background image

 

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 

background image

 

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 






a. 

b. 

c. 

d. 



background image

 

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. 

c. 

d. 

background image

 

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. 

background image

 

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 

background image

 

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 

background image

 

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. 

background image

 

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 

background image

 

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 

background image

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. 

background image

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 F

k

 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  

 

background image

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