PL226576B1 - 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, że wał wirnika składa się z trzech części: środkowej (4a) wykonanej z materiału o dużej przenikalności magnetycznej, i dwóch zewnętrznych (4b) wykonanych z materiału o małej przenikalności magnetycznej, przy czym części (4a) i (4b) w miejscach ich łączenia mają kształt stożka o wierzchołku skierowanym do środka części (4a).

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.

Wirnik maszyny elektrycznej o wzbudzeniu hybrydowym, według wynalazku zawierający wał, tuleję rdzenia i dwa rdzenie wirnika, charakteryzuje się tym, że wał wirnika składa się z trzech części: środkowej wykonanej z materiału o dużej przenikalności magnetycznej, na przykład stali konstrukcyjnej, stali niskowęglowej i dwóch zewnętrznych wykonanych z materiału o małej przenikalności magnetycznej, na przykład poliamidu, stopu aluminium, przy czym części w miejscach ich łączenia mają kształt stożka o wierzchołku skierowanym do środka części. Taka konstrukcja wału pozwala zmniejszyć strumień rozproszenia wzbudzenia generowanego przez cewkę dodatkową, ponieważ droga dla strumienia magnetycznego jest tak ukształtowana, aby nie płynął on w kierunku na zewnątrz maszyny, a zamykał się w obrębie rdzeni i tulei wirnika.

Rozwiązanie według wynalazku przedstawione jest w przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wirnik w widoku izometrycznym, fig. 2 przedstawia wał wirnika w widoku izometrycznym rozstrzelonym, fig. 3 przedstawia przekrój podłużny wału wirnika.

PL 226 576 B1

Wirnik maszyny elektrycznej o wzbudzeniu hybrydowym, zawiera wał 4, tuleję 3 i dwa rdzenie wirnika 1 i 2. Wał 4 wirnika składa się z trzech części: środkowej 4a wykonanej z materiału o dużej przenikalności magnetycznej - stali konstrukcyjnej i dwóch zewnętrznych 4b wykonanych z materiału o małej przenikalności magnetycznej - poliamidu, stopu aluminium przy czym części 4a i 4b w miejscach ich łączenia mają kształt stożka o wierzchołku skierowanym do środka części 4a.

Claims (1)

1. Wirnik maszyny elektrycznej o wzbudzeniu hybrydowym, zawierający wał, tuleję rdzenia i dwa rdzenie wirnika, znamienny tym, że wał (4) wirnika składa się z trzech części: środkowej (4a) wykonanej z materiału o dużej przenikalności magnetycznej, i dwóch zewnętrznych (4b) wykonanych z materiału o małej przenikalności magnetycznej, przy czym części (4a) i (4b) w miejscach ich łączenia mają kształt stożka o wierzchołku skierowanym do środka części (4a).