Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryzne Nr 77/007 43 Tadeusz Glinka, Miezysław Jakubie BOBRME Komel, Katowie ROZWIĄZANIA SILNIKÓW TARCZOWYCH DESIGNS OF DISC MOTORS Abstrat: Three types of dis motors are presented in the paper: torus type (Fig.1), salient-pole type (Fig. and Fig.3) and motor without magneti ore (Fig.4). Dis-type motor is easily installed sine it may be fitted diretly into drive wheel (Fig.5). However, the drive wheel is usually heavy, and that is why dis motors are used in slow speed eletri vehiles. This eliminates the need for ouplings/gearbox and simplifies drive system. The dimension of drive wheel limits motor s outer diameter and axial length. Given the dimension, it is neessary to design a motor with highest possible torque. Comparison of three types of dis motors shows that salient-pole motor ensures highest torque. The paper is aimed at optimisation of salient-pole motor dimensions, i.e. the following issues must be resolved: - how many poles should stator dis omprise - how to divide the pole surfae into winding and magneti ore (Fig.6) in order to obtain maximum eletromagneti torque, if magneti indution and urrent density are given. The answer to these questions is shown in Fig.7 and Table 1. Fig.8 presents motor design with outer diameter equal to 180 mm, inner diameter equal to 60 mm and axial length equal to 90 mm. The motor s parameters are: 4V, 350W, 3N.m, 88,5 rpm. Fig.9 show the eletri sheme of supply and ontrol of two -band motors built into the wheel rims. 1. Wstęp Silniki tarzowe są stosowane głównie w napędah, w któryh wymaga się, aby silnik miał ogranizoną długość osiową i w napędah o dużej dynamie działania. Do rodziny tyh napędów należą właśnie silniki momentowe. Nazwa ta wywodzi się z własnośi tyh napędów, od któryh wymaga się dużego momentu obrotowego zwykle w krótkih przedziałah zasu. Ilustrają takih wymagań jest wózek inwalidzki. Moment obrotowy wymagany przy pokonywaniu krawężnika jest około 10 razy większy od momentu rozwijanego przez napęd w zasie jazdy ustalonej wózka po płaskim, twardym podłożu. Napędy wózków przy pomoy wysokoobrotowyh silników walowyh wymagają stosowania przekładni mehaniznyh i sprzęgieł. Komplikuje to układ napędowy, zmniejsza sprawność, podwyższa enę i obniża niezawodność pray. Dlatego, w tego typu pojazdah, oraz zęśiej stosuje się wolnoobrotowe silniki elektryzne zabudowane w kołah jezdnyh. Napędy te są bezprzekładniowe, poza wózkami inwalidzkimi, można tu wymienić także rowery ze wspomaganiem elektryznym, skutery elektryzne i napęd maszyn zyszząyh lub wózków samojezdnyh stosowanyh, np. w supermarketah. Silniki momentowe mogą być także w rozwiązaniu z wirnikiem walowym. Przedmiotem artykułu są jedynie silniki tarzowe. Przedstawione zostaną odmia- ny silników tarzowyh i ih porównanie. Silniki tarzowe są wykonywane jako silniki prądu stałego z komutatorem mehaniznym (starsze rozwiązania) i silniki z komutają elektronizną (współzesne rozwiązania). Silniki tarzowe prądu stałego z komutatorem mehaniznym, z uwagi na małą trwałość komutatora nie są już produkowane. Silniki tarzowe z komutają elektronizną [] występują w kilku różnyh rozwiązaniah: typu torus [3], z wydatnymi biegunami [4] i silniki bezrdzeniowe [1]. Silnik typu torus Jednym z rozwiązań konstrukyjnyh silników tarzowyh jest silnik typu torus rys. 1, innym alternatywnym rozwiązaniem jest silnik z uzwojeniem osadzonym na biegunah ze stali magnetyznej rys., kolejnym rozwiązaniem może być silnik bez rdzenia magnetyznego twornika rys. 4. Silnik typu torus i silnik bez rdzenia w tworniku mają dużą szzelinę, która wpływa na obniżenie moy i momentu z zadanej objętośi silnika. Korzystniejszym rozwiązaniem jest silnik, w którym rdzeń twornika ma wydatne bieguny, jak na rysunkah i 3. W silnikah typu torus (rys. 1), na wewnętrznym toroidalnym rdzeniu magnetyznym stojana (1) nawinięte są ewki uzwojenia (). Rdzenie magnetyzne wirnika (3) z zamoowanymi na nih magnesami (4) wirują osadzone na wale silnika.
44 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryzne Nr 77/007 Rys. 1. Silnik tarzowy typu torus : 1 rdzeń magnetyzny stojana, uzwojenie, 3 rdzeń magnetyzny wirnika, 4 magnesy trwałe. Silnik z wydatnymi biegunami W silniku z biegunami wydatnymi, aby moment rozruhowy był większy od zera i aby składowa zmienna momentu była możliwie najmniejsza, powinny być o najmniej dwa pasma uzwojenia. Konstrukja uzwojeń silnika dwupasmowego może być zrealizowana zarówno w wersji jak na rys. jak i w wersji jak na rys. 3. Silnik dwupasmowy, wykonany w rozwiązaniu jak na rys., ma podziałkę biegunową magnesów trwałyh, obejmująa dwa sąsiednie bieguny uzwojenia, przy zym ewki tyh biegunów należą do różnyh pasm. Zatem jedna ewka obejmuje o najwyżej połowę łuku bieguna magnetyznego magnesu trwałego. W przypadku podzielenia uzwojenia na trzy pasma jeden biegun wraz z ewką obejmuje tylko 1/3 łuku bieguna magnesu [3,4]. W drugim warianie rozwiązania silnika dwupasmowego, pokazanym na rys. 3, pasma uzwojenia twornika są rozdzielone: z jednej strony jarzma twornika są ewki jednego pasma uzwojenia, a z drugiej strony ewki - drugiego pasma. W rozwiązaniu tym każdy biegun wraz z ewką obejmuje pełny łuk bieguna magnetyznego magnesu. Wydaje się, że rozwiązanie obwodu elektromagnetyznego z rys.3 daje możliwość lepszego wykorzystania uzwojenia, o powinno zaowoować większym momentem silnika uzyskiwanym z tej samej objętośi. Rys.. Silnik tarzowy z wydatnymi biegunami
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryzne Nr 77/007 45 uzwojenie do silników z twornikiem rdzeniowym, jest brak momentu zazepowego i pulsaji podzas wirowania. Mogą być stosowane w tyh napędah, gdzie moment zazepowy i pulsaje momentu są niepożądane, np. w preyzyjnyh serwonapędah stosowanyh w entrah obrabiarkowyh, urządzeniah nawigayjnyh i pozyjonująyh. Rys. 3. Kształt rdzenia twornika -fazowego silnika tarzowego z wydatnymi biegunami 3. Silnik bezrdzeniowy Innym wariantem rozwiązania silnika tarzowego jest twornik bezrdzeniowy [1]. W tym przypadku łatwo jest zrealizować zarówno uzwojenie dwu- jak i trój-pasmowe. Uzwojenie to może być wykonane jako dwuwarstwowe, wówzas tarza twornika jest płaska, jak i uzwojenie jednowarstwowe, w tym przypadku zoła uzwojenia muszą być odpowiednio uformowane, jak to pokazano na rys. 4. Uzwojenie twornika formuje się na szablonah, a następnie zalewa żywią. W silniku bezrdzeniowym na odległość między magnesami trwałymi składa się podwójna szzelina powietrzna oraz grubość uzwojenia, musi on mieć zatem grubsze magnesy trwałe. Twornik musi mieć solidną konstrukję mehanizną, gdyż uzwojenie musi przenosić moment elektromagnetyzny (dotyzy to także rozwiązania z rys.1), podzas gdy w silniku rdzeniowym (rys. i rys.3) moment jest przenoszony przez rdzeń. Twornik silnika pokazanego na rys.4 wzmoniono dwoma niemagnetyznymi i nie przewodząymi pierśieniami, zewnętrznym i wewnętrznym, wykonanymi z włókna szklanego. Silniki bezrdzeniowe, z uwagi na mniejszy niż w rdzeniowyh strumień magnetyzny wytwarzają mniejszy niż silniki rdzeniowe moment elektromagnetyzny przy tej samej objętośi. Ih zaletą, w stosunku Rys. 4. Szki obwodu elektromagnetyznego silnika tarzowego bezrdzeniowego 4. Przykład zabudowy silnika tarzowego w feldze koła Silnik tarzowy z wydatnymi biegunami o konstrukji jak na rys. 3 łatwo zabudować w feldze koła jezdnego pojazdu mehaniznego, jak to pokazano na rysunku 5. W tej odmianie silnika tarzowego uzyskuje się z danej objętośi, największy moment. Wnętrze felgi koła należy w sposób optymalny wykorzystać tak, aby uzyskać maksymalny moment obrotowy silnika. Powstają zatem pytania: ile powinien mieć par biegunów, p? jakie wybrać proporje wymiaru ewki i rdzenia przy określonej powierzhni tarzy bieguna? Odpowiedź na te pytania dadzą oblizenia w opariu o model matematyzny silnika.
46 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryzne Nr 77/007 Zakładamy, że indukja pod biegunami na danej średniy d x, w zasie wirowania magnesów trwałyh, zmienia się sinusoidalnie. B( t) B sinωt Napięie rotaji dφ e z dt Wartość średnia napięia wyprostowanego indukowana w ewe jednego bieguna Eśr BS Fezω Prąd silnika determinowany względami ieplnymi I j śr S Cu Mo silnika P pe śr I h D b a w Rys. 5. Shemat silnika tarzowego fazowego: 1 felga koła, uzwojenie, 3 magnesy trwałe, 4 rdzeń bieguna, 5 wentyl, 6 oś koła (nieruhoma), 7 klin wpustowy unieruhamiająy stojan na osi, 8 - łożysko 5. Model matematyzny silnika tarzowego z wydatnymi biegunami Parametry elektromehanizne silnika tarzowego o narzuonyh (przez wymiary koła) średniah i szerokośi zależą od proporji podziału powierzhni tarzy (rys. 6) na powierzhnię zajmowaną przez uzwojenie i przez rdzeń bieguna. Chodzi o wymiary: a,b,. Podział tej powierzhni zilustrowano na rysunku 6: oznaza szerokość ewki uzwojenia jednego bieguna, a, b oznazają łuk wewnętrzny i zewnętrzny rdzenia bieguna ewki, h długość osiową (grubość) ewki uzwojenia. Zależnośi między wymiarami: a b ( d + ) ( d + ) p ( D ) ( D ) p 4p p 4p p d Rys. 6. Podział powierzhni bieguna silnika tarzowego na rdzeń i uzwojenie Moment elektromagnetyzny 4 T jśr( zs zs h S P EśrI T p ω ω Cu Fe m Cu a + b D d + a + b D d 4 ( d + ) a + b 1 4p + ( D ) 4p ( D + d) 8p p 4 p 4 ( D + d ) 8p D d 4 T jśrbh p 4 p 1 f (, p) T jśrbh p ) SFeBω ω [ ( D + d) 8p] ( D d 4) p Parametry j śr oraz B są śiśle określone, nie można ih przekrozyć dla danego rodzaju magnesu i sposobu hłodzenia; wymiary D, d są determinowane wymiarami felgi, stąd można h j
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryzne Nr 77/007 47 poszukiwać ekstremum funkji ƒ(,p) w zależnośi od zmian parametrów i p. Badanie zmiennośi i poszukiwanie maksimum funkji można dokonać matematyznie. 6. Rozwiązania konstrukyjne silnika Na rys. 7 przedstawiono przebiegi zmiennośi wartośi funkji ƒ (,p) w zależnośi zmian grubośi ewki od 0 do 0 mm o 1 mm. Jako parametr przyjęto ilość par biegunów p3 8 oraz średnię jarzma zewnętrzną D (130 180) i wewnętrzną d (50 i 60 mm). 3.0.0 1.0 0.0-1.0 -.0-3.0-4.0-5.0-6.0-7.0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 13 14 15 16 17 18 19 0 1 Serie6 Rys. 7. Przebiegi zmiennośi funkji f(,p) dla różnyh średni i ilośi biegunów w zależnośi od grubośi ewki Serie36 Serie7 Serie30 Serie66 Serie4 Serie60 Serie18 Serie54 Serie35 Serie1 Serie71 Serie9 Serie48 serie 65 serie 3 serie 59 serie 17 serie 6 serie 53 serie 4 serie 11 serie 34 Serie10 Serie11 Serie13 Serie14 Serie15 Serie16 Serie17 Serie19 Serie0 Serie1 Serie Serie3 Serie5 W tabeli 1 zestawiono wyniki oblizeń maksymalnej wartośi funkji oraz grubośi ewki dla której ona występuje, dla kilku wartośi parametrów p, D, d, dla któryh ƒ max (,p) osiąga największe wartośi. Wartość maksimum funkji ƒ(,p) zależy od zmian średniy zewnętrznej jarzma D w trzeiej potędze, natomiast zmiana średniy wewnętrznej d nieznaznie wpływa na zmianę wartośi maksymalnej. Zmiana lizby par biegunów wpływa na zmianę wartośi maksymalnej funkji ƒ(,p) z zwartym pierwiastkiem, zyli nieznaznie, a wię o wyborze lizby par biegunów bardziej powinny deydować względy tehnologizne wykonania silnika. W opariu o powyższą analizę został zaprojektowany silnik dla: p6; D180 mm; d60 mm. Dla tyh parametrów ƒ max (,p),569 10-4 m 3 dla 7 mm, wówzas a 5,4 mm; b 9,4mm. Dla zaprojektowanego silnika gęstość prądu w uzwojeniu j Cu 7 A/mm, przy współzynniku zapełnienia k Cu 0,65, to znazy że średnia gęstość prądu w przekroju ewki k u j u 4,55 A/ mm ; B 0,65 T. Tabela 1. Wartośi maksymalne wybranyh funkji f max (,p) i wartośi oraz parametrów D, d, p, dla któryh ona występuje nr krz d p D f max * 10 000 a b 36 0.05 8 0.18 0.005.8179618 0.001775 0.03363 7 0.06 8 0.18 0.005.7617834 0.003738 0.03363 30 0.05 7 0.18 0.006.737838 0.001906 0.05680 66 0.06 7 0.18 0.006.6811516 0.004149 0.05680 4 0.05 6 0.18 0.006.6383873 0.0043 0.031960 60 0.06 6 0.18 0.007.5694369 0.005363 0.09437 18 0.05 5 0.18 0.007.5137803 0.006096 0.03814 54 0.06 5 0.18 0.008.4303694 0.007864 0.035496 35 0.05 8 0.17 0.005.3617834 0.001775 0.01400 1 0.05 4 0.18 0.009.3397019 0.008690 0.045585 71 0.06 8 0.17 0.005.3056051 0.003738 0.01400 9 0.05 7 0.17 0.005.894904 0.003457 0.05886 48 0.06 4 0.18 0.009.419975 0.01615 0.045585 65 0.06 7 0.17 0.006.1650 0.004149 0.03437 3 0.05 6 0.17 0.006.16688 0.0043 0.09343 59 0.06 6 0.17 0.006.1405783 0.006840 0.09343 17 0.05 5 0.17 0.007.106331 0.006096 0.034984 6 0.05 3 0.18 0.010.073159 0.016633 0.063733 53 0.06 5 0.17 0.007.0088 0.00936 0.034984 4 0.06 3 0.18 0.010 1.96805 0.01867 0.063733
48 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryzne Nr 77/007 Rys. 8. Wymiary zaprojektowanego silnika Całkowita szerokość silnika wynosi 90 mm; prędkość obrotowa silnika n 88,5 obr/min. Pozostałe wymiary przedstawiono na rys. 8. Silnik dwufazowy wykonany jak na rys. 3. Dla przyjętyh założeń parametry silnika są następująe: Napięie znamionowe 4 V DC Prąd znamionowy 18 A Moment znamionowy 3 N m Mo przy znamionowej prędkośi obrotowej 350 W Znamionowa prędkość obrotowa 88,5 1 /min. Silnik tarzowy w wykonaniu jak na rys. 6 jest silnikiem jednofazowym. Rozwija on moment elektromagnetyzny pulsująy od zera do momentu maksymalnego. Przy pewnyh położeniah wirnika moment jest mały a nawet równy zero i silnik nie będzie w stanie praować. Problem ten rozwiązać można podobnie jak w silnikah synhroniznyh z biegunami kłowymi, składają dwa silniki razem (rys. 3), w któryh bieguny magnetyzne są przesunięte o kąt elektryzny 90 0. Silnik taki jest zatem silnikiem dwufazowym. Na rys. 9 przedstawiono shemat układu sterowania i zasilania takiego silnika. Można tak dokonać wysterowania faz, że moment elektromagnetyzny silnika jest stały. V1 V V3 M1 U V4 V5 V6 H H1 K1 V1 V6 I1 J n µp I V7 V1 V7 V8 V9 K H4 M U V10 V11 V1 H3 Rys. 9. Shemat ideowy układu napędowego wózka: M1, M silniki, V1 V6 i V7 V1 kluze tranzystorowe, H1 H4 zujniki pomiaru położenia wirnika, J- joystik (zadajnik prędkośi), K1, K komparatory napięia, µp - mikrokontroler
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryzne Nr 77/007 49 7. Wnioski Silniki momentowe zwykle mają konstrukję silników tarzowyh. Można wyróżnić trzy podstawowe rozwiązania silników tarzowyh: typu torus (rys.1), z wydatnymi biegunami (rys. i 3) i z twornikiem bezrdzeniowym (rys. 4). Najlepsze wykorzystanie objętośi silnika tzn. największy moment elektromagnetyzny przy zadanej objętośi ma silnik z wydatnymi biegunami (rys.3). Silniki momentowe, ponieważ z natury swej są wolnoobrotowe są stosowane w układah napędowyh bez przekładni mehaniznej i sprzęgła, o upraszza ten napęd, podwyższa niezawodność jego pray i sprawność. Dlatego znajdują one zastosowanie w napędah trakyjnyh poruszająyh się z niewielkimi prędkośiami. Przykładem mogą być wózki inwalidzkie, skutery dzieięe, rowery ze wspomaganiem i inne. W urządzeniah tyh silniki tarzowe można zabudować bezpośrednio w kołah jezdnyh pojazdu, o w znaząy sposób upraszza jego konstrukję. W pray podano model matematyzny silnika tarzowego z wydatnymi biegunami i przedstawiono przykład układu sterowania i zasilania dwóh takih silników napędzająyh wózek inwalidzki. Silniki są zabudowane w kołah jezdnyh wózka i spełniają funkję zarówno jako napęd jak i poprzez odpowiednie sterowanie umożliwiają manewrowanie pojazdem. Wydaje się, że zastosowanie tego typu napędów np. w wózkah inwalidzkih ma uzasadnienie, gdyż eliminuje przekładnię mehanizną i sprzęgło, tym samym pozwala uzyskać większą sprawność i większą niezawodność pray. Napęd taki eliminuje zęsto pojawiająą się usterkę, jaką jest wyiekanie oleju z przekładni mehaniznej. Wadą natomiast jest większa masa i wyższa ena. 8. Literatura [1]. Cierzniewski P.: Bezrdzeniowy silnik tarzowy z magnesami trwałym. Maszyny Elektryzne. Zeszyty Problemowe BOBRME Komel, ISSN 039-3646, Nr 78, 007r. []. Glinka T.: Maszyny elektryzne wzbudzane magnesami trwałymi. Wyd. Pol. Śląskiej. Gliwie 00r. [3]. Mendrela E., Łukaniszyn M., Maek-Kamińska K.: Tarzowe silniki prądu stałego z komutają elektronizną. Wyd. PAN Oddział Katowie 00r. [4]. Wiak S., Welfle H.: Silniki tarzowe w napędah lekkih pojazdów elektryznyh. Wyd. Pol. Łódzkiej. Łódź 001