RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 231390 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 423953 (51) Int.Cl. H02K 16/04 (2006.01) H02K 21/02 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 19.12.2017 (54) Maszyna elektryczna z magnesami trwałymi i dwoma twornikami (43) Zgłoszenie ogłoszono: 13.08.2018 BUP 17/18 (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT NAPĘDÓW I MASZYN ELEKTRYCZNYCH KOMEL, Katowice, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 28.02.2019 WUP 02/19 (72) Twórca(y) wynalazku: JAKUB BERNATT, Tychy, PL STANISŁAW GAWRON, Tychy, PL TADEUSZ GLINKA, Gliwice, PL PL 231390 B1
2 PL 231 390 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest maszyna elektryczna z magnesami trwałymi i dwoma twornikami. Maszyna ta stosowana jako prądnica umożliwia regulację napięcia przy zmianie prądu obciążenia, a stosowana jako silnik umożliwia regulację strumienia wzbudzenia i tym samym regulację prędkości obrotowej w zakresie pracy przy stałej mocy. Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi mają strumień wzbudzenia o wartości stałej. Maszyny te stosowane jako prądnice nie mają możliwości regulacji napięcia, a jako silniki nie mogą pracować przy odwzbudzaniu, to jest w strefie regulacji prędkości obrotowej przy stałej mocy. Dlatego stosowane są maszyny ze wzbudzeniem hybrydowym, to jest połączonym wzbudzeniem magnesami trwałymi i elektromagnetycznym. Znane są prądnice ze wzbudzeniem hybrydowym szeregowym, równoległym i szeregowo równoległym. Wzbudzenie hybrydowe w każdym wariancie rozwiązania ma wirujące uzwojenie wzbudzenia, a więc wirnik ma pierścienie ślizgowe na które jest to uzwojenie wyprowadzone i szczotki. Z tego powodu jest to rozwiązanie mało korzystne. Autorzy Piotr Paplicki i Marcin Wardach na Conference: Innovative Materials and Technologies in Electrical Engineering i-mitel 2016, w Łagowie przedstawili referat pt. Przegląd koncepcji maszyn wzbudzanych hybrydowo do zastosowania w napędzie samochodów w którym zaprezentowano nowe rozwiązanie maszyny z dwoma twornikami ECPMSM (ang. Electric Controlled Permanent Magnet Synchronous Machine) zawierającą dodatkową cewkę nieruchomą umieszczoną między jarzmami tworników. Cewka dodatkowa służy do regulacji strumienia wzbudzenia. Maszyna ECPMSM została opracowana w Katedrze Elektroenergetyki i Napędów Elektrycznych Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego. Układ wzbudzenia maszyny ECPMSM jest także hybrydowy jego zaletą jest wyeliminowanie pierścieni ślizgowych i szczotek. Wadą tego rozwiązania są wymiary osiowe cewki, która jest cewką powietrzną i dla strumienia wzbudzenia ma dużą reluktancję. Maszyna elektryczna z magnesami trwałymi i dwoma twornikami według wynalazku charakteryzuje się tym, że jarzma tworników maszyn składają się z części pakietowanej radialnie i części pakietowanej obwodowo. W części pakietowanej radialnie są umieszczone, w żłobkach, uzwojenia tworników, a między jarzmami pakietowanymi obwodowo jest umieszczony toroid. Wirnik obydwóch maszyn jest wspólny, przy czym na jarzmie wirnika, bądź wewnątrz jarzma wirnika, pod twornikami, są umieszczone magnesy trwałe w ten sposób, że w płaszczyźnie osi wału i osi magnesów trwałych pod jednym twornikiem jest biegun N, a pod drugim twornikiem biegun S. Wymiar promieniowy rdzenia toroidu jest równy wymiarowi promieniowemu jarzm zewnętrznych twornika. W jednym wariantowym rozwiązaniu w jarzmach zewnętrznych obydwóch tworników, w płaszczyznach tarczowych od strony toroidu, są żłobki dla boków cewek uzwojenia toroidu. W drugim wariantowym rozwiązaniu w płaszczyznach tarczowych rdzenia toroidu są żłobki dla boków cewek uzwojenia toroidu. W trzecim wariantowym rozwiązaniu między jarzmami zewnętrznymi i rdzeniem toroidu są szczeliny w których są umieszczone boki uzwojenia toroidu. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie rozwiązania na rysunkach na których pokazano: fig. 1 przekrój osiowy obwodu magnetycznego maszyny z dwoma twornikami, fig. 2 widok A1 wariantu rozwiązania z bokami cewek uzwojenia toroidu umieszczonymi w żłobkach jarzm zewnętrznych tworników, fig. 3 widok A2 wariantu rozwiązania z bokami cewek uzwojeni toroidu umieszczonymi w żłobkach rdzenia toroidu i fig. 4 widok A3 wariantu rozwiązania z bokami uzwojenia toroidu umieszczonymi w szczelinie między jarzmami zewnętrznymi. Maszyna elektryczna z magnesami trwałymi i dwoma twornikami ma jarzma tworników dwuczęściowe: część pakietowaną radialnie 2 i część pakietowaną obwodowo 1. W części pakietowanej radialnie 2 są umieszczone, w żłobkach, uzwojenia tworników 3, a między jarzmami pakietowanymi obwodowo 1 jest umieszczony toroid 7. Wirnik 5 obydwóch maszyn jest wspólny, przy czym na jarzmie wirnika, bądź wewnątrz jarzma wirnika, pod twornikami, są umieszczone magnesy trwałe 4 w ten sposób, że w płaszczyźnie osi wału 5 i osi magnesów trwałych 4 pod jednym twornikiem jest biegun N, a pod drugim twornikiem biegun S. Wymiar promieniowy rdzenia toroidu 7 jest równy wymiarowi promieniowemu jarzm zewnętrznych 1 twornika. W jednym wariantowym rozwiązaniu w jarzmach zewnętrznych 1 obydwóch tworników, w płaszczyznach tarczowych od strony toroidu 7, są żłobki dla boków cewek uzwojenia 8 toroidu 7. W drugim wariantowym rozwiązaniu w płaszczyznach tarczowych rdzenia toroidu 7 są żłobki dla boków cewek uzwojenia 8 toroidu 7. W trzecim wariantowym rozwiązaniu między jarzmami zewnętrznymi 1 i rdzeniem toroidu są szczeliny w których są umieszczone boki uzwojenia 8 toroidu 7.
PL 231 390 B1 3 W maszynie zbudowanej według wynalazku strumień magnetyczny wytwarzany przez magnesy trwałe w jarzmach stojanów obydwóch maszyn rozdziela się na dwie składowe 1 i 2, jak to pokazano na rysunku fig. 1. Składowa obwodowa 1 zamyka się w obwodzie magnetycznym każdej z maszyn: biegun N, szczelina, jarzmo pakietowane radialnie 2, szczelina, biegun S, jarzmo wirnika i biegun N. Składowa strumienia 2 zamyka się w obwodzie magnetycznym dwóch maszyn. W maszynie prawej: biegun N, szczelina, jarzmo pakietowane radialnie 2, jarzmo pakietowanego obwodowo 1, rdzeń toroidu 7 i następnie w maszynie lewej: jarzmo pakietowane obwodowo 1, jarzmo pakietowane radialnie 2, szczelina, biegun S, jarzmo wirnika i biegun N maszyny prawej. Uzwojenie 8 toroidu 7 zasila się prądem stałym I. Siła magnetomotoryczna Z ti wzbudza w rdzeniu toroidu strumień magnetyczny który zmienia stan nasycenia rdzenia toroidu 7. Z t oznacza liczbę zwojów uzwojenia 8 toroidu 7. Stan nasycenia rdzenia toroidu 7 zmienia reluktancję obwodu magnetycznego składowej 2 strumienia. Jeśli nasycenie wzrasta składowa 2 zmniejsza się. Ponieważ rdzeń toroidu 7 jest zamknięty, to przy stosunkowo małym prądzie I nasyca się. Zaletą rozwiązania maszyny elektrycznej według wynalazku jest: regulacja strumienia wzbudzenia w granicach 1 + 2 > 1, brak pierścieni i szczotek, mała wartość mocy regulacyjnej (RI 2 ), gdzie R oznacza rezystancję uzwojenia 8 toroidu. Zastrzeżenia patentowe 1. Maszyna elektryczna z magnesami trwałymi i dwoma twornikami, znamienna tym, że jarzma tworników składają się z części pakietowanej radialnie (2) i części pakietowanej obwodowo (1), w części pakietowanej radialnie (2) są umieszczone, w żłobkach, uzwojenia tworników (3), a między jarzmami pakietowanymi obwodowo (1) jest umieszczony toroid (7), wirnik (5) obydwóch maszyn jest wspólny, przy czym na jarzmie wirnika (5), bądź wewnątrz jarzma wirnika, pod twornikami są umieszczone magnesy trwałe (4) w ten sposób, że w płaszczyźnie osi wału (5) i osi magnesów trwałych (4) pod jednym twornikiem jest biegun N, a pod drugim twornikiem biegun S. 2. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że wymiar promieniowy rdzenia toroidu (7) jest równy wymiarowi promieniowemu jarzm zewnętrznych (1) twornika. 3. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że w jarzmach zewnętrznych (1) obydwóch tworników, od strony toroidu, są żłobki dla boków cewek uzwojenia (8) toroidu (7). 4. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że w płaszczyznach tarczowych rdzenia toroidu (7), są żłobki dla boków cewek uzwojenia (8) toroidu (7). 5. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że między jarzmami zewnętrznymi (1) i rdzeniem toroidu (7) są szczeliny, w których są umieszczone boki uzwojenia (8) toroidu (7).
4 PL 231 390 B1 Rysunki
PL 231 390 B1 5
6 PL 231 390 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)