SILNIK RELUKTANCYJNY HYBRYDOWY PRZEŁĄCZALNY Z TOCZĄCYM SIĘ CYLINDRYCZNYM WIRNIKIEM

SILNIK RELUKTANCYJNY HYBRYDOWY PRZEŁĄCZALNY Z TOCZĄCYM SIĘ CYLINDRYCZNYM WIRNIKIEM Grzegorz KAMIŃSKI, Bogdan BUCKI 1 STRESZCZENIE Przedmiotem artykułu jest opisanie rozwiązań konstrukcyjnych silników hybrydowych przełączalnych z toczącym się wirnikiem spotykanych w literaturze, oraz opracowywanych w Z.M.E. P.W. Ponadto rozważa się zasadę działania tego rodzaju maszyny, oraz podstawowe zależności kinematyczne. Słowa kluczowe: silniki przełączalne, silniki z toczącym się wirnikiem, silniki wolnobieżne. WPROWADZENIE Postęp techniczny, a zwłaszcza rozwój elektroniki i informatyki zachęcają konstruktorów do podejmowania prac nad maszynami, których sterowanie, oraz optymalizacja ich konstrukcji były niemożliwe lub mało efektywne. Od kilku lat w Zakładzie Maszyn Elektrycznych prowadzone są prace nad silnikami z toczącym się wirnikiem. Obiecujące wyniki obliczeń testujących stały się podstawą do zbudowania prototypów, które są obecnie przedmiotem badań prowadzonych w Z.M.E. [1],[2],[3]. Ze względu na prostotę konstrukcji wirnika, dotychczas analizie poddawane były silniki reluktancyjne przełączalne z toczącym się wirnikiem. Silnik hybrydowy przełączalny z toczącym się wirnikiem konstrukcyjnie bardziej skomplikowany, pozwala na zwiększenie współczynnika wykorzystania (przestrzeni aktywnej) przy odpowiednim sterowaniu, zachowując pozostałe zalety silnika reluktancyjnego przełączalnego z toczącym się wirnikiem tzn.: duży moment obrotowy w zakresie niskich prędkości obrotowych, zwartość konstrukcji, prostota układu sterowania. Dodatkowo tego rodzaju konstrukcja silnika hybrydo- 1 prof. nzw. dr hab. inż. Grzegorz Kamiński, mgr inż. Bogdan Bucki Politechnika Warszawska, Zakład Maszyn Elektrycznych, ul. Nowowiejska 20 a, 00-661 Warszawa

wego przełączalnego z toczącym się wirnikiem zapewnia samohamowność niezależną od zastosowanego sposobu odbioru napędu z wirnika. 1. PRZEGLĄD LITERATURY Po raz pierwszy opis silnika z toczącym się wirnikiem można odnaleźć w pracy A.I. Moskwitin a Awtorskije Swidetelstwa No. 68211 i 68213 z 1944 roku, a następnie rozwinięty w pracy doktorskiej tegoż autora z 1948 roku [3]. Prace nad podobnymi silnikami były prowadzone przez: R. Schöna Austria (od 1952 r.) [3], M.C. Rosaina (firma SFAIRE) Francja (od 1961 r.) [3],[4], M. Wójcika (firma MERA-PIAP) Polska (od 1978 r) [4]. Rys. 1.1. Budowa silnika synchronicznego o wirniku toczącym się [4]. a magnes trwały, b uzwojenie wytwarzające pole wirujące dwubiegunowe, c obwód magnetyczny, m nabiegunnik, r 0 koło, R 0 bieżnia, C 0 punkt przylegania, 1 wał wyjściowy; 2 tarcza kołnierzowa, 3 element zawieszenia; 4 sprzężenie homokinetyczne Ze względu na zalety silniki synchroniczne z toczącym się wirnikiem były pierwszymi konstrukcjami, które zostały zrealizowane i przebadane. Maszyny te charakteryzują się dużym wykorzystaniem obszaru szczeliny powietrznej. Konkurują z nimi jedynie silniki prądu stałego, których skomplikowanie konstrukcji jest dużo większe. Praca synchroniczna tych silników (współbieżność wirnika z polem) polega na tym, że wirnik toczy się bez poślizgu natomiast prędkość jego wirowania zależy od częstotliwości zasilania oraz od wymiarów wirnika i wzbudnika. Podstawowa zależność na prędkość synchroniczną jest określona przez wzór [4]: n S R r = 60 f, (1.1) r gdzie: f częstotliwość napięcia zasilania, R promień wzbudnika bieżni, r promień wirnika bieżnika. 352

Przykładem rozwiązania silnika synchronicznego dwupasmowego, o uzwojeniu skupionym jest konstrukcja M.C. Rosaina i G. Stcherbatcheffa (rys. 1.1), która dzięki szeregowi zalet została opatentowana, a następnie włączona do oferty firmy S.F.A.I.R.E. Dokumentacja zawiera wiele interesujących rozwiązań podstawowych węzłów konstrukcyjnych takich jak, sposób odbioru napędu z wirnika na wał 4, czy sposób eliminacji drgań wynikających z toczenia się wirnika 3, itd. Źródłem stałego pola jest magnes trwały a, umieszczony wewnątrz wirnika. Toczenie wirnika (kół r 0 ) odbywa się po wewnętrznej powierzchni wzbudnika (specjalnie ukształtowanej bieżni R 0 ), zapewniając jednocześnie odpowiednią szczelinę powietrzną. Zarówno koła, jak i bieżnie są uzębione, a moduły zębów odpowiadają krokowi cylindrycznemu silnika. Cechą omówionego silnika jest brak wału wirnika. Konstrukcja była na tyle obiecująca, że autorzy zaproponowali również inne rodzaje maszyn tego typu (asynchroniczne, skokowe), jednocześnie nadali nową nazwę całej rodzinie silników z toczącym się wirnikiem STEROMO- TEURS. Ciekawe rozwiązania problemu wzbudzenia silnika synchronicznego z toczącym się wirnikiem proponowali radzieccy konstruktorzy [2]. Dwa z nich przedstawia rysunek 1.2. (a) (b) Rys. 1.2. Schematy konstrukcyjne synchronicznych silników z toczącym się wirnikiem [1]. 1 rdzeń stojana, 2 dwupołówkowe m-fazowe uzwojenie stojana, 3 uzwojenie jednobiegunowego podmagnesowania, 4 tuleja wirnika, 5 rdzeń tarczowy stojana, 6 korpus magnetowód, 7 rdzeń wirnika, 8 magnes trwały Na rysunku 1.2a przedstawiony jest silnik synchroniczny z toczącym się wirnikiem o wzbudzeniu elektromagnetycznym. Uzwojenia fazowe ma podzielone na dwie części, natomiast uzwojenie podmagnesowujące jednobiegunowe ma jednoczęściowe. Bardzo podobną konstrukcję przedstawia rysunek 1.2b, z tym że wzbudzenie tego silnika pochodzi od magnesu trwałego znajdującego się w części środkowej wirnika. Postęp w dziedzinie tranzystorów mocy spowodował ponowne zainteresowanie się konstrukcjami silników z toczącym się wirnikiem w szczególności silnika reluktancyjnego przełączalnego z toczącym się wirnikiem (Rolling Rotor Switched Reluctance Motor) [2], [3], [5]. 353

Rys. 1.3. Prototyp B silnika RRSRM zbudowanego w Z.M.E. [2]: 1 paramagnetyczny kadłub silnika, 2 rdzeń wzbudnika, 3 wirnik, 6 przekładnia hipocykloidalna, 7 wał napędowy, 11 uzwojenie wzbudzenia Naturalną konsekwencją prowadzonych dotąd prac badawczych w Z.M.E. P.W. nad silnikami reluktancyjnymi przełączalnymi z toczącym się wirnikiem [2], [3] jest zbadanie możliwości rozwoju tych konstrukcji poprzez podmagnesowanie wirnika zbudowanie silnika hybrydowego przełączalnego z toczącym się wirnikiem (Rolling Rotor Switched Hybrid Motor) [1]. 2. ZASADA DZIAŁANIA SILNIKA HYBRYDOWEGO PRZEŁĄCZALNEGO Z TOCZĄCYM SIĘ CYLINDRYCZNYM WIRNIKIEM (RRSHM) Ideę silnika hybrydowego przełączalnego z toczącym się cylindrycznym wirnikiem (RRSHM) można w skrócie przedstawić w następujący sposób [1], [4]. A A-A 2r m m N N a S A Rys. 2.1. Wirnik silnika hybrydowego (RRSHM).: a magnes trwały, m nabiegunniki, r promień wirnika 354

W odróżnieniu od silnika reluktancyjnego przełączalnego z toczącym się wirnikiem, wirnik silnika hybrydowego przełączalnego z toczącym się cylindrycznym wirnikiem jest podmagnesowany elektromagnetycznie bądź magnetoelektrycznie (rys. 2.1).Wirnik - bieżnik może toczyć się wewnątrz cylindrycznej bieżni E - wzbudnika St o promieniu wewnętrznym R większym od promienia wirnika r (rys. 2.2). W stanie bezprądowym na wirnik działa siła P wywołana strumieniem magnesu trwałego a. Siła ta działa prostopadle do bieżni E. E ω St R N 0 ω0 r F1 C F2 F P Rys. 2.2. Zasada działania silnika hybrydowego przełączalnego z toczącym się cylindrycznym wirnikiem(rrshm): St wzbudnik, E cylindryczna bieżnia, R promień wzbudnika, r promień wirnika, N biegun wirnika Załączenie kolejnego pasma uzwojenia wzbudzenia (zależnie od pierwotnego położenia wirnika) tak by strumień wywołany przez przepływ tego pasma wzbudzenia miał zgodną polaryzację ze strumieniem magnesu trwałego, spowoduje powstanie siły F, mającej punkt zaczepienia w środku geometrycznym wirnika C. Siłę F można rozłożyć na składową F 1 skierowaną w kierunku minimalnej szczeliny powietrznej oraz na składową F 2 prostopadłą do F 1. Siła F 2 jest źródłem momentu T s obracającego punkt C (środek wirnika) wokół punktu 0 będącego środkiem geometrycznym cylindra E. Jednocześnie siły P i F 1 dodają się i są źródłem skierowanej stycznie do obwodu wirnika i wzbudnika siły tarcia. Dzięki tej sile tarcia, oraz momentowi obrotowemu wywołanemu przez siłę F 2 wirnik przetacza się po wewnętrznej powierzchni wzbudnika. Załączenie kolejnego pasma uzwojenia wzbudzenia następuje po wykonaniu obrotu o zaprogramowany w sterowniku kąt. W ten sposób następuje załączanie i wyłączanie odpowiednich pasm uzwojenia wzbudzenia w trakcie przetaczania się wirnika. 355

Φw + Φr Φw Φr (a) (b) Rys. 2.3. Obrazowy rozpływ głównych strumieni magnetycznych w silniku RRSHM: a współdziałających; b przeciwdziałających Jeżeli wirnik toczy się bez poślizgu mechanicznego, to punkt M leżący na obwodzie wirnika (rys. 2.4a) przejdzie z położenia M 1 w położenie M 2 po obróceniu się wirnika wokół swojego środka C o kąt 2π. Droga, którą przebywa punkt M z położenia M 1 do M 2 wynosi 2πr, łuk zaś M 1 M 2 = 2π(R-r). Zatem krok cykliczny 2 ( R r) silnika jest równy kątowi θ = π, o który obrócił się wirnik wokół środka 0. R γ θ ϕ a) b) Rys. 2.4. Krok cykliczny (a) i trajektoria ruchu wirnika (b) silnika hybrydowego przełączalnego z toczącym się cylindrycznym wirnikiem (RRSHM): θ kąt o jaki obróci się wirnik wokół środka 0 po wykonaniu pełnego obrotu wokół własnego środka C, 0 środek wzbudnika; C, C obracający się środek wirnika; M,M punkt na obwodzie przetaczającego się wirnika zakreślający hipocykloidę; φ kąt synchroniczny Trajektorię ruchu punktu M (rys.2.4 b) w układzie współrzędnych kartezjańskich opisują równania hipocykloidy: 356

x = y = ϕ = ( R r) ( R r) r R γ cos sin r R r R R r γ + r cos γ R R r γ + r sin γ, (2.1) R gdzie: γ - kąt obrotu wirnika wokół swojej osi C, φ - kąt obrotu osi wirnika C wokół osi wzbudnika 0 zwany kątem synchronicznym. Dla kąta γ = 2π zachodzi następujący związek pomiędzy kątami θ = 2 π ϕ. Uogólniając, ruch obrotowy wirnika sprowadzony na niezależny wał o osi 0 odpowiada zmianie kąta κ wyrażonej wzorem κ = γ ϕ. Podstawiając wyrażenie (2.1) otrzymujemy prostą zależność: κ R r =, (2.2) r ( ϕ ) ϕ kąta obrotu wirnika wokół osi 0 w funkcji kąta synchronicznego. Jedną z podstawowych zależności w silniku hybrydowym przełączalnym z toczącym się cylindrycznym wirnikiem jest zmienność szczeliny powietrznej w funkcji położenia wirnika (rys. 2.5a). 12 10 ϕ δ [mm] 8 6 4 2 δ 0 0 0,349 0,698 1,047 1,396 1,745 2,094 2,443 2,792 3,141 ϕ [rad] a) b) Rys. 2.5. Szczelina powietrzna silnika hybrydowego przełączalnego z toczącym się cylindrycznym wirnikiem (a), oraz przebieg jej zmienności w funkcji kąta obrotu osi wirnika: δ szczelina powietrzna, φ kąt synchroniczny, e mimośród, R promień wzbudnika, r promień wirnika Trójkąt A0C tworzą boki o długościach odpowiednio: A0 = R, 0C = e, AC = δ + r, oraz kąt <(A0C) = φ. Wykorzystując twierdzenie cosinusów otrzymujemy 357

2 2 2 R + e ( δ + r) wzór: cosϕ =, stąd finalny wzór opisujący zależność szczeliny 2 R e powietrznej w funkcji położenia wirnika (rys. 2.5 b): 2 2 δ ( ϕ ) = R + e 2R e cos ϕ r. (2.3) Pozostałe szczegóły dotyczące zasady działania silnika hybrydowego przełączalnego z toczącym się cylindrycznym wirnikiem zostały przedstawione razem z opisem konstrukcji w rozdziale 3. 3. ROZWIĄZANIE PODSTAWOWYCH WĘZŁÓW KONSTRUKCYJNYCH Podstawowe założenia konstrukcyjne projektowanego silnika hybrydowego przełączalnego z toczącym się cylindrycznym wirnikiem mające umożliwić porównanie tej konstrukcji z dotąd badanymi, wynikają z wniosków dotychczasowych prac [2],[3]. Są to: - promień wewnętrzny wzbudnika R = 60 mm - mimośród e = 5,5 mm - minimalna szczelina powietrzna δ min = 0,05 mm - maksymalna długość wzbudnika L = 120 mm - ze względu na wprowadzenie do obwodu magnetycznego magnesu trwałego, maksymalna indukcja w szczelinie powietrznej B δmax = 1 T - maksymalna indukcja w jarzmie wzbudnika i wirnika B jmax = 1,2 T - średnia gęstość prądu j śr = 8 A/mm 2 - uzwojenie główne czteropasmowe skupione - chłodzenie silnika naturalne - praca przerywana Proponowana konstrukcja silnika RRSHM przy powyższych założeniach jest przedstawiona na rysunku 3.1. Najistotniejszymi zespołami silnika hybrydowego przełączalnego z toczącym się cylindrycznym wirnikiem są obwód magnetyczny, oraz układ odbioru napędu. Obwód magnetyczny tworzą: czteromodułowy wzbudnik 7, wraz z czteropasmowym dwupołówkowym uzwojeniem wzbudzenia 9, przestrzeń podbiegunowa szczeliny powietrznej, oraz magnetycznie czynne elementy wirnika nabiegunniki 5 i magnes trwały 6. Układ odbioru napędu składa się z mimośrodowego wału wirnika 2, klinowej przekładni hipocykloidalnej 4, oraz wału napędowego 1. Wzbudnik wykonany jest z czterech autonomicznych modułów (rys.3.1) rozdzielonych przekładkami wykonanymi z paramagnetyka 3, zamocowanych w korpusie silnika, również wykonanego z materiału paramagnetycznego (dural). Moduły są zbudowane z pakietu elektrotechnicznych blach prądnicowych typu EP20 (wg katalogu firmy Komel). Każdy moduł wzbudnika tworzą dwa bieguny, oraz łączące je jarzmo. Nabiegunniki wirnika ze względu na wymuszoną 358

przez magnes trwały polaryzację mogą być wykonane z litego żelaza. Proponuje się zastosowanie neodymowego magnesu trwałego typu VACODYM 335 HR (285/80) [1]. n s n s Rys. 3.1. Konstrukcja modelu silnika hybrydowego przełączalnego z toczącym się cylindrycznym wirnikiem [1]. 1 wał napędowy, 2 mimośrodowy wał wirnika, 3, 10 tarcza łożyskowa przednia i tylna, 4 przekładnia hipocykloidalna klinowa, 5 wirnik, 6 magnes trwały, 7 wzbudnik, 8 korpus silnika, 9 uzwojenie wzbudzenia Wykorzystując propozycje z prac [3], [6] do przeniesienia napędu z toczącego się wirnika na wał przewidziano klinową przekładnię hipocykloidalną. Zakładając, że toczenie się kół przekładni odbywa się bez poślizgu, można wyprowadzić podstawowe zależności zachodzące w przekładni hipocykloidalnej stosując metodę graficzno-analityczną (rys. 3.2). 359

ω v0 R2 R4 R3 e v ω2 R1 vx ω1 2v Rys. 3.2. Zasada działania przekładni hipocykloidalnej ciernej Przekładnia realizuje przełożenie prędkości wirowania mimośrodu na ruch wału napędowego wg relacji: i2 S ω 2 = ω = ( R + R ) 2 2 3 R R Przełożenie ruchu wirnika na wał napędowy jest równe: 4 e. (3.1) i 21 ω 2 = ω 1 = R2 + R R 4 3. (3.2) Wirnik osadzony jest na mimośrodowym wale, który zapewnia stały niezależny od naciągu magnetycznego docisk kół klinowych przekładni. Wał został w środkowej części dodatkowo podtoczony tak, by zmniejszyć masę, a tym samym moment bezwładności silnika. 4. WNIOSKI DLA DALSZYCH PRAC Przeprowadzone dotąd badania [1] otwierają drogę do dalszych prac i wyznaczają ich kierunki.: - miniaturyzacja konstrukcji ograniczyłaby wpływ niewyważenia dynamicznego wirnika mikrosilnik momentowy. - Rozpływ pola w tego typu maszynie szczególnie w obszarze szczeliny powietrznej w kierunku aksjalnym jest bardzo zróżnicowany, zatem skrajne elementy 360

zarówno wirnika, jak i wzbudnika są tylko częściowo wykorzystane (rys. 4.1a). Jedną z możliwych metod zmiany tego stanu rzeczy jest klinowe ukształtowanie szczeliny przywirnikowej (rys. 4.1b). a) b) Rys. 4.1. Możliwe rozwiązanie regulacji niejednorodnego rozpływu pola w szczelinie przy wirnikowej: a stan obecny, b proponowana zmiana konstrukcyjna - Innym proponowanym rozwiązaniem jest zastąpienie magnesu trwałego cewką podmagnesowującą, zamocowaną na sztywno do wzbudnika wokół której poruszałby się odpowiednio ukształtowany wirnik lub zawieszoną na cięgnach mocniej przylegającą do wirnika. Pozwalałaby ona na szerszą regulację silnikiem poprzez zmianę strumienia podmagnesowującego. Istnieje również wiele innych rozwiązań, które mogłyby zastąpić przekładnię hipocykloidalną bądź to cierną, bądź zębatą. - Jednym z innych sposobów odbioru momentu z wirnika jest zastosowanie sprzęgła kabłąkowego lub oponowego [7] (rys. 4.2 a). a) b) c) Rys. 4.2. Możliwe rozwiązanie odbioru napędu z wirnika RRSHM: a sprzęgła kabłąkowe; b, c sprzęgła krzyżakowe - Dla maszyn o mniejszych gabarytach możliwe jest stosowanie sprzęgieł krzyżakowych rys. 4.2b, c. Istotne jest w tych wypadkach zapewnienie toczenia się wirnika bez poślizgu. 361

- do innych sposobów odbioru napędu z toczącego się wirnika należą m.in.: podwójne sprzęgło kardana [6] i odwrócona przekładnia hipocykloidalna [1]. Obiektywna ocena ilościowa przedstawionej w powyższym artykule konstrukcji ze względu na jej nowatorstwo wymaga przeprowadzenia szeregu analiz wprowadzających niezbędne zmiany poszczególnych parametrów maszyny wpływających na charakterystyki eksploatacyjne. LITERATURA 1. Bucki B., Kompleksowy model matematyczny silnika hybrydowego z toczącym się wirnikiem. Praca dyplomowa magisterska, Z.M.E. P.W. 2001. 2. Rogalski A., Model matematyczny silnika reluktancyjnego przełączalnego z toczącym się wirnikiem. Praca dyplomowa magisterska, Z.M.E. P.W. 2001. 3. Obara P., Silnik z toczącym się wirnikiem. Praca dyplomowa magisterska, Z.M.E. P.W. 1998. 4. Wójcik M., Silniki wolnobieżne o wirniku toczącym się. Przegląd Elektrotechniczny 2/1978 5. Reinert J., Enslin J.H.R., Smith E.D., Digital Control and Optimization of a Rolling Rotor Switeched Reluctance Machine. IEEE Transactions on Industry Applications vol.31, No.2, March/April 1995. 6. Kamiński G., Przyborowski W., Szczypior J., Układy mimośrodowe przenoszące moment napędowy z toczącego się wirnika. Prace Naukowe Elektryka, z.117 OWPW. Warszawa 2001. 7. Osiński Z., Sprzęgła i hamulce. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 1996. A ROLLING ROTOR SWITCHED HYBRID MOTOR SUMMARY Operational princples and the design idea of a Rolling Rotor Switched Hybrid Motor (RRSHM) are presented. The RRSHM has been designed at the Institute of Electrical Machines of Warsaw University of Technology. Review of current literature on the designs of a Rolling Rotor Motor is presented in the first part of paper. In the second part, the design, operational princples and an analysis of rotor kinematics are described. Key words: Switched Motors, Rolling Rotor Motors. Recenzent: prof. dr hab. inż. Andrzej Demenko 362