TECHNOLOGIA MONTAŻU MAGNESÓW TRWAŁYCH W WIRNIKU SILNIKA SYNCHRONICZNEGO DUŻEJ MOCY

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 64 Politechniki Wrocławskiej Nr 64 Studia i Materiały Nr Piotr KISIELEWSKI* silniki synchroniczne, magnesy trwałe, technologia montażu TECHNOLOGIA MONTAŻU MAGNESÓW TRWAŁYCH W WIRNIKU SILNIKA SYNCHRONICZNEGO DUŻEJ MOCY W pracy przedstawiono zarys problematyki związanej z silnikami synchronicznymi dużej mocy z magnesami trwałymi. Pokazano problemy występujące podczas projektowania, montażu i eksploatacji tych silników. Praca przedstawia przykłady realizacji zaproponowanych rozwiązań konstrukcyjnych oraz technologii montażu magnesów trwałych w maszynie synchronicznej dużej mocy. 1. WSTĘP Poszukiwanie coraz tańszych, bardziej niezawodnych i wysokosprawnych przetworników energii sprzyja rozwojowi konstrukcji wykorzystujących nowe materiały oraz technologie. Znaczne ilości wytwarzanej na świecie energii elektrycznej zużywane są przez silniki elektryczne. W znakomitej większości są to trójfazowe silniki prądu przemiennego. Dominującym rozwiązaniem jest stosowanie klatkowych silników indukcyjnych. Obecnie konstrukcje tych silników można w łatwy sposób optymalizować za pomocą programów komercyjnych rozwiązujących równania pola elektromagnetycznego oraz równania obwodowe [1 3]. Skutecznym sposobem na zwiększenie sprawności silników jest zastosowanie do ich konstrukcji magnesów trwałych. Silnik taki w budowie przypomina klasyczny silnik synchroniczny ze wzbudzeniem elektromagnetycznym. Istotną korzyścią wynikającą z zastosowania magnesów trwałych jest wyeliminowanie strat związanych z klasycznym uzwojeniem wzbudzenia, co powoduje zwiększenie sprawności. * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, Wrocław ul. Smoluchowskiego 19, piotr.kisielewski@pwr.wroc.pl

2 41 Aktualnie silniki dużej mocy z magnesami trwałymi nie są produkowane na skalę przemysłową. Produkcja takich silników może być oparta o technologię produkcji silników indukcyjnych, jednak wymaga rozwiązania dwóch zasadniczych problemów. Rozruch silnika synchronicznego z magnesami trwałymi nie jest łatwy ze względu na brak możliwości zmniejszenia do zera strumienia wzbudzenia. Występuje więc sytuacja analogiczna jak w przypadku startu silnika synchronicznego dużej mocy z załączonym od początku procesu rozruchu uzwojeniem wzbudzenia. Jednym ze sposobów umożliwiających uruchomienie takiego silnika jest zastosowanie przełączalnego, dwubiegowego uzwojenia stojana. Istotnym problemem technologicznym przy produkcji silnika dużej mocy z magnesami trwałymi są duże siły oddziaływania magnesów które znacznie utrudniają montaż w maszynie wirnika wraz z osadzonymi magnesami. 2. KONSTRUKCJA SILNIKA W zaproponowanej konstrukcji silnika magnetowód stojana będzie posiadał typową konstrukcję jak dla maszyn synchronicznych wzbudzanych elektromagnetycznie oraz dla silników indukcyjnych dużej mocy. Rdzeń stojana będzie wykonany w postaci pakietów oddzielonych od siebie wstawkami i rozpórkami międzypakietowymi. Wstawki wraz z rozpórkami będą tworzyć kanały wentylacyjne. Magnetowód wirnika będzie tworzony przez magnesy trwałe oraz blachy wirnika. Analogicznie jak w stojanie będą występować kanały wentylacyjne. Blachy wirnika będą tworzyć pakiety, które zmontowane razem będą stanowić biegun. Bieguny wirnika będą montowane na tzw. jaskółcze ogony do pierścienia wykonanego ze stali niemagnetycznej a następnie klinowane. Po odwirowaniu wirnika zostanie zastosowane dobijanie klinów celem wyeliminowania luzów, a następnie kliny zostaną zaspawane. Widok zaprojektowanego wirnika wraz z połączeniami międzybiegunowymi przedstawiono na rysunku 1. Technologia montażu magnesów trwałych wymaga zaprojektowania specjalnych tarcz łożyskowych, które mają przewidziane otwory do montażu uchwytów i prowadnic dla magnesów trwałych. Najprostszym sposobem montażu silnika z magnesami trwałymi jest włożenie do stojana wirnika wraz z zamontowanymi magnesami. Taki sposób montażu jest stosowany w maszynach z magnesami trwałymi małej mocy. W dużych maszynach włożenie wirnika wraz zamontowanymi magnesami do stojana, ze względu na znaczne siły oddziaływania magnesów, jest praktycznie niemożliwe. Dlatego w zaprojektowanej konstrukcji w pierwszej kolejności jest wkładany do stojana wirnik bez magnesów trwałych, a następnie przy użyciu przyrządów i wykorzystaniu otworów w tarczach łożyskowych montuje się magnesy w maszynie.

3 42 Rys. 1. Wirnik maszyny dużej mocy z magnesami trwałymi Fig. 1. Rotor of the large power permanent magnet synchronous motor Przyrząd przedstawiony na rysunku 2 jest wykonany ze stali niemagnetycznej i składa się z prowadnicy rurowej, trzpienia do przesuwania magnesów oraz zębatej, samohamownej przekładni do napędu trzpienia. Rys. 2. Przyrząd do montażu i demontażu magnesów trwałych Fig. 2. Assembly jig for permanent magnet Widok przyrządu zamontowanego na tarczy łożyskowej przedstawiono na rysunku 3. Zaprojektowany układ zawiera dwa identyczne przyrządy zamontowane na dwóch tarczach łożyskowych silnika (rys. 4).

4 43 Rys. 3. Zamocowanie przyrządu na tarczy łożyskowej Fig. 3. Assembly jig mounted on the bearing disc Rys. 4. Rozmieszczenie przyrządów na maszynie Fig. 4. Arrange of the assembly jigs on machine Montaż magnesów należy rozpocząć od ustawienia wirnika w odpowiedniej pozycji i jego zablokowania przy użyciu sworznia (rys. 5). Następnie jeden z przyrządów zostaje maksymalnie wepchnięty w żłobek przeznaczony na magnesy.

5 44 Z drugiej strony maszyny należy kolejno wkładać magnesy do prowadnicy aż do jej zapełnienia magnesami. W dalszym etapie należy stopniowo wyjmować jeden z przyrządów ze żłobka, jednocześnie popychając magnesy drugim przyrządem. Następnie należy wyjąć przyrząd pchający, włożyć kolejne magnesy do prowadnicy i czynność powtórzyć aż do zapełnienia żłobka wirnika magnesami. Po wciśnięciu magnesów należy przykręcić do blach dociskowych wirnika, wykonane ze stali niemagnetycznej, prostokątne blokady przedstawione na rysunku 5, które uniemożliwią wysuwanie się magnesów z wirnika. Ewentualny demontaż magnesów z wirnika należy wykonać w odwrotnej kolejności używając tych samych przyrządów. Rys. 5. Montaż oraz blokada mechaniczna magnesów trwałych Fig. 5. Assembly and mechanical blockade for permanent magnets Niesymetryczne rozmieszczenie magnesów trwałych w wirniku w czasie montażu będzie powodować zwiększenie siły naciągu magnetycznego, powiększając jednocześnie opory w łożyskach podczas ręcznego obracania wirnika. Dodatkowo, w wyniku chwilowego niewyważenia wirnika, będzie on miał tendencję do ustawiania się w określonej, wynikającej z grawitacji, pozycji. Przy masie wirnika przekraczającej 3500 kg, ręczne obracanie wirnika jest znacznie utrudnione.

6 45 Aby niepotrzebnie nie zwiększać oporów tarcia w łożyskach oraz uniknąć samoczynnego ustawiania się wirnika w określonych pozycjach ze względu na niewyważenie, magnesy należy montować po przekątnej. Na rysunku 6 przedstawiono przestrzenne umieszczenie przyrządu w silniku. Zaprojektowane przyrządy umożliwiają łatwy montaż i demontaż magnesów trwałych w silniku dużej mocy. Rys. 6. Usytuowanie przyrządu w silniku Fig. 6. Location of the assembly jig on motor 3. PODSUMOWANIE Zaprojektowanie silnika dużej mocy z magnesami trwałymi wymaga rozwiązania szeregu problemów technicznych związanych z trudnym rozruchem oraz technologią montażu magnesów trwałych. Silnik dużej mocy z magnesami trwałymi jest nieznacznie droższy od klasycznego silnika synchronicznego, jednak znaczne zwiększenie sprawności do poziomu nieosiągalnego przez silniki indukcyjne powoduje, iż jego zastosowanie jest ekonomicznie uzasadnione. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy POIG /09.

7 46 LITERATURA [1] DEMENKO A., Obwodowe modele układów z polem elektromagnetycznym, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [2] GORDON R., AWAD S., AWAD M., On equivalent circuit modeling for synchronous machines, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 14, No. 4, December 1999, pp [3] DEMENKO A., Polowe metody analizy maszyn elektrycznych, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria Elektryka, z. 176, 2001, s ASSEMBLY TECHNOLOGY OF PERMANENT MAGNETS ON ROTOR OF THE LARGE POWER SYNCHRONOUS MOTOR The paper presents problems with large power permanent magnets synchronous motors. There are shown design, assembly and operation problems. The paper presents examples of realization of the construction solutions and assembly technology of permanent magnets in large power synchronous motor.