Możliwości autodiagnostyki silników elektrycznych z magnesami trwałymi stosowanych w napędach pojazdów elektrycznych

Transkrypt

1 BĘDKOWSKI Bartłomiej 1 Możliwości autodiagnostyki silników elektrycznych z magnesami trwałymi stosowanych w napędach pojazdów elektrycznych WSTĘP Coraz częściej słyszymy o pojazdach elektrycznych, określa się je jako "zielone pojazdy", co związane jest z tym, że są one przyjazne dla środowiska. Silnik elektryczny nie generuje bowiem szkodliwych substancji do środowiska, a hałas emitowany przez nie jest minimalny. Obecnie w ofercie producentów samochodów często znajdujemy pojazdy hybrydowe, natomiast pojazd elektryczny dalej jest zjawiskiem rzadko spotykanym. Możemy zadać sobie pytanie dlaczego pojazd elektryczny jest dla nas taki egzotyczny i czym różni się on od tradycyjnego pojazdu spalinowego. Główna różnica polega na tym, że źródłem napędu w pojeździe elektrycznym jest, jak sama nazwa wskazuje, silnik elektryczny. Silniki elektryczne mają ponad dwukrotnie większą sprawność przetwarzania energii niż maszyny spalinowe, a dodatkowo przy pracy generatorowej pozwalają odzyskiwać energię z hamowania. Problemem jest jednak źródło energii zasilającej. Obecnie na rynku dostępne akumulatory nie są wstanie konkurować jeśli chodzi o gęstość energii magazynowanej z tradycyjnym paliwem, a ich cena jest bardzo duża. Cały czas trwają prace rozwojowe i badawcze obejmujące tematyką napędy elektryczne, których celem jest ich zastosowanie w pojazdach samochodowych. Zakres tych prac jest szeroki i obejmuje zarówno tematykę samych silników elektrycznych, źródeł energii, czy systemów zarządzania i diagnostyki. 1. SINIKI ELEKTRYCZNE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI JAKO ŹRÓDŁO NAPĘDU POJAZDÓW Silniki z magnesami trwałymi posiadają bardzo dobre właściwości regulacyjne i cechują się wysoką sprawnością. Obecne konstrukcje silników z magnesami trwałymi są ściśle dedykowane dla konkretnego napędu, dla którego najczęściej parametrem priorytetowym jest masa silnika lub gęstość mocy z jednostki objętości. Z tego powodu są chętnie stosowane jako napędy trakcyjne, gdzie sprawność przetwarzania energii oraz masa przekładają się bezpośrednio na zasięgu pojazdu. [4,5] 1.1. Zalety i wady napędów elektrycznych w pojazdach samochodowych Niekwestionowanymi zaletami napędu elektrycznego w pojazdach samochodowych jest jego minimalny wpływ na otaczające środowisko - brak emisji spalin i uciążliwego hałasu. Dodatkowym atutem, biorąc pod uwagę obecne ceny energii elektrycznej, jest niski koszt eksploatacji takiego pojazdu. Te podstawowe zalety powodują, że zainteresowanie takim napędem jest coraz większe i światowi producenci pojazdów mają w swojej ofercie pojazdy elektryczne lub posiadają już gotowy prototyp. Podstawowa wada napędu elektrycznego to zasięg, gdyż obecne źródła energii elektrycznej mają niską gęstość magazynowania energii w porównaniu do paliwa, co przekłada się na niski zasięg pojazdów z takim napędem. Z tego powodu producenci pracują nad rozwojem nowych źródeł magazynowania energii. Kolejną wadą takich napędów jest ich cena. Są to rozwiązania małoseryjne, a wręcz prototypowe, przez co ich koszt jest bardzo wysoki i zysk z eksploatacji takich napędów nie jest w stanie pokryć ceny ich zakupu. Jedyna nadzieja w tym, że rozwiązania takie zostaną oferowane na szerszą skalę co powinno zasadniczo obniżyć ich cenę. W Polsce pierwszym pojazdem produkowanym i dostępnym na rynku o napędzie elektrycznym był pokazany na rysunku 1 SAM Re-VOLT. Pojazd wyposażony był w napęd elektryczny składający 1 Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL, Katowice, Al. Roździeńskiego 188, b.bedkowski@komel.katowice.pl 337

2 się z 3-fazowego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi o mocy maksymalnej 25 kw osiąganej przy 3500 obr/min i momencie 70 Nm dostępnym w zakresie obr/min, oraz baterii o pojemności 7 kwh. Masa całkowita pojazdu wynosiła 720 kg, a prędkość maksymalna 95 km/h. Oferował on zasięg teoretyczny na poziomie 100 km. Obecnie nie jest już dostępny. [7] Rys. 1. Napęd elektryczny pojazdu SAM Re-VOLT [7] Ciekawą propozycją na rynku pojazdów elektrycznych jest opracowany przez Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL zestaw E-kit służący do konwersji napędu spalinowego na elektryczny. Zestaw został opracowany dla samochodu osobowego Fiat Panda i dostawczego Fiat Fiorino. Sercem zestawu dla Fiata Pandy, pokazanego na rysunku 2, jest silnik elektryczny z magnesami trwałymi typu SMKwsg132-6 o mocy maksymalnej 60kW i maksymalnym momencie obrotowym 180 Nm. Silnik ten jest montowany w miejsce tradycyjnego silnika spalinowego, dodatkowo w komorze silnika i części bagażowej montowane są akumulatory i ładowarki. Tak przerobiony pojazd oferuje zasięg na poziomie 150km, oraz prędkość maksymalną przekraczającą 150 km/h. [7] Rys. 2. Napęd elektryczny E-Kit samochodu osobowego Fiat Panda [7] Innym przykładem konwersji pojazdu spalinowego na elektryczny jest pokazany na rysunku 3 pojazd Sportowo-Rekreacyjny, który może pełnić również charakter użytkowy. Pojazd ten został wyposażony w silnik elektryczny z magnesami trwałymi typu PA132S4SMws osiagajacy moc maksymalną 27kW przy 4200 obr/min oraz maksymalny moment 80Nm dostępny już od 200obr/min. Charakterystyka tego napędu w porównaniu do napędu spalinowego przybliżona została w kolejnym punkcie. 338

3 Rys. 3. Napęd elektryczny pojazdu Sportowo-Rekreacyjnego UTV [3] 1.2. Porównanie własności trakcyjnych pojazdu sportowo-rekreacyjnego o napędzie spalinowym i elektrycznym Pojazd Sportowo-Rekreacyjny UTV pokazany na rysunku 3 posiada fabrycznie montowany silnik spalinowy o pojemności 350cm3 i mocy maksymalnej 8kW osiąganej przy prędkości obrotowej 4750 obr/min. UTV (ang. Utility Terrain Vehicle) to pojazd podobny budową do quada, z tą różnicą, że posiada dużą skrzynię ładunkową. Pojazdy takie, mogą przewozić większe ciężary, przez co doskonale nadają się do wykorzystywania w rolnictwie i leśnictwie. Rozwiązanie wykorzystujące napęd elektryczny w tego typu pojeździe jest w szczególności wskazane, gdyż w znacznej mierze przyczynia się do ograniczenia zanieczyszczeń oraz hałasu. W pojeździe tym, zamiast silnika spalinowego zamontowano silnik elektryczny z magnesami trwałymi prądu przemiennego typu PA132S4SMws o mocy maksymalnej 27kW wyprodukowany przez instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL. Został on połączony bezpośrednio z wałem przekładni i zasilany jest bateriami litowo-jonowymi o pojemności 7 kwh. Zamiana prądu stałego na przemienny o regulowanej częstotliwości odbywa się poprzez falownik. Silnik ten posiada chłodzenie cieczowe i zamocowany jest do płyty pośredniczącej, która przykręcona jest do istniejących otworów w przekładni pojazdu. Właściwości ruchowe pojazdu z różnymi źródłami napędu można najlepiej porównać przedstawiając je graficznie na wykresach trakcyjnych opisujących zdolności pojazdu do pokonywania oporów drogi i rozwijania określonych prędkości jazdy w ruchu ustalonym na poszczególnych biegach, oraz osiągane przyśpieszenia na poszczególnych biegach w funkcji prędkości jazdy. Rys. 4. Wykresy sił napędowej pojazdu UTV: a) napęd elektryczny, b) napęd spalinowy [3] 339

4 Rys. 5. Wykresy przyśpieszeń pojazdu UTV: a) napęd elektryczny, b) napęd spalinowy [3] Wykresy pokazane na rysunku 4 przedstawiają zmianę siły napędowej na kołach w funkcji prędkości jazdy dla silnika elektrycznego (a) i dla silnika spalinowego (b). Siła napędowa działająca na koła napędowe pojazdu zależy od wielkości momentu obrotowego silnika, przełożenia w układzie napędowym pojazdu oraz sprawności mechanicznej układu napędowego. Siła napędowa ulega zmianie w wyniku zmiany momentu obrotowego silnika, co związane jest z jego charakterystyką. Wykres przyśpieszeń z rysunku 5 przedstawia przebieg przyśpieszenia pojazdu na poszczególnych przełożeniach (High i Low) w funkcji prędkości jazdy, przy wykorzystaniu pełnej mocy silnika elektrycznego (a) i silnika spalinowego (b). Prędkość maksymalna pojazdu z silnikiem elektrycznym na biegu Low wynosi około 32 km/h, z kolei na biegu High około 80 km/h i jest ona ograniczona maksymalną prędkością obrotową silnika elektrycznego. Przyśpieszenie pojazdu na poszczególnych przełożeniach wynosi: na biegu Low maksymalnie ok. 5,9 m/s 2 w zakresie od 200 do 3000 obr/min, dla biegu High ok. 3,4 m/s 2 w tym samym zakresie prędkości obrotowej silnika. W przypadku kiedy w pojeździe zamontowany jest tradycyjny silnik spalinowy prędkość pojazdu na biegu Low wynosi odpowiednio 20 km/h, a na biegu High 40 km/h. Z kolei przyśpieszenie pojazdu na biegu Low wynosi 3 m/s 2 a na biegu High 2,2 m/s 2. [3] Analizując wykresy można zauważyć, że pojazd z napędem elektrycznym wypada korzystniej pod względem właściwości trakcyjnych aniżeli pojazd z silnikiem spalinowym. Jest to wynikiem dużo lepszej charakterystyki pracy źródła napędu jakim jest silnik elektryczny. Dostarcza nam on w tym przypadku kilkakrotnie większy moment obrotowy praktycznie od zerowej prędkości obrotowej, dodatkowo dostępny jest on w szerokim zakresie, co wykorzystywane jest w napędach hybrydowych. Ponadto napęd taki jest cichy i ekologiczny. 2. MOŻLIWOŚCI AUTODIAGNOSTYKI SILNIKÓW TRAKCYJNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI Tradycyjne silniki spalinowe stosowane w pojazdach samochodowych są monitorowane przez dużą ilość czujników i dzięki nim oraz stałej kontroli systemu OBD mamy informację o ich aktualnej kondycji. Informacja ta dotyczy głównie elementów, których prawidłowe funkcjonowanie warunkuje minimalizację emisji toksycznych składników spalin. W przypadku napędów elektrycznych, system taki traci swój główny sens, ponieważ silniki elektryczne nie emitują żadnych szkodliwych czynników, a jedynie problemem może być hałas, który i tak jest minimalny. W pojazdach z napędem elektrycznym system taki wykorzystywany może być zatem do monitorowania stanu technicznego silnika elektrycznego. Jedną z metod analizy stanu technicznego maszyn elektrycznych jest pomiar ich drgań. Drgania są zjawiskiem niepożądanym, a ich wysoki poziom, wyższy od tzw. poziomu dopuszczalnego, jest uważany za objaw wystąpienia awarii. Drgania, które zawsze towarzyszą pracy maszyn wirujących powodują stopniowe uszkodzenia niektórych elementów maszyny. Diagnostyka drganiowa ma za zadanie uzyskanie zbioru informacji dotyczących stopnia zużycia danych podzespołów. Dla ogólnej oceny maszyny wirującej istotna jest wartość skuteczna (RMS) prędkości drgań, która w znacznym 340

5 stopniu odzwierciedla energię odpowiadającą za destrukcję urządzenia. Chcąc poznać przyczynę drgań konieczne jest przeprowadzenie szczegółowej analizy ich widma poprzez rozłożeniu go na składowe. Znając podstawowe parametry ruchowe maszyny oraz jej budowę można poszczególnym składowym widma drgań przypisać generujące je elementy lub stany pracy maszyny. Diagnostyka drganiowa większości maszyn elektrycznych bazuje głównie na pomiarach przy użyciu zewnętrznych czujników pomiarowych oraz dedykowanej do tego celu skomplikowanej i kosztownej aparatury, którą ciężko byłoby zabudować w pojeździe. Dodatkowo, należy zwrócić szczególną uwagę na separację obwodu pomiarowego od wszelkiego rodzaju zakłóceń, które mogą spowodować nieprawidłowe wskazania aparatury pomiarowej. [1,2,6] Ciekawym rozwiązaniem jest wykorzystanie podobieństwa budowy maszyny z magnesami trwałymi do czujnika drgań. Zaletą wykrywania drgań wzbudzanych przyczynami mechanicznymi w maszynach elektrycznych z magnesami trwałymi jest to, że układ pomiarowy nie wymaga stosowania czujników do pomiaru wibracji. Obwód wzbudzenia i uzwojenie twornika pełnią bowiem równocześnie funkcję czujnika pomiarowego drgań. Można powiedzieć, że napęd taki posiada możliwość autodiagnostyki tzn. sam dla siebie staje się czujnikiem i wymaga jedynie urządzenia odpowiednio analizującego sygnały, którego rolę może spełnić system podobny do OBD Silnik elektryczny z magnesami trwałymi jako czujnik drgań Idea wykorzystania maszyny elektrycznej z magnesami trwałymi jako czujnika drgań została odkryta przypadkowo. Podczas pomiarów rezystancji uzwojeń takich maszyn występują zakłócenia, które ujawniają się, gdy w otoczeniu badanej maszyny występuje źródło drgań. Podczas pomiarów innych rodzajów maszyn zjawisko to nie występuje. Natomiast w maszynie z magnesami trwałymi podczas drgań w uzwojeniach indukuje się siła elektromotoryczna (SEM), która wprowadza zakłócenia. [1,2,6] Analizując problem zakłóceń zauważono podobieństwo maszyny z magnesami trwałymi (PM), pokazanej na rysunku 6b, do czujnika elektrodynamicznego z rysunku 6a służącego do pomiaru drgań. Czujnik taki charakteryzuje się nieskomplikowaną budową, w uproszczeniu jest to magnes zawieszony na sprężynie wewnątrz cewki. Pod wpływem wibracji magnes się przemieszcza i generuje w cewce sygnał proporcjonalny do prędkości drgań. Istnieją również konstrukcje gdzie cewka jest ruchoma, natomiast magnes jest przymocowany na sztywno do obudowy. Rys. 6. Schemat budowy czujnika drgań a), schemat budowy maszyny wirującej z magnesami trwałymi b): 1- cewka uzwojenia, 2- magnes trwały, 3 - sprężyna Porównując maszynę z magnesami trwałymi do czujnika elektrodynamicznego można zauważyć podobną budowę magnesy trwałe oraz uzwojenie, czyli cewka. Pod wpływem wibracji w cewce generuje się siła SEM, a więc sygnał który można wykorzystać do analizy drgań; większa liczba zwojów oraz par biegunów indukuje większy sygnał pomiarowy, a więc czułość jest zależna od liczby zwojów uzwojenia analogicznie jak w czujniku elektrodynamicznym. 341

6 Poniżej przedstawiono ważniejsze źródła harmonicznych, które możemy zaobserwować w wyindukowanym napięciu lub w prądzie w maszynie z magnesami trwałymi [1,2,6]: źródła harmonicznych, które można wyeliminować lub ograniczyć w dużym stopniu na etapie projektowania maszyny: niewłaściwie dobrany współczynnik uzwojenia, źle dobrana liczba żłobków w maszynie, asymetria szczeliny powietrznej wynikająca z tolerancji technologicznych, nieliniowa charakterystyka magnesowania; źródła harmonicznych mogące się ujawnić podczas eksploatacji maszyny: niewywaga, asymetria geometrii promieniowej lub osiowej między stojanem a wirnikiem, uszkodzenia łożysk. WNIOSKI Silniki elektryczne z magnesami trwałymi stają się coraz częściej źródłem napędu pojazdów elektrycznych. Maszyny takie charakteryzują się doskonałymi właściwościami przetwarzania energii elektrycznej na mechaniczną, a ich sprawność sięga ponad 90%. Dodatkowo, parametry ruchowe pojazdów z takim napędem mogą być dużo lepsze niż te z tradycyjnym napędem spalinowym. Jedynym ograniczeniem dalszego rozwoju zastosowania takich rozwiązań w pojazdach są problemy z magazynowaniem energii elektrycznej. W Polsce powstało wiele konstrukcji pojazdów elektrycznych z takim napędem. Głównym prekursorem takich rozwiązań jest Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL. Ciekawym aspektem jest możliwość autodiagnostyki takich napędów. Przeprowadzone analizy pokazują możliwość wykorzystania maszyny z magnesami trwałymi jako czujnika drgań dla samej siebie. Jest to podejście innowacyjne i niestandardowe. Przedstawiona metoda diagnostyczna znacznie upraszcza diagnostykę drganiową w maszynach PM. Sprawia, iż nie jest wymagane stosowanie kosztownych czujników pomiarowych. Metoda ta pozwala na diagnostykę on-line, przy użyciu dodatkowego modułu pozwalającego na analizę częstotliwościową sygnału napięciowego lub prądowego eksploatowanego napędu. Rolę takiego modułu w pojazdach może pełnić odpowiednik systemu OBD występującego w tradycyjnych pojazdach spalinowych. Praca została sfinansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy nr 413/L-4/2012 realizowany w Instytucie Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL o nazwie Wibroakustyczna metoda diagnostyczna silników trakcyjnych i generatorów z magnesami trwałymi na podstawie sygnałów własnych. Streszczenie W artykule przedstawiono możliwość autodiagnostyki maszyn elektrycznych z magnesami trwałymi stosowanych często jako źródło napędu pojazdów elektrycznych. Opisano w nim innowacyjną metodę analizy stanu technicznego silników elektrycznych z magnesami trwałymi na podstawie ich sygnałów własnych oraz możliwości jej zastosowania w systemach autodiagnostyki pojazdów samochodowych. Przedstawiona metoda wykorzystuje podobieństwo budowy maszyn elektrycznych z magnesami trwałymi do czujnika drgań i jest ona przedmiotem zgłoszenia patentowego nr P W pracy przybliżono również zalety i wady napędów elektrycznych opartych o silniki elektryczne z magnesami trwałymi wraz z przykładami zastosowania takich napędów w pojazdach rekreacyjnych, użytkowych i osobowych. Dodatkowo przedstawiono porównanie własności trakcyjnych pojazdu Sportowo- Rekreacyjnego z tradycyjnym napędem spalinowym oraz koncepcyjnym napędem elektrycznym. Słowa kluczowe: diagnostyka, napęd elektryczny, silniki z magnesami trwałymi, drgania Self-diagnosis possibility of permanent magnets electric motors used in electric vehicle drives Abstract The self-diagnosis possibility of electrical machines with permanent magnets which are often used as a source of power for electric vehicles are presented in the paper. An innovative method of analyzing technical 342

7 condition of permanent magnets electric motors based on their self-signals is presented. Additionally, the possibilities to use this method in self-diagnostic systems of vehicles are also discussed. The presented method is based on a construction similarity of electrical machines with permanent magnets to the vibration sensor and it is the subject of patent submission No P The advantages and disadvantages of electric drives based on electric permanent magnets motors with examples of its use in the recreational, utility and personal vehicles drives are also shown in the study. Moreover, the comparison of UTV vehicle traction proprieties with traditional combustion engine and concept electric drive are shown. Keywords: diagnostics, electric drive, permanent magnet motors, vibration BIBLIOGRAFIA 1. Barański B., Decner A., Polak A., Bearing vibration diagnosis based on hodograf xy. Przegląd Elektrotechniczny, 1/ Barański B., Decnerc A., The vibration acceleration y = f (ax) as a tool to determine the technical condition of the bearings. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Będkowski B., Radwański W., Porównanie właściwości trakcyjnych pojazdu sportoworekreacyjnego UTV o napędzie spalinowym z koncepcyjnym napędem elektrycznym", Przegląd Elektrotechniczny, Król E., Porównanie efektywności energetycznej silników z magnesami trwałymi. Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne KOMEL, nr 78, Król E., Rossa R., Modern electric machines with permanent magnets. Przegląd Elektrotechniczny, R. 84, nr 12, Lakshmikanth S., Natraj K. R., Rekha K. R., Noise and Vibration Reduction in Permanent Magnet Synchronous Motors A Review. International Journal of Electrical and Computer Engineering Materiały własne, Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL,