ZESZYTY N A U K O W E PO LITE C H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: E LE K TR Y K A z.139
1994 N r kol. 1247
Tadeusz GLINKA
ZASTOSOWANIE MAGNESÓW TRWAŁYCH FERROPLASTYCZNYCH W KONSTRUKCJI MIKROMASZYN
Streszczenie. M ikrom aszyny elektryczne, takie jak: silniki prądu stałego, silniki skokow e, prądnice synchroniczne z biegunam i kłow ym i, silniki synchroniczne i silniki z kom utacją elektroniczną m ogą być w zbudzane m agnesem trw ałym ferroplastycznym . Z astosow anie magnesów ferroplastycznych w konstrukcji tych m ikrom aszyn upraszcza technologię ich wykonania i popraw ia param etry. W artykule zaprezentow ano param etry różnych gatunków magnesów ferroplastycznych, a na przykładzie prądniczki synchronicznej z biegunam i kłowymi przedstaw iono korzyści w technologii produkcji i param etrach tych m aszyn.
THE APPLICATION OF PERMANENT FERROPLASTIC MAGNETS IN MICROMACHINE DESIGN
Sum m ary. E lectrical m achines such as d.c.m otors, stepping m otors, synchronous generators with claw poles, synchronous m otors and electronic com m utator m otors m ay be excited by m eans o f perm anent ferroplastic m agnets. T he application o f ferroplastic m agnets in m icrom achine design sim plifies production engineering and im proves the ratings. The properties and ratings o f various kinds o f ferroplastic m agnets have been presented in the paper. The exam ple o f synchronous generator w ith claw poles show s the advantages in production engineering resulting from the use o f the magnets.
nPHMEHEHUE tDEPPOnAACTPWECKMX nOCTOFIHHbIX MATHHTOB B M M K PO A B U r ATEAHX
Pe3iOMe. BAeKTpwecKne MnnpoABnraieAn Tanne nan: ABnraieAn nocTOHHHoro Tona, waroBbie ABnraieAn, cnHxpoHHbie reHepaiopu c Konno6pa3HbiMn noAiocaMn, cnHxpom-ibie ABnraieAn n ABnraieAn c aAempoHHon KOMMyiaunen Moryi B036y>KAaTbcn nocTORHHbiM ctepponAacinMecKnM MammoM. (IpnMeHenne (CepponAacmueennx MarHmoB b Tannx MnnpoABnraieAax ynpoujaei TexHOAomio nx n3roTOBAeHna n yAynujaei napaMeipu. B craTbe paccMaipnBatOTCR napaMeipbi pa3AnuHbix BnAOB oepponAacmMennx MarHmoB. Ha npnMepe cnHxpoHHoro reHepaiopa c Konno6pa3HUMn noAKDCavin A0na3aH0, mo TexHOAorna npon3BOACiBa poTopoB Tannx MauinH ôOAee Aeiuesa, a napaMeipbi nx 3HaMmeAbHO Aynuje.
1. WSTĘP
Rozwój technologii m agnesów trw ałych idzie w kierunku magnesów ferroplastycznych.
M agnesy ferroplastyczne uzyskuje się jak o m ieszaninę proszków m agnetycznych ferrytowych lub pierw iastków ziem rzadkich z tw orzyw em term oplastycznym , np. polipropylenem lub nylonem . D ow olne kształty tych m agnesów uzyskuje się m etodą w trysku. W tego typu technologii produkcyjnej m agnesów ferroplastycznych dosyć łatwo jest formow ać magnes anizotropow y o założonym uprzyw ilejow anym kierunku anizotropii. Magnesy ferroplastyczne, w stosunku do m agnesów spiekanych, są tańsze, gdyż ich produkcja jest mniej energochłonna. Ponadto niedokładności ich w ym iarów są znacznie m niejsze, a magnes w yjęty z form y m a kształt ostateczny i nie podlega dalszej obróbce np. przez szlifowanie.
T abela 1 Porów nanie param etrów m agnesów ferrytow ych spiekanych i ferroplastycznych
Typ magnesu Materiał Firma Br
T
bHc kA/m
(BH)max kJ/m3
P B O 40 ferroplast
aniztropowy
PEMAT 0,12-0,16 79-112 2,3-4
PI Y 120 ferroplast aniztropowy
PEM AT 0,22-0,26 151-190 8,7-14
PT 200 ferroplast
aniztropowy
PEM AT 0,28-0,3 188-200 16-17
FERRIFLEX3 ferroplast aniztropowy
Aimants UGIMAGSA
0,225 159 9,5
FERRIGLEX4 ferroplast aniztropowy
Aimants UGIMAGSA
0,245 175 11,5
SPINALOR 4H ferryt (spiek) anizotrop.
Aimants UGIMAGSA
0,385 244 28
SPINALOR 6B ferryt (spiek) anizotrop.
Aimants UGIMAGSA
0,400 280 30
SPINALOR 8B ferryt (spiek) anizotrop.
Aimants UGIMAGSA
0,425 264 35
FERROXDURE P30 ferroplast izotropowy
PHILIPS 0,125 88 2,8
FERROXDURE P40B ferroplast izotropowy
PHILIPS 0,145 96 3,6
FERROXDURE SP50 ferroplast izotropowy
PHILIPS 0,155 104 4,4
FERROXDURE SP130
ferroplast anizotropowy
PHILIPS 0,24 175 11
FERROXDURE SP170
ferroplast anizotropowy
PHILIPS 0,27 196 14
FERROXDURE 270 ferryt (spiek) PHILIPS 0,35 260 22,8
FERROXDURE 300 ferryt (spiek) PHILIPS 0,4 160 29,5
FERROXDURE 400 ferryt (spiek) PHILIPS 0,41 265 31,3
FERROXDURE 500 ferryt (spieki PHILIPS 0,404 295 30,5
Ferryt baru spiek izotrop
Z.M.
Trzebinia
0,20 120 6,0
Zastosowanie magnesów. 83 W ytrzym ałość m echaniczna m agnesów ferroplastycznych je st w iększa niż m agnesów spiekanych, w szczególności na siły udarow e. M ały rozrzut w ym iarów magnesów ferroplastycznych pozw ala konstruow ać układy m agnetyczne m aszyn elektrycznych o zmniejszonej szczelinie. Porów nanie podstaw ow ych param etrów m agnesów ferro
plastycznych i m agnesów spiekanych podano w tablicy.
2. ZASTOSOWANIE MAGNESÓW FERROPLASTYCZNYCH W OBWODACH MAGNETYCZNYCH MIKROMASZYN ELEKTRYCZNYCH
M agnesy ferroplastyczne m ożna stosow ać w szędzie tam, gdzie dotychczas były stosow ane magnesy spiekane. Szczególnie korzystne rozw iązania obw odu m agnetycznego uzyskuje się w tych m ikrom aszynach, które posiadają magnes trw ały w w irniku. Przykładem takich mikromaszyn są: prądnica synchroniczna 1-fazow a z biegunam i kłow ym i (prądnica rowerowa), silniki skokow e (np. silnik FA -16 produkcji Przedsiębiorstw a M IK RO N A ) czy też silniki z kom utacją elektroniczną. R ozw iązanie takiego w irnika i param etry mikromaszyny z tym w irnikiem zostanie zilustrow ane na przykładzie prądnicy row erow ej.
Na ry s.l przedstaw iono w układzie rozw iniętym budow ę prądnicy row erow ej, a na rys. 2 wirniki, przy czym na rys. 2a w irnik obecnie stosow any z m agnesem spiekanym , a na rys.2b wirnik z m agnesem ferroplastycznym [1],
Rys. 1. Elem enty składow e prądnicy rowerowej:
1 - kółko napędow e, 2 - obudow a, 3 - lew a połow a jarzm a stojana, 4 - tuleja łożyskow a, 5 - uzw ojenie, 6 - praw a połow a jarzm a stojana, 7 - m agnes trwały, 8 - w ałek, 9 - tw orzyw o term oplastyczne
F ig .l. T he com ponents o f bicycle dynam o
1 - drive w heel, 2 - casing, 3 - the left h a lf o f stator yoke, 4 - bearing sleeve, 5 - w inding, 6 - the right h a lf o f stator yoke, 7 - perm anent m agnet, 8 - shaft 9 - therm oplastic m aterial
W irnik ten składa się z w ałka (3), puszki stalowej (4) i m agnesu trwałego ferroplastycznego (5). Puszka stalow a (4) stanowi konstrukcję nośną w irnika, gdyż łączy w je d n ą całość w ałek (3) i m agnes trw ały (5). Puszka ta rów nocześnie zam yka obwód m agnetyczny w zbudzenia, przez co uzyskuje się zm niejszenie reluktancji obw odu w stosunku do rozw iązania w irnika z m agnesem spiekanym (rys.2a). Daje to ew identne korzyści, gdyż objętość m agnesu trw ałego ferroplastycznego jest znacznie m niejsza od objętości magnesu spiekanego, co zm niejsza m asę w irnika.
N a przykład m asa w irnika (rys. 2a) prądnicy rowerowej produkow anej przez Zakład ROM ET wynosi 53 g, ten sam w irnik z m agnesem ferroplastycznym (rys. 2b) waży 30 g.
U praszcza się rów nież technologia w ykonania w irnika. W irnik w ykonuje się na wtryskarce.
Przed każdorazow ym w tryskiem masy ferroplastycznej form ę zbroi się w kładając do niej w ałek i puszkę stalową. W czasie zam ykania form y następuje w ciśnięcie w ałka do tulejki puszki, po zam knięciu form y w tryskuje się masę ferroplastyczną. W ten sposób za pomocą jednej operacji technologicznej w ykonuje się gotow y wirnik. D obrze w ykonana forma zapew nia osiow ość osadzenia w ałka, ja k rów nież dostatecznie m ałe tolerancje średnicy wirnika.
Rys.2. W irnik z m agnesem spiekanym (a) i ferroplastycznym (b)
1 - m agnes trw ały spiekany, 2 - tw orzyw o termoplastyczne, 3 - w ałek 4 - puszka ferrom agnetyczna, 5 - magnes ferroplastyczny
Fig. 2. T he rotator w ith sintered m agnet (a) and ferroplastic m agnet (b) 1 - sintered perm anent m agnet, 2 - therm oplastic m ateria, 3 - shalf, 4 - ferrom agnetic box, 5 - ferroplastic m agnet
r=h rh
a)
Zastosowanie magnesów. 85 Na rys. 3 przedstaw iono rodzinę charakterystyk elektrom echanicznych U =f(n) prądnicy rowerowej 100 produkow anej przez Zakłady ROM ET w Poznaniu. C harakterystyki (1) uzyskano przy w irniku seryjnym (rys. 2a) z magnesem spiekanym izotropow ym z ferrytem baru produkow any przez ZM T rzebinia. Charakterystyki 2 i 3 uzyskano na tej samej prądnicy rowerowej przy w irnikach ja k na rys.2b z m agnesam i anizotropow ym i ferroplastycznym i typu PIY 120 i PT 200 o grubości 3,35 m m i 2,4 mm.
Rys.3. Charakterystyki elektrom echaniczne prądnicy row erow ej: biegu jałow ego U0=f(n) i obciążenia U =f(n) przy Rob=12 Q uzyskane przy w im iku z m agnesem spiekanym (1) i ferroplastycznym PT 200 (2) i PIY 120 (3), przy grubości m agnesu 3,35 mm (a) i 2,4 (b). Pom iary w ykonano na prądnicy firm y ROM ET
Fig.3. Torque-speed characteristics o f bicycle dynamo: idle running U0=f(n) and under load U =f(n) (Rob=12 Q ), (1) for rotor with sintered m agnet, (2) for rotor w ith ferroplastic m agnet o f PT 200 type, (3) for rotor with ferroplastic m agnet o f PIY 120 type. T he m agnet thickness w as 3,35 mm (a) and 2,4 m m (b)
N a rys.3 zakreskow ano pow ierzchnię, której zgodnie z w ym aganiam i norm y BN-69/3016- 09 [2], charakterystyki U =f(n) nie pow inny przecinać. D la m agnesów trw ałych typu PT 200 charakterystyki w chodzą na górną zakreskow aną pow ierzchnię, co św iadczy o tym , że magnes jest za silny. T ak w ięc przy tym m agnesie obniżenie charakterystyki m ożna uzyskać poprzez zm niejszenie liczby zw ojów , co dodatkow o obniża koszt prądnicy. Porów nując wpływ grubości m agnesu na param etry prądnicy widać, że ju ż przy grubości m agnesu 2,4 mm uzyskuje się popraw ne param etry prądnicy rowerowej.
u
t
Rys.4. W pływ anizotropii m agnesu ferroplastycznego na charakterystykę U =f(n) przy Rlb= 12 f i. W irnik z m agnesem PT 200 anizotropow ym (1) i izotropow ym (2).
Pom iary w ykonano na prądnicy firm y U NIO N
Fig.4. The influence o f ferroplastic m agnet anizotropy on voltage-speed characteristics U =f(n) w ith load resistance Rob=12 Q . The rotor w as fitted with PT 200 perm anent m agnet o f (1) anizotropie (2) isotropic type respectively. The tests w ere run with U N IO N generator
N a rys.4 zilustrow ano w pływ anizotropii magnesu ferroplastycznego na charakterystykę elektrom echaniczną U = f(n) prądnicy row erow ej. Przy prędkości obrotow ej 5000 obr/m in i rezystancji obciążenia 12 f i przy m agnesie anizotropow ym uzyskauje się 6 V, a przy m agnesie izotropow ym 4,4 V. A nizotropia m agnesu podw yższa napięcie prądnicy rowerowej o 36% oraz m oc w yjściow ą prądnicy o 85%.
N a rysunku 5 przedstaw iono w pływ rodzaju puszki w irnika (rys. 2b) na charakterystykę elektrom echaniczną U =f(n) przy Rob= 12 f i. Pom iary przeprow adzono na w irniku z m agnesem ferroplastycznym anizotropow ym z puszką stalow ą (1) i puszką alum iniow ą (2) i tekstalitow ą (23). Jak w idać, na przebieg charakterystyki w pływ ają właściwości ferrom agnetyczne puszki. Puszka ferrom agnetyczna zm niejsza reluktancję obwodu
Zastosowanie m agnesów. 87 m agnetycznego, co pow iększa w artość strum ienia w zbudzenia, a tym sam ym i napięcia prądnicy. N a przykład przy prędkości obrotow ej 5000 obr/m in przy puszce ferrom agne
tycznej uzyskuje się 5,7 V, a przy puszce niem agnetycznej 4,2 V. Puszka ferrom agnetyczna podwyższa napięcie o 35,7% , a m oc prądnicy o 84 %.
Rys.5. W pływ rodzaju puszki w irnika (rys.2b) na charakterystykę U =f(n) przy R ,b=12Q 1 - puszka stalow a, 2 - puszka niem agnetyczna
Fig.5. T he influence o f the type o f rotor box on voltage - speed characteristics U =f(n) with load resistance R„b= 12Q, 1 - steel box, 2 - non-m agnetic box
3. PODSUMOWANIE
Z danych zestaw ionych w tabeli 1 w idać, że param etry m agnesów ferroplastycznych anizotropow ych leżą pośrodku param etrów m agnesów ferrytow ych spiekanych izotropow ych i anizotropow ych. M agnes ferroplastyczny ma znacznie m niejszą tolerancję rozrzutu w ym ia
rów niż m agnes spiekany, dlatego też obw ody m agnetyczne maszyn elektrycznych w zbu
dzane tym i m agnesam i m ożna w ykonyw ać z m niejszą szczeliną. W ten sposób punkt pracy
m agnesu trwałego podnosi się w kierunku Br i indukcję w szczelinie przy tym magnesie m ożna uzyska rów ną, a czasem w iększą niż przy m agnesie spiekanym anizotropow ym .
Przedstaw iony przykład prądnicy row erow ej w sposób dostateczny ilustruje zalety konstrukcyjne i technologiczne, które się uzyskuje przy m agnesach ferroplastycznych.
Param etry elektrom echaniczne m aszyny, co je s t rzeczą oczyw istą, są lepsze niż przy m agnesach ferrytorow ych izotropow ych spiekanych.
LITERATURA
1. G linka T., T om aszkiew icz W .: W irnik m ikrom aszyny i sposób jeg o w ytwarzania.
Zgłoszenie patentow e P 291388 z dnia 1991.08.08
2. N orm a branżow a B N -69/3016-09 M aszyny elektryczne malej mocy. Prądnice row erow e. Ogólne w ym agania i badania.
Recenzent: D r hab.inż. Ignacy D udzikowski
W płynęło do Redakcji dnia 11 kw ietnia 1994
Abstract
E lectrical m achines such as d.c. m otors, stepping m otors, synchronous generators with claw poles, synchronous m otors and electronic com m utator m otors m ay be excited by means o f perm anent ferroplastic magnets. T he application o f ferroplastic m agnets in m icrom achine design sim plifies production engineering and im proves the ratings. This im provem ent results from the anizotropie properties o f ferroplastic m agnet. The advantages in both the ratings and production engineering arising from the use o f ferroplastic m agnets have been show n by the exam ple o f bicycle dynam o (fig. 1). T he cross-section o f the bicycle dynam o rotor with sintered m agnet and ferroplastic m agnet has been show n in fig.2. The mass o f the rotor w ith ferroplastic m agnet is approxim ately, 56 per cent o f the mass o f the rotor w ith sintered
Zastosow anie m agnesów. 89
m agnet. T he torque-speed characteristics o f bicycle dynam o for rotors w ith sintered and ferroplastic m agnets respectively have been show n in fig. 3. Fig.4 presents the influence o f ferroplastic m agnet anizotropy on voltage-speed characteristics o f bicycle dynam o, w hile fig-5 show s the influence o f the type o f ro to r box on the output ratings o f bicycle dynam o.
