PRZEGLĄD KONSTRUKCJI OBWODÓW MAGNETYCZNYCH I UZWOJEŃ MASZYN ELEKTRYCZNYCH TARCZOWYCH

Transkrypt

1 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N /4 () 89 Taeusz Glinka, Tomasz Wolnik Instytut Napęów i Maszyn Elektycznych KOMEL, Katowice PRZEGLĄD KONSTRUKCJI OWODÓW MAGNETYCZNYCH I UZWOJEŃ MASZYN ELEKTRYCZNYCH TARCZOWYCH REVIEW OF MAGNETIC CIRCUITS AND WINDINGS OF AXIAL FLUX MACHINES Steszczenie: W atykule pzestawiono konstukcje tzech ozajów silników taczowych: pąu stałego z komutatoem mechanicznym, z komutatoem elektonicznym i inukcyjny. Silnik z komutatoem elektonicznym ma wiele ozwiązań konstukcyjnych, w atykule pzestawiono kilka z nich. Silnik taczowy inukcyjny w ostatnich latach jest pzemiotem baań i opacowań w ośokach baawczych na świecie, także w KOMEL-u ozpoczęto pace na ten temat w amach gantu finansowanego pzez Naoowe Centum Nauki. Abstact: This pape pesents the constuctions of thee types of axial flux motos: DC with mechanical commutato, with electonic commutato an inuction moto. Motos with electonic commutato has many constuctional solutions. This aticle pesents some of them. Axial flux inuction motos in ecent yeas is the subject of eseach an evelopment in Institutes in the wol. Also, Institute of Electical Dives an Machines KOMEL began wok on this subject, une a gant fune by the NCN Słowa kluczowe: silniki taczowe, silniki z magnesami twałymi, silniki inukcyjne Keywos: Axial flux motos, motos with pemanent magnet, inuction motos. Wstęp Silniki taczowe chaakteyzują się osiowym kieunkiem wektoa stumienia magnetycznego (ównolegle o osi wału) i aialnym kieunkiem pzepływu pąu w uzwojeniu twonika (postopale o osi wału). Kieunek ziałania siły elektomagnetycznej jest postopały o wymienionych kieunków, czyli jest obwoowy. Silniki taczowe mają wiele zalet w stosunku o silników walcowych: chaakteyzują się wyższą ynamiką ziałania, poównywalną spawnością, pacą w użym zakesie pękości obotowej oaz większą gęstością mocy i momentu winika. Zaletą silników taczowych jest także możliwość wkomponowania ich w obuowę uzązenia napęzanego, bez stosowania pzekłani mechanicznej, np. w amieniu obota, co w sposób znaczący upaszcza ukła napęowy, powyższa jego stana (bak luzów, któe są w pzekłani) i powyższa niezawoność ziałania. W wielu uzązeniach zastosowanie napęu z silnikami taczowymi jest znacznie kozystniejsze niż ozwiązania z wykozystaniem maszyn cylinycznych. Istnieją uże możliwości zastosowania silników taczowych w pzemyśle, w tanspocie i uzązeniach bytowych. Silniki taczowe są stosowane jako elementy wykonawcze w óżnego typu manipulatoach i automatach, w ukłaach napęowych uzązeń technologicznych np. w nawijakach wysokoobotowych. Silniki taczowe mogą być ównież zabuowywane w kołach jeznych óżnego typu pojazów elektycznych ogowych i szynowych. Ponato znajują one możliwości stosowania w awiacji, w óżnego ozaju łoziach pływających, w winach oaz w enegetyce wiatowej i wonej [4]. Pomimo, że konstukcje silników taczowych znane są o lat, w alszym ciągu twają pace baawcze mające na celu lepsze poznanie tego ozaju maszyn. Instytut Napęów i Maszyn Elektycznych KOMEL ealizuje pojekt mający na celu zbaanie zjawisk zachozących w taczowych obwoach elektomagnetycznych wykozystujących nowoczesne mateiały magnetyczne, w awayjnych stanach pacy (np. asymetie obwou elektomagnetycznego). Asymetia w taczowych obwoach elektomagnetycznych ma istotne znaczenie z uwagi na zjawisko osiowego naciągu magnetycznego mogącego powoować zabuzenia paametów elektomagnetycznych maszyny, jej niepawiłową pacę oaz mniejszą żywotność np. łożysk. Silniki elektyczne taczowe zasaniczo mają tzy typy ozwiązania: komutatoowe pąu

2 9 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N /4 () stałego wzbuzane magnesami twałymi, z komutacją elektoniczną wzbuzane magnesami twałymi i inukcyjne klatkowe.. Silniki taczowe komutatoowe pąu stałego Silniki taczowe komutatoowe pąu stałego mają wiujące uzwojenie twonika, bez zenia feomagnetycznego, a magnesy twałe są umieszczone na nieuchomych taczach feomagnetycznych. Na ysunku zilustowano zasaę ziałania silnika taczowego, a na ys. pokazano jeną taczę stojana z magnesami twałymi. Uzwojenie winika ma kształt taczy osazonej na wale. Uzwojenie zawiea wie bąź więcej wastw pzewoów miezianych ufomowanych pomieniowo i zalanych żywicą. Szczotki ślizgają się wpost po czołach uzwojenia, któe pełnią ównocześnie funkcję komutatoa mechanicznego. Uzwojenie bezzeniowe ma wiele zalet: chaakteystyki elektomechaniczne są liniowe, mały moment bezwłaności zapewnia obą ynamikę ziałania, moment zaczepowy jest ówny zeo, powiezchnia chłozenia jest uża, a ciepło oawane jest wpost z miezi o otoczenia. Silniki te mogą pacować pzy kótkotwałych pzeciążeniach pąowych, co owocuje użą ynamiką ziałania. Waą tego typu silników taczowych jest komutato mechaniczny, któy jest częścią uzwojenia i szybko się ściea. Ponato są to silniki ogie z uwagi na znaczny koszt wykonania winika. Należy ównież oać, że bak feomagnetyka w stojanie nazuca konieczność zastosowania użej objętości magnesów twałych w celu uzyskania opowieniej watości inukcji magnetycznej w szczelinie powietznej, co ównież zwiększa koszt maszyny. Moment elektomagnetyczny silnika efiniowany jest jako: T F =,5 F = π α i α α () Rys.. uowa i ukła wektoów: - inukcji, I pąu i ω - pękości kątowej w silniku taczowym pąu stałego z komutatoem mechanicznym [3] Rys.. Pogląowe ozmieszczenie magnesów twałych na taczy stojana silnika z ysunku [3] Wymiay obwou magnetycznego silnika eteminują wymiay: śenica okęgu, na któym są ozmieszczone śoki magnesów twałych, śenica magnesów twałych, jeśli magnesy są okągłe lub ługość łuku magnesów na śenicy pzy innych kształtach magnesów, p liczba pa biegunów, l sumayczna ługość magnesów twałych liczona wzłuż linii pola magnetycznego, g gubość taczy uzwojenia, δ szczelina powietzna mięzy taczą winika i magnesami twałymi. Wymiay te są ze sobą współzależne. Chaakteystykę magnesowania magnesów neoymowych i magnesów feytowych można założyć liniową i apoksymować ją ównaniem postej: H = () H C Paamety pola magnetycznego w szczelinie po magnesami twałymi wynoszą:

3 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N /4 () 9 H = = µ lh ( δ µ lh µ lh C ( δ g ) lh ( δ g ) C g ) (3) Długość aktywna pzewoów winika jest ówna wymiaowi pomieniowemu magnesów twałych. Dla magnesów okągłych jest ówna. Ze wzglęów komutacyjnych pąu twonika szeokość magnesów w stosunku o poziałki biegunowej τ powinna spełniać waunek τ p,7 = (4) π Natomiast śenica zewnętzna ( ) i wewnętzna ( ) aktywnej części taczy winika, z uwagi na połączenia czołowe i optymalne wypełnienie powiezchni taczy miezią, powinny spełniać waunek = 3,7 =,5 ( ) (5) Z powyższych zależności wynika optymalna liczba biegunów silnika taczowego pąu stałego p 8 (6) 3. Silnik z komutacją elektoniczną Silniki taczowe z komutacją elektoniczną po wzglęem buowy są owóceniem silników taczowych pąu stałego z komutatoem mechanicznym. Na winiku są umieszczone magnesy twałe, a uzwojenie twonika jest umieszczone na stojanie [6]. W oóżnieniu o silników taczowych pąu stałego (ys.), silniki z komutacją elektoniczną mają wiele waiantów ozwiązania obwou magnetycznego i uzwojenia twonika. Wyóżnić można silniki taczowe: - z wustonnym zewnętznym winikiem i wewnętznym twonikiem, - z wustonnym zewnętznym twonikiem i wewnętznym winikiem, - z jenostonnym twonikiem i jenostonnym winikiem. Ponato twonik silnika może być: - bezzeniowy z uzwojeniem umieszczonym "w powietzu", - z zeniem magnetycznym, lecz bez żłobków i uzwojeniem umieszczonym na powiezchni zenia, - z zeniem magnetycznym ze żłobkami, w któych jest umieszczone uzwojenie. Kilka pzykłaowych ozwiązań konstukcyjnych obwou wzbuzenia i uzwojeń twonika pzestawiono na ysunkach 3 o 6. Rys. 3. Szkic obwou elektomagnetycznego silnika taczowego bezzeniowego z wewnętznym twonikiem [] Rys. 4. Silnik taczowy z wustonnym zewnętznym winikiem i z uzwojeniem cewkowym umieszczonym na wyatnych biegunach magnetycznych: - wał, - łożysko, 3 magnesy twałe óżnej biegunowości, 4 cewka uzwojenia, 5 zeń stojana, 6 - tacza winika, 7 tacza łożyskowa, 8 - kałub [4]

4 9 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N /4 () Rys. 5. Silnik taczowy z wustonnym zewnętznym winikiem i wewnętznym twonikiem z bezżłobkowym zeniem: - wał, - łożysko, 3 - magnesy jenakowej biegunowości, 4 - cewka uzwojenia, 5 zeń stojana, 6 - tacza winika, 7 tacza łożyskowa, 8 - kałub [4] Rys. 6. Moel silnika taczowego z winikiem wewnętznym: wał, - łożysko, 3 uzwojenie stojana, 4 zeń stojana, 5 magnesy twałe, 6 pzekłaka mięzy magnesami, 7 pieścień po wał, 8 tacza łożyskowa, 9 kałub [4] Pojektując silnik taczowy z komutacją elektoniczną, o napęu okeślonej maszyny oboczej lub o napęu pojazu elektycznego, należy okonać wybou najkozystniejszego ozwiązania weług kyteiów: - obó anych znamionowych ostosowanych o źóła zasilania i zapewniających ealizację wszystkich możliwych stanów obciążenia, w tym ynamikę ziałania, - opasowanie konstukcyjne i wymiaowe o stanowiska zainstalowania, - wybó konfiguacji obwou magnetycznego i uzwojenia, pzy któym uzyskuje się największy stosunek momentu o masy, - koszt wykonania silnika. Ciekawym ozwiązaniem jest silnik taczowy z wyatnymi biegunami. Silnik w tym ozwiązaniu może być buowany tak z twonikiem wewnętznym i wuczęściowym winikiem (ys.4), jak i z winikiem wewnętznym i zielonym twonikiem. Kozystnie jest ten silnik wykonać w waiancie wufazowym, wówczas wyatne bieguny fazy A i fazy są wzglęem siebie pzesunięte o kąt elektyczny 9, a współczynnik uzwojenia wynosi. Najmniejszy moment bezwłaności ma silnik z winikiem wewnętznym i wuczęściowym uzwojeniem stojana, jak na ys.6. W tym ozwiązaniu magnesy twałe są umieszczane na konstukcji mocującej niemagnetycznej. W publikacjach [,5,8] poano wytyczne optymalnego wybou liczby pa biegunów i stosunku śenic wewnętznej o zewnętznej zenia biegunów feomagnetycznych. 4. Silniki taczowe inukcyjne Silniki taczowe pąu stałego mają bazo obe paamety i chaakteystyki elektomechaniczne jenak ich cena stale ośnie, gyż chińscy poucenci magnesów twałych NFe - światowy monopolista, co oku zwiększają ich cenę. Już obecne ceny magnesów NFe skłaniają poucentów maszyn taczowych o zainteesowania się maszynami inukcyjnymi taczowymi. Silniki taczowe inukcyjne mają wie istotne zalety, w stosunku o silników taczowych z magnesami twałymi: są o nich tańsze i mają znacznie tańszy system zasilania i steowania. Regulację pękości obotowej można ealizować wykozystując katalogowe falowniki enegoelektoniczne z zaimplementowanym algoytmem steowania. Silniki te mają jenak większą masę i mniejszą pzeciążalność momentem. Konstuktozy maszyn oboczych i manipulatoów staają się zintegować silnik napęowy z uzązeniem twoząc jeen zespół maszyny, eliminując pzy tym najczęściej pzekłanię mechaniczną. W wielu tych ozwiązaniach silnik taczowy, ze wzglęu na małą ługość osiową, jest lepszym ozwiązaniem o silnika walcowego. Pzykłaami może być: kompakt pompa-silnik oaz mała tubina wiatowa o pionowej osi obotu z zabuowaną w olnej taczy pąnicą taczową inukcyjną. Silnik inukcyjny taczowy, w niektóych ozajach napęów, może wypełniać także funkcję oatkową, np. silnik zabuowany w pzekłani óżnicowej pojazu napęza koła, a na łukach

5 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N /4 () 93 jezni umożliwia obót kół z óżną pękością opasowaną o kąta skętu pojazu, co zapewnia jazę bez poślizgu. Silniki taczowe inukcyjne mogą być buowane: - z wewnętznym stojanem i wuczęściowym zewnętznym winikiem, - z wuczęściowym zewnętznym stojanem i wewnętznym winikiem, - jenoczęściowym stojanem i jenoczęściowym winikiem. Uzwojenie zasilające jest umieszczone na stojanie, a uzwojenie klatkowe na winiku. Obywa uzwojenia są umieszczone w żłobkach. W liteatuze [] autozy poają pzykła 3-fazowego silnika taczowego ze stojanem wewnętznym. Silnik jest pzeznaczony o zabuowania w pzekłani óżnicowej jako silnik napęowy kół jeznych pojazu. Konstukcja silnika została opacowana i został zbuowany pototyp. Moc silnika kw, liczba pa biegunów 8, śenica zewnętzna 8 mm, śenica wewnętzna 4 mm, szczelina powietzna,5 mm, liczba żłobków stojana i winika 48/53, skos żłobkowy winika 8,63, masa żelaza stojana i winika 4/5,8 kg, masa miezi stojana i winika /4 kg, inukcja magnetyczna w jazmach i żłobkach stojana i winika na poziomie,8 T. Stosunek masy żelaza i miezi o mocy znamionowej silnika (gęstość mocy) wynosi,75 kg/kw, co należy uznać za wskaźnik oby. W publikacji [9] jest pzestawiony silnik taczowy inukcyjny o paametach: 45 kw, 3x4 V, 6 ob/min, poślizg =,, p = 4, liczba żłobków stojana i winika 36/3, śenica zewnętzna i wewnętzna zenia 3/9. Silnik moelowy testowano pzy szczelinie,9;,4; i,9 mm. Silnik jest pzeznaczony o napęu pompy i ma być konstukcyjnie z pompą zintegowany. W Polsce w ostatnich latach są ozwijane baania ukłaów napęowych pojazów ogowych miejskich, ostawczych i ekeacyjnych o napęzie elektycznym. Istotnym poblemem jest bak na polskim ynku poucenta nowoczesnych i tanich ukłaów napęowych z silnikami taczowymi. Silniki inukcyjne taczowe zasilane z falowników lukę tę mogłyby wypełnić. Silniki taczowe można zabuować bezpośenio w kołach jeznych pojazu. Ma to uże znaczenie zwłaszcza la pojazów o małych gabaytach (np. wózki inwalizkie, pojazy golfowe, maszyny czyszczące choniki i koytaze). Pojaz z silnikami zabuowanymi w kołach ma mniejsze zużycie enegii. W silnikach taczowych ziałają osiowe siły naciągu magnetycznego. Z oświaczenia wiaomo, że siły naciągu magnetycznego są pawie o zą większe o sił geneujących moment obotowy. Konstukcja mechaniczna silnika musi to uwzglęniać. Doatkowym poblemem jest asymetia obwou elektomagnetycznego. Poblemu tego nie ma w silnikach walcowych, gyż siły naciągu magnetycznego wzbuzane po poszczególnymi biegunami magnetycznymi kompensują się na obwozie maszyny. W każej maszynie elektycznej występuje niewielka asymetia technologiczna wynikająca z sumowania się w szczelinie magnetycznej toleancji wymiaowych, jej wielkość jest stochastyczna. W silnikach walcowych geneuje to niewielką (pomijalną) siłę naciągu magnetycznego. W silnikach taczowych z zeniem feytowym w twoniku siły naciągu magnetycznego oziałują na konstukcję mechaniczną silnika i mogą powoować jej uginanie, gania i asymetię szczeliny: statyczną i ynamiczną. Jakość silnika taczowego zależy o konstukcji mechanicznej i technologii jego wykonania. 5. Posumowanie Silniki o stumieniu osiowym stanowią altenatywne ozwiązanie o powszechnie stosowanych ziś silników cylinycznych. Dla niektóych zastosowań wykozystanie silników taczowych wyaje się być ozwiązaniem niosącym szeeg kozyści mięzy innymi takich, jak oganiczenie ługości osiowej maszyny. Jenakże należy pamiętać, że w tego typu silnikach pojawiają się oatkowe tuności związane na pzykła z tym, że są to konstukcje o użym pomieniu, a więc szczególnie ważnym zaganieniem jest utzymanie stałej gubości szczeliny powietznej. Realizuje się to pzez opowienią konstukcję mechaniczną winika i stojana. Wykonanie użłobkowanego zenia stojana ównież jest czynnością baziej kłopotliwą, niż w pzypaku klasycznych silników cylinycznych. Kolejnym poblemem w silnikach taczowych jest opowazanie ciepła, jak ównież sposób chłozenia maszyny. Pzestawione w atykule wybane ozaje ozwiązań silników taczowych stanowią część zbiou możliwych o wykonania konstukcji. Każy z omówionych silników cechuje się wy-

6 94 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N /4 () soką spawnością, wysokim współczynnikiem moc / masa oaz moment / masa. 6. Liteatua []. Caicch F., Cescimbini F., Santini E.: Axial-flux electomagnetic iffeential inuction moto. Electical Machines an Dives; -3 Septembe 995, Confeence Publication No. 4,O IEE, 995. []. Glinka T., Jakubiec M.: Rozwiązania silników taczowych, Zeszyty Poblemowe - Maszyny Elektyczne, 77 (7), [3]. Glinka T.: Maszyny elektyczne wzbuzane magnesami twałymi, Wyawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice. [4]. Glinka T., Kól E., iałas A., Wolnik T.: Silniki taczowe z magnesami twałymi jako napę pojazów wolnobieżnych - pzeglą ozwiązań konstukcyjnych, Pzeglą Elektotechniczny, 3/, st. -4. [5]. Gieas J., Wang R., Kampe M.: Axial Flux Pemanent Magnet ushless Machines, Kluwe Acaemic Publishes, Doecht/oston/Lonon 4. [6]. Menela E., Łukaniszyn M., Macek- Kamińska K.: Taczowe silniki pąu stałego z komutacją elektoniczną, Wyawnictwo Gnome PAN. [7]. Ayin M., Huang S., Lipo T. A.: Low Noise an Smooth Toque Pemanent Magnet Populsion Motos: Compaison of Non-slotte an Slotte Raial an Axial Flux Topologies. IEEE Intenational Aegean Electical Machine an Powe Electonic. Confeence, Kusaasi-Tukey,, pp.-8. [8]. Paviainen A.: Design of Axial-Flux Pemanent Magnet low-spee machines an pefomance compaison between aial flux an axial - flux machines, Lappeenannan teknillinen yliopisto, Digipaino 5. [9]. Valtonen M.: Paviainen A., Pyhönen J.: Influence of the Ai-Gap Length to the Pefomance of an Axial-Flux Inuction Moto. Poceeingsofthe 8 Intenational Confeence on Electical Machines. IEEE. []. Wiak S., Wiak S., Welfle H.: Silniki taczowe w napęach lekkich pojazów elektycznych. Wyaw. Politechniki Łózkiej,. []. Wolnik T.: Analiza poównawcza wybanych moeli silników taczowch z magnesami twałymi, Zeszyty Poblemowe - Maszyny Elektyczne, /3, Paca naukowa finansowana ze śoków Naoowego Centum Nauki jako pojekt baawczy UMO-/7//ST8/499.