Studia i Materiały Nr WSTĘP

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 50 Politechniki Wrocławskiej Nr 50 Studia i Materiały Nr Ernest MENDRELA*, Józef MOCH*, Piotr PADUCH* silniki prądu stałego z magnesami trwałymi, silniki tarczowe, silniki bezszczotkowe, pomiary, parametry elektromechaniczne WŁAŚCIWOŚCI ELEKTROMECHANICZNE BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA TARCZOWEGO PRĄDU STAŁEGO Opisano budowę i właściwości elektromechaniczne tarczowych silników bezszczotkowych prądu stałego z poosiowym strumieniem magnetycznym w stojanie o wysokoenergetycznych magnesach trwałych. Cewki uzwojeń silników z komutacją elektroniczną mogą być łączone w układy jednoi wielopasmowe. Układ połączeń decyduje o charakterze zastosowanego komutatora i w pewnym stopniu o właściwościach silnika. Przedmiotem referatu są silniki jedno- i trójpasmowe, zasilane przez prostownik, ze źródła napięcia przemiennego odpowiednio o wartościach 220 V i 24 V. Przedstawiono i omówiono wyniki pomiarów na prototypach, wykonanych przez firmę AQUA-SZUT we Wrocławiu. Silniki o wirnikach pracujących w środowisku wodnym (silniki z mokrym wirnikiem) stanowią napęd zintegrowanych agregatów pompowych małej mocy. 1. WSTĘP Duże zainteresowanie silnikami bezszczotkowymi wiąże się zarówno z rozwojem technologii wysokoenergetycznych magnesów trwałych, jak i elektroniki. Silniki te charakteryzują się wysoką sprawnością i stosunkowo dużą łatwością sterowania. Jednym z wielu możliwych zastosowań tych silników jest napęd pojazdów elektrycznych. Najbardziej odpowiedni kształt do tego celu ma silnik tarczowy, który zabudowany w piastę koła, stanowi bezprzekładniowy napęd pojazdu. Tradycyjna wersja silnika tarczowego składa się ze stojana o żłobkowanym rdzeniu i konwencjonalnym uzwojeniu i wirnika w postaci stalowej tarczy, na obwodzie której są rozmieszczone magnesy trwałe. Takie rozwiązanie charakteryzuje się jednak znaczną, niepożądaną siłą osiową działającą na łożysko wirnika. Ponadto krzyżujące się połączenia * Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Politechnika Opolska, ul. Luboszycka 7, Opole, emen@polo.po.opole.pl.

2 190 czołowe poszczególnych faz uniemożliwiają całkowite wypełnienie uzwojeniem żłobków rdzenia stojana. Wad tych nie ma silnik tarczowy typu torus. Stojan silnika posiada rdzeń w postaci krążka uzyskany ze zwiniętego paska blachy, na obwodzie którego nawinięte są cewki połączone w dowolny układ jedno- lub wielofazowy. Wirniki są stalowymi tarczami umieszczonymi po obu stronach toroidalnego wirnika. W wersji tej poosiowe siły działające na wirniki znoszą się, a zastosowane uzwojenie typu Gramme a charakteryzuje się krótkimi, nie zachodzącymi na siebie połączeniami czołowymi. Silniki tego typu znalazły jako jedne z pierwszych zastosowanie w prototypowych rozwiązaniach napędu pojazdów zarówno w kraju [1], jak i za granicą [2]. Silnik typu torus jest maszyną o bezżłobkowym rdzeniu stojana, co zapewnia eliminację momentu reluktancyjnego wynikającego z oddziaływania magnesów i zębów stojana. Odmianą tego silnika jest wersja z dwustronnie użłobkowanym promieniowo rdzeniem stojana, trudniejsza technologicznie do wykonania i wykazująca znaczny moment reluktancyjny. Charakteryzuje się jednak znacznie większym stosunkiem rozwijanego momentu do masy użytych materiałów czynnych. Przedmiotem prezentowanego artykułu jest jeszcze inna wersja silnika tarczowego. Silnik zaprojektowany przez autorów artykułu został wykonany przez firmę AQUA-SZUT we Wrocławiu jako napęd zintegrowanego agregatu pompowego z mokrym wirnikiem. Przedstawiono budowę silnika, jego układ sterowania oraz właściwości ruchowe jako silnika bezszczotkowego prądu stałego. 2. OPIS KONSTRUKCJI SILNIKA Konstrukcję silnika przedstawiono na rys. 1. Stojan stanowią elementy, z których każdy złożony jest z ferromagnetycznego rdzenia i nawiniętej na nim cewki. Elementy są usytuowane na obwodzie stojana w kierunku równoległym do osi silnika. Zalane są one następnie żywicą, tworząc stojan. Po obu stronach stojana umieszczone są wirniki tarczowe z magnesami trwałymi. Elementy stojana pokazane na rys. 1 mają przekrój prostokątny. A-A B-B A B B A

3 191 Rys. 1. Szkic silnika tarczowego z magnesami trwałymi: 1 tarcze wirnika, 2 wałek, 3 magnesy trwałe, 4 rdzenie (zęby) elementów stojana, 5 cewki, 6 spoiwo (żywica) elementów stojana Fig. 1. Scheme of the structure of disc motor with permanent magnets: 1 rotor discs, 2 shaft, 3 permanent magnets, 4 stator element core, 5 coils, 6 sinthetic resin Aby zapewnić lepsze wykorzystanie strumienia magnetycznego magnesów, a przez to uzyskanie lepszych parametrów silnika, elementy stojana mogą być wykonane w wersji o przekroju trapezowym, jak to pokazano na rysunku 2. Cewki stojana mogą być łączone w dowolne układy: jedno-, dwu- lub trójpasmowe. W analizowanym przypadku połączone były w układy jedno- i trójpasmowe (rys. 3). Rys. 2. Stojan o przekroju trapezowym elementów Fig. 2. Stator with the elements of trapezoidal shape a) A1 B1 C1 Hallotrony A2 B2 C2 b) U1 U2

4 192 Rys. 3. Jednopasmowy (a) i trójpasmowy (b) układ połączeń cewek stojana z zaznaczeniem położenia hallotronów Fig. 3. Diagram of single (a) and tree phase (b) stator windings and the position of the Hall sensors Silnik z magnesami trwałymi może być zasilany ze źródła prądu przemiennego, np. falownika, i pracować jako silnik synchroniczny. Jeżeli wyzwalanie tranzystorów takiego falownika następuje dzięki sygnałom pochodzącym od czujnika położenia magnesów względem cewek stojana, to maszyna pracuje jako silnik bezszczotkowy prądu stałego. Taki falownik wraz z układem czujników położenia zwany jest komutatorem elektronicznym. Biorąc pod uwagę dwa układy połączeń uzwojeń: jednopasmowy i trójpasmowy, należy stosować dwa różne komutatory elektroniczne. W przypadku uzwojenia jednopasmowego, po zasileniu, zęby stojana stanowią bieguny spolaryzowane naprzemiennie. Komutator elektroniczny powinien zatem zmieniać naprzemiennie kierunek prądu w cewkach w miarę przemieszczania się magnesów wirnika. Do zasilania silnika zastosowano komutator przedstawiony schematycznie na rys. 4a. Jest to komutator złożony z czterech tranzystorów w układzie H. W układzie tym energia pola magnetycznego wyłączanego uzwojenia może być akumulowana w kondensatorze lub źródle zasilania i ponownie oddawana do przełączanego uzwojenia. W przypadku silnika o mocy kilkudziesięciu watów można zastosować tańszy komutator, złożony z dwóch tranzystorów, jak to ma miejsce w silniku bezszczotkowym prądu stałego stosowanym powszechnie w komputerach do napędu wentylatora [5]. a) + T1 T2 b) + T1 T2 T3 C U1 U2 C _ T3 T4 _ T4 T5 T6 A B C Rys. 4. Schematy komutatorów dla uzwojeń (a) jedno- i (b) trójpasmowego Fig. 4. Diagrams of dc to ac converters for (a) single phase and (b) three phase windings + _ 1 2 U1 3 4 U2 a) b) N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N wirnik stojan wirnik wirnik stojan wirnik kierunek ruchu wirnika

5 Rys. 5. Wzajemny rozkład biegunów magnetycznych stojana i wirnika: a) układ z symetrycznym rozmieszczeniem magnesów na tarczach wirnika, b) nierównomierny rozkład magnesów na jednej z tarcz wirnika Fig. 5. The mutual position of stator and rotors magnetic poles: a) a symmetrical distribution of magnets on the rotor discs, b) asymmetrical distribution of magnets on one of the discs W analizowanym silniku o uzwojeniu jednopasmowym, w którym liczba biegunów stojana jest równa liczbie magnesów, ustawienie magnesów względem biegunów, przy wyłączonym zasilaniu, przedstawiono na rys. 5a. W tym przypadku po zasileniu uzwojeń stojana nie będzie momentu rozruchowego. W celu wytworzenia takiego momentu na jednej z tarcz rozmieszczono magnesy nierównomiernie (rys. 6). 193 Rys. 6. Nierównomierny rozkład magnesów na jednej z tarcz wirnika Fig. 6. Nonuniform distribution of magnets on one of rotor discs (a) S N S N Wirnik _ N S N S S N S N Stojan A B C C A B C A B N S N S Wirnik (b) Kierunek ruchu wirnika S N S N Wirnik _ S N S N N S N S Stojan A B C C A B C A B N S N S Wirnik Rys. 7. Wzajemny rozkład biegunów stojana i wirnika dla dwóch kolejnych kroków przełączania pasm uzwojenia stojana

6 194 Fig. 7. A mutual distribution of stator and rotor poles for two subsequent steps of stator phase connections Przy takim rozmieszczeniu magnesów wystąpi moment rozruchowy nadający kierunek obrotu taki jak na rys. 5b. W literaturze, między innymi w publikacji [3], można spotkać inne sposoby uzyskania momentu rozruchowego silnika jednofazowego. W silniku z uzwojeniem jednopasmowym wystarczy jeden hallotron do sterowania załączaniem i wyłączaniem tranzystorów. W przypadku uzwojenia trójpasmowego tranzystory są sterowane sygnałami pochodzącymi z trzech hallotronów rozmieszczonych pomiędzy cewkami w układzie pokazanym na rys. 3. Sygnały te informują o położeniu magnesów względem cewek, powodując załączenie odpowiedniej pary tranzystorów, a przez to załączenie odpowiednich pasm fazowych. Załączane są te pasma fazowe, które przy danym położeniu względem nich magnesów wirnika wytwarzają moment obrotowy. Na rysunku 7 pokazano dwa następujące po sobie kroki załączania tranzystorów oraz odpowiadające im usytuowania magnesów wirnika i wzbudzonych cewek stojana. Jak wynika z rysunku 7, liczba biegunów wirnika musi być różna od liczby biegunów (zębów) stojana, aby wytworzyć moment rozruchowy silnika. W analizowanym silniku liczba biegunów stojana jest większa od liczby biegunów wirnika i ich stosunek jest równy 3/2. Ten sam efekt można uzyskać przy stosunku 2/3, kiedy biegunów wirnika jest więcej od biegunów stojana. Dla silników wysokoobrotowych wskazane jest to pierwsze rozwiązanie. Liczba przełączeń tranzystorów, a tym samym częstotliwość prądu w uzwojeniu stojana jest wtedy mniejsza niż w tym drugim przypadku. 3. PARAMETRY ELEKTROMECHANICZNE SILNIKÓW Silniki o opisanej konstrukcji, przeznaczone do napędu pomp wodnych z mokrym wirnikiem, zostały wykonane przez firmę AQUA-SZUT we Wrocławiu. Silniki te przedstawiono na rysunkach 8 i 9. Dane konstrukcyjne silników są zamieszczone w tabeli 1. W celu określenia parametrów elektromechanicznych silników przeprowadzono pomiary. Silnik jednopasmowy zasilany był przez prostownik ze źródła napięcia przemiennego 220 V, natomiast silnik trójpasmowy napięciem 24 V z jednofazowego transformatora bezpieczeństwa 220/24 V. Parametry elektromechaniczne obu silników zamieszczono w tabeli 2.

7 195 Rys. 8. Jednopasmowy bezszczotkowy silnik tarczowy prądu stałego wykonany przez firmę AQUA-SZUT Fig. 8. Single phase brushless dc motor manufactured by AQUA-SZUT sprawnosc/10 [%] moc mechaniczna [W] napiecie stale [V] predkosc x 10 [obr/min] 100 prad staly/100 [A] moment [Nm] Rys. 9. Trójpasmowy bezszczotkowy silnik tarczowy prądu stałego wykonany przez firmę AQUA-SZUT Fig. 9. Three phase disc brushless dc motor manufactured by AQUA-SZUT sprawnosc/10 [%] moc mechaniczna [W] prad staly/100 [A] predkosc x 10 [obr/min] moment [Nm] Rys. 10. Charakterystyki elektromechaniczne silnika jednopasmowego pomierzone przy zasilaniu poprzez prostownik uzwojenia stojana napięciem przemiennym o stałej wartości U = 220 V i częstotliwości f = 50 Hz Fig. 10. Electromechanical characteristics of single phase brushless dc motor measured when supplied via rectifier from the ac source of U = 220 V and f = 50 Hz Rys. 11. Charakterystyki elektromechaniczne silnika trójpasmowego pomierzone przy zasilaniu poprzez prostownik uzwojenia stojana napięciem przemiennym o stałej wartości U = 24 V i częstotliwości f = 50 Hz Fig. 11. Electromechanical characteristics of three phase brushless dc motor measured when supplied via rectifier from the ac source of U = 24 V and f = 50 Hz Tabela 1. Dane konstrukcyjne silników tarczowych z poosiowym strumieniem w stojanie Dane konstrukcyjne Średnica zewnętrzna rdzeni stojana Średnica wewnętrzna rdzeni stojana Liczba cewek uzwojenia Silnik 1-pasmowy 80 mm 50 mm Silnik 3-pasmowy 80 mm 50 mm

8 196 stojana Liczba zwojów w cewce Szczelina powietrzna Liczba biegunów wirnika Grubość tarcz wirnika Całkowita długość silnika mm 12 5 mm 80 mm mm 8 5 mm 45 mm Zastosowane magnesy wykonano na bazie Nd-Fe-B o parametrach B r = 1,2 T i H c = 960 ka/m. Na rysunkach 10 i 11 przedstawiono charakterystyki elektromechaniczne obydwu silników. Ich charakter jest typowy dla silników bocznikowych prądu stałego. Prostoliniowa charakterystyka prądu w funkcji momentu świadczy o stałym strumieniu w szczelinie silnika, nie zakłócanym przez oddziaływanie uzwojeń twornika. Odmiennie przedstawia się charakterystyka prędkości w funkcji momentu. Prędkość w zakresie małych obciążeń w znacznym stopniu zależy od momentu obciążenia. Jest to wynik wpływu indukcyjności, który jest nieistotny w silnikach z komutatorem mechanicznym. Wpływ ten w silniku o uzwojeniu trójpasmowym jest niewielki, gdyż liczba zwojów na fazę jest znacznie mniejsza niż w silniku o uzwojeniu jednopasmowym. Tabela 2. Parametry elektromechaniczne silników tarczowych z poosiowym strumieniem w stojanie Parametry Silnik 1-pasmowy Silnik 3-pasmowy Napięcie zasilania V Moc W Prędkość obrotowa obr/min Moment N m Sprawność % Omawiane silniki charakteryzują się stosunkowo znacznym momentem reluktancyjnym wynikającym z oddziaływania nabiegunników stojana z biegunami wirników. Moment ten jest znacznie większy w silniku jednopasmowym (równy w tym przypadku 1,3 N m), gdzie liczba biegunów wirnika jest równa liczbie biegunów (zębów) stojana. Wartość średnia tego momentu w czasie pracy silnika jest równa zeru. Wpływa on jedynie na pulsację momentu, co nie we wszystkich rodzajach napędów może być tolerowane. 4. PODSUMOWANIE Bezszczotkowe silniki prądu stałego z magnesami trwałymi znajdują coraz większe zastosowanie ze względu na zalety, jakimi się odznaczają. Jedną z nich jest brak komutatora

9 mechanicznego, który wymaga stałej konserwacji. Komutator elektroniczny umożliwia regulację prędkości obrotowej zarówno w układzie otwartym, jak i ze sprzężeniem zwrotnym. Przedstawiony silnik, charakteryzujący się stosunkowo dużą wartością momentu przypadającego na jednostkę masy oraz dużą sprawnością ma stosunkowo prostą budowę stojana i wirnika. Zapewnia ona również nieskomplikowaną technologię ich wykonania, co jest istotne dla małych przedsiębiorstw. Rdzenie elementów stojana, wykonane z prostokątnych blaszek, pozwalają na praktycznie bezodpadowe ich wykonanie. Uzwojenie stojana, które stanowią cewki nawinięte na rdzeniach, charakteryzuje się również dużą prostotą wykonania. Mała długość połączeń czołowych zapewnia nie tylko zmniejszenie kosztów materiałowych, lecz również zmniejszenie strat mocy w uzwojeniach. W silnikach tarczowych, aby optymalnie wykorzystać objętość silnika, stosunek średnicy wewnętrznej do zewnętrznej powinien mieścić się w przedziale 0,5 0,6 [4]. W rozważanych silnikach jest on równy 0,625. Powiększenie średnicy zewnętrznej np. do wartości 90 mm, w niewielkim stopniu zwiększyłoby straty zarówno w uzwojeniach, jak i rdzeniach elementów stojana, natomiast w poważnym stopniu spowodowałoby wzrost momentu i mocy użytecznej na wale silnika. Stosunek momentu do masy silnika byłby zatem znacznie większy. Przy konstruowaniu analizowanego silnika należało jednak zachować istniejącą średnicę Pewną zewnętrzną niedogodnością stojana i bezszczotkowego nie przekraczać uzyskiwanej silnika prądu mocy stałego na wale są silnika. koszty zarówno magnesów trwałych o wysokiej energii, jak i elementów elektronicznych komutatora. Należy się jednak liczyć ze stałym spadkiem cen tych elementów. 197 LITERATURA [1] DRZEWOSKI R., JELONKIEWICZ J., MENDRELA E.A., Bezprzekładniowy napęd elektryczny pojazdów z silnikiem tarczowym, Wiadomości Elektrotechniczne, 1999, No. 4. [2] ZHANG Z., PROFUMO F., TENCONI A., Wheels axial flux machines for electric vehicle applications, Conf. Rec. ICEM 94, Paris. [3] KENJO T., NAGAMORI S., Permanent-Magnet and Brushless DC Motors, Clarendon Press, Oxford [4] CARICCHI F., CRESCIMBINI F., FEDELI E., NOIA G., Design and construction of a wheel-directlycoupled axial-flux PM motor prototype for EVs, IEEE Trans. on Ind. Appl., 1/94. [5] WILDI T., Electrical Machines, Drives and Power Systems, Prentice Hall PERFORMANCE OF DISC BRUSHLESS DC MOTOR OPERATING AS A MACHINE WITH SINGLE- AND THREE-PHASE WINDING There is a growing interest in brushless permanent magnet motors in recent years caused mainly by the progress in technology of high-energy magnets and electronics, whose prices are steadily going down on the market. These motors offer much better performance than the machines with electromagnetic excitation and in particular, their efficiency is high. In the paper a construction and a performance of disc-type brushless dc motor with co-axial magnetic flux in the stator is presented. In particular, a single-phase and three-phase motors are the subject of measurements carried out on the motor prototypes supplied via rectifier from the ac source of 220 V and 24 V voltage and 50 Hz frequency respectively. The single-phase and three phase

10 198 motors develop the power of 900 W at 1800 rpm and 720 W at 1500 rpm respectively. The electromechanical characteristics are similar to those of dc shunt motors with the exception of speed-torque characteristics, which at low torque strongly depends on load due to the influence of winding inductance. The particular motors were manufactured by the firm AQUA-SZUT in Wrocław as the drive of integrated water pump aggregates with the wet rotors.