Zgryźliwość kojarzy mi się z radością, która źle skończyła.
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
1
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.
v
v
a.
b.
c.
d.
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
2
znaczenie dla serwonapędów, w których jest istotne opóźnienie z jakim napęd reaguje na
sygnał sterujący.
v
a.
b.
c.
d.
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
3
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.
4
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
5
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl hannaeva.xlx.pl
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
1
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.
v
v
a.
b.
c.
d.
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
2
znaczenie dla serwonapędów, w których jest istotne opóźnienie z jakim napęd reaguje na
sygnał sterujący.
v
a.
b.
c.
d.
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
3
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.
4
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
5