16_Struktury_maszyn_z_magnesami_trwalymi.pdf

WYKŁAD 16

STRUKTURY MASZYN

Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

16.1. Topologia budowy przetworników elektromechanicznych.

Wymiana energii w przetworniku z magnesami trwałymi zachodzi poprzez interakcję pól

magnetycznych wytworzonych przez magnesy oraz wielofazowe uzwojenie wiodące prąd

przemienny. W maszynach starszego typu magnesy były montowane na stojanie, a

wielocewkowe uzwojenie wirnika zasilano napięciem stałym za pośrednictwem komutatora.

Ze względu na prostotę technologiczną i niskie koszty wytwarzania to rozwiązanie nadal

często jest spotykane, na przykład w mikromaszynach napędzających sprzęt AGD oraz

elektronarzędzia. Złą stroną takiego rozwiązania jest obecność szczotek w obwodzie

zasilającym i związane z tym kłopoty w eksploatacji. Wady tej są pozbawione maszyny, w

których magnesy są umiejscowione na części ruchomej, a uzwojenie stojana, najczęściej

trójfazowe, jest zasilane z sieci prądu przemiennego; zazwyczaj za pośrednictwem

przekształtnika. Dla serwomechanizmów o ograniczonym zakresie przemieszczeń jest

możliwe zasilanie także części ruchomej, bez pośrednictwa szczotek.

Formalnym wyróżnikiem poszczególnych konstrukcji przetworników jest położenie

wektora przemieszczenia, czy też prędkości pola magnetycznego względem powierzchni

utworzonej przez zamknięte linie strumienia. Jeżeli wektor ten jest styczny do tej

powierzchni, to mówimy o przetwornikach z polem podłużnym, natomiast gdy jest

prostopadły, to takie obiekty określa się jako przetworniki z polem poprzecznym. Przykłady

podstawowych konstrukcji z polem podłużnym pokazano na rys 16.1.

Topologie przedstawione na rys.16.1.b, c posiadają istotną wadę, jaką jest niezrównoważona

magnetyczna siła przyciągająca obydwie części przetwornika. Siła ta jest znaczna - przeciętna

wartość naprężeń magnetycznych w szczelinie jest rzędu 0.4 MPa i musi być skompensowana

reakcją mechaniczną w punktach podparcia części ruchomej, co niepotrzebnie powiększa

koszty konstrukcji o łożyska dobrane z odpowiednią nośnością. Dlatego też, przetworniki

zarówno liniowe jak i obrotowe o strumieniu osiowym, nazywane też tarczowymi, są

przeważnie wykonywane w wariancie dwustronnym, gdzie część ruchoma (najczęściej z

magnesami trwałymi) jest symetrycznie umocowana względem uzwojonej części

nieruchomej. Istnieje również możliwość wykonania osiowo symetrycznego przetwornika

liniowego o skompensowanej sile przyciągającej. Mówimy wówczas o przetworniku z biegnikiem

tubowym, w którym wektor namagnesowania ma kierunek radialny. Również w maszynie o

strumieniu radialnym można wykonać dwustronny wirnik, co prowadzi do lepszego

wykorzystania objętości maszyny. Rozwiązanie to jest jednak wyraźnie droższe oraz

wymagające bardziej zaawansowanej technologii produkcji i dlatego też rzadko się je

spotyka. Wymienione konstrukcje przedstawiono schematycznie na rys.16.2.





Rys.16.1. Geometria obwodu magnetycznego wraz z przestrzennym położeniem linii strumienia w przetwornikach

elektromechanicznych z polem podłużnym

a. elektromagnes,

b. przetwornik liniowy,

c. przetwornik obrotowy o strumieniu radialnym,

d. przetwornik obrotowy o strumieniu osiowym.

Przy rozwiązaniach podwójnych należy jeszcze zwrócić uwagę na możliwość wykonania

przetwornika o tzw. strumieniu skrośnym, w którym pole magnetyczne w części wewnętrznej

ma praktycznie tylko jedną składową. Konstrukcja ta jest stosowana zarówno w przetwornikach

o ruchu liniowym jak i obrotowym, często w wersji bez elementów ferromagnetycznych w

części wewnętrznej. W przypadku kiedy część wewnętrzna jest uzwojona, to rozwiązanie

takie zapewnia praktycznie niezmienną w czasie siłę, bądź moment elektromagnetyczny

pozbawionych składnika reluktancyjnego . Dodatkową zaletą maszyn tego typu jest relatywnie

niewielka masa bądź moment bezwładności dla przetworników obrotowych, co może mieć

znaczenie dla serwonapędów, w których jest istotne opóźnienie z jakim napęd reaguje na

sygnał sterujący.



Rys.16.2. Geometria obwodu magnetycznego wraz z przestrzennym położeniem linii strumienia w przetwornikach

elektromechanicznych z polem podłużnym o skompensowanych siłach magnetycznych.

a. przetwornik liniowy o strumieniu skrośnym,

b. przetwornik liniowy tubowy,

c. przetwornik obrotowy o strumieniu osiowym,

d. przetwornik obrotowy o strumieniu osiowym skrośnym.

Wśród teoretycznie możliwych do wykonania przetworników z polem poprzecznym

zastosowanie praktyczne znalazł jedynie silnik liniowy o strumieniu skrośnym. Jego wersja z

magnesami trwałymi i uzwojeniu skupionym jest pokazana na rys.16.3.

Niezależnie od zalet poszczególnych typów maszyn elektrycznych o ich zastosowaniu

decyduje rachunek ekonomiczny – jeżeli w danym urządzeniu jest możliwe zastosowanie

różnych wariantów konstrukcji przetwornika, to zazwyczaj wybierany jest ten, który ma

niższe koszty produkcji i eksploatacji. I tak pozyskiwanie ruchu liniowego na dużych

odległościach jest zdecydowanie tańsze poprzez zamianę ruchu obrotowego na liniowy za

pośrednictwem tarcia niż inwestowanie w kosztowny tor, którego większość jest w danej chwili

czasowej niewykorzystana. Dlatego też silniki liniowe są konstruowane dla względnie

krótkich torów, zwłaszcza tam, gdzie dodatkowo jest wymagane precyzyjne pozycjonowanie

napędu. Z kolei maszyny o wirniku tarczowym mają istotną wadę, jaką jest pracochłonny

proces wykonywania żłobków w zblachowanym rdzeniu. Dlatego też są stosowane tam, gdzie

istotną rolę odgrywa minimalizacja rozmiaru maszyny wzdłuż jej osi obrotu – na przykład w

piastach kół niewielkich pojazdów. Można więc dokonać pewnego uogólnienia –

przetworniki o strumieniu radialnym są wykorzystywane wszędzie tam, gdzie konstrukcyjne

ograniczenia na to pozwalają, są bowiem w zdecydowanej większości najtańszym

rozwiązaniem.

16.2. Obwody magnetyczne maszyn z magnesami trwałymi.

Stojany w maszynach synchronicznych o strumieniu radialnym mają taką samą strukturę,

niezależnie od rodzaju wzbudzenia, a także rozmiarów maszyny. Składają się z pakietów

użłobkowanych blach elektrotechnicznych, które mogą być w większych jednostkach

oddzielone kanałami wentylacji radialnej (rys.16.3). Sam gabaryt, kształt żłobka czy

proporcje wymiarów zębów i jarzma zależą oczywiście od mocy oraz liczby par biegunów w

maszynie.

a. b.

Rys.16.3. Widok (bez zachowania skali) wykrojów blach stojana dla

a. maszyny o mocy 200 kW, 2p=4,średnica zewnętrzna 510 mm

b. maszyny o mocy 1.2 kW,2p=12, średnica zewnętrzna 120 mm.

Różnice konstrukcyjne występują w usytuowaniu magnesów trwałych w wirniku.

Popularnym rozwiązaniem w maszynach małej mocy są tzw. magnesy powierzchniowe – w

postaci pliku pasków lub wycinków pierścienia umocowanych za pomocą taśm

termokurczliwych na powierzchni walcowej wirnika tak wyprofilowanej, aby było możliwe

uzyskanie przestrzennego rozkładu indukcji bliskiego sinusoidalnemu. Alternatywnym

sposobem jest zastosowanie magnesów utajonych w odpowiednio wyciętych otworach w

blachach pakietu wirnika. Wariant ten jest nieco lepszy z punktu widzenia własności

elektromagnetycznych, zapewnia bowiem większą różnicę pomiędzy przewodnościami

magnetycznymi w osiach d i q maszyny, dając tym samym dodatkowy moment reluktancyjny.

Rozwiązanie to jest jednocześnie droższe w wykonawstwie, wymaga bowiem wysokiej klasy

oprzyrządowania technologicznego, pozwalającego na precyzyjne wycięcie kształtu blachy.

Grubość przesmyku magnetycznego pomiędzy sąsiadującymi biegunami powinna być

z jednej strony jak najmniejsza, aby minimalizować strumień rozproszenia własnego

magnesu. Z drugiej jednak strony obszar ten zapewnia odpowiednią sztywność pakietu blach

wirnika i dlatego też jego wymiar w kierunku promieniowym jest kompromisem pomiędzy

własnościami magnetycznymi, wytrzymałościowymi oraz możliwościami technologicznymi.

a. b.

Rys.16.4. Typowe kształty wykrojów wirników czterobiegunowej maszyny

a. z magnesami powierzchniowymi,

b. z magnesami utajonymi.

Często spotykanym rozwiązaniem w silnikach o ułamkowej mocy i znacznej liczbie

biegunów jest wykonanie tzw. koncentratorów strumienia magnetycznego. Polega to na

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: