(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 PL B1. Fig. 1 F16D 27/02. (54) Sprzęgło elektromagnetyczne indukcyjne samowzbudne

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia (51) IntCl6: F16D 27/02 (54) Sprzęgło elektromagnetyczne indukcyjne samowzbudne (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 25/96 (73) Uprawniony z patentu: Pawełczyk Grzegorz, Jaworzno, PL (72) Twórca wynalazku: Grzegorz Pawełczyk, Jaworzno, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 07/99 (74) Pełnomocnik: Pańczyk Wiesław PL B1 (57) 1 Sprzęgło elektromagnetyczne indukcyjne samowzbudne z uzwojonym wirnikiem wewnętrznym, przeznaczone do płynnej regulacji obrotów urządzeń napędzanych silnikami elektrycznymi prądu zmiennego oraz silnikami spalinowymi, złożone z zewnętrznego wirnika z litego żelaza i wewnętrznego wirnika, zawierającego uzwojenie wzbudzenia i uzwojenie robocze, znam ienne tym, że połączony walem (6) z napędowym silnikiem, zewnętrzny wirnik (1), zaopatrzony jest od strony wewnętrznej w zęby (5) z pakietów blach ferromagnetycznych, o szerokości równej odległości przerw między zębami (5), pomiędzy którymi i wewnętrznym wirnikiem (2) w kształcie cylindra, występuje powietrzna szczelina (11), z kolei n a roboczej części wału (7) wewnętrznego wirnika (2), połączonego z urządzeniem napędzanym, umieszczone są pakiety blach (9) ze żłobkami, w których ułożone są cewki (4', 4") roboczego uzwojenia (4), przy czym odległość między bokami tej samej cewki (401 sąsiednich cewek (4") należących do jednej gałęzi roboczego uzwojenia (4), mierzona po łuku zewnętrznej średnicy wewnętrznego wirnika (2) jest równa szerokości zęba (5) zewnętrznego wirnika (1), albo szerokości przerw między zębami (5), albo całkowitej krotności odległości między żłobkami pakietów blach (9) natomiast każda cewka (4', 4") roboczego uzwojenia (4), obejmuje jednocześnie pakiety blach (9), między którymi jest nawinięte współosiowo z wewnętrznym wirnikiem (2). uzwojenie wzbudzenia (3), na którego wale (7) jest umieszczony blok (8) mostków diodowo-tyry storowych, a pakiety blach (9) wraz z uzwojeniem wzbudzenia (3) stanowią Jednocześnie nabiegunniki N, S dla magnetycznego obwodu wzbudzenia (φw). Fig. 1

2 Sprzęgło elektromagnetyczne indukcyjne samowzbudne Zastrzeżenia patentowe 1. Sprzęgło elektrom agnetyczne indukcyjne samowzbudne z uzw ojonym wirnikiem wewnętrznym, przeznaczone do płynnej regulacji obrotów urządzeń napędzanych silnikami elektrycznymi prądu zmiennego oraz silnikami spalinowymi, złożone z zewnętrznego wirnika z litego żelaza i w ewnętrznego wirnika, zawierającego uzwojenie w zbudzenia i uzwojenie robocze, znam ienne tym, że połączony wałem (6) z napędowym silnikiem, zewnętrzny wirnik (1), zaopatrzony jest od strony wewnętrznej w zęby (5) z pakietów blach ferromagnetycznych, o szerokości równej odległości przerw między zębami (5), pomiędzy którymi i wewnętrznym wirnikiem (2) w kształcie cylindra, występuje powietrzna szczelina (11), z kolei na roboczej części wału (7) w ewnętrznego wirnika (2), połączonego z urządzeniem napędzanym, umieszczone są pakiety blach (9) ze żłobkami, w których ułożone są cewki (4', 4") roboczego uzwojenia (4), przy czym odległość między bokami tej samej cewki (4') i sąsiednich cewek (4") należących do jednej gałęzi roboczego uzwojenia (4), mierzona po łuku zewnętrznej średnicy wewnętrznego wirnika (2) jest równa szerokości zęba (5) zewnętrznego wirnika (1), albo szerokości przerw między zębami (5), albo całkowitej krotności odległości między żłobkami pakietów blach (9), natomiast każda cewka (4', 4") roboczego uzwojenia (4), obejmuje jednocześnie pakiety blach (9), między którym i je st naw inięte współosiowo z wewnętrznym w irnikiem (2), uzwojenie wzbudzenia (3), na którego wale (7) jest umieszczony blok (8) mostków diodowo-tyrystorowych, a pakiety blach (9) wraz z uzwojeniem wzbudzenia (3) stanowią jednocześnie nabiegunniki N, S dla m agnetycznego obwodu wzbudzenia (φw). 2. Sprzęgło, według zastrz. 1, znam ienne tym, że części każdego z boków cewek (4', 4'0 roboczego uzwojenia (4) ułożone w żłobkach znajdujących się w dwóch różnych pakietach blach (9) są przesunięte względem siebie w tym samym kierunku, mierząc po łuku zewnętrznej średnicy wewnętrznego wirnika (2) o odległość rów ną szerokości zęba (5), albo odległości przerw między zębami (5), albo całkowitej krotności odległości między żłobkami pakietów blach (9), przy czym zęby (5) są skierowane równolegle do osi, a część jednego z boków cewki (4') roboczego uzwojenia ułożona w żłobku jednego pakietu blach (9) znajduje się na przedłużeniu części drugiego boku cewki (4") ułożonej w żłobku drugiego pakietu blach (9), podczas gdy pozostałe części dwóch różnych boków cewek (4', 4 '') są przesunięte względem siebie o dwie szerokości zęba (5) zewnętrznego wirnika (1). 3. Sprzęgło, według zastrz. 1, znamienne tym, że boki cewek (4', 4'') roboczego uzwojenia (4) ułożone w żłobkach dwóch różnych pakietów blach (9) są proste, usytuowane równolegle względem siebie, natomiast zęby (5) zewnętrznego wirnika (1), przebiegające nad dwoma różnymi pakietami blach (9) wewnętrznego wirnika (2) są przesunięte względem siebie nawzajem o szerokość zęba (5), albo odległość przerw między zębami (5), albo całkowitej krotności odległości między żłobkami pakietów blach (9), przy czym jednem u zębowi (5) nad jednym pakietem blach (9) wewnętrznego wirnika (2) odpowiada przerwa nad drugim pakietem blach (9) i odwrotnie, z kolei zęby (5) obydwóch części zewnętrznego wirnika (1) są połączone ze sobą pomiędzy pakietami blach (9) wewnętrznego wirnika (2), tworząc wraz z jego litym żelazem, obwód magnetyczny w zbudzenia (φw) z pow ietrzną szczeliną (11). * * * Przedmiotem wynalazku jest sprzęgło elektromagnetyczne indukcyjne samowzouane z uzwojonym wirnikiem wewnętrznym, przeznaczone do płynnej regulacji obrotów urządzeń napędzanych silnikami elektrycznymi prądu zmiennego, zwłaszcza klatkowymi oraz silnikami spalinowym i, w szczególności do napędu pomp i wentylatorów dużej mocy.

3 Znane są z książki W ładysława Pełczewskiego "Sprzęgła elektromagnetyczne", WNT, Wyd. I, W arszawa, 1965, rozwiązania sprzęgła z biegunami wydatnymi i klatkowym uzwojeniem roboczym oraz sprzęgła na prądy wirowe. Obydwa znane rozwiązania zawierają wirnik zewnętrzny i wirnik wewnętrzny. N a jednym z tych wirników um ieszczone je st uzw ojenie wzbudzenia zasilane prądem stałym, który wytwarza stały strumień magnetyczny wirujący wraz z wirnikiem, oddziałowujące na uzwojenie robocze w rozwiązaniu sprzęgła z biegunami wydatnymi, albo na litą masę żelaza w rozwiązaniu sprzęgła na prądy wirowe. O ddziaływanie to powoduj indukcję siły elektrom otorycznej, wym u- szającej przepływ prądu roboczego w uzw ojeniu, albo prądów w irow ych w litym żelazie. Efektem wzajemnego oddziaływania wirującego strumienia i prądów roboczych albo wirowych jest powstanie momentu obrotowego działającego na część bierną sprzęgła połączoną z napędzanym urządzeniem, o kierunku zgodnym z kierunkiem obrotów części, czynnej połączonej z napędowym silnikiem. W arunkiem koniecznym do wytworzenia momentu obrotowego jest występowanie poślizgu, czyli różnicy prędkości obrotowych pomiędzy częścią czynną i bierną sprzęgła. Sprzęgło na prądy wirowe zaopatrzone jest w jedno uzwojenie wzbudzenia nawinięte współosiowo na wirniku wewnętrznym wyposażonym w nabiegunniki żłobkowane, usytuowane po przeciwnych stronach uzwojenia. Znane jest również rozwiązanie, mające nabiegunniki palcowe, usytuowane z palcami różnoimiennymi naprzemiennie. W irnik zewnętrzny wykonany jest z litej masy żelaza w kształcie cylindra o gładkiej pow ierzchni od strony wewnętrznej. M iędzy wirnikiem zew nętrznym a nabiegunnikami wirnika wewnętrznego występuje niewielka szczelina powietrzna, przez którą przenika strumień m agnetyczny w ytworzony przez uzw ojenie wzbudzenia. Sprzęgła indukcyjne znalazły zastosow anie jako elastyczne połączenie napędu z napędzanym urządzeniem oraz jako zabezpieczenie silników przed przeciążeniem. D o regulacji prędkości obrotów urządzenia napędzanego poprzez zmianę wartości prądu wzbudzenia, której rezultatem jest zmiana wielkości poślizgu, stosowane są głównie sprzęgła indukcyjne na prądy wirowe. W adą znanych rozwiązań, szczególnie stosowanych do regulacji prędkości obrotowej napędzanych urządzeń jest duża strata mocy, zwłaszcza przy występujących poślizgach o dużych wartościach, która wydziela się w postaci energii cieplnej wytwarzanej przez prądy wirowe w części roboczej sprzęgła. Tym samym sprawność znanych rozwiązań sprzęgła indukcyjnego jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości poślizgu. Z tego powodu znane rozwiązania sprzęgieł indukcyjnych nie znalazły powszechnego zastosow ania do regulacji prędkości obrotowej napędzanych urządzeń. Sprzęgło elektrom agnetyczne indukcyjne samowzbudne z uzw ojonym w irnikiem wew nętrznym, złożone z zewnętrznego wirnika z litego żelaza i wewnętrznego wirnika, mającego uzwojenie w zbudzenia i uzw ojenie robocze w edług wynalazku, m a połączony wałem z napędowym silnikiem, zewnętrzny wirnik zaopatrzony od strony wewnętrznej w zęby z pakietów blach ferromagnetycznych, o szerokości równej odległości przerw między zębami, pomiędzy którymi i wewnętrznym wirnikiem w kształcie cylindra, występuje szczelina powietrzna. N a roboczej części wału wewnętrznego wirnika połączonego z urządzeniem napędzanym, umieszczone są pakiety blach ze żłobkami, w których ułożone są cewki uzwojenia roboczego. Odległość między bokami tej samej cewki i cewek sąsiednich należących do jednej gałęzi roboczego uzwojenia, mierzona po łuku zewnętrznej średnicy wewnętrznego wirnika jest równa szerokości zęba zewnętrznego wirnika, albo szerokości przerw między zębami, albo całkowitej krotności odległości między żłobkami pakietów blach. Każda cew ka roboczego uzw ojenia obejm uje jednocześnie pakiety blach, między którymi jest nawinięte współosiowo z wewnętrznym wirnikiem, uzwojenie wzbudzenia. Na wale wewnętrznego wirnika jest umieszczony blok mostków diodow o-tyrystorowych, natom iast pakiety blach wraz z uzw ojeniem w zbudzenia stanow ią jednocześnie nabiegunniki N, S dla m agnetycznego obwodu wzbudzenia. Części każdego z boków cewek roboczego uzwojenia ułożone w żłobkach, znajdujących się w dwóch różnych pakietach blach, są przesunięte względem siebie w tym samym kierunku, m ierząc po łuku zewnętrznej średnicy w ewnętrznego wirnika, o odległość rów ną szerokości zęba

4 zewnętrznego wirnika, albo odległości przerw między zębami, albo całkowitej krotności odległości między żłobkami pakietów blach. Zęby zewnętrznego wirnika są skierowane równolegle do osi sprzęgła. Część jednego z boków cewki roboczego uzwojenia ułożona w żłobku jednego pakietu blach znajduje się na przedłużeniu części drugiego boku cewki ułożonej w żłobku drugiego pakietu blach, podczas gdy pozostałe części dw óch różnych boków cew ek są przesunięte względem siebie o dwie szerokości zęba zewnętrznego wirnika. W innym rozwiązaniu, boki cewek roboczego uzwojenia ułożone w żłobkach dwóch różnych pakietów blach są proste, usytuowane równolegle względem siebie. Natomiast zęby zewnętrznego wirnika, przebiegające nad dwoma różnymi pakietami blach wewnętrznego wirnika są przesunięte względem siebie nawzajem o szerokość zęba zewnętrznego wirnika, albo o odległość przerw między zębami, albo o całkowitą krotność odległości między żłobkami pakietów blach. Jednem u zębow i zewnętrznego w irnika nad jednym pakietem blach w ew nętrznego wirnika, odpowiada przerwa nad drugim pakietem blach i odwrotnie. Zęby obydwóch części zewnętrznego wirnika są połączone ze sobą pomiędzy pakietami blach wewnętrznego wirnika, tworząc wraz z jego litym żelazem, obwód magnetyczny wzbudzenia z powietrzną szczeliną. Zaletą rozwiązania jest jego wysoka sprawność i energooszczędność w stosunku do znanych sprzęgieł indukcyjnych, nie ustępująca sprawności tyrystorowych przemienników częstotliwości. Ponadto, wielkość napięcia zasilającego silnik napędzający urządzenie nie ma znaczenia w zakresie m ożliw ości stosowania sprzęgła, w związku z czym nie zachodzi konieczność przew ijania silników elektrycznych na niższe napięcia zasilania, stosowania transform a- torów obniżających napięcie bądź zabudowywania na obwodach zasilających silniki napędowe kosztownej i zajmującej dużo powierzchni aparatury przemienników częstotliwości. Dodatkową zaletą jest brak negatywnego wpływu rozwiązania na sieć energoelektryczną w zakresie przepięć komutacyjnych i wyższych harmonicznych, charakterystycznych dla stosowanych dotychczas układów energoelektrycznych. Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia sprzęgło elektromagnetyczne indukcyjne samowzbudne z uzwojonym wirnikiem wewnętrznym, w przekroju podłużnym, fig. 2 - sprzęgło w przekroju poprzecznym, fig. 3 - rozwiniętą powierzchnię boczną wewnętrznego wirnika z cewkami roboczego uzwojenia przesuniętymi względem siebie i prostymi zębami zewnętrznego wirnika, fig. 4 - rozwiniętą pow ierzchnię boczną zew nętrznego w irnika z cewkam i roboczego uzw ojenia prostymi i przesuniętymi względem siebie zębami zewnętrznego wirnika, a fig. 5 - wykres przebiegu siły elektrom otorycznej indukowanej w cewkach roboczego uzwojenia. Sprzęgło elektromagnetyczne indukcyjne samowzbudne z uzwojonym wewnętrznym wirnikiem 2 (fig. 1, 2), składa się z zewnętrznego wirnika 1 wykonanego z litego żelaza, zaopatrzonego od wewnątrz w zęby 5 wykonane z pakietów blach ferromagnetycznych o szerokości równej wielkości przerw między zębami 5, osadzonego na wale 6 połączonym z silnikiem napędzającym. N a roboczej części wału 7 połączonego z urządzeniem napędzanym jest osadzony wewnętrzny wirnik 2 w kształcie cylindra, zaopatrzony w dwa pakiety blach 9 ze żłobkami z ułożonymi wewnątrz cewkami 4', 4 " roboczego uzwojenia 4. Zewnętrzna średnica pakietów blach 9 stanowi zarazem zewnętrzną średnicę wewnętrznego wirnika 2. Pomiędzy zębami 5 zewnętrznego wirnika 1, a wewnętrznym wirnikiem 2 występuje powietrzna szczelina 11. Odległość między bokami tej samej cewki 4' i cewek 4 " sąsiednich, należących do jednej gałęzi roboczego uzwojenia 4, mierzona po łuku zewnętrznej średnicy wewnętrznego wirnika 2 jest równa szerokości zęba 5 zewnętrznego wirnika 1 lub przerwy między sąsiednimi zębami 5. Natomiast każda cewka 4', 4" roboczego uzwojenia 4 obejmuje jednocześnie pakiety blach 9, między którymi jest nawinięte współosiowo z wewnętrznym wirnikiem 2, uzwojenie wzbudzenia 3. Na wale 7 wewnętrznego wirnika 2 umieszczony jest blok 8 mostków diodowo-tyrystorowych wraz z radiatorami, układami sterowania połączonymi z zewnętrznym zasilaniem 10 oraz układami zabezpieczenia tyrystorowego. Pakiety blach 9 wraz z uzwojeniem wzbudzenia 3 stanow ia jednocześnie nabiegunniki N, S dla m agnetycznego obwodu φw wzbudzenia. Części każdego z boków (fig. 3) cewek 4', 4 roboczego uzwojenia 4 ułożone w żłobkach znajdujących się w dwóch różnych pakietach blach 9, są przesunięte względem siebie w tym

5 samym kierunku, mierząc po łuku zewnętrznej średnicy wewnętrznego wirnika 2 o odległość równą szerokości zęba 5 zewnętrznego wirnika 1 lub przerwy między sąsiednimi zębami 5. Zęby 5 są usytuowane równolegle do osi sprzęgła i mają prosty kształt. Część jednego z boków cewki 4' roboczego uzwojenia 4 ułożona w żłobku jednego pakietu blach 9 znajduje się na przedłużeniu części drugiego boku cewki 4" ułożonej w żłobku drugiego pakietu blach 9, podczas gdy pozostałe części dwóch różnych boków cewek 4', 4 " roboczego uzwojenia 4 są przesunięte o dwie szerokości zęba 5 zewnętrznego w irnika 1. W innym rozwiązaniu (fig. 4 ), boki cewek 4', 4" roboczego uzwojenia 4 ułożone w żłobkach dw óch różnych pakietów blach 9, są usytuowane równolegle w zględem siebie. N atomiast zęby 5 zewnętrznego wirnika 1, przebiegające nad dwoma różnymi pakietami blach 9 wewnętrznego wirnika 2 są przesunięte względem siebie nawzajem o szerokość zęba 5, przy czym jednem u zębowi 5 nad jednym pakietem blach 9 wewnętrznego wirnika 2, odpowiada przerwa nad drugim pakietem blach 9 i odwrotnie. Z kolei zęby 5 obydwóch części zewnętrznego wirnika są połączone ze sobą pomiędzy pakietami blach 9 wewnętrznego wirnika 2, tworząc wraz z jego litym żelazem obwód magnetyczny - wzbudzenia ze szczeliną powietrzną 11, w którym strumień magnetyczny przepływający w każdym zębie 5 zewnętrznego wirnika 1 nad jednym pakietem blach 9, rozdziela się na dwie części przepływające przez dwa najbliższe zęby 5 nad drugim pakietem blach 9. Przebiegi (fig. 5) sił elektromotorycznych indukowanych w cewkach 4', 4" należących do jednej gałęzi roboczego uzw ojenia 4 w funkcji czasu, mają kształt prostokątny. Działanie sprzęgła elektromagnetycznego indukcyjnego samowzbudnego jest następujące. W rozwiązaniu z przesuniętymi cewkami 4', 4" roboczego uzwojenia 4 w dwóch różnych pakietach blach 9 wewnętrznego wirnika 2 i prostymi zębami 5 zewnętrznego wirnika 1, ich ukształtowanie w czasie ruchu względnego w stosunku do zębów 5, których jeden koniec stanowi biegun N, a drugi - biegun S, indukowane w dwóch przeciwległych bokach cewki 4', 4" roboczego uzwojenia 4 siły elektromotoryczne 1/2e dodają się powodując przepływ roboczego prądu w całym uzwojeniu roboczym 4. W cewkach 4', 4" indukowane są również przeciwnie skierowane siły elektrom otoryczne 1/2er pochodzące od strum ienia m agnetycznego rozproszenia, lecz mają wielokrotnie mniejszą wartość od sił elektromotorycznych l/2e indukowanych w odcinkach cewek 4', 4 przebiegających pod zębami 5 zewnętrznego wirnika 1. Ruch cewek 4', 4" przesuwających się pod zębami 5 raz jednym, raz drugim przeciwległym bokiem naprzemian powoduje, że indukowane w nich zgodnie z regułą prawej dłoni siły elektrom otoryczne 1/2e zm ieniają kierunek, tworząc przebieg prostokątny. W rozwiązaniu z przesuniętymi względem siebie zębami 5 zewnętrznego wirnika 1 i prostymi cewkami 4', 4" roboczego uzwojenia 4, zęby 5 obydwóch części zewnętrznego wirnika 1 są połączone ze sobą pomiędzy pakietami blach 9 wewnętrznego wirnika 2, tworząc wraz z jego litym żelazem obwód magnetyczny (j)w wzbudzenia ze szczeliną powietrzną 11, w którym strumień m agnetyczny przepływający w każdym zębie 5 nad jednym pakietem blach 9 stanowiącym nabiegunnik N, rozdziela się na dwie części przepływające przez dwa najbliższe zęby 5 nad drugim pakietem blach 9, stanowiącym nabiegunnik S. Ruch cewek 4', 4" roboczego uzwojenia 4 przesuwających się raz pod jednym, raz pod przeciwległym bokiem zębów 5 powoduje, że indukowane w nich siły elektromotoryczne l/2e zmieniają kierunek, tw orząc przebieg prostokątny. W obydwóch rozwiązaniach, cewki 4', 4" roboczego uzwojenia 4, w których przebiegi sił elektromotorycznych 1/2e są zgodne w fazie, połączone są szeregowo tworząc gałąź roboczego uzwojenia 4. Gałęzi tych może być tyle, ile boków roboczego uzwojenia 4 może znajdować się jednocześnie pod jednym biegunem jednego zęba 5 zewnętrznego wirnika 1. Ponieważ robocze uzwojenie 4 i uzwojenie wzbudzenia 3 znajdują się na tym samym, wewnętrznym wirniku 2, wzbudzenie sprzęgła następuje za pomocą wyprostowanego prądu płynącego w roboczym uzwojeniu 4 z jednoczesnym uzyskaniem silnego dodatniego sprzężenia zwrotnego między w zbudzeniem a prądem roboczym. Prąd w każdej gałęzi roboczego uzwojenia 4 złożonego z dwóch szeregowo połączonych cewek 4', 4" jest prostowany w układzie sterowanego mostka diodowo-tyrystorowego. Suma wyprostowanych prądów roboczych cząstkowych jako prąd w zbudzenia zasila uzw ojenie wzbu-

6 dzenia 3. Zasilanie uzwojenia wzbudzenia 3 z zewnątrz nie jest konieczne z uwagi na występujący w litym żelazie m agnetyzm szczątkowy. Kąt otwarcia tyrystorów w bloku 8 mostków diodowo-tyrystorowych jest regulowany od wartości równej zeru do wartości odpow iadającej połow ie okresu przebiegu napięcia w roboczym uzwojeniu 4 poprzez zmianę stałego napięcia sterującego doprowadzonego z zewnątrz 10. Blok 8 zaw iera ponadto układy zabezpieczające tyrystory od przeciążeń i przepięć komutacyjnych, przy czym układ zabezpieczający od przeciążeń realizuje równocześnie funkcję "soft-start" w napędzie, ograniczając prądy roboczego uzwojenia 4 i uzwojenia wzbudzenia 3 w czasie rozruchu. Ze w zględu na w ystępującą w ystarczającą indukcyjność obwodów roboczych oraz obwodów wzbudzenia, dodatkowe zabezpieczenia tyrystorów od strom ości narastania przebiegu prądu przew odzenia, nie są konieczne. Fig. 2

7 Fig. 3

8 Fig. 4

9 Fig. 5

10 Fig. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 2,00 zł.