Studia i Materiały Nr

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 50 Politechniki Wrocławskiej Nr 50 Studia i Materiały Nr 000 Anatoliy AFONIN* Wojciech KRAMARZ* Piotr CIERZNIEWSKI* bezpośredni, liniowy, obrotowy, osiowy, masogabarytowy, maszyna elektryczna, moment elektromagnetyczny, promieniowy, ruch, siła MASZYNY ELEKTRYCZNE NAPĘDU BEZPOŚREDNIEGO Omówiono tendencję rozwoju niekonwencjonalnych maszyn elektrycznych ruchu liniowego i obrotowego, przeznaczonych do napędu elektrycznego bezpośredniego działania (bez przekładni mechanicznej). Przedstawiono wielkości jednostkowe sił i momentów elektromagnetycznych dla różnych rozwiązań konstrukcyjnych silników napędu bezpośredniego ruchu liniowego i obrotowego, między innymi w modelu doświadczalnym maszyny elektrycznej z koncentratorami strumienia magnetycznego, w silnikach typu SLPM i innych. Pokazano zasady budowy silników typu osiowo-promieniowego z maksymalną gęstością przestrzennego upakowania elementów współdziałających elektromechanicznego przetwornika. Przeprowadzone badania teoretyczne i doświadczalne potwierdzają prawidłowość zaproponowanych rozwiązań technicznych, co otwiera perspektywy budowy nowoczesnego bezprzekładniowego napędu ruchu liniowego i obrotowego.. WSTĘP Elektryczne maszyny napędu bezpośredniego (bez przekładni mechanicznej) są często wykorzystywane w systemach automatyki, robotyki, transportu i w instalacjach przemysłowych. Różne rozwiązania konstrukcyjne nowoczesnych bezprzekładniowych układów napędowych [ 3] jednak nie zawsze zapewniają duże wartości momentu obrotowego oraz siły przy ograniczonych masach i gabarytach, a także odpowiednie parametry dynamiczne i sprawność. Wybór wariantu napędu powinien uwzględniać zarówno wymagania techniczne, technologiczne i ekonomiczne, jak i dawać możliwość wykorzystania układów energoelektroniki i techniki mikroprocesorowej w celu realizacji ruchu programowanego [4, 5]. Wymaga to opracowania nowych rozwiązań technicznych elektromechanicznych przetworników energii z lepszymi wskaźnikami masogabarytowymi oraz charakterystykami energetycznymi. * Instytut Elektrotechniki, Politechnika Szczecińska, 70-33 Szczecin, ul. Gen. Sikorskiego 37, tel.: 09-4494659, fax.: 09-43375 e-mail: cierz@we.tuniv.szczecin.pl

8. SIŁA JEDNOSTKOWA W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH Przedstawiona na rys. i, jako przykład, maszyna elektryczna jest elementem dwusilnikowego wolnoobrotowego napędu bezpośredniego działania, przeznaczonego do realizacji ruchu programowanego z regulowaniem głównych współrzędnych (prędkości obrotowej, momentu, kąta obrotu i stanów dynamicznych wirnika w odpowiednio zadanych sektorach ruchu). Dwufazowy silnik głębinowy ma chłodzenie naturalne. Znamionowy stan pracy realizowany jest przy zanurzeniu w wodzie silnika napełnionego olejem. 5 6 6 A 9 A 4 6 M 5 7 3 M φ9 φ84 0 0 7 7 3 3 φ84 9 φ00 4 5 30 8 9 8 30 5 5 4 3 Rys.. Przekrój podłużny silnika Fig.. Longitudinal section of motor Konstrukcja silnika składa się ze stojana w postaci dwóch sekcji ferromagnetycznych (po jednej dla każdej fazy), w których wykonano otwarte prostokątne żłobki (po 4 w każdej sekcji). W żłobkach stojana ułożono cewek (po na fazę). Wirnik silnika zawiera dwie pary tarcz z 4 magnesami trwałymi z ferrytu baru. Podziałka biegunowa wirnika τ R jest równa podziałce biegunowej τ S stojana τ R = τ S = τ (w jednostkach kątowych). Równe są także szerokości zębów i żłobków zarówno stojana, jak i wirnika (w jednostkach kątowych). Struktura biegunowa magnesów trwałych pierwszej fazy przesunięta jest w kierunku azymutalnym względem struktury biegunowej drugiej fazy o połowę podziałki biegunowej wirnika τ/. Nieruchomy stojan składa się z dwóch sekcji: sekcja pierwszej fazy i sekcja drugiej. Pomiędzy sekcjami znajduje się niemagnetyczny pierścień 3 wykonany ze stali nierdzewnej. W każdej sekcji stojana w kierunku osiowym wykonano żłobki (po 4 dla każdej sekcji) w kształcie prostokątnym. W żłobkach stojana ułożono cewki (po na fazę): cewki 6 pierwszej fazy i 7 drugiej.

Cewki wykonano z okrągłego przewodu miedzianego o średnicy d =,5 mm. Końce cewek połączono między sobą szeregowo (po 6 cewek w grupie), a w każdej fazie dwie grupy połączono równolegle. Końce faz wyprowadzono z silnika przez łącznik hermetyczny 9 za pomocą czterożyłowego kabla w wykonaniu morskim. 9 6 9 8 33 34 35 τ S 3 4 7 τ R 5 0 8 30 Rys.. Przekrój poprzeczny silnika Fig.. Transverse section of motor Wirnik silnika stanowi konstrukcja spawana ze stali nierdzewnej, składająca się z dwóch par tarcz, zamocowanych na wydrążonym wale 0. Wykonanie wału w postaci wydrążonej pozwala nie tylko zmniejszyć moment bezwładności masy wirującej, ale także polepszyć odprowadzenie ciepła od silnika przez otwór w wyjściowym końcu wału. Każda para dysków wirnika przedstawia odpowiednią fazę i zawiera 4 magnesy trwałe z ferrytu baru, ulokowane w kierunku azymutalnym o przemiennej biegunowości N-S-N-S-N-S- na ferromagnetycznych biegunach 3 pierwszej fazy i 4 drugiej. Ferromagnetyczne bieguny pełnią rolę koncentratorów strumienia magnetycznego i pozwalają wykorzystać tanie magnesy trwałe. W obszarze biegunów z koncentratorami pola magnetycznego można zwiększyć indukcję pola S M magnetycznego w szczelinie roboczej B δ = B ( σ ) M S P trwałych, przy czym B M = km Br ; k współczynnik wykorzystania magnesów trwałych; M B r remanencja (pozostałość magnetyczna magnesu trwałego); S M powierzchnia bieguna magnesu trwałego; S P powierzchnia nabiegunnika wirnika; σ współczynnik rozproszenia ; gdzie: B M indukcja magnesów

0 pola magnetycznego. Magnesy trwałe mają kształt graniastosłupa i są namagnesowane i ułożone w ten sposób, że płaszczyzna rozdzielająca bieguny ferromagnetyczne jest równoległa do bocznej powierzchni odpowiedniego żłobka. Wirnik ułożony jest w łożyskach: ślizgowym na stronie wyjścia wału i kulkowym na drugiej stronie. Tarcze łożyskowe wykonane ze stali nierdzewnej połączone są ze stojanem za pomocą śrub 6 i zawierają otwory montażowe 7. Tarcze łożyska ślizgowego zawierają brązową tuleję 8 zamocowaną w korpusie tarczy łożyskowej 5, uszczelnienie dławnicowe 9 i pokrywę 0, która mocuje dławnicę 9 za pomocą śrub. Tarcza łożyska kulkowego zawiera łożysko promieniowo-odbojowe, zamocowane na tarczy łożyskowej 3 śrubami 4 z podkładką dociskową 5. Tarcze łożyskowe 3 zawierają sześć otworów 7 i połączone są ze stojanem za pomocą śrub 6. Wał 0 ułożony jest w łożyskach za pośrednictwem pierścienia 8 i śrub 9. Zamknięta część silnika oddzielona jest od ciśnienia środowiska zewnętrznego za pomocą membrany wyrównawczej 30. Wewnętrzny pierścień łożyska jest utrzymywany tarczą pokrywy 3 za pomocą śrub 3. Do nalewania i wylewania oleju silnik zawiera otwór ze śrubą 33, podkładkę dociskową 34 i podkładkę uszczelniającą 35 z gumy olejoodpornej. Struktura napędu zawiera źródło zasilania, komutator elektroniczny, czujniki optoelektroniczne na wirniku, programator i mikroprocesor. Źródło energii elektrycznej prądu stałego dostarcza energię o maksymalnym napięciu U = 60 V i prądzie I = 50 A. Komutator elektroniczny dwufazowy z bipolarnym napięciem na wyjściu jest wyposażony w układ ze sprzężeniem zwrotnym. Podczas badań realizowano zarówno różnorodne stany pracy ruchu ciągłego z regulowaniem prędkości obrotowej i synchronizacją ruchu każdego z dwóch silników (a także rewersem prędkości w zadanym sektorze), jak i stany pracy podobne do pracy silnika skokowego (wartość skoku bazowego silnika stanowi 7,5 ). Zależność momentu na wałe od prądu silnika w stanie quasi-statycznym można wyrazić funkcją liniową w przedziale prądu silnika I = (4 37) A; M(I) = M 0 +4,6 k M I; gdzie M 0 = 95 N m; k M = 4,5 N m/a. Przy I = 37 A moment elektromagnetyczny wynosi M = 65 N m. Zależność momentu elektromagnetycznego od wielkości mocy także można wyrazić funkcją liniową M = k P, gdzie k P = 48 N m/kw w przedziale P = (0,,4) kw. Wielkość P powierzchni wirnika silnika S = 054 0 4 m, a siła elektromagnetyczna F = 500 N. Wynika stąd, że w silnikach z koncentratorami strumienia magnetycznego wartość jednostkowa siły wynosi F max /S PM,4 0 4 N/m. W badaniach układów o dużej szczelinie powietrznej wykorzystano dwa rdzenie ferromagnetyczne w kształcie litery U z nawiniętymi czterema cewkami. Liczba zwojów w jednej cewce z = 600, średnica zewnętrzna przewodu z izolacją d = 0,75 mm (S Cu = 0,407 mm ). Częścią ruchomą są magnesy trwałe NdFeB o rozmiarach (0 30 3) 0 3 m, zamocowane w płycie z duraluminium (powierzchnia magnesów równa się S PM = 0 4 m ). Wielkość odstępu między biegunami 6,8 mm, tzn. szczelina między biegunami i magnesami z jednej strony wynosi (6,8 3)/ =,9 mm. W wyniku badań uzyskano następujące wartości sił:. I = 0,5 A, U = 9 V, F max = 5 N;

. I =,0 A, U = 8 V, F max = 4 N; 3. I =,5 A, U = 7 V, F max = 30 N; 4. I =,0 A, U = 36 V, F max = 44 N; 5. I =,5 A, U = 45 V, F max = 53 N; 6. I = 3,0 A, U=54 V, F max = 57 N. Jak widać, nawet przy dużych wielkościach szczeliny powietrznej można uzyskać wartość jednostkową siły F max /S PM = ( 4) 0 4 N/m. W strukturze grzebieniowej o małych szczelinach powietrznych [4, 5] można uzyskać siłę o dużej wielkości. W napędzie bezpośredniego ruchu liniowego sztucznego serca [4] parametry silnika FLPM-SS 87 mają wartości: masa m = 0,3 kg; objętość V = 0,05 l = 50 ml; siła elektromagnetyczna F e = 60 N; stosunek siły do objętości F e /V=, N/0 3 l; stosunek siły do masy F e /m = 0,9 N/g. Silnik FLPM-SS 87 zawiera stojan rozdzielony na dwie części ze znajdującym się między nimi biegnikiem o grubości 6 mm. Wysokość każdej z połówek stojana wynosi 0 mm, a szerokość stojana 3 mm. Rozmiar liniowy stojana 0 mm. Wielkość szczeliny powietrznej δ = 40 µm. = 40 0 6 m. Inne rozwiązanie konstrukcyjne silnika typu SLPM ze zwiększoną siłą F e =46 N przedstawiono w [5]. Rozmiar liniowy stojana jest zwiększony i stanowi 40 mm, a wysokość każdej z połówek stojana stanowi 0 mm. 3. STRUKTURA OSIOWO-PROMIENIOWA W proponowanych konstrukcjach można osiągać zmniejszenie masy właściwej silników oraz generatorów. Strukturę wielowarstwowej m-fazowej maszyny elektrycznej typu osiowo-promieniowego [ 3] dla napędu bezpośredniego pokazano na rys. 3. Rys. 3. Struktura osiowo-promieniowa Fig. 3. Axial-radial structure

Wskutek dużej gęstości własnej energii elektromagnetycznej maszyn elektrycznych typu osiowo-promieniowego podobne struktury charakteryzują się zwiększonymi wartościami mocy własnej przy zmniejszonych masach i gabarytach. Zasadę działania dla jednego z rozwiązań konstrukcyjnych dwufazowego modułu m-fazowej wielowarstwowej maszyny elektrycznej z osiowo-promieniową konfiguracją obwodu magnetycznego przedstawiono na rys. 4. 3 4 I II III IV Rys. 4. Moduł maszyny elektrycznej z osiowo-promieniową konfiguracją obwodu magnetycznego Fig. 4. Module of electrical machine with axial-radial magnet system structure Dwufazowy moduł zawiera dwa uzwojenia wzbudzenia i uzwojenia sterowania 4. Pierwsza faza utworzona jest przez połączenie uzwojeń sterowania 3, a faza druga uzwojeń 4. Na rysunku 4 pokazano położenie I z odpowiednim kierunkiem prądów w fazach, przy którym w pierwszym i trzecim biegunie pierwszego obwodu magnetycznego strumień magnetyczny wzbudzenia składa się ze strumienia magnetycznego fazy, a w biegunach drugim i czwartym występuje ich kompensacja. W sposób podobny pokazano charakter strumieni magnetycznych w innych rdzeniach drugiego, trzeciego i czwartego bieguna. Położenie II odpowiada zmianie kierunku prądów zasilania w uzwojeniach sterowania fazy pierwszej 3. Położenie III wywołane jest zmianą kierunku prądów zasilania w uzwojeniach sterowania 4, a położenie IV zmianą kierunku prądów zasilania w uzwojeniach sterowania 3. Następna zmiana prądów w uzwojeniach fazy drugiej 4 ustawia wirnik w położenie podobne do I (względem rozmieszczenia biegunów stojana i wirnika) i w ten sposób położenia I IV odzwierciedlają zamknięty cykl przesunięcia wirnika względem stojana o podziałkę biegunową wirnika. Taki stan pracy odpowiada pracy silników liniowych typu SLPM [4, 5], która polega na tym, że strumień magnetyczny fazy skierowany jest w jednych rdzeniach zgodnie ze strumieniem magnetycznym wzbudzenia, a w innych rdzeniach jest przeciwny do kierunku strumienia wzbudzenia. W strukturach silników z bipolarnym sterowaniem faz, przy zasilaniu uzwojeń sterowania fazy siła magnetomotoryczna F wywołuje odpowiedni strumień magnetyczny Φ ~

w rdzeniach stojana i wirnika. Siła magnetomotoryczna w uzwojeniach wzbudzenia wywołuje strumień magnetyczny Φ 0. Parametry systemu zasilania uzwojeń wzbudzenia i sterowania dobierane są w ten sposób, żeby wartości strumienia wzbudzenia i strumienia ~ wywołanego prądami w uzwojeniach sterowania były równe Φ 0 = Φ i przy działaniu ich w kierunkach przeciwnych występowała wzajemna kompensacja pola magnetycznego, a w kierunkach zgodnych jego podwojenie. Wypadkowy strumień magnetyczny w jednych rdzeniach Φ powinien być równy zeru: Φ = Φ ~ 0 Φ = 0, a w innych Φ powinien być równy wartości podwójnej strumieni wzbudzenia Φ = Φ 0 + ~ Φ = Φ 0 = Φ ~. Strukturę wielowarstwowego silnika tarczowego i algorytm pracy przedstawiono na rys. 5. Konstrukcja silnika (rys. 5a) zawiera zestaw uzwojeń wzbudzenia 4, uzwojenia sterowania 4, trzywarstwowy wirnik 3 3 3, strukturę stojana 4 4 4, tarczę łożyskową 5 5, łożyska 6 6 oraz wał 7. Zasadę działania silnika przedstawiono na rys. 5b, gdzie oznaczono: ścieżki biegunów wirnika górna,, dolna ; kierunek prądu w uzwojeniach wzbudzenia 3; uzwojenia sterowania fazy pierwszej 6, 6 ; uzwojenia sterowania fazy drugiej 7, 7. 3 4 4 3 3 3 3 3 4 4 4 4 3 I 4 4 4 3 4 4 6 III 5 3 4 5 7 7 6 8 3 8 3 8 4 8 6 6 7 5 5 5 3 5 4 II IV a) b) Rys. 5. Struktura wielowarstwowego silnika tarczowego (a); algorytm pracy (b) Fig. 5. Multi-layer disc motor structure (a); algorythm of commutation (b) Kierunki strumienia magnetycznego w górnej części fazy pierwszej 4 3 4 4, fazy drugiej 4 4 ; kierunki strumienia magnetycznego w dolnej części fazy pierwszej 5 3 5 4, fazy drugiej 5 5 ;

4 kierunki strumienia magnetycznego uzwojeń sterowania fazy pierwszej w górnej części 8 8 3 i w części dolnej 8 8 4. Podczas zasilania uzwojeń sterowania pierwszej fazy (położenie I) w górnych biegunach strumienie magnetyczne wzbudzenia 4 3 i sterowania 8 nakładają się i występuje podwojenie strumieni magnetycznych, natomiast strumienie 4 4 i 8 3 mają przeciwny kierunek i występuje wzajemna kompensacja pola magnetycznego. Podobnie w części dolnej strumienie 5 4 i 8 4 nakładają się, a 5 3 i 8 są wzajemnie kompensowane. Zmiana kierunku prądów w uzwojeniach sterowania fazy pierwszej wywołuje następną pozycję równowagi II, a kolejne zmiany prądów w fazie drugiej pozycję III. Położenie IV odpowiada zmianie kierunku prądu w fazie pierwszej. Zmiany te powodują ruch wirnika o wielkość podziałki zębowej w pełnym cyklu komutacji faz przy bipolarnym zasilaniu faz uzwojeń sterowania. W napędach bezprzekładniowych mogą być stosowane silniki z zawieszeniem powietrznym oraz magnetycznym, podobne do rozwiązań konstrukcyjnych w technologiach zaawansowanych, gdzie są bardzo rozpowszechnione. Wyeliminowanie sił tarcia pozwoliło otrzymywać w takich konstrukcjach dużą precyzję pozycjonowania (0,00 005 mm). Prowadzone badania wskazują, że w proponowanych konstrukcjach można osiągać zmniejszoną masę właściwą silników oraz generatorów. Duże wskaźniki techniczne osiągane są z jednoczesnym brakiem w konstrukcji drogich materiałów. Można wnioskować, że struktury wielowarstwowych elektromechanicznych przetworników energii typu osiowo-promieniowego charakteryzują się wieloma pozytywnymi cechami, spośród których należy wyróżnić gabaryty, masę i wskaźniki techniczne znacznie polepszone w porównaniu do konwencjonalnych rozwiązań technicznych. LITERATURA [] AFONIN A., Trends in development of the unconventional electromechanical systems, Proc. nd Intern. Conf. on Unconventional and Electromechanical Systems UEES 96, Vol., Poland, 996, s. 5 36. [] AFONIN A., Multi-layer electromechanical energy converters, Electromotion, 996, No. 3, s. 5. [3] AFONIN A., GREBENIKOV V., Contactless electric motors of a new type trends of development, Proc. the Intern. Conf. on Electrical Drives and Power Electronics EDPE 96, Vol., Slovakia, 996, s. 60 65. [4] YAMADA H., Development of a linear motor having a large thrust/input ratio of 0 newtons/watt for artifical heart applications, Proc. of Japan-Soviet Joint Conference of Linear Drive Systems, 989, Kiev, USSR, s. 7. [5] YAMADA H., KOBAYUSHI M., WATANABE M., Performance characteristics of a linear motordriven total artificial heart for the second step, Proc. the first Intern. Symp. on Linear Drives for Industry Applications, Japan, 995, s. 453 456. DIRECT DRIVE ELECTRIC MOTORS Trends in development of the unconventional electromechanical energy converters for direct electric drive are described. Design, specific values of electromagnetic force and electromagnetic torque for experimental motor with magnetic flux concentrators are presented. Different methods for perfecting specific torque and force in electromechanical energy converters are described. One of them consists in using of magnetic field concentrators and another is established on the basis of the electromechanical energy converter volume transformation into axial-radial compact flat stator and rotor disc structure. Design of elec-

tronically commutated linear electric motor SLPM with minimal masses and dimensions is discussed. It is shown that using of multi-layer structure allows increasing the performances of the direct electrical drive. Passed theoretical and experimental researches confirm proposed solutions, what opens perspectives of modern linear and rotational direct drive design. 5