MASINA CU FLUX TRANSVERSAL

MASINA CU FLUX TRANSVERSAL

Masina cu flux transversal, cu toate ca apare ca un nou venit in familia masinilor electrice, are o istorie destul de lunga. Astfel, inca din anul 1885 W. M. Morday obtinea un patent legat de aceasta masina. Mai mult inductoarele blindate sau cu poli gheara, care au fost primele utilizate la constructia generatoarelor sincrone, prezinta o structura de flux tridimensional cu o importanta componenta transversala. Astfel prima linie aeriana pentru transportul energiei electrice trifazate intre Lauffen si Frankfurt pe Main in Germania, construita in 1891, a fost alimentata de un generator sincron cu un inductor cu poli gheara. Totusi despre masina cu flux transversal in varianta moderna, cu o constructie specifica, care inseamna si o topologie cu concentrare de flux la rotoarele cu magneti permanenti, si cu o alimentare la frecventa variabila, sincronizata cu pozitia rotorului, prin convertoare electronice se poate vorbi cu adevarat incepand cu sfarsitul deceniului al noualea al secolului trecut. Readucerea in atentia cercetatorilor a acestei masini si chiar botezarea ei s-a datorat profesorului Weh de la Universitatea din Braunschweig Germania si colaboratorilor sai. Mai apoi profesorul Henneberger de la Universitatea din Aachen si colaboratorii sai au contribuit la dezvoltarea acestei masini studiind, proiectand si construind mai multe prototipuri, unele pentru diverse campanii, unul dintre acestea regasindu-se prin caracteristici si fotografii si in aceasta lucrare. Si alti cercetatori au adus contributii interesante si importante lucrand in Germania ( Pfaff, Canders, etc.), Anglia ( Harris, Mecrow, Jack, etc.), Canada ( Hasubek, Dubois) si in alte tari, cum ar fi Romania spre exemplu, o serie de nume regasindu-se in referirile bibliografice.

Masina cu flux transversal, datorita structurii statorice de tip homopolar, permite cresterea numarului de perechi de poli fara a se reduce solenatia pe pol. In consecinta o astfel de masina este capabila sa aiba o densitate de putere mult mai mare decat in cazul masinilor conventionale. Astfel, pentru masinile de mica si medie putere valoarea raportului putere / greutate activa este intre 0,5 si 2 kW / kg la masinile cu flux transversal comparat cu 0,25 la 0,8 kW / kg la masinile conventionale, raportul crescand cu cresterea puterii si mai ales a diametrului. Datorita acestei valori mari ale raportului putere / greutate masina cu flux transversal este extrem de atractiva pentru aplicatiile la care limitarea greutatii motorului este una dintre cerintele importante. Mai mult aceasta masina are un cuplu mare la pornire, fapt foarte favorabil in multe aplicatii.

In mod normal sunt necesari mai mult de 20 de ani intre etapa de cercetare - dezvoltare pentru o masina electrica si etapa de aplicare in industrie. Cam aceasta a fost perioada Atat pentru SRM cat si pentru masina de curent continuu fara colector. Nimeni nu se asteapta ca masina cu flux transversal sa aiba un impact in piata la fel de mare ca si masina de curent continuu fara perii, dar pana acum, datorita specificitatii sale, si a domeniului de aplicabilitate foarte ingust si cu mare cerere astazi, masina cu flux transversal are toate sansele sa fie acceptata intr-o perioada mai scurta de timp.

In acest subcapitol sunt prezentate elementele de baza ale masinii cu flux transversal, incepand cu principiul de constructie si functionare, continuand cu cateva variante constructive devenite oarecum clasice, cu dezvoltarea modelului matematic si precizarea unor specificitati ale acestuia si incheind cu incadrarea masinii in sistem, deci cu alimentarea si comanda acesteia.

Evident tratarea nu poate fi exhaustiva, nu acesta este scopul prezentei lucrari cu caracter preponderent didactic. Pentru detalii si pentru adancirea unor subiecte cei interesati pot face apel la monografia existenta sau la referirile bibliografice, destul de bogate, mentionate.

4.4.1. Principiul de constructie si de functionare

Masinile cu flux transversal au, indiferent de varianta constructiva, statorul prevazut cu o infasurare homopolara plasata intre perechi simetrice de poli aparenti. Exista doua variante de baza de masini cu flux transversal si anume:

1. Masina cu flux transversal cu excitatie cu magneti permanenti, cel mai adesea plasati pe rotor, si cu infasurarile fazelor statorice parcurse de curenti sinusoidali. Aceasta varianta de masina, numita in literatura de specialitate cand opereaza ca motor PMTFM ( permanent magnet transverse flux motor) are o mare densitate de putere datorita urmatoarelor caracteristici specifice:

i.O distributie 3D a fluxului care permite o marire a solenatie pe pol.

ii.Un circuit magnetic mai scurt si mai eficient ca la masinile conventionale.

iii.Posibilitatea utilizarii concentrarii de flux.

iv.Un numar mult mai mare de poli ca la o masina conventionala.

2. Masina cu flux transversal reactiva cu rotor pasiv si cu infasurarile fazelor statorice parcurse de curenti unipolari. Aceasta masina numita in regim de motor TFRM ( transverse flux reluctance motor) are o densitate de putere mai mica, neavand excitatie cu magneti permanenti, dar are o constructie mult mai simpla functionand pe acelasi principiu ca si SRM.

Datorita numarului mare de poli masinile cu flux transversal functioneaza alimentate la tensiuni cu frecventa ridicata, deci pierderile in fier sunt mai mari. Cum insa masa de fier este mai mica ca la masinile conventionale si pierderile in infasurari sunt reduse, infasurari inelare scurte, randamentul acestor masini este ridicat. Datorita structurii homopolare si a dispersiei mari factorul de putere este destul de mic insa.

Cele mai multe masini conventionale, care se mai numesc si clasice in fapt, sunt masini la care fluxul se inchide perpendicular pe un plan longitudinal; exceptie fac masinile cu flux axial cu statorul si rotorul sub forma de disc. Deci la masinile rotative conventionale, cu exceptia capetelor de bobine, liniile de flux se inchid in plane perpendiculare pe axul masinii, deci au o structura in 2D. Curentii in infasurarile statorice sunt orientati in directie axiala, Fig. 4.4.1.a. In Fig. 4.4.1.a este prezentata o sectiune printr-o masina sincrona cu magneti permanenti pe rotor. Sunt prezentati doar doi pasi polari intr-un aranjament liniar, cum vor fi prezentate si multe structuri de masini cu flux transversal. In Fig. 4.4.1.b este data o parte a unei faze, o singura piesa polara statorica cu patru magneti permanenti plasati pe stator, tot intr-o dispunere liniara. Este figurata directia curentului, intr-un plan perpendicular pe axul masinii, si este data o linie de flux. Se evidentiaza faptul ca exista portiuni de circuit magnetic la care fluxul este orientat paralel cu axul masinii, dar si portiuni in care fluxul este situat in plane perpendiculare pe axul masinii. Deci structura de flux este o structura in trei dimensiuni ( 3D) si se evidentiaza clar componentele transversale ale fluxului.

Fazele unei masini cu flux transversal sunt module independente dispuse axial cum se poate vedea in Fig. 4.4.2 unde este prezentat statorul unei masini trifazate cu flux transversal.

Fiecare faza are polii cu circuit magnetic independent in structura din Fig. 4.4.2. Un detaliu de constructie pentru statorul prezentat in Fig. 4.4.2 este dat in Fig. 4.4.3 unde sunt evidentiate piesele polare de tip U, infasurarea si polii de intoarcere de tip I. Circulatia fluxului prin cele doua tipuri de poli in cazul rotoarelor cu magneti permanenti aparenti si respectiv ingropati si concentrare de flux se poate vedea in Fig.4.4.4.

Se observa o diferenta intre constructia din Fig. 4.4.1.b si cea din Fig. 4.4.2, Fig. 4.4.3 si Fig. 4.4.4. In prima varianta, Fig. 4.4.1.b fluxul se intoarce printr-o piesa rotorica, piesa inexistenta in celelalte structuri si inlocuita cu miezurile de intoarcere de tip I. Constructia initiala nu permite realizarea placii rotorice din tole, structurile ulterioare cu miezuri de intoarcere permit construirea tuturor miezurilor din tole, fluxurile fiind orientate numai in lungul tolelor din fiecare parte a miezului.

Miezurile de intoarcere de tip I au insa dezavantajul, indiferent de forma si dimensiuni, ca favorizeaza importante fluxuri de dispersie in stator si deci conduc la valori mici ale factorului de putere. S-au propus, in timp, mai multe variante constructive care sa conduca la eliminarea miezurilor de tip I de intoarcere. Unele dintre variantele propuse, utilizabile numai la masina cu concentrare de flux in rotor, masina care are o constructie mai complicata dar performante mult mai bune decat masina cu magnetii exteriori pe rotor, sunt prezentate in Fig. 4.4.5.

Varianta cel mai des utilizata este varianta din Fig. 4.4.5.d cu diverse imbunatatiri, cum ar fi utilizarea unui miez statoric comun pentru toate cele trei faze, rotoarele ramanand distincte. Un detaliu al unei astfel de structuri este prezentat in Fig. 4.4.6 unde se evidentiaza miezul comun, polii decalati, infasurarile de faza si rotoarele distincte decalate intre ele.

La structurile acestea cu polii statorici decalati si cu concentrare de flux in rotor liniile de flux sunt distribuite in 3D si in consecinta nu se pot utiliza tole pentru constructia miezurilor. Miezurile sunt realizate in consecinta din materiale magnetice compozite la care proprietatile magnetice sunt aceleasi pe toate cele trei directii. Fara a intra in detalii, a se vedea [ VTFM] de exemplu, aceste materiale, printre care Somaloy 500 este unul de foarte buna calitate, are caracteristica de magnetizare situata sub cea a unei tole din otel electrotehnic performant, M 330 - 35 de exemplu, cu grosimea de 0,35 mm, Fig.4.4.7. Se observa din Fig. 4.4.7. ca materialul compozit are atat inductia de saturatie cat si permeabilitatea relativa pe portiunea liniara mai mici decat ale tolei si aceasta trebuie avuta in vedere in procesul de proiectare. Rezulta un volum mai mare de miez feromagnetic si deci o densitate de putere mai mica.

Din caracteristicile de pierderi specifice functie de frecventa date comparativ pentru aceleasi materiale la doua inductii, 0,4 T si 1,5 T, Fig. 4.4.8. se observa ca doar la inductii mari si la frecvente mai mari pierderile in Somaloy 500 sunt mai mici.

Pentru un PMTFM construit la Catedra de Masini electrice, Universitatea din Aachen, Germania, [ B11, B12, VTFM] sunt date cateva detalii de constructie si anume o portiune din rotorul unei faze a masinii in Fig. 4.4.9 si o linie de poli statorici Fig. 4.4.10 asamblati din piese obtinute prin elelctroeroziune din cilindrii de Somaloy 500 cum este aratat in Fig. 4.4.11.

In Fig. 4.4.12 si in Fig. 4.4.13 sunt prezentate rotorul si respectiv statorul asamblate ale unui PMTFM realizat la Aachen. Se observa in 4.4.12 cele trei module distincte, cate unul pe fiecare faza, dispuse in lungul axei motorului si decalate cu unghiul corespunzator dintre axele fazelor. In Fig. 4.4.13 se evidentiaza structurile polare pentru cele trei faze, bobinele fazelor si conductorii de la bobine la placa de borne. In Fig. 4.4.14.este prezentat motorul montat pe standul de incercari, toate legaturile fiind realizate, ca si circuitele de racire fortata cu apa a statorului in interior, pe partea opusa capatului de ax cuplat la sarcina printr-un traductor de cuplu torsiometric. Sunt vizibile in

Fig. 4.4.14 micile aripioare de racire prevazute la exteriorul structurii de aluminiu in care este rigidizat rotorul. Marimile si caracteristicile principale ale motorului care s-a prezentat cu unele detalii si particularitati de constructie sunt date in Tab. 4.4.1.

Tabel 1. Two phase PMTFM model main data

Exista si alte prototipuri realizate si descrise in literatura, [ VTFM] de exemplu, fiecare cu particularitatile sale constructive, dar toate avand acelasi principiu. Variante constructive interesante, nerealizate practic insa, au fost propuse de Hasubek [ H ]. Dupa cum se poate vedea din Fig. 4.4.15, unde este prezentata o parte a unei faze pentru una dintre variantele propuse in [ H ] de PMTFM magnetii permanenti sunt dispusi pe stator, ca si infasurarea fazei si polii aparenti. Rotorul, cu portiuni de ecrane nemagnetice, produce in miscare o variatie a fluxului dat de magnetii permanenti de pe stator prin suprafata bobinei statorice. Variatia de flux este aproximativ sinusoidala, deci fazele masinii sunt alimentate tot cu tensiuni ce variaza sinusoidal. Constructia este mai complicata ca cea prezentata anterior, dar magnetii permanenti sunt fixati pe stator.

Exista si PMTFM cu statoare pe ambele parti ale rotorului cu magneti permanenti aparenti, Fig. 4.4.16, sau ingropati intr-o topologie cu concentrare de flux, Fig. 4.4.17. In configuratia din Fig. 4.4.16 sunt necesari si polii in forma de I de inchidere a fluxului, plasati intre polii de tip U la ambele statoare. La cealalta configuratie nu sunt necesari polii statorici pentru inchiderea fluxului, acesta inchizandu-se prin polii de tip U ai celuilalt stator cum se vede din liniile de flux desenate in cele doua figuri.

Motorul cu flux transversal reluctant cu rotor pasiv TFRM are doua configuratii statorice de baza:

i.Cu piese polare in forma de U care au polii in acelasi plan, Fig. 4.4.18.a.

ii.Cu piese polare de tip gheara si polii decalati intre ei, Fig. 4.4.18.b.

Si in cazul TFRM fiecare faza este un modul independent cum se poate vedea in Fig. 4.4.19 unde este reprezentata o singura faza a unui TFRM cu 6 poli. Se pot distinge polii statorici in forma de U, aliniati cu polii rotorici plasati pe un inel de prindere, si bobina inelara a fazei statorice. Nu este figurata structura de fixare mecanica a polilor statorici.

Daca numarul minim de faze la PMTFM pentru asigurarea functionarii continue, fara blocarea rotorului, este de doua, spre exemplu PMTFM cu rotor disc din Fig. 4.4.20, la TFRM numarul minim este de trei faze.

a) b) Fig. 4.4. 20 PMTFM bifazat cu rotor disc; a) vedere generala; b) detaliu cu rotorul si una dintre faze [ P. ].

O structura de masina cu camp axial - transversal este data in Fig. 4.4.22, avand un stator cu magneti permanenti si concentrare de flux si o infasurare cilindrica.

Rotorul are un cilindru axial si piese polare pasive plasate in fata polilor statorici. Polii rotorici la cele doua capete sunt decalati cu un pas polar. In fapt masina, numita de cei care au propus-o, AFCCPM ( axial flux circumferential current permanent magnet) functioneaza exact ca masina prezentata in Fig. 4.4.15 dar are o structura cu camp axial.

Dintre diversele variante de PMTFM cu miscare liniara se va prezenta in continuare un singur exemplu, si anume un motor cu magneti permanenti si bobinele de excitatie dispuse pe cele doua statoare plasate fata in fata si cu partea mobila pasiva, Fig. 4.4.23.

In Fig. 4.4.24 a si b sunt prezentate in proiectii pe doua dimensiuni doua pozitii prin care se explica functionarea motorului. In Fig. 4.4.24.a sunt date liniile de flux la un unghi electric de cand campul produs de bobinele parcurse de curent se suprapune la ambii magneti permanenti cu campul dat de acestia si piesele feromagnetice ale partii mobile au o pozitie centrala simetrica. In Fig. 4.4.24.b cand unghiul electric este de 90⁰ pozitia pieselor feromagnetice ale partii mobile este asimetrica si fluxul se concentreaza la partea stanga a statorului. Se realizeaza, prin comanda curentilor din bobine o deplasare a maximului de flux pe periferia motorului rezultand, in consecinta deplasarea partii mobile astfel ca fluxul sa se inchida pe calea de reluctanta minima.

Variatia fortei de propulsie a fortei de blocare si a fortei rezultante la acest motor este data in Fig. 4.4.25 obtinandu-se o variatie practic trapezoidala pentru forta rezultanta.

Datele motorului si alte rezultate de calcul obtinute prin MEF sunt date in [ H21 ].