1

WYKŁAD 16

STRUKTURY MASZYN

Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

16.1. Topologia budowy przetworników elektromechanicznych.

Wymiana energii w przetworniku z magnesami trwałymi zachodzi poprzez interakcję pól

magnetycznych wytworzonych przez magnesy oraz wielofazowe uzwojenie wiodące prąd

przemienny. W maszynach starszego typu magnesy były montowane na stojanie, a

wielocewkowe uzwojenie wirnika zasilano napięciem stałym za pośrednictwem komutatora.

Ze względu na prostotę technologiczną i niskie koszty wytwarzania to rozwiązanie nadal

często jest spotykane, na przykład w mikromaszynach napędzających sprzęt AGD oraz

elektronarzędzia. Złą stroną takiego rozwiązania jest obecność szczotek w obwodzie

zasilającym i związane z tym kłopoty w eksploatacji. Wady tej są pozbawione maszyny, w

których magnesy są umiejscowione na części ruchomej, a uzwojenie stojana, najczęściej

trójfazowe, jest zasilane z sieci prądu przemiennego; zazwyczaj za pośrednictwem

przekształtnika. Dla serwomechanizmów o ograniczonym zakresie przemieszczeń jest

możliwe zasilanie także części ruchomej, bez pośrednictwa szczotek.

Formalnym wyróżnikiem poszczególnych konstrukcji przetworników jest położenie

wektora przemieszczenia, czy też prędkości pola magnetycznego względem powierzchni

utworzonej przez zamknięte linie strumienia. Jeżeli wektor ten jest styczny do tej

powierzchni, to mówimy o przetwornikach z polem podłużnym, natomiast gdy jest

prostopadły, to takie obiekty określa się jako przetworniki z polem poprzecznym. Przykłady

podstawowych konstrukcji z polem podłużnym pokazano na rys 16.1.

Topologie przedstawione na rys.16.1.b, c posiadają istotną wadę, jaką jest niezrównoważona

magnetyczna siła przyciągająca obydwie części przetwornika. Siła ta jest znaczna - przeciętna

wartość naprężeń magnetycznych w szczelinie jest rzędu 0.4 MPa i musi być skompensowana

reakcją mechaniczną w punktach podparcia części ruchomej, co niepotrzebnie powiększa

koszty konstrukcji o łożyska dobrane z odpowiednią nośnością. Dlatego też, przetworniki

zarówno liniowe jak i obrotowe o strumieniu osiowym, nazywane też tarczowymi, są

przeważnie wykonywane w wariancie dwustronnym, gdzie część ruchoma (najczęściej z

magnesami trwałymi) jest symetrycznie umocowana względem uzwojonej części

nieruchomej. Istnieje również możliwość wykonania osiowo symetrycznego przetwornika

liniowego o skompensowanej sile przyciągającej. Mówimy wówczas o przetworniku z biegnikiem

tubowym, w którym wektor namagnesowania ma kierunek radialny. Również w maszynie o

2

strumieniu radialnym można wykonać dwustronny wirnik, co prowadzi do lepszego

wykorzystania objętości maszyny. Rozwiązanie to jest jednak wyraźnie droższe oraz

wymagające bardziej zaawansowanej technologii produkcji i dlatego też rzadko się je

spotyka. Wymienione konstrukcje przedstawiono schematycznie na rys.16.2.

Rys.16.1. Geometria obwodu magnetycznego wraz z przestrzennym położeniem linii strumienia w przetwornikach

elektromechanicznych z polem podłużnym

a. elektromagnes,

b. przetwornik liniowy,

c. przetwornik obrotowy o strumieniu radialnym,

d. przetwornik obrotowy o strumieniu osiowym.

Przy rozwiązaniach podwójnych należy jeszcze zwrócić uwagę na możliwość wykonania

przetwornika o tzw. strumieniu skrośnym, w którym pole magnetyczne w części wewnętrznej

ma praktycznie tylko jedną składową. Konstrukcja ta jest stosowana zarówno w przetwornikach

o ruchu liniowym jak i obrotowym, często w wersji bez elementów ferromagnetycznych w

części wewnętrznej. W przypadku kiedy część wewnętrzna jest uzwojona, to rozwiązanie

takie zapewnia praktycznie niezmienną w czasie siłę, bądź moment elektromagnetyczny

pozbawionych składnika reluktancyjnego. Dodatkową zaletą maszyn tego typu jest relatywnie

niewielka masa bądź moment bezwładności dla przetworników obrotowych, co może mieć

v

a. b.

c. d.

v

3

znaczenie dla serwonapędów, w których jest istotne opóźnienie z jakim napęd reaguje na

sygnał sterujący.

Rys.16.2. Geometria obwodu magnetycznego wraz z przestrzennym położeniem linii strumienia w przetwornikach

elektromechanicznych z polem podłużnym o skompensowanych siłach magnetycznych.

a. przetwornik liniowy o strumieniu skrośnym,

b. przetwornik liniowy tubowy,

c. przetwornik obrotowy o strumieniu osiowym,

d. przetwornik obrotowy o strumieniu osiowym skrośnym.

Wśród teoretycznie możliwych do wykonania przetworników z polem poprzecznym

zastosowanie praktyczne znalazł jedynie silnik liniowy o strumieniu skrośnym. Jego wersja z

magnesami trwałymi i uzwojeniu skupionym jest pokazana na rys.16.3.

Niezależnie od zalet poszczególnych typów maszyn elektrycznych o ich zastosowaniu

decyduje rachunek ekonomiczny – jeżeli w danym urządzeniu jest możliwe zastosowanie

różnych wariantów konstrukcji przetwornika, to zazwyczaj wybierany jest ten, który ma

niższe koszty produkcji i eksploatacji. I tak pozyskiwanie ruchu liniowego na dużych

odległościach jest zdecydowanie tańsze poprzez zamianę ruchu obrotowego na liniowy za

pośrednictwem tarcia niż inwestowanie w kosztowny tor, którego większość jest w danej chwili

b.

a.

v

c. d.

4

czasowej niewykorzystana. Dlatego też silniki liniowe są konstruowane dla względnie

krótkich torów, zwłaszcza tam, gdzie dodatkowo jest wymagane precyzyjne pozycjonowanie

napędu. Z kolei maszyny o wirniku tarczowym mają istotną wadę, jaką jest pracochłonny

proces wykonywania żłobków w zblachowanym rdzeniu. Dlatego też są stosowane tam, gdzie

istotną rolę odgrywa minimalizacja rozmiaru maszyny wzdłuż jej osi obrotu – na przykład w

piastach kół niewielkich pojazdów. Można więc dokonać pewnego uogólnienia –

przetworniki o strumieniu radialnym są wykorzystywane wszędzie tam, gdzie konstrukcyjne

ograniczenia na to pozwalają, są bowiem w zdecydowanej większości najtańszym

rozwiązaniem.

16.2. Obwody magnetyczne maszyn z magnesami trwałymi.

Stojany w maszynach synchronicznych o strumieniu radialnym mają taką samą strukturę,

niezależnie od rodzaju wzbudzenia, a także rozmiarów maszyny. Składają się z pakietów

użłobkowanych blach elektrotechnicznych, które mogą być w większych jednostkach

oddzielone kanałami wentylacji radialnej (rys.16.3). Sam gabaryt, kształt żłobka czy

proporcje wymiarów zębów i jarzma zależą oczywiście od mocy oraz liczby par biegunów w

maszynie.

a. b.

Rys.16.3. Widok (bez zachowania skali) wykrojów blach stojana dla

a. maszyny o mocy 200 kW, 2p=4,średnica zewnętrzna 510 mm

b. maszyny o mocy 1.2 kW,2p=12, średnica zewnętrzna 120 mm.

5

Różnice konstrukcyjne występują w usytuowaniu magnesów trwałych w wirniku.

Popularnym rozwiązaniem w maszynach małej mocy są tzw. magnesy powierzchniowe – w

postaci pliku pasków lub wycinków pierścienia umocowanych za pomocą taśm

termokurczliwych na powierzchni walcowej wirnika tak wyprofilowanej, aby było możliwe

uzyskanie przestrzennego rozkładu indukcji bliskiego sinusoidalnemu. Alternatywnym

sposobem jest zastosowanie magnesów utajonych w odpowiednio wyciętych otworach w

blachach pakietu wirnika. Wariant ten jest nieco lepszy z punktu widzenia własności

elektromagnetycznych, zapewnia bowiem większą różnicę pomiędzy przewodnościami

magnetycznymi w osiach d i q maszyny, dając tym samym dodatkowy moment reluktancyjny.

Rozwiązanie to jest jednocześnie droższe w wykonawstwie, wymaga bowiem wysokiej klasy

oprzyrządowania technologicznego, pozwalającego na precyzyjne wycięcie kształtu blachy.

Grubość przesmyku magnetycznego pomiędzy sąsiadującymi biegunami powinna być

z jednej strony jak najmniejsza, aby minimalizować strumień rozproszenia własnego

magnesu. Z drugiej jednak strony obszar ten zapewnia odpowiednią sztywność pakietu blach

wirnika i dlatego też jego wymiar w kierunku promieniowym jest kompromisem pomiędzy

własnościami magnetycznymi, wytrzymałościowymi oraz możliwościami technologicznymi.

a. b.

Rys.16.4. Typowe kształty wykrojów wirników czterobiegunowej maszyny

a. z magnesami powierzchniowymi,

b. z magnesami utajonymi.

Często spotykanym rozwiązaniem w silnikach o ułamkowej mocy i znacznej liczbie

biegunów jest wykonanie tzw. koncentratorów strumienia magnetycznego. Polega to na

6

umiejscowieniu magnesów o przemiennym namagnesowaniu prostopadłym do promieni

wirnika, jak pokazano na rys.16.5. W wyniku tego indukcja w szczelinie maszyny może być

większa niż pozostałość magnetyczna samych magnesów. Pozwala to na zastosowanie

tańszych magnesów o mniejszej indukcji remanencji, co jest opłacalne w przypadku masowej

produkcji silników przeznaczonych do napędów powszechnego użytku. Należy pamiętać o

odseparowaniu obwodu magnetycznego wirnika od stalowego wału za pomocą tulei

niemagnetycznej. Brak tulei spowodowałby zwarcie magnetyczne magnesów trwałych –

praktycznie cały strumień wytworzony w wirniku zamykałby się poprzez wał, a nie przez

szczelinę.

Rys.16.5. Obwód magnetyczny wirnika z koncentratorami magnetycznymi i tuleją niemagnetyczną.

Silniki o polu osiowym (tarczowe) mają obwód magnetyczny stojana wykonany najczęściej w

postaci toroidu ze zwiniętej blachy elektrotechnicznej, w którym wycięte są dwie warstwy

żłobków jak pokazano na rys.16.6. Po obydwu stronach stojana są umieszczone dwa jarzma

wirnika, na których naklejone są magnesy wzbudzające pole magnetyczne. Należy pamiętać,

że wypadkowe siły magnetyczne działające na same magnesy przyciągają je do jarzm,

natomiast kompensujące je siły działające na jarzma są przeciwnie skierowane i znacznie

większe. Dlatego też niezbędne jest odpowiednie zaprojektowanie wału silnika, który musi

przenosić znaczne naprężenia ściskające. Wewnętrzny promień stojana jest ograniczony

z dołu ze względu na rozmiar objętości koniecznej dla rozmieszczenia połączeń czołowych

7

uzwojeń fazowych, natomiast płyty jarzm wirnika mają przekrój praktycznie kołowy.

Umożliwia to znaczne zmniejszenie ich grubości, która z kolei wynika z wielkości przekroju

określonego przez strumień magnetyczny pary magnesów i indukcję nasycenia materiału

jarzm. Dodatkowym utrudnieniem przy projektowaniu konstrukcji maszyny z wirnikiem

tarczowym jest opracowanie mechanicznego przeniesienia momentu z pakietu stojana na

zewnętrzną obudowę maszyny. W maszynach o dwustronnym wirniku – ze względu na

kompensację naciągu magnetycznego jest to preferowane rozwiązanie, uzwojenie stojana jest

typu bębnowego (Granma), które pozwala na znaczne zmniejszenie ilości drutu nawojowego.

Tym samym powiązanie konstrukcyjne pomiędzy obudową, a pakietem stojana musi

przeplatać się z połączeniami czołowymi cewek uzwojenia. Jest to kłopotliwe w wykonaniu

oraz przyczynia się do relatywnie małej sztywności stojana.

Rys.16.6. Dwustronny silnik tarczowy

a. obwód magnetyczny,

b. stojan z uzwojeniem bębnowym.

b.

a.

8

W mikromaszynach stosuje się niekiedy bezżłobkowe, dzielone rdzenie proszkowe, w

których pasma uzwojenia są nawijane bezpośrednio na wycinkach ferromagnetycznego

pierścienia, łączonych w fazie montażu w pełen obwód magnetyczny stojana.

Spośród wielu możliwych konfiguracji silników liniowych wykonanych ze

wzbudzeniem od magnesów trwałych warto omówić budowę dwóch typów – tubowego oraz z

biegnikiem bezrdzeniowym, ze względu na powszechność ich występowania. Obwód

magnetyczny twornika silnika tubowego składa się z powtarzalnych segmentów podziałki

żłobkowej, w których z kolei wyróżnia się pakiety jarzma oraz zębów wykonane z blachy

elektrotechnicznej. Pakiety zębów składają się z blach wyciętych w kształcie pełnego

pierścienia, przy czym w kilku początkowych zwykle wycina się dodatkowo wąski przesmyk

w kierunku promieniowym na wyprowadzenie zacisków cewek uzwojenia. Pakiet jarzma

przewodzi strumień magnetyczny w kierunku poosiowym, dlatego też jest on nawijany

spiralnie z pojedynczego paska blachy. Magnesy trwałe są mocowane na stalowym wale i

magnesowane przemiennie w kierunku radialnym (rys.16.7).

Rys.16.7. Obwód magnetyczny silnika liniowego tubowego

pakiet zęba twornika

pakiet jarzma twornika

cewka uzwojenia

magnesy

9

Cechą charakterystyczną silnika tubowego jest znaczna zmienność indukcji magnetycznej w

rdzeniu twornika. W miarę oddalania się od wału maleje indukcja, gdyż rośnie przekrój zęba i

dlatego spadki napięcia magnetycznego w miejscach gdzie strumień jest skierowany

prostopadle do płaszczyzny blachy są niewielkie – promień jarzma twornika jest kilka razy

większy od zewnętrznego promienia magnesów.

Pojawienie się magnesów neodymowych o dużej pozostałości magnetycznej – rzędu

1.25-1.35 T, przy względnie niskiej ich cenie, umożliwiło budowę silników o bezrdzeniowym

tworniku, zarówno obrotowych jak i liniowych. Stojan tych maszyn jest wykonany z dwóch

płyt stalowych pełniących rolę jarzm dla strumienia magnetycznego. Magnesy trwałe są

przyklejone do jarzm i tak namagnesowane, że tworzą okresowy w przestrzeni i jednocześnie

skrośny rozkład pola magnetycznego. Wielofazowe uzwojenie twornika wytwarza pole

biegnące, które oddziaływując z polem magnesów powoduje ruch twornika w przeciwnym

kierunku niż pole, co finalnie powoduje, że pole reakcji twornika jest nieruchome względem

magnesów. Skrośny charakter wypadkowego pola magnetycznego powoduje wzajemne

przyciąganie się jarzm z siłą o wartości mogącej osiągnąć nawet setki kilogramów na metr

długości silnika. Dlatego też jest niezbędna odpowiednio wytrzymała obudowa,

pozycjonująca względem siebie jarzma z magnesami trwałymi.

Rys.16.8. Obwód magnetyczny silnika liniowego płaskiego o strumieniu skrośnym

magnesy

jarzma

twornik

10

Kolejnym typem maszyny, w której mogą znaleźć zastosowanie magnesy trwałe, jest

prądnica synchroniczna z wirnikiem kłowym (alternator Lundell’a) powszechnie

wykorzystywana w przemyśle samochodowym. W wykonaniu klasycznym wzbudzenie pola

na wirniku jest elektromagnetyczne – toroidalna cewka zasilana prądem stałym poprzez

zestyk szczotkowy wytwarza strumień magnetyczny w kierunku osiowym. Strumień ten jest

następnie za pośrednictwem kłowych nabiegunników kierowany do stojana wykonanego jak

w maszynie o strumieniu radialnym. Zastąpienie uzwojenia wzbudzenia magnesem trwałym

powoduje, że stabilizacja napięcia na zaciskach twornika musi być uzyskiwana w odmienny

sposób. Zamiast kluczowania prądu wirnika można wykorzystać przełączanie liczby zwojów

w jedno lub wielofazowym uzwojeniu twornika, bądź też zastosować elektroniczny

przerywacz stabilizujący w zadanym przedziale napięcie wyprostowane.

Rys.16.9. Alternator z wirnikiem kłowym

a. części składowe,

b. widok aktywnych magnetycznie części maszyny,

c. podziałka biegunowa obwodu magnetycznego.

b.

a.

c.

11

W klasycznych obrotowych silnikach elektrycznych prądu przemiennego o strumieniu

radialnym moment stycznej siły magnetycznej pochodzi od wirującego względem stojana

pola magnetycznego uzyskanego dzięki superpozycji dwu lub trzech pól składowych

wytwarzanych przez uzwojenia przesunięte w przestrzeni i zasilane prądami fazowymi

przesuniętymi w czasie. Pole wypadkowe jest nieruchome względem pojedynczego zestawu

magnesów trwałych wytwarzając dzięki temu niezmienną w czasie styczną siłę

proporcjonalną do sinusa kąta przesunięcia osi pól stojana i wirnika.

W silnikach o strumieniu poprzecznym (ang. Transverse Flux Motors) występują dwa

lub trzy moduły, wzajemnie odseparowane magnetycznie, w których pojedyncza cewka

(uzwojenie fazowe) wytwarza homopolarny rozkład pola magnetycznego zmienny w czasie

i nieruchomy w przestrzeni. Poszczególne moduły są przesunięte w przestrzeni - kątowo o kąt

fazowy równy /2 lub 2/3 oraz osiowo – rys.1.

Rys.16.10. Topologia trójfazowego sinika z polem poprzecznym i zewnętrznym wirnikiem

Pole magnetyczne jest zmodulowane w przestrzeni obecnością 2p ferromagnetycznych jarzm

i generuje siłę styczną Fk wzdłuż obwodu cewki określoną zależnością (dla idealnej maszyny)

w układzie współrzędnych wirnika

gdzie k=0,1,2 jest indeksem modułu (uzwojenia fazowego), oznacza przesunięcie osi

magnetycznych stojana i wirnika w module o indeksie 0, jest pulsacją zasilania.

Przechodząc do układu współrzędnych stojana

12

gdzie p jest częstością kołową wirowania a p oznacza liczbę par biegunów i sumując

siły pochodzące od wszystkich modułów otrzymuje się niezmienną w czasie siłę wypadkową

Sumowanie sił odbywa się za pośrednictwem sztywnego mechanicznego połączenia

poszczególnych modułów.

Przykładowe topologie pojedynczych modułów o rozpiętości podwójnej podziałki

biegunowej pokazano na rys.2.

a. b.

Rys.16.11. Geometria pojedynczego modułu silnika o polu poprzecznym

a. silnik jednostronny o magnesach powierzchniowych

b. silnik dwustronny o magnesach z koncentratorami i nabiegunnikach kłowych.

Rozpatrywane prototypy tych silników są konstruowane w bardzo szerokim przedziale mocy

znamionowych – od kilkunastu watów do kilkunastu MW. Podstawową zaletą maszyny z

polem poprzecznym jest wyraźnie lepszy wskaźnik mocy na jednostkę masy uzyskiwany

dzięki podwójnej aktywnej szczelinie, wadą zaś skomplikowana konstrukcja mechaniczna

mająca wpływ na wzrost kosztów produkcji. Tym niemniej, wiele zastosowań (np.

aeronautyka, robotyka) wymaga maszyn o możliwie małym ciężarze. Istniejące rozwiązania

technologiczne pozwalają zakładać pojawienie się seryjnej produkcji takich silników w

stosunkowo bliskim horyzoncie czasowym.

coil

magnets