PL241983B1 - Zespolona maszyna elektryczna - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest zespolona maszyna elektryczna zawierająca korpus (5) z nieprzewodzącego niemagnetycznego materiału, w którym jest osadzony na łożyskach (4) wał (3) wspólny dla części prądnicowej (1) zawierającej twornik (7), magnesy wzbudzające (9) i wykonane z materiału ferromagnetycznego podłoże (8) magnesów wzbudzających (9) oraz dla części silnikowej (2) zawierającej twornik (13), magnesy wzbudzające (11) i wykonane z materiału ferromagnetycznego podłoże (10) magnesów wzbudzających (11), charakteryzująca się tym, że część prądnicowa (1) i część silnikowa (2) są jednocześnie połączone mechanicznie i elektrycznie, a magnetowód twornika (13) części silnikowej (2) jest bezjarzmowy.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zespolona maszyna elektryczna złożona z dwóch maszyn elektrycznych: prądnicy i silnika połączonych w jeden zespół elektromaszynowy do wykorzystania jako napęd, zwłaszcza w pojazdach, elektromaszynowych przetwornikach energii elektrycznej albo w urządzeniach, w których konieczne jest współdziałanie silnika i prądnicy.

Znane są zespoły elektromaszynowe złożone z prądnicy i silnika. Stosowane są do napędu jednostek pływających, gdzie zamiast sprzężenia mechanicznego stosuje się układ dwóch maszyn elektrycznych tworzących wał elektryczny. Prądnicę napędza silnik spalinowy a energię elektryczną z prądnicy kieruje się przez połączenie elektryczne na silnik elektryczny napędzający śrubę okrętową. Maszyny składowe wału elektrycznego połączone są tylko elektrycznie.

Inne znane zespoły elektromaszynowe mają zastosowanie w spawalnictwie i elektromaszynowych przetwornikach energii elektrycznej. Trzyfazowy silnik elektryczny napędza prądnicę, której charakterystyka dopasowana jest do zasilania łuku spawalniczego lub innego odbiornika energii elektrycznej. W tym wypadku wirniki prądnicy i silnika napędowego umieszczone są na wspólnym wale. Mają połączenie mechaniczne bez połączenia elektrycznego. Wał wprawiany jest w ruch obrotowy przez silnik a sprzężona z nim (wspólny wał) prądnica zasila odbiornik.

Sprawność tradycyjnych zespołów elektromaszynowych równa jest iloczynowi sprawności maszyn składowych prądnicy i silnika i jest mniejsza od sprawności elektrycznych maszyn składowych.

Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.430710 znany jest silnik elektryczny charakteryzujący się tym, że nie wytwarza, w przeciwieństwie do tradycyjnych silników, indukowanej siły elektromotorycznej rotacji SEM. Jest on zasilany prądem przemiennym przez przetwornik DC/AC sterowany położeniem wirnika. Częstotliwość napięcia podanego na silnik jest ściśle zależna (wprost proporcjonalnie) od prędkości obrotowej wału. Prąd płynący przez uzwojenie twornika takiego silnika zależy od ilorazu napięcia zasilającego i impedancji uzwojenia. Silnik ten jest maszyną nieodwracalną. Napędzany zewnętrznym momentem mechanicznym nie wytwarza żadnego napięcia elektrycznego na zaciskach. Moc czynna, mechaniczna, oddawana przez ten silnik nie transformuje się na stronę zasilania. Maszyna ta zachowuje się jak dławik w obwodzie prądu zmiennego. Przy obciążeniu silnika momentem mechanicznym zmniejszają się obroty wału i rośnie prąd zasilający, gdyż impedancja twornika maleje. Silnik ten charakteryzuje się tym, że rozpiętość nabiegunników twornika wynosi w elektrycznej mierze kąta 2π.

Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.431404 znana jest także elektryczna maszyna odwracalna o odwrotnym w stosunku do tradycyjnej maszyny kierunku indukowanej siły elektromotorycznej rotacji SEM. Maszyna ta w pracy prądnicowej, generatorowej, charakteryzuje się tym, że w stanie zwarcia przy największym prądzie twornika, potrzebny mechaniczny moment napędowy jest tylko trochę większy od momentu napędowego w stanie pracy jałowej, a każde obciążenie indukcyjne, podłączone do zacisków prądnicy powoduje zmniejszenie prądu i momentu napędowego. Można przyjąć, że jej praca na zwarciu jest pracą w stanie jałowym a każde dodatkowe obciążenie czynne zmniejsza prąd i zwiększa napięcie wyjściowe prądnicy. Jednocześnie zwiększa się moment mechaniczny konieczny do napędu prądnicy. Jej cechą charakterystyczną jest to, że rozpiętość nabiegunników, w elektrycznej mierze kąta twornika wynosi 3π.

Zespolona maszyna elektryczna według wynalazku zawiera korpus z nieprzewodzącego niemagnetycznego materiału, w którym jest osadzony na łożyskach wał wspólny dla części prądnicowej, zawierającej twornik, magnesy wzbudzające i wykonane z materiału ferromagnetycznego podłoże magnesów wzbudzających oraz części silnikowej, zawierającej twornik, magnesy wzbudzające i wykonane z materiału ferromagnetycznego podłoże magnesów wzbudzających, przy czym część prądnicowa i część silnikowa są jednocześnie połączone mechanicznie i elektrycznie, a magnetowód twornika części silnikowej jest bezjarzmowy.

Korzystnie, rozpiętość kątowa nabiegunników rdzeni twornika części prądnicowej wynosi 3π, natomiast rozpiętość kątowa nabiegunników rdzeni twornika w części silnikowej wynosi 2π.

Korzystnie, przy sprzężeniu mechanicznym tworniki części silnikowej i prądnicowej są połączone elektrycznie.

Korzystnie, kierunki nawinięcia uzwojeń sąsiednich biegunów twornika silnika i twornika prądnicy są przeciwne, ich uzwojenia połączone są szeregowo i wyprowadzone na zaciski elektryczne.

Korzystnie, między magnesami wzbudzającymi obu części maszyny jest przesunięcie kątowe wynoszące π/2.

Zespolona maszyna elektryczna może przenosić napęd (wał elektryczny) lub przetwarzać energię elektryczną o jednych parametrach w energię elektryczną o innych parametrach. Oba reżimy pracy charakteryzują się wysoką sprawnością energetyczną. Zaletą wynalazku jest więc to, że zastosowanie takich maszyn elektrycznych i takiej ich konfiguracji pozwala na uzyskanie wysokiej sprawności zarówno przy przeniesieniu napędu jak i przy przetwarzaniu energii elektrycznej w energię elektryczną o innych parametrach.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został przedstawiony na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia wynalazek w przekroju podłużnym przy połączeniu elektrycznym i mechanicznym

Fig. 2 przedstawia przekrój poprzeczny części prądnicowej w rozwinięciu

Fig. 3 przedstawia przekrój poprzeczny części silnikowej w rozwinięciu

Fig. 4 przedstawia połączenia elektryczne między poszczególnymi pasmami uzwojeń prądnicy i silnika

Oznaczenia na rysunkach:

1. Część prądnicowa

2. Część silnikowa

3. Wał

4. Łożyska wału

5. Korpus

6. Szczelina powietrzna prądnicy

7. Twornik prądnicy

8. Podłoże magnesów prądnicy

9. Magnesy wzbudzające prądnicy

10. Podłoże magnesów silnika

11. Magnesy wzbudzające silnika

12. Szczelina powietrzna silnika

13. Twornik silnika

14. Jarzmo twornika prądnicy

15. Rdzeń prądnicy

16. Uzwojenie twornika prądnicy

17. Linia rozcięcia rysunku

18. Rdzeń silnika

19. Element mocujący magnetowody

20. Uzwojenie twornika silnika

21. Rozpiętość kątowa nabiegunnika rdzenia silnika

22. Rozpiętość kątowa nabiegunnika rdzenia prądnicy

23. Połączenia między uzwojeniami silnika i prądnicy

24. Zaciski elektryczne zespołu elektromaszynowego

Zespolona maszyna elektryczna według korzystnego wariantu wykonania, pokazana na Fig. 1, składa się z części silnikowej 2 (zawierającej silnik) i części prądnicowej 1 (zawierającej prądnicę) - połączonych elektrycznie i mechanicznie. Maszyna umieszczona jest w korpusie 5 wykonanym z materiału nieprzewodzącego i niemagnetycznego. W korpusie 5 osadzone są łożyska 4 wału 3. Wał 3 jest wspólny dla wirnika prądnicy 1 i silnika 2. Część prądnicowa złożona jest z twornika 7, magnesów wzbudzających 9 oraz wykonanego z materiału ferromagnetycznego podłoża 8 magnesów wzbudzających 9. Między biegunami twornika 7 prądnicy 1 i powierzchnią biegunów magnetycznych magnesów wzbudzających 9 jest szczelina powietrzna 6. Część silnikowa 2 zespolonej maszyny elektrycznej składa się z twornika 13, magnesów wzbudzających 11 oraz wykonanego z materiału ferromagnetycznego podłoża 10 magnesów wzbudzających 11. Między powierzchnią wirnika i twornika 13 jest szczelina powietrzna 12.

Poszczególne pasma uzwojeń prądnicy 1 i silnika 2 są połączone elektrycznie, co zostało pokazane na Fig. 4.

Między poszczególnymi pasmami uzwojeń 16 twornika 7 prądnicy 1 i uzwojeń 20 twornika 13 silnika 2 umieszczone są zaciski 24 oraz połączenie uzwojeń 16 twornika 7 prądnicy 1 i uzwojeń 20 twornika 13 silnika 2. Kierunki nawinięcia uzwojeń sąsiednich biegunów twornika 7 i twornika 13 są przeciwne, a uzwojenia obu części - prądnicowej 1 i silnikowej 2 połączone są szeregowo i wyprowadzone na zaciski elektryczne 24.

Między magnesami wzbudzającymi 9 i magnesami wzbudzającymi 11 jest przesunięcie kątowe wynoszące π/2 widoczne na Fig. 4. Twornik 7 prądnicy 1 widoczny w przekroju na Fig. 2 złożony jest z rdzeni 15 i nawiniętych na nabiegunnikach uzwojeń 16 połączonych z jarzmem 14, przy czym rozpiętość kątowa 22 nabiegunnika prądnicy 1 wynosi 3π.

Twornik 13 silnika 2 pokazany w przekroju na Fig. 3 składa się z osobnych rdzeni 18 z nawiniętymi na nich uzwojeniami 20, przy czym rdzenie 18 nie są połączone jarzmem, a zamocowane za pomocą nieprzewodzącego i niemagnetycznego elementu 19, natomiast rozpiętość kątowa 21 nabiegunników twornika 13 silnika 2 wynosi 2π.

Nabiegunniki twornika 13 oddziela od powierzchni biegunów magnesów wzbudzających 11 szczelina powietrzna 12. Wirnik silnika 2 z magnesami wzbudzającymi 11 ma identyczną budowę jak wirnik prądnicy 1. Na ferromagnetycznym podłożu 10, mocowane są magnesy wzbudzające 11 o przemiennym kierunku namagnesowania.

W zespolonej maszynie elektrycznej połączenie elektryczne prądnicy 1 i silnika 2 tworzy wał elektryczny do przenoszenia napędu. Prądnica 1 jest napędzana silnikiem spalinowym i wytwarza napięcie przemienne, które zasila synchronicznie silnik 2, który z kolei napędza urządzenie odbiorcze.

Dobierając stosunek ilości par biegunów w prądnicy 1 i silniku 2 można, w pewnym zakresie, realizować przełożenie obrotów.

Ze względu na opisane własności maszyn składowych takiego zespołu, jego sprawność wypadkowa jest bardzo duża w porównaniu ze znanymi zespolonymi maszynami.

Większa sprawność w stosunku do tradycyjnych maszyn zespolonych, jest skutkiem braku indukowanej siły elektromotorycznej rotacji SEM w silniku a to powoduje, że zachowuje się on jak dławik i nie transformuje, na stronę zasilania (prądnicy), obciążenia o charakterze czynnym. Cecha ta spowodowana jest tym, że szerokość kątowa nabiegunnika twornika 13 silnika wynosi 2π. Nabiegunnik, przy każdym położeniu wirnika pokrywa dwa różnoimienne bieguny magnesów wzbudzających 11 i wypadkowy strumień wzbudzenia w magnetowodzie twornika 13 wynosi zero (Fig. 3). Prądnica 1 o odwrotnym kierunku indukowanej SEM nie „widzi” silnika 1 jako obciążenia czynnego i prąd w obwodzie prądnica - silnik zależy tylko od stosunku napięcia prądnicy przy rozwartych zaciskach elektrycznych i zsumowanych impedancji uzwojeń twornika 13 silnika 2 i twornika 7 prądnicy 1. Nabiegunnik twornika prądnicy 1, przy każdym położeniu wirnika prądnicy pokrywa trzy bieguny układu wzbudzającego (na Fig. 1 są to magnesy 9). Przy naprzemiennym kierunku namagnesowania magnesów 9 strumień wypadkowy powodują magnesy zewnętrzne (pokazuje to Fig. 2). Prąd generowany w pracy prądnicowej działa jednocześnie na magnes środkowy i dodaje pracę silnikową do prądnicowej i przy zwarciu prądnicy napęd silnikowy i hamowanie prądnicowe równoważą się. Prąd jest wtedy maksymalny, niezależnie od obrotów, cosę równy zero a moment napędowy jest minimalny. Obciążenie prądnicy odbiornikiem o charakterze czynnym zmniejsza prąd twornika i zwiększa współczynnik mocy cosę i moment napędowy prądnicy.

Przy braku obciążenia mechanicznego na wale silnika (w układzie wału elektrycznego prądnica i silnik mają rozdzielne wały) kąt mocy silnika zbliżony jest do zera. Obciążenie wału silnika powoduje wzrost kąta mocy stopniowo do wielkości π/2. Dalszy wzrost obciążenia jest przyczyną zerwania synchronizacji. Żeby do tego nie dopuścić trzeba zwiększyć prąd w twornikach prądnicy 1 i silnika 2, zwiększając napięcie prądnicy przy niezmienionych obrotach. W układzie wału elektrycznego, przy elektrycznym połączeniu maszyn składowych jest to możliwe przez zwiększenie strumienia magnetycznego wzbudzającego prądnicę 1. Odbywa się to małym nakładem mocy. Na rysunkach nie jest uwzględniona regulacja wzbudzenia prądnicy. Polega ona na zastąpieniu magnesów 9 wzbudzających na wirniku prądnicy 1 wzbudzeniem elektromagnetycznym z doprowadzonym prądem stałym wzbudzenia przez szczotki ślizgowe i pierścienie na wale 3 maszyny.

Przy jednoczesnym połączeniu elektrycznym i mechanicznym jak na Fig. 1 uzyskuje się możliwość zastosowania zespołu elektromaszynowego jako elektrycznej maszyny odwracalnej o podwyższonej sprawności. Przy połączeniu mechanicznym i elektrycznym jednocześnie, jak na Fig. 1, można potraktować zespół elektromaszynowy jak silnik i podać na zaciski 24 dwóch, połączonych szeregowo maszyn, napięcie przemienne synchronizowane z obrotami wału lub napędzać wał maszyny mechanicznym momentem zewnętrznym (silnikiem spalinowym) i odbierać wytworzoną energię elektryczną jak z prądnicy. Przy zasilaniu elektrycznym zespołu, napięcie zasilające jest zgodne z fazą i kierunkiem indukowanej SEM rotacji w części prądnicowej - wówczas napięcia te dodają się.

Przy połączeniu mechanicznym prądnicy i silnika stosuje się stały, maksymalny kąt mocy wynoszący π/2 (przesunięcie magnesów wzbudzających 9 i magnesów wzbudzających 11 na wirnikach prądnicy 1 i silnika 2). Napięcie przemienne, zasilające, sumuje się z napięciem przemiennym, generowanym przez prądnicę 1 i oba zasilają silnik 2. Jest to możliwe dzięki właściwościom prądnicy o odwróconej indukowanej sile elektromotorycznej rotacji cosę. Przeciwny kierunek SEM powoduje nakładanie się pracy prądnicowej i silnikowej. Oba reżimy pracy odbywają się przy tym samym kierunku i fazie prądu twornika 7 prądnicy 1. Efektem jest wartość cosę równa zero przy zwarciu prądnicy (rezystancja uzwojenia jest przyczyną niewielkich strat mocy). Obciążenie prądnicy odbiornikiem indukcyjnym, jakim jest silnik nie wytwarzający SEM powoduje zmniejszenie prądu przy niezmienionej wartości cosę a moc mechaniczna silnika 2, dzięki przesunięciu biegunów układu wzbudzenia prądnicy 1 i silnika 2 jest maksymalna. Cały układ zasilany jest z dwóch źródeł: zasilacza i prądnicy 1 przy czym prądnica obciąża silnik tylko w niewielkim stopniu (cosę równy zero).

Praca prądnicowa zespołu polega na wprawieniu w go w ruch silnikiem zewnętrznym np. spalinowym. Przy rozwartych zaciskach 24 zespołu elektromaszynowego pojawi się na nich napięcie SEM prądnicy 1. Przy zwarciu prąd będzie równy iloczynowi SEM i sumy impedancji prądnicy 1 i silnika 2 a cosę będzie bliski zero niezależnie od obrotów. Po obciążeniu zespołu rezystancją prąd zmaleje a cosę wzrośnie. Prąd obciążenia płynący w uzwojeniach 20 twornika 13 silnika 2 wytworzy dodatkowy moment napędowy na wspólnym wale 3. Poprawia to sprawność przetwarzania energii w zespole elektromaszynowym.

Elektryczna maszyna zespolona, według wynalazku, ma mniejszy stosunek mocy do masy niż tradycyjne maszyny zespolone ale jej sprawność w wielu zastosowaniach rekompensuje tą niedogodność.

Opisany zespół elektromaszynowy należy do maszyn jednofazowych, ale możliwa jest też budowa takiego zespołu wielofazowego.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Zespolona maszyna elektryczna zawierająca korpus (5) z nieprzewodzącego niemagnetycznego materiału, w którym jest osadzony na łożyskach (4) wał (3) wspólny dla części prądnicowej (1) zawierającej twornik (7), magnesy wzbudzające (9) i wykonane z materiału ferromagnetycznego podłoże (8) magnesów wzbudzających (9) oraz dla części silnikowej (2) zawierającej twornik (13), magnesy wzbudzające (11) i wykonane z materiału ferromagnetycznego podłoże (10) magnesów wzbudzających (11), znamienna tym, że część prądnicowa (1) i część silnikowa (2) są jednocześnie połączone mechanicznie i elektrycznie, a magnetowód twornika (13) części silnikowej (2) jest bezjarzmowy.
2. 2. Zespolona maszyna elektryczna według zastrz. 1, znamienna tym, że rozpiętość kątowa (22) nabiegunników rdzeni (15) twornika (7) części prądnicowej (1) wynosi 3π a rozpiętość kątowa (21) nabiegunników rdzeni (18) twornika (13) w części silnikowej (2) wynosi 2π.
3. 3. Zespolona maszyna elektryczna, według zastrz. 1, znamienna tym, że część silnikowa (2) i prądnicowa (1) przy sprzężeniu mechanicznym mają wspólny twornik.
4. 4. Zespolona maszyna elektryczna, według zastrz. 1, znamienna tym, że przy sprzężeniu mechanicznym części silnikowej (2) i części prądnicowej (1) twornik (7) części prądnicowej (1) i twornik (13) części silnikowej (2) są połączone elektrycznie.
5. 5. Zespolona maszyna elektryczna, według zastrz. 1, znamienna tym, że kierunki nawinięcia uzwojeń sąsiednich biegunów twornika (7) części prądnicowej (1) i twornika (13) części silnikowej (2) są przeciwne, a uzwojenie (16) twornika (7) części prądnicowej (1) i uzwojenie (20) twornika (13) części silnikowej (2) są połączone szeregowo i wyprowadzone na zaciski elektryczne (24).
6. 6. Zespolona maszyna elektryczna, według zastrz. 1, znamienna tym, że między magnesami wzbudzającymi (9) i (11) jest przesunięcie kątowe wynoszące π/2.