PL226639B1 - Wirnik silnika elektrycznego z magnesami trwałymi - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wirnik silnika elektrycznego z magnesami trwałymi przeznaczony do silnika synchronicznego z rozruchem asynchronicznym.

Znane jest rozwiązanie wirnika silnika synchronicznego z magnesami trwałymi (Patent PL nr 218489, opubl. 31.12.2014 r.) według którego wirnik silnika synchronicznego ma zarówno magnesy trwałe jak i uzwojenie klatkowe. Magnesy trwałe są umieszczone w szczelinach w środku jarzma wirnika, a uzwojenie klatkowe składa się z prętów miedzianych umieszczonych w żłobkach na obwodzie zewnętrznym wirnika zwartych pierścieniami na czołach. Uzwojenie klatkowe służy do rozruchu asynchronicznego silnika. Gdy wirnik w czasie rozruchu osiągnie prędkość obrotową podsynchroniczną, to strumień magnetyczny magnesów trwałych samoczynnie synchronizuje go i silnik pracuje jako synchroniczny. Silnik przy pracy synchronicznej, w stosunku do silnika indukcyjnego realizującego to samo zadanie, ma większą sprawność energetyczną i współczynnik mocy cos<p « 1. To jest jego dużą zaletą, gdyż jest energooszczędny, w stosunku do silnika indukcyjnego. Jednak elektromagnetyczny moment asynchroniczny, generowany przez uzwojenia klatkowego, przy prędkościach od zera do około połowy prędkości znamionowej (0<n«0,5n_N), jest znacząco mniejszy od momentu znamionowego silnika, przy czym prąd rozruchowy jest od 5 do 7 razy większy od prądu znamionowego. Ponadto w klatce wirnika wydziela się ciepło równe w przybliżeniu energii kinetycznej wszystkich mas wirujących sprzęgniętych z wałem silnika. Ciepło to powoduje wzrost temperatury klatki wirnika i zagraża rozmagnesowaniu termicznemu magnesów trwałych. Rozmagnesowanie następuje już w temperaturze (120°-150°C) i oczywiście wyższej. Silnik z uzwojeniem klatkowym może być stosowany do napędu urządzeń mechanicznych i maszyn roboczych o małych momentach obciążeniach w czasie rozruchu i krótkich czasach rozruchu, np. do napędu pomp i wentylatorów, w których moment obciążenia jest kwadratową funkcją prędkości obrotowej. Jednak wiele maszyn roboczych ma duży moment rozruchowy, niejednokrotnie większy od momentu znamionowego, przykładem są: taśmociągi z załadowaną taśmą, zasypane młyny węglowe w elektrowniach i elektrociepłowniach i w zakładach wzbogacania rud miedzi, pojazdy trakcyjne. Inne urządzenia mechaniczne o dużym momencie bezwładności charakteryzują się długimi czasami rozruchu, są to np. duże wentylatory przewietrzania kopalń, wentylatory wydmuchu spalin w elektrowniach i elektrociepłowniach i inne. Do napędu wymienionych urządzeń mechanicznych i maszyn roboczych nie można zastosować silnika z wirnikiem z magnesami trwałymi i uzwojeniem klatkowym.

Znane jest z opisu zgłoszenia patentowego WO 2012/159303 A1 rozwiązanie konstrukcyjne silnika DC ze wzbudzeniem hybrydowym. Jarzmo wirnika jest pakietowane z blachy ferromagnetycznej i ukształtowane jak wirnik maszyny synchronicznej jawnobiegunowej. Na powierzchni biegunów są umieszczone magnesy trwałe, a na rdzeniu biegunów uzwojenie wzbudzenia. Końcówki uzwojenia wzbudzenia są wyprowadzone na dwa pierścienie ślizgowe poprzez które uzwojenie jest zasilane prądem stałym. Takie rozwiązanie wirnika dotyczy silników BLDC (brushless direct current motor) i może być także stosowane w prądnicach synchronicznych z dodatkowym dowzbudzeniem. Uzwojenia nie można wykorzystać do rozruchu asynchronicznego silników synchronicznych wzbudzanych magnesami trwałymi.

Znane są także silniki asynchroniczne synchronizowane, są to silniki indukcyjne pierścieniowe. Rozruch silników odbywa się przy pomocy rezystorów rozruchowych włączanych w obwód wirnika poprzez pierścienie ślizgowe i szczotki. Prąd rozruchowy zwykle nie przekracza dwukrotnej wartości prądu znamionowego, przy czym moment rozruchowy może być znacząco większy od momentu znamionowego. Po rozruchu uzwojenie wirnika jest zasilane prądem stałym i silnik się samoczynnie synchronizuje, a po synchronizacji pracuje jako silnik synchroniczny. Niedogodnością tego rozwiązania jest układ wzbudzenia, straty mocy w obwodzie wzbudzenia obniżają sprawność układu napędowego, ponadto pierścienie wymagają okresowego przeglądu i czyszczenia, a szczotki ścierają się i należy je wymieniać.

Według wynalazku wirnik silnika elektrycznego z magnesami trwałymi i z uzwojeniem rozruchowym charakteryzuje się tym, że uzwojenie wirnika jest trójfazowe wykonane z drutu miedzianego izolowanego i jest połączone w gwiazdę bądź w trójkąt, a końce faz są dołączone do trzech pierścieni ślizgowych umieszczonych na wale wirnika.

Przedmiot wynalazku zilustrowano na rysunkach na których: fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny wirnika, a fig. 2 uzwojenie połączone w gwiazdę z końcami faz wyprowadzonymi na pierścienie ślizgowe. Wirnik silnika elektrycznego jest złożony z pakietu blach, stanowiących jarzmo 1,

PL 226 639 B1 osadzonych na wale 5. Wewnątrz jarzma 1 są szczeliny, zwykle prostokątne, w których są umieszczone magnesy trwałe 2. Szczeliny pod magnesy trwałe mogą mieć także inny kształt. Na obwodzie zewnętrznym jarzma 1, w żłobkach, jest umieszczone uzwojenie 4. Uzwojenie 4 wirnika jest trójfazowe, wykonane z drutu miedzianego izolowanego i jest połączone w gwiazdę bądź w trójkąt. Końce faz uzwojenia 4 są dołączone do trzech pierścieni 6 ślizgowych umieszczonych na tulei izolacyjnej 7. która jest osadzona na wale 5 wirnika. Przewody łączące końcówki uzwojenia 4 z pierścieniami 6 ślizgowymi mogą być prowadzone po powierzchni walu 5 bądź w środku wydrążonego walu 5. W silniku zmontowanym na pierścieniach 6 ślizgowych leżą szczotki. Szczotki, korzystnie miedziografitowe, są umieszczone w aparacie szczotkowym. Aparat szczotkowy, wraz z układem podnoszenia szczotek. jest zamontowany korzystnie na tarczy łożyskowej silnika.

Silnik elektryczny wirnikiem według powyższego rozwiązania może być wykom stany do napędu maszyn roboczych o dużym momencie rozruchowym i urządzeń mechaniczny o długich czasach rozruchu. Rozruch silnika odbywa się z wykorzystaniem rezystorów rozruchowych. Prąd rozruchowy i moment rozruchowy można ustalać poprzez wartość włączanej rezystancji i jej stopniowanie w funkcji prędkości obrotowej. Ciepło w czasie rozruchu silnika wydziela się w większej ilości w rezystorach rozruchowych niż w uzwojeniu wirnika. Nie ma zagrożenia przegrzania magnesów trwałych. Po rozruchu silnik sam się synchronizuje i pracuje jako silnik synchroniczny wzbudzony polem, magnetycznym magnesów trwałych 2. Po synchronizacji silnika szczotki na pierścieniach ślizgowych 6 są podnoszone aby nie zdzierały się i nie powodowały, poprzez tarcie, strat mocy. Tego typu silnik może być stosowany do każdego rodzaju napędu.

Claims (1)

1. Wirnik silnika elektrycznego z magnesami trwałymi umieszczonym w szczelinach w jarzmie wirnika i z uzwojeniem rozruchowym umieszczonym w żłobkach na obwodzie wirnika, znamienny tym, że uzwojenie (4) wirnika jest trójfazowe wykonane z drutu miedzianego izolowanego i jest połączone w gwiazdę bądź w trójkąt, a końce faz są dołączone do trzech pierścieni (6) ślizgowych umieszczonych na tulei izolacyjnej (7) osadzonej na wale (5) wirnika.