzbudzenie hybrydowe prądnic synchronicznych jest połączeniem wzbudzenia magnesami trwałymi i wzbudzenia elektromagnetycznego. Prądnice synchroniczne ze wzbudzeniem hybrydowym mają kilka rozwiązań obwodu magnetycznego. Są rozwiązania w których siła magnetomotoryczna magnesów trwałych i siła magnetomotoryczna uzwojenia wzbudzenia (smm) działają szeregowo i są rozwiązania w których wymienione smm działają równolegle. Rozwiązanie szeregowe wzbudzenia nie jest ekonomiczne, gdyż przenikalność względna magnesów trwałych wynosi w przybliżeniu 1,05 i magnesy trwałe o grubości kilku milimetrów dla wzbudzenia elektromagnetycznego mają dużą reluktancję i aby efektywnie dowzbudzać obwód magnetyczny lub go odwzbudzać konieczna jest duża wartość siły magnetomotorycznej uzwojenia wzbudzenia.

Znane jest szeregowo-równoległe wzbudzenie hybrydowe w którym magnesy trwałe są umieszczone na części każdego z biegunów wirnika, a uzwojenie wzbudzenia obejmuje cały biegun. W rozwiązaniu tym uzwojenia wzbudzenia ma objętość i masę taką jak w maszynie synchronicznej bez magnesów trwałych, a strumień magnetyczny generowany przez to uzwojenie jest proporcjonalny do powierzchni nabiegunnika nie objętego działaniem magnesu trwałego. Uzwojenie wzbudzenia bocznikuje magnesy trwałe i eliminuje ich efektywne działanie. Innym rozwiązaniem wzbudzenia szeregowo-równoległego jest maszyna synchroniczna jawnobiegunowa o parzystej liczbie par biegunów. Magnesy trwałe umieszczone są na co drugim biegunie i są jednakowo zorientowane względem szczeliny, a uzwojenie wzbudzenia jest cewką okrągłą umieszczoną koncentrycznie na wale tuż przy jarzmie. Mogą to być także dwie cewki umieszczone z dwóch stron wału. Siła magnetomotoryczna wzbudzenia elektromagnetycznego działa unipolarnie w obwodzie magnetycznym maszyny. Jego zaletą jest nieruchome uzwojenie wzbudzenia. Jednak rozwiązanie to nie jest magnetycznie korzystne, gdyż magnesuje wał i jarzmo stojana stałym strumieniem magnetycznym oraz wzbudza niesymetryczny rozkład pola magnetycznego pod biegunami. Rozwiązanie to nie wzbudziło zainteresowania producentów maszyn elektrycznych.

Znany jest z opisu PL 207551 generator elektryczny synchroniczny ze wzbudzeniem hybrydowym równoległym w którym wirnik jest podzielony wzdłużnie na dwie części: część dłuższą z zabudowanymi magnesami trwałymi i część krótszą wzbudzaną elektromagnetycznie. Drugim tego typu rozwiązaniem to podzielenie wirnika na trzy części. Części skrajne dłuższe są z magnesami trwałymi, a na części środkowej jest osadzone uzwojenie wzbudzenia. Zaletą tych rozwiązań jest prosta technologia, obydwie części wirnika wykonuje się niezależnie, a następnie montuje się je na wspólnym wale. Rozwiązania te są preferowane do maszyn dwubiegunowych.

Znana jest także, z opisu zgłoszenia patentowego P.430452 prądnica synchroniczna jawnobiegunowa ze wzbudzeniem hybrydowym. Prądnica synchroniczna ma liczbę par biegunów (p = Ppm + Pei), gdzie Ppm jest liczbą par biegunów wzbudzanych magnesami trwałymi, a Pei liczbą par biegunów ze wzbudzeniem elektromagnetycznym. Uzwojenie twornika ma p = ( Ppm + Pei ) par biegunów. Rozłożenie biegunów (2 Pei ) ze wzbudzeniem elektromagnetycznym na obwodzie wirnika musi być równomierne i symetryczne. Rozwiązanie to jest przeznaczone do maszyn synchronicznych wolnoobrotowych o dużej liczbie par biegunów.

Znana jest opisu EP 3 373 426 A1 prądnica jawnobiegunowa w której magnesy trwałe są umieszczone między nabiegunnikami i są namagnesowane obwodowo. Linie pola magnetycznego wzbudzanego przez magnesy trwałe zamykają się w obwodzie magnetycznym samego wirnika. Strumień magnetycznym wzbudzany przez magnesy trwałe wstępnie nasyca nabiegunniki, pieńki biegunów i jarzmo wirnika. Strumień ten nie przenika do jarzma twornika i nie indukuje napięcia w uzwojeniu twornika. Prądnica w 100% jest wzbudzana przez uzwojenie wzbudzenia, które jest umieszczone na pieńkach biegunów. Korzyść z takiego usytuowania magnesów trwałych jest następująca: charakterystyka magnesowania żelaza B = f(H), w okolicach punktu H « 0 jest nieliniowa, a przewodność magnetyczna względna μ ma małą wartość, wstępne namagnesowanie linearyzuje charakterystykę magnesowania B = f( H) i zwiększa wartość μ. W opisie patentowym nie jest wymieniony rodzaj magnesów trwałych, lecz na rysunkach zaznaczono biegunowość magnesów trwałych. Magnesy trwałe są magnesowane wzdłuż największego wymiaru, takie magnesowanie jest charakterystyczne dla magnesów AlNiCo. W prądnicach synchronicznych wzbudzanych magnesami trwałymi i dodatkowym uzwojeniem wzbudzenia, magnesów AlNiCo nie stosuje się.

PL 239 128 B1

Celem wynalazku jest maszyna synchroniczna z wirnikiem cylindrycznym i ze wzbudzeniem hybrydowym, gdyż zaletą prądnic synchronicznych z wirnikiem cylindrycznym jest mniejszy poziom hałasu generowanego przez wirnik niż w prądnicach jawnobiegunowych.

Według wynalazku prądnica synchroniczna ze wzbudzeniem hybrydowym z wirnikiem cylindrycznym ma magnesy trwałe zamocowane w rynienkach na powierzchni jarzma wirnika, a uzwojenie wzbudzenia jest umieszczone w żłobkach pod magnesami trwałymi. Na wirniku, korzystnie w środku, pod każdym magnesem trwałym jest żłobek w którym jest umieszczony bok cewki uzwojenia wzbudzenia. Na wirniku, korzystnie pod obydwoma końcówkami każdego magnesu trwałego, jest żłobek w którym jest umieszczony bok cewki uzwojenie wzbudzenia.

Przedmiot wynalazku jest zilustrowany przykładem rozwiązania na rysunkach na których przedstawiono: fig. 1 przekrój poprzeczny wirnika o liczbie par biegunów p = 3 i z magnesami trwałymi zamocowanymi w rynienkach i jednym żłobkiem w środku każdego bieguna i fig. 2 przekrój poprzeczny wirnika o liczbie par biegunów p = 3 i z magnesami trwałymi zamocowanymi w rynienkach i dwoma żłobkami umieszczonymi pod końcami każdego magnesu.

Prądnica synchroniczna ze wzbudzeniem hybrydowym z wirnikiem cylindrycznym ma magnesy trwałe 2 zamocowane w rynienkach na powierzchni jarzma 1 wirnika, a uzwojenie 5 wzbudzenia jest umieszczone w żłobkach 3 pod magnesami trwałymi 2. Na wirniku, korzystnie w środku pod każdym magnesem trwałym 2 - w osi „d”, jest żłobek 3 w którym jest umieszczony bok cewki uzwojenia 5 wzbudzenia. Jeden bok cewki uzwojenia 5 wzbudzenia leży pod biegunem N, a drugi bok cewki uzwojenia 5 wzbudzenia leży pod biegunem S, jak to pokazano na rysunku fig. 1. To rozwiązanie jest korzystne w wirnikach długich o małej liczbie par biegunów p < 3, gdy długość boku cewki leżąca w żłobku jest większa od długości czół ceki uzwojenia 5. Wariantem także korzystnym jest gdy pod obydwoma końcówkami każdego magnesu trwałego 2, jest żłobek 3 w którym jest umieszczony bok cewki uzwojenie 5 wzbudzenia. To rozwiązanie jest korzystne w wirnikach o liczbie par biegunów p > 3, gdy długość czół cewki jest mniejsza od długości boku ceki uzwojenia 5 leżącego w żłobku 3, jak to pokazano na rysunku fig. 2. Wirnik według tych rozwiązań ma wzbudzenie hybrydowe: magnesami trwałymi i elektromagnetyczne. Strumień magnetyczny wzbudzany przez uzwojenie 5 zamyka się przez zęby 4 między magnesami trwałymi 2. Powierzchnia obwodowa magnesów trwałych 2 obejmuje 80% ^ 90% powierzchni obwodowej wirnika, zapewnia do zakres regulacji napięcia maszyny synchronicznej ±(20 ^10)%.

Wymienione rozwiązania są korzystne, gdyż pozwalają minimalizować masę miedzi w uzwojeniu 5 wzbudzenia. Mniejsza masa miedzi to mniejszy koszt wykonania wirnika i mniejsze straty mocy w uzwojeniu 5 w czasie pracy maszyny. Wirnik cylindryczny ma powierzchnię obwodową gładką. W czasie wirowania wirnika powietrze obmywające wirnik nie ma zawirowań. Wirnik nie generuje szumów wentylacyjnych, pracuje cicho.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Prądnica synchroniczna ze wzbudzeniem hybrydowym z wirnikiem cylindrycznym znamienna tym, że magnesy trwałe (2) są zamocowane w rynienkach na powierzchni jarzma (1) wirnika, a uzwojenie (5) wzbudzenia jest umieszczone w żłobkach (3) pod magnesami trwałymi (2).
2. 2. Prądnica według zastrz. 1, znamienna tym, że pod każdym magnesem trwałym (2) korzystnie w środku, jest żłobek (3) w którym jest umieszczony bok cewki uzwojenia (5) wzbudzenia.
3. 3. Prądnica według zastrz. 1, znamienna tym, że pod obydwoma końcówkami każdego magnesu trwałego (2) korzystnie jest żłobek (3) w którym jest umieszczony bok cewki uzwojenie (5) wzbudzenia.