PL226575B1 - Wirnik maszyny elektrycznej o wzbudzeniu hybrydowym - Google Patents

Abstract

Wirnik maszyny elektrycznej o wzbudzeniu hybrydowym, zawierający wał, tuleję rdzenia i dwa rdzenie wirnika, charakteryzuje się tym, każdy rdzeń wirnika (1, 2) ma wewnętrzny osiowy otwór (3) stopniowany tak, że jego średnica zwiększa się w kierunku środka maszyny, a tuleja wirnika (4) posiada, odpowiednio do wewnętrznej powierzchni stopniowanej wirnika fazowane zewnętrzne krawędzie, które stopniowo zwiększają jej średnicę zewnętrzną w kierunku środka maszyny. Kształty rdzeni wirnika (1, 2) i tulei wirnika (4) odpowiadają sobie tak, że tuleja wirnika (4) może być osadzona wewnątrz rdzeni wirnika (1, 2). Korzystnie każdy z rdzeni wirnika (1, 2) ma na obwodzie rozmieszczone równomiernie bieguny zagłębione (5, 6) na przemian z biegunami wydatnymi (7, 8), a w każdym obszarze bieguna zagłębionego ma co najmniej trzy przelotowe otwory: pierwszy otwór styczny do okręgu, którego środek jest w osi wirnika, a drugi i trzeci otwór rozmieszczone są wzdłuż promienia tego okręgu, pomiędzy pierwszym otworem, a biegunem zagłębionym (5, 6), przy czym w co najmniej jednym z trzech otworów znajdują się magnesy trwałe. Korzystnie wał wirnika składa się z trzech części: środkowej wykonanej z materiału o dużej przenikalności magnetycznej, i dwóch zewnętrznych wykonanych z materiału o małej przenikalności magnetycznej, przy czym części w miejscach ich łączenia mają kształt stożka o wierzchołku skierowanym do środka części.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wirnik maszyny elektrycznej o wzbudzeniu hybrydowym umożliwiający sposób kształtowania obwodu magnetycznego w celu uzyskania szerokiego zakresu regulacji napięcia indukowanego, a w konsekwencji znacznego zwiększenia maksymalnej prędkości obrotowej wirnika.

Obecne rozwiązania wykorzystujące silniki z magnesami trwałymi (MT) charakteryzują się wysoką sprawnością i dobrym stosunkiem masy/objętości do momentu/mocy, dlatego chętnie wykorzystywane są w napędach samochodowych. Posiadają one jednak wadę, która związana jest z brakiem możliwości regulacji pola wzbudzenia od MT. W kontekście zastosowania takich maszyn w napędach trakcyjnych/samochodowych, fakt ten jest szczególnie istotny, gdyż możliwość pracy napędu przy dużych prędkościach obrotowych i stałym napięciu zasilania ściśle związana jest ze skutecznością osłabiania wzbudzenia maszyny. Przy dużych prędkościach obrotowych silnika, napięcie indukowane na zaciskach maszyny osiąga wartości, które uniemożliwiają właściwe zasilanie i sterowanie maszyny, przy ograniczonym napięciu zasilania. Konwencjonalne sposoby rozwiązania problemu odwzbudzania pola magnetycznego silnika z MT sprowadzają się do odpowiedniego sterowania maszyny prądem stojana w osi podłużnej, co komplikuje układ sterowania i wprowadza konieczność przewymiarowania przekształtników energoelektronicznych, obniżając tym sprawność całego układu napędowego. Innymi sposobami, jako rozwiązania alternatywne problemu odwzbudzania pola maszyny znanymi w literaturze, są propozycje konstrukcji wysokoobrotowych maszyn z MT o wzbudzaniu hybrydowym, które umożliwiają regulację wzbudzenia sterowanego prądem dodatkowych uzwojeń maszyny.

W artykule: Canders W.-R., Tareilus G., Koch I., May H., New Design and Control Aspects for Electric Vehicle Drives, Proc. of EPE-PEMC 2010, Ohrid, Macedonia, autorzy przedstawili m.in. konstrukcję oraz wyniki badań maszyny elektrycznej z wirnikiem z magnesami trwałymi oraz dodatkową nieruchomą cewką regulującą strumień wzbudzenia, która znajduje się w obszarze wirnika. Podobnego rozwiązania dotyczy publikacja: May H., Meins J., Canders W.-R., Palka R., New permanent magnet excited synchronous machine with extended, stator fixed auxiliary excitation coil, Proc. of ISEF 2009, Arras, France, w którym przedstawiono wyniki badań wykonanego modelu eksperymentalnego maszyny hybrydowej z cewką regulującą wzbudzenie zamontowaną w obszarze wirnika.

Publikacja: Tapia J. A., Leonardi F., Lipo T. A., Consequent-Pole Permanent-Magnet Machine with Extended Field-Weakening Capability, IEEE Transactions on Industry Applications, 39, 2003, 1704-1709, pokazuje konstrukcję maszyny hybrydowej, jednak cewka regulacyjna znajduje się w obszarze stojana, co znacznie upraszcza budowę maszyny. Podobne rozwiązania technicznie przedstawione jest w artykule P. Paplicki, M. Wardach, M. Bonisławski, and R. Pałka, Simulation and experimental results of hybrid electric machine with a novel flux control strategy, Archives of Electrical Engineering, vol. 64, no. 1, pp. 37-51, 2015. Przedstawiono tam wyniki badań symulacyjnych i wstępnych eksperymentalnych maszyny hybrydowej, w której magnesy trwałe o przeciwnych biegunowościach umieszczone na wirniku znajdują się naprzeciw siebie na sąsiednich częściach wirnika, patrząc wzdłuż osi wału, natomiast między magnesami każdej z części wirnika znajdują się wydatne bieguny ferromagnetyczne.

W występujących w literaturze rozwiązaniach konstrukcyjnych maszyny elektrycznej z MT i dodatkową cewką regulującą wzbudzenie, MT umieszczone są powierzchniowo na wirniku, a sam rdzeń wirnika jest zbudowany z materiału o dużej przenikalności magnetycznej.

W niniejszym wynalazku proponuje się zastosowanie odpowiednich barier dla strumieni magnetycznych, czyli obszarów o małej przenikalności magnetycznej, w celu skutecznego odwzbudzania, a więc uzyskania szerokiego zakresu regulacji momentu/prędkości obrotowej maszyny.

Wirnik maszyny elektrycznej o wzbudzeniu hybrydowym, według wynalazku zawierający wał, tuleję rdzenia i dwa rdzenie wirnika, charakteryzuje się tym, że każdy rdzeń wirnika ma wewnętrzny osiowy otwór stopniowany tak, że jego średnica zwiększa się w kierunku środka maszyny, a tuleja wirnika posiada, odpowiednio do wewnętrznej powierzchni stopniowanej wirnika fazowane zewnętrzne krawędzie, które stopniowo zwiększają jej średnicę zewnętrzną w kierunku środka maszyny. Kształty rdzeni wirnika i tulei wirnika odpowiadają sobie tak, że tuleja wirnika może być osadzona wewnątrz rdzeni wirnika.

Wirnik może być wykonany także w ten sposób, że każdy z rdzeni wirnika ma na obwodzie rozmieszczone równomiernie bieguny zagłębione na przemian z biegunami wydatnymi. Ilość biegunów zagłębionych i biegunów wydatnych jest taka sama. W każdym obszarze bieguna zagłębionego

PL 226 575 B1 ma co najmniej trzy przelotowe otwory: pierwszy otwór styczny do okręgu, którego środek jest w osi wirnika, a drugi i trzeci otwór rozmieszczone są wzdłuż promienia tego okręgu, pomiędzy pierwszym otworem, a biegunem zagłębionym, przy czym w co najmniej jednym z trzech otworów znajdują się magnesy trwałe. Bieguny zagłębione pierwszego rdzenia wirnika są naprzeciwko biegunów zagłębionych drugiego rdzenia wirnika, zaś bieguny wydatne pierwszego rdzenia wirnika są naprzeciwko biegunów wydatnych drugiego rdzenia wirnika. W innej wersji wirnika bieguny zagłębione pierwszego rdzenia wirnika są naprzeciwko biegunów wydatnych drugiego rdzenia wirnika, zaś bieguny wydatne pierwszego rdzenia wirnika są naprzeciwko biegunów zagłębionych drugiego rdzenia wirnika. Korzystnie wał wirnika składa się z trzech części: środkowej wykonanej z materiału o dużej przenikalności magnetycznej, i dwóch zewnętrznych wykonanych z materiału o małej przenikalności magnetycznej, przy czym części w miejscach ich łączenia mają kształt stożka o wierzchołku skierowanym do środka części.

Dzięki temu, że otwory w rdzeniach silnika i tuleja wirnika są stopniowane i wzajemnie do siebie pasujące możliwe jest zmniejszenie strat w częściach czynnych maszyn. Zastosowane w rozwiązaniu bieguny zagłębione oraz otwory tworzą bariery magnetyczne dla strumienia wytwarzanego przez cewkę regulującą strumień wzbudzenia maszyny w postaci otwarcia obwodu magnetycznego. Barierę promieniową wewnętrzną tworzy pierwszy otwór, barierę promieniową zewnętrzną tworzą bieguny zagłębione oraz bariery równoległe do osi poprzecznej maszyny utworzone przez drugi i trzeci otwór. W barierach mogą być umieszczone magnesy. Dzięki takiej konstrukcji prąd w cewce regulującej strumień wzbudzenia maszyny w znikomym stopniu wpływa na strumień magnetyczny w obszarze biegunów zagłębionych, natomiast silnie oddziałuje w obszarze biegunów wydatnych powodując pożądany efekt dobrej regulacji strumienia maszyny. Istotne znaczenie, z punktu widzenia parametrów elektromagnetycznych maszyny, odgrywają mosty magnetyczne oddzielające wszystkie bariery magnetyczne, które powinny być możliwie najcieńsze przy spełnieniu wymagań wytrzymałościowych.

Rozwiązanie według wynalazku przedstawione jest w przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wirnik w widoku izometrycznym, fig. 2 przedstawia rdzenie i tuleję wirnika w widoku izometrycznym rozstrzelonym, fig. 3 przedstawia zestawione rdzenie i tuleję wirnika w przekroju podłużnym, fig. 4 przedstawia rdzeń wirnika w widoku z przodu z biegunami zagłębionymi i biegunami wydatnymi i z trzema otworami w każdym obszarze bieguna zagłębionego, z magnesem trwałym w obszarze nad biegunem zagłębionym, fig. 5 przedstawia ten sam rdzeń z magnesem trwałym w pierwszym otworze, fig. 6 przedstawia ten sam rdzeń wirnika z magnesem trwałym w obszarze nad biegunem zagłębionym i w pierwszym otworze, fig. 7 przedstawia ten sam rdzeń wirnika z magnesem trwałym w drugim i trzecim otworze, fig. 8 przedstawia ten sam rdzeń wirnika z magnesem trwałym w obszarze nad biegunem zagłębionym oraz drugim i trzecim otworze, fig. 9 przedstawia ten sam rdzeń wirnika z magnesem trwałym we wszystkich otworach, fig. 10 przedstawia ten sam rdzeń wirnika z magnesem trwałym w obszarze nad biegunem zagłębionym i we wszystkich otworach, fig. 11 przedstawia ten sam rdzeń wirnika, w którym w każdym obszarze bieguna zagłębionego jest pięć otworów z magnesami trwałymi, fig. 12 przedstawia ten sam rdzeń wirnika, w którym magnes trwały znajduje się w obszarze nad biegunem zagłębionym oraz w drugim, trzecim, czwartym i piątym otworze, fig. 13 przedstawia ten sam rdzeń, w którym magnes trwały znajduje się w obszarze nad biegunem zagłębionym oraz we wszystkich pięciu otworach, fig. 14 przedstawia wał wirnika w widoku izometrycznym rozstrzelonym, fig. 15 przedstawia przekrój podłużny wału wirnika.

P r z y k ł a d 1

Wirnik maszyny elektrycznej o wzbudzeniu hybrydowym, zawiera wał 15, tuleję 4 i dwa rdzenie wirnika 1 i 2. Każdy rdzeń wirnika 1, 2 ma wewnętrzny osiowy otwór 3 stopniowany tak, że jego średnica zwiększa się w kierunku środka maszyny. Tuleja wirnika 4 posiada, odpowiednio do wewnętrznej powierzchni stopniowanej wirnika fazowane zewnętrzne krawędzie, które stopniowo zwiększają jej średnicę zewnętrzną w kierunku środka maszyny. Kształty rdzeni wirnika 1, 2 i tulei wirnika 4 odpowiadają sobie tak, że tuleja wirnika 4 może być osadzona wewnątrz rdzeni wirnika 1, 2.

P r z y k ł a d 2

Wirnik jak w przykładzie 1, z tym, że każdy rdzeń wirnika 1, 2 ma na obwodzie rozmieszczone równomiernie bieguny zagłębione 5 na pierwszym rdzeniu wirnika 1 i bieguny zagłębione 6 na drugim rdzeniu wirnika 2, na przemian z biegunami wydatnymi odpowiednio 7 i 8. Ilość biegunów zagłębionych 5 i 6 i biegunów wydatnych 7 i 8 jest taka sama. W każdym obszarze bieguna zagłębionego są trzy przelotowe otwory pierwszy otwór 9 styczny do okręgu, którego środek jest w osi wirnika, a drugi otwór 10 i trzeci otwór 11 rozmieszczone są wzdłuż promienia tego okręgu, pomiędzy pierwszym

PL 226 575 B1 otworem 9 a biegunem zagłębionym 5, 6. Bieguny zagłębione 5 i 6 oraz otwory 9, 10, 11 tworzą bariery magnetyczne dla strumienia wytwarzanego przez cewkę regulującą strumień wzbudzenia maszyny w postaci otwarcia obwodu magnetycznego. Barierę promieniową wewnętrzną tworzy pierwszy otwór 9, barierą promieniową zewnętrzną tworzą bieguny zagłębione 5 i 6, a bariery równoległe do osi poprzecznej maszyny utworzone są przez drugi 10 i trzeci 11 otwór. Zastosowanie barier magnetycznych w postaci obszarów nad biegunami zagłębionymi 5 i 6 oraz otworów 9, 10 i 11 powoduje, że strumień magnetyczny wytwarzany przez cewkę regulującą strumień wzbudzenia kierowany jest głównie do biegunów wydatnych 7 i 8. Dzięki temu strumień magnetyczny w obszarze biegunów zagłębionych 5, 6 w niewielkim stopniu zależy od pola magnetycznego wytwarzanego od prądu cewki regulującej, natomiast w obszarze biegunów wydatnych 7 i 8 zależność ta jest bardzo silna, co wpływa na dobre właściwości regulacyjne maszyny. W otworach 9, 10, 11 znajdują się magnesy trwałe 12. Istotnymi elementami konstrukcji rdzeni wirnika 1, 2 są mosty magnetyczne 16, których grubość musi być na tyle duża, aby spełnić wymagania konstrukcyjne - wytrzymałościowe i na tyle mała, aby w obszarze mostów 16 materiał magnetyczny, z którego są wykonane rdzenie wirnika, był zawsze nasycony. Dzięki nasyceniu mostów magnetycznych 16 strumień rozproszenia jest minimalizowany.

P r z y k ł a d 3

Wirnik jak w przykładzie drugim, z tym, że w obszarze nad biegunami zagłębionymi 5 i 6 umieszczone są magnesy trwałe 12. Magnesy te wzbudzają maszynę elektryczną, a regulacja wzbudzenia maszyny dokonywana jest za pomocą prądu cewki regulującej strumień wzbudzenia.

P r z y k ł a d 4

Wirnik jak w przykładzie drugim, z tym, że magnes trwały 12 znajduje się tylko w pierwszym otworze 9.

P r z y k ł a d 5

Wirnik jak w przykładzie drugim, z tym, że w obszarze nad biegunami zagłębionymi 5 i 6 i w pierwszym otworze 9 umieszczone są magnesy trwałe 12. Umieszczenie magnesów zwiększa strumień wzbudzenia w maszynie, a regulacja wzbudzenia maszyny dokonywana jest za pomocą prądu cewki regulującej strumień wzbudzenia.

P r z y k ł a d 6

Wirnik jak w przykładzie drugim, z tym, że zamiast w obszarze nad biegunami zagłębionymi 5 i 6 i w pierwszym otworze 9, magnesy trwałe 12 umieszczone są w otworze drugim 10 i trzecim 11.

P r z y k ł a d 7

Wirnik jak w przykładzie drugim, z tym, że w obszarze nad biegunami zagłębionymi 5 i 6 oraz w drugim 10 i trzecim 11 otworze umieszczone są magnesy trwałe 12. Rozwiązanie to pozwala zwiększyć strumień w maszynie w stosunku do rozwiązań z przykładów szóstego i siódmego.

P r z y k ł a d 8

Wirnik jak w przykładzie drugim, z tym, że w pierwszym 9, drugim 10 i trzecim 11 otworze umieszczone są magnesy trwałe 12.

P r z y k ł a d 9

Wirnik jak w przykładzie drugim, z tym, że w obszarze nad biegunami zagłębionymi 5 i 6, w pierwszym otworze 9 oraz w drugim 10 i trzecim 11 umieszczone są magnesy trwałe 12. Rozwiązanie to pozwala zwiększyć strumień wzbudzenia w maszynie.

P r z y k ł a d 10

Wirnik jak w przykładzie drugim, z tym, że w każdym obszarze bieguna zagłębionego 5, 6 jest pięć otworów. Pierwszy 9, drugi 10 i trzeci 11 otwór rozmieszczone są jak opisano w przykładzie drugim, zaś czwarty otwór 14 i piąty otwór 15 są rozmieszczone ukośnie pomiędzy pierwszym 9, drugim 10 i trzecim 11 otworem. W obszarach zagłębionych 5, 6 oraz w otworach 9, 10, 11, 14 i 15 znajdują się magnesy trwałe 12. Rozwiązanie to pozwala zwiększyć strumień wzbudzenia maszyny.

P r z y k ł a d 11

Wirnik jak w przykładzie pierwszym, z tym, że wał 13 wirnika składa się z trzech części: środkowej 13a wykonanej z materiału o dużej przenikalności magnetycznej (np. stali konstrukcyjnej), i dwóch zewnętrznych 13b wykonanych z materiału o małej przenikalności magnetycznej (np. poliamidu), przy czym części 13a i 13b w miejscach ich łączenia mają kształt stożka o wierzchołku skierowanym do środka części 13a.

PL 226 575 B1

P r z y k ł a d 12

Wirnik jak w przykładzie drugim, z tym, że wał 13 wirnika składa się z trzech części: środkowej 15a wykonanej z materiału o dużej przenikalności magnetycznej (np. stali niskowęglowej), i dwóch zewnętrznych 13b wykonanych z materiału o małej przenikalności magnetycznej (np. stopu aluminium), przy czym części 13a i 13b w miejscach ich łączenia mają kształt stożka o wierzchołku skierowanym do środka części 13a.

Claims (5)

1. Wirnik maszyny elektrycznej o wzbudzeniu hybrydowym, zawierający wał, tuleję rdzenia i dwa rdzenie wirnika, znamienny tym, każdy rdzeń wirnika (1, 2) ma wewnętrzny osiowy otwór (3) stopniowany tak, że jego średnica zwiększa się w kierunku środka maszyny, a tuleja wirnika (4) posiada, odpowiednio do wewnętrznej powierzchni stopniowanej wirnika fazowane zewnętrzne krawędzie, które stopniowo zwiększają jej średnicę zewnętrzną w kierunku środka maszyny, przy czym kształty rdzeni wirnika (1, 2) i tulei wirnika (4) odpowiadają sobie tak, że tuleja wirnika (4) może być osadzona wewnątrz rdzeni wirnika (1, 2).

2. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy z rdzeni wirnika (1, 2) ma na obwodzie rozmieszczone równomiernie bieguny zagłębione (5, 6) na przemian z biegunami wydatnymi (7, 8), a w każdym obszarze bieguna zagłębionego ma co najmniej trzy przelotowe otwory: pierwszy otwór (9) styczny do okręgu, którego środek jest w osi wirnika, a drugi (10) i trzeci (11) otwór rozmieszczone są wzdłuż promienia tego okręgu, pomiędzy pierwszym otworem (9), a biegunem zagłębionym (5, 6), przy czym w co najmniej jednym z trzech otworów (9, 10, 11) znajdują się magnesy trwałe (12).

3. Wirnik według zastrz. 2, znamienny tym, że bieguny zagłębione (5) pierwszego rdzenia wirnika (1) są naprzeciwko biegunów zagłębionych (6) drugiego rdzenia wirnika (2), zaś bieguny wydatne (7) pierwszego rdzenia wirnika (1) są naprzeciwko biegunów wydatnych (8) drugiego rdzenia wirnika (2).

4. Wirnik według zastrz. 2, znamienny tym, że bieguny zagłębione (5) pierwszego rdzenia wirnika (1) są naprzeciwko biegunów wydatnych (8) drugiego rdzenia wirnika (2), zaś bieguny wydatne (7) pierwszego rdzenia wirnika (1) są naprzeciwko biegunów zagłębionych (6) drugiego rdzenia wirnika.

5. Wirnik według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że wał (13) wirnika składa się z trzech części: środkowej (13a) wykonanej z materiału o dużej przenikalności magnetycznej, i dwóch zewnętrznych (13b) wykonanych z materiału o małej przenikalności magnetycznej, przy czym części (13a) i (13b) w miejscach ich łączenia mają kształt stożka o wierzchołku skierowanym do środka części (13a).