Rdzenie amorficzne składane na statory wysokoobrotowych silników elektrycznych

Rozwój nowoczesnych technologii w wielu dziedzinach przemysłu skutkuje między innymi wzrostem zapotrzebowania na nowoczesne, energooszczędne silniki elektryczne o coraz lepszych właściwościach. Jednocześnie rozwój elektroniki, systemów sterowania i przemienników częstotliwości, umożliwił realizacje napędów od prędkości bardzo wolnych po setki tysięcy obrotów na minutę. 

Praca przy wysokich częstotliwościach wymaga zarówno odpowiedniej konstrukcji mechanicznej silnika, jak również doboru odpowiedniego materiału dla obwodu magnetycznego pracującego przy częstotliwościach przemagnesowania dochodzących do kiloherców. W obwodzie magnetycznym stojana, wysokoobrotowego silnika PMBLDC, występuje pole magnetyczne przemienne o częstotliwości przemagnesowania wynikającej z prędkości obrotowej silnika o zadanej liczbie biegunów. Źródłem tego pola jest magnes trwały umieszczony na obwodzie wirnika. Częstotliwość pola dla prędkości n = 100 000 obr./min wynosi f = 1 666 Hz. Z powodu dużej stratności, przy tak wysokiej częstotliwości nie można stosować blachy elektrotechnicznej powszechnie używanej w obwodach maszyn prądu przemiennego. 

Badania realizowane w Zakładzie Materiałów Funkcjonalnych Instytutu Metali Nieżelaznych wykazały, że zastosowanie amorficznych materiałów magnetycznie miękkich  w statorach silników elektrycznych, w szczególności silników wysokoobrotowych, pracujących przy prędkości obrotowej przekraczającej 30 000 obr./min, umożliwia znaczne zmniejszenie strat mocy w statorze. W ramach projektu rozwojowego MAGCOOL, finansowanego ze źródeł Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, opracowana została technologia wytwarzania składanych rdzeni amorficznych przeznaczonych na statory silników bezszczotkowych prądu stałego typu PMBLDC z magnesami trwałymi. Technologia ta jest przedmiotem ochrony patentowej (patent nr 224171) oraz została nagrodzona Złotym Medalem Międzynarodowych Targów Poznańskich.

Na rysunku 1 przedstawiono proces technologiczny wytwarzania stojanów pod kątem zastosowań w elektrycznych silnikach wysokoobrotowych.

Rys. 1 Technologia wytwarzania składanych rdzeni amorficznych statora wysokoobrotowego silnika elektrycznego

Z taśmy amorficznej typu FeSiB o odpowiedniej szerokości za pomocą lasera wycinane są pierścienie (w zależności od konstrukcji stojana bezżłobkowe, ze żłobkami otwartymi, półotwartymi), które następnie układane są w pakiety i poddawane obróbce cieplnej. Po obróbce pakiety pokrywane są na gorąco żywicą epoksydową w celu zabezpieczenia przed rozwarstwieniem. Zaletą rdzenia magnetycznie miękkiego stojana silnika wysokoobrotowego jest obniżenie wartości prądów wirowych odpowiedzialnych za generowane straty w postaci ciepła. Uzyskuje się to przez zastosowanie taśmy amorficznej o grubości 0,025 mm i dużym oporze właściwym wynoszącym 135 µΩ·cm. W ten sposób w nowych silnikach wysokoobrotowych nie potrzebne jest stosowanie rozbudowanych układów chłodzenia, co z kolei skutkuje zmniejszeniem gabarytów tych silników oraz obniżeniem ich ceny. Porównując stojan ze stali krzemowej oraz wykonany z materiału amorficznego uzyskujemy 5% wzrost sprawności oraz aż 50% spadek start mocy w rdzeniu. 

Na rysunku 2 pokazano porównanie sprawności oraz strat mocy w rdzeniu dla stojana wykonanego ze stali krzemowej oraz stojana amorficznego oraz porównanie pętli histerezy przy częstotliwości 2 kHz dla obu materiałów.

Rys. 2 Oszczędność energii elektrycznej w silnikach wysokoobrotowych ze stojanem amorficznym

Silniki wysokoobrotowe o prędkości obrotowej powyżej 30 000 obr./min mają szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach techniki, takich jak przemysł maszynowy, produkcja energii elektrycznej z biogazu lub pary, przemysł samochodowy, przemysł wojskowy (pojazdy wojsk lądowych, morskich, powietrznych w szczególności bezzałogowych). Aktualnie w świecie prowadzone są intensywne badania nad opanowaniem technologii nowoczesnego elektrycznego silnika wysokoobrotowego ze wzbudzeniem magnetoelektrycznym i wykorzystaniem magnesów trwałych NdFeB lub SmCo. Instytut Metali Nieżelaznych jest jednym z ośrodków naukowych, w których tematyka ta jest intensywnie rozwijana.