PL226450B1 - Silnik z magnesami trwałymi o zwiększonym momencie elektromagnetycznym - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest silnik z magnesami trwałymi, montowanymi na powierzchni ferromagnetycznego jarzma, o zwiększonym momencie elektromagnetycznym

Maszyny elektryczne mogą być konstruowane z wirnikiem wewnętrznym lub zewnętrznym. W maszynach wzbudzanych magnesami trwałymi wirnik składa się ferromagnetycznego jarzma oraz magnesów trwałych zamontowanych na powierzchni, bądź wewnątrz jarzma. Jarzmo ferromagnetyczne wirnika, na którym magnesy trwałe są montowane na powierzchni, ma kształt litego walca, bądź rury i standardowo wykonane jest ze stali. Na wirnikach wewnętrznych magnesy trwałe są mocowane na powierzchni zewnętrznej jarzma. Na wirnikach zewnętrznych magnesy trwałe są mocowane na powierzchni wewnętrznej jarzma. Magnesy trwałe mocowane są do powierzchni rdzenia ferromagnetycznego zwykle klejem. Przestrzeń pomiędzy sąsiadującymi magnesami trwałymi może być pusta (powietrzna), może też być wykorzystana do dodatkowego zabezpieczenia magnesów trwałych przed zerwaniem, np. klinami przykręconymi do jarzma. Jeśli przestrzeń między magnesami trwałymi jest powietrzna, bądź też kliny są niemagnetyczne, to silnik elektryczny generuje moment elektromagnetyczny tylko od współdziałania pola elektromagnetycznego stojana z polem magnetycznym magnesów trwałych. Rozwiązanie to nie pozwala na wytworzenie maksymalnej chwilowej wartości momentu elektromagnetycznego z danej objętości obwodu elektromagnetycznego maszyny, np. podczas rozruchu silnika.

Znany jest również wirnik z magnesami trwałymi montowanymi na powierzchni cylindrycznego jarzma ferromagnetycznego, w którym cała przestrzeń pomiędzy sąsiadującymi magnesami, do wysokości magnesu, wypełniona jest materiałem ferromagnetycznym o dużej przenikalności magnetycznej względnej. Są to kliny ferromagnetyczne, bądź zęby uformowane wraz z jarzmem, wówczas magnesy trwałe są zamontowane w żłobkach otwartych. W tej konstrukcji moment elektromagnetyczny ma dwie składowe. Jedną składową generuje współdziałanie pola elektromagnetycznego stojana z polem magnetycznym magnesów trwałych, drugą składową jest składowa reluktancyjna, będąca reakcją oddziaływania pola elektromagnetycznego stojana z ferromagnetycznymi zębami, bądź klinami znajdującymi się w przestrzeni pomiędzy sąsiadującymi magnesami trwałymi. Jednak w rozwiązaniu tym, część strumienia magnetycznego magnesów trwałych zamyka się poprzez ferromagnetyczne zęby, bądź kliny i nie przechodzi przez szczelinę powietrzną do stojana, zatem nie uczestniczy w wytarzaniu momentu elektromagnetycznego. Rozwiązanie to, przy przepływie prądu stojana, wytwarza moment reluktancyjny, lecz obniża moment od pola magnetycznego magnesów trwałych, nie jest zatem rozwiązaniem optymalnym.

Znane jest z patentu nr US 2002/02 135 253 A1 rozwiązanie silnika z magnesami trwałymi, w którym między sąsiednimi magnesami trwałymi są umieszczone zęby ferromagnetyczne. Zęby i jarzmo tworzą jeden monolit. Magnesy trwałe są umieszczone na powierzchni, we wyfrezowanych w jarzmie korytach o głębokości równej grubości magnesów trwałych, przy czym łuk magnesów trwałych jest mniejszy od łyku koryta. Średnice zewnętrzne magnesów trwałych i zębów pokrywają się, lecz między magnesami trwałymi a zębami są odstępy powietrzne. Silnik z takim wirnikiem ma zwiększony moment elektromagnetyczny, lecz ma także cechy negatywne. Wykonanie wirnika jest stosunkowo drogie, gdyż jarzmo, przed obróbką, ma średnicę zębów i wymaga wyfrezowania koryt pod magnesy trwałe. Powierzchnia wirnika z odstępami powietrznymi, między magnesami trwałymi i zębami, podwyższa głośność pracy silnika.

Przedmiotem wynalazku jest silnik z magnesami trwałymi o zwiększonym momencie elektromagnetycznym. Magnesy trwałe są przymocowane na powierzchni ferromagnetycznego jarzma cylindrycznego, na którym między sąsiadującymi magnesami trwałymi są umieszczone, z odstępami, ferromagnetyczne zęby o wysokości równej wysokości magnesów trwałych. Zęby są wykonane z materiału o przenikalności magnetycznej względnej μ_- > 100 i są mocowane do jarzma śrubami lub na jaskółczy ogon. Odstępy między magnesami trwałymi i zębami są wypełnione klinami, o przenikalności magnetycznej względnej μ- < 10, przykręconymi do jarzma śrubami lub na jaskółczy ogon.

Zwiększenie momentu elektromagnetycznego w silniku uzyskuje się poprzez optymalne wykorzystanie przestrzeni między magnesami trwałymi. Optymalizacja polega na uzyskaniu możliwie dużej różnicy w reluktancji obwodu magnetycznego w osi między magnesami trwałymi (oś q) w stosunku do

-eluktancji obwodu magnetycznego w osi magnesów trwałych (oś d), przy jednoczesnej minimalizacji strumienia magnetycznego rozproszenia magnesów trwałych. Uzyskuje się to poprzez wstawienie, między magnesami trwałymi, zębów ferromagnetycznych μ- > 100, przy czym zęby leżą w środku

PL 226 450 B1 między magnesami trwałymi, lecz nie mogą przylegać do magnesów trwałych, mają od nich odstęp wypełniony klinem o przenikalności magnetycznej względnej p_r < 10. Maksymalny stosunek wymienionych wyżej reluktancji zależy od szerokości zęba ferromagnetycznego. Optymalna szerokość zębów ferromagnetycznych A_m jest funkcją liczby par biegunów p, podziałki biegunowej τ_ρ, kąta magnesu a_m oraz szczeliny powietrznej δ pomiędzy pakietem blach stojana i magnesami trwałymi:

Λ ^am\ ^π '^D ) \ ^{1 1} τ_ρ ) '2 p ² ' ^Ap

A_p ε (0, 5δ -?2δ) gdzie:

D - średnica powierzchni jarzma, na której są mocowane magnesy trwale,

A_m - szerokość ferromagnetycznego zęba na średnicy D,

Ap - szerokość odstępu niemagnetycznego na średnicy D,

Am - kąt magnesu trwałego, τ_ρ - kąt podziałki biegunowej, δ - wielkość szczeliny powietrznej pomiędzy stojanem a magnesami trwałymi.

Przedmiot wynalazku jest zilustrowany na rysunkach, na których przedstawiono: fig. 1 - podziałkę biegunową silnika z wirnikiem wewnętrznym, fig. 2 - podziałkę biegunową silnika z wirnikiem zewnętrznym, fig. 3 - biegun silnika z magnesami mocowanymi na powierzchni zewnętrznej jarzma, fig. 4 - biegun silnika z magnesami mocowanymi na powierzchni wewnętrznej jarzma, fig. 5 - ząb ferromagnetyczny przykręcony śrubami do jarzma, fig. 6 - ząb ferromagnetyczny i klin nie magnetyczny połączony z jarzmem na jaskółcze ogony i fig. 7 - ząb ferromagnetyczny i klin nie magnetyczny przykręcone do jarzma śrubami.

Silnik z magnesami trwałymi 3 montowanymi na powierzchni wirnika, o zwiększonym momencie elektromagnetycznym, ma magnesy trwałe 3 o kącie a_m mniejszym od kąta podziałki biegunowej τ_ρ. Magnesy trwałe 3 są zamocowane na ferromagnetycznym, cylindrycznym jarzmie 1, a między sąsiadującymi magnesami trwałymi 3 są umieszczone zęby 6 ferromagnetyczne o wysokości równej wysokości magnesów trwałych 3, przy czym pomiędzy magnesami trwałymi 3 a ferromagnetycznymi zębami 6 są odstępy 5.1 powietrzne, w których kliny 5.2 nie magnetyczne o przenikalności magnetycznej względnej p_r < 10, przykręcone do jarzma 1 śrubami lub na jaskółczy ogon. Zęby 6 są wykonane z materiału o przenikalności magnetycznej względnej p_r > 100 i są mocowane do jarzma 1 śrubami lub na jaskółczy ogon. Optymalna szerokość zęba 6 ferromagnetycznego Am jest funkcją liczby par biegunów p, kąta podziałki biegunowej τ_ρ, kąta magnesu a_m oraz szczeliny δ powietrznej 4 pomiędzy stojanem i wirnikiem. Magnesy trwałe 3 są mocowane do powierzchni jarzma wirnika 1 przy pomocy kleju.

Korzystnie jest, jeśli magnesy trwałe 3 mają końcówki skośne, jak na rysunkach fig. 6 i fig. 7, a kliny 5.2 przylegają do nich. Kliny 5.2 mogą być wykonane ze stali nie magnetycznej, mosiądzu lub włókna szklanego. Kliny 5.2 zabezpieczają dodatkowo magnesy trwałe 3 przed zerwaniem w przypadku pracy silnika ze zwiększoną prędkością obrotową.

Silnik, według przedstawionego rozwiązania wirnika charakteryzuje się większym momentem elektromagnetycznym. Uzyskuje się to poprzez wypełnieniu przestrzeni, między sąsiadującymi magnesami trwałymi 3, zębami 6 ferromagnetycznym i klinami 5.2 nie magnetycznymi. Rozwiązanie to umożliwia uzyskanie wyższych wartości momentu elektromagnetycznego silnika, przy tych samych wartościach prądu fazowego w stosunku do rozwiązań znanych, co jest ważne w napędach o dużych wahaniach momentu obciążenia.

Claims (1)

1. Silnik z magnesami trwałymi o zwiększonym momencie elektromagnetycznym i magnesami trwałymi montowanymi na powierzchni ferromagnetycznego jarzma cylindrycznego, przy czym między sąsiadującymi magnesami trwałymi są umieszczone, z odstępami, zęby ferromagnetyczne o wysokości równej wysokości magnesów trwałych, znamienny tym, że zęby (6) są wykonane z materiału o przenikalności magnetycznej względnej p_r > 100 i są mo4

PL 226 450 B1 cowane do jarzma (1) śrubami lub na jaskółczy ogon, a odstępy (5.1) pomiędzy magnesami trwałymi (3) a ferromagnetycznymi zębami (6) są wypełnione klinami (5.2), o przenikalności magnetycznej względnej p_r < 10, przykręconymi do jarzma (1) śrubami lub na jaskółczy ogon.