MODEL I PODSTAWOWE RÓWNANIA ROZRUSZNIKO ALTERNATORA O WZBUDZENIU HYBRYDOWYM Z KOLEKTOROWĄ STRUKTURĄ MAGNESÓW

Transkrypt

1 Zeszyty Poblemowe aszyny Elektyczne N 4/014 (104) 55 Włozmez Pzyboowsk, Eml Kupec Poltechnka Waszawska, nstytut aszyn Elektycznych OEL POSTAWOWE RÓWNANA ROZRUSZNKO ALTERNATORA O WZBUZENU HYBRYOWY Z KOLEKTOROWĄ STRUKTURĄ AGNESÓW OEL AN FUNAENTAL EUATON FOR HYBR EXCTATON STARTER-ALTERNATOR WTH CRCUFERENTALLY AGNETZE PERANENT AGNETS Steszczene: W pacy pzestawono koncepcję maszyny synchoncznej, o wzbuzenu hybyowym specjalnym ukłaze uzwojena ozuchowego, spełnającej zaane ozusznko-altenatoa. aszyna ta jest pzeznaczona o ozuchu slnka spalnowego oaz pacy geneatoowej w pokłaowej sec enegetycznej pojazu. Konstukcja hybyowa maszyny obejmuje wa źóła wzbuzające: elektomagnetyczne o magnesów twałych. agnesy twałe są umeszczone męzy kłowym begunam mają polayzację tangencjalną. Cewk wzbuzające umeszczone są w stojane. Ten system wzbuzena ma znaczene w stane ozuchu, jak ówneż pacy geneatoowej. aszyna wyposażona jest w wa obwoy ozuchowe w ome pzewoów umeszczonych w żłobkach nabegunnków ltych nakłaek, któe pzykywają steę magnesów twałych. aszyny hybyowe w szczególnośc slnkowo-pąncowe są nową geneacją maszyn po wzglęem konstukcyjnym moelowana oaz opsu zykalnego, wymagają węc zmoykowanej metoyk ujęca. Na postawe ównań polowych obwoowych, kweste te pzeyskutowano w pezentowanej pacy. Abstact: Ths pape pesents the concepton o hyb exctaton synchonous machne wth specal statng cols meets the state-altenato job. Ths machne s esgne o stat-up ntenal combuston engne an geneaton enegy o vehcle powe netwok. Ths machne constucton combne two lux souces: el cols an pemanent magnets. Ccumeentally magnetze pemanent magnets ae locate between claw poles. Fel cols ae locate on the stato. The exctaton system s mpotant n moto an geneato moes. The machne s euppe wth two statng ccuts n the om o bas place n pole peces slots an sol coatng coveng pemanent magnets. Hyb exctaton machnes especally motos-geneatos ae the new geneaton o machnes n tems o esgn, moelng an physcal escpton, an thus eue a moe appoach methoology. n ths wok on the base o el an euvalent ccut euatons ths ssues ae scusse. Słowa kluczowe: ozusznko-altenato, maszyna o wzbuzenu hybyowym, uzwojene ozuchowe Keywos: state-altenato, hyb exctaton, pemanent magnets, statng ccut 1. Wstęp Rozwój motoyzacj został w ostatnm okese znaczne zntensykowany pzez elektykację elektonzację pojazów ch pozespołów. Znacznemu ozszezenu po wzglęem stuktualnym uległa pokłaowa seć elektoenegetyczna oaz seć tansmsj sygnałów pomaowych steujących. Współczesne pojazy zaweają klkazesąt slnków elektycznych słownków elektomechancznych jako napęów pomocnczych, klkazesąt czujnków pomaowych poobną lczbę ukłaów elektoncznych. W zwązku z tym wzosło znaczne zapotzebowane na enegę elektyczną w sec pokłaowej pojazów, co spowoowało ozwój konstukcj altenatoów, jako postawowych jenostek pąotwóczych. Jenocześne zwększają sę wymagana, co o mnmalzacj gabaytów uzązeń oaz spełnane pzez ne welu zaań. Jenym z takch zamezeń jest konstuowane kompaktowych wutwonkowych hybyowych altenatoów oaz ozusznko-geneatoów. Zespolone ukłay ozuchowo-geneatoowe były o awna stosowane w pojazach specjalnych na baze maszyn pąu stałego. Obecne poejmowane sę pace na konstukcjam ozusznko-altenatoów [, 5, 6]. Jeną z koncepcj ozusznka o bazowej konstukcj altenatoa jest maszyna synchonczna o wzbuzenu hybyowym o magnesów twałych wzbuzenu elektomagnetycznym na stojane oaz wyposażona w spe-

2 56 Zeszyty Poblemowe aszyny Elektyczne N 4/014 (104) cjalne uzwojene ozuchowe w wnku - magneśncy. W pacy pzestawono koncepcję konstukcj ozusznko-altenatoa, maszyny pzeznaczonej o ozuchu śenej mocy slnka spalnowego, a po ozuchu zaslającej pokłaową seć pojazu. Pzeyskutowano ówneż postawowe ównana polowe obwoowe wskazując na osoblwośc opsu matematyczno-zykalnego la tego typu konstukcj.. Zespoły elektomaszynowe pojazów Postawowym pozespołem pokłaowego systemu enegetycznego pojazów, obok źóeł stacjonanych (akumulatoów), są źóła elektomaszynowe (pąnce). Obecne pąnce pąu stałego są zastąpone altenatoam, któe oznaczają sę wększą nezawonoścą, a wobec baku komutatoa ne są źółem zakłóceń aoelektycznych. Należy jenak namenć, że pąnce pąu stałego są stosowane w pojazach specjalnych o użym zapotzebowanu na moc (>10 kw), a w cężkch pojazach wojskowych pełną jenocześne unkcje ozusznków. Pzy tak ualnej ol maszyny uzyskuje sę kozyśc w kubatuze pojazu. Zmnejszona jest bowem lczba elementów zapasowych maszyny ułatwona jest obsługa technczna zespołu. Poneważ pąncę pojektuje sę na pacę cągłą, a ozusznk oywczą, to moc znamonowa maszyny ustalona jest wg opcj pąncowej, a wówczas moc ozusznka jest o około 100% wększa. W tym pzypaku ozusznk jest zaslany ze źóła stacjonanego o wukotne wększym napęcu, anżel watość napęca znamonowego pąncy. stotną zaletą altenatoa na pąncą pąu stałego jest wysok wskaźnk wykozystana masy w stosunku o geneowanej mocy możlwość znacznego obcążena pąowego. Oganczenem w pełnenu unkcj ozuchowych maszyny synchoncznej (altenatoa) jest bak konstytutywnego momentu ozuchowego. 3. omenty ozuchowe slnków synchoncznych Rozuch slnka synchoncznego, opoweno o typu jego konstukcj, może być okonany wskutek eektu: - nukcyjnego (ozuch asynchonczny), - eaktywnego (pemasywnego) pzy ozaływanu pola twonka z polem o magnesów twałych, - hsteezowego, w slnkach o specjalnej chaakteystyce stuktuze konstukcyjnej magnesu twałego, - eluktancyjnego, pzy ozaływanu pola twonka z eektem zmennej pzewonośc magnetycznej wnka. W slnkach małej mocy (jenoazowych) o małej necj wnka użej lczbe begunów ozuch zachoz w sposób oscylacyjny. Ze wzglęu na specyczną konstukcję altenatoów (welobegunowość kłową omę begunów magneśncy) ne jest możlwe utwozene unwesalnej maszyny spełnającej jenocześne wskazane powyżej momentowoozuchowe własnośc slnków synchoncznych. Z uwag ówneż na obcążene ozusznka slnkem spalnowym, o znacznym momence opoowym znacznym masowym momence bezwłanośc, ne można zealzować w pocese ozuchu, jenocześne wszystkch wskazanych ozaływań elektoynamcznych. Poza wskazanym oganczenam konstukcyjnym waunkam eksploatacyjnym pocesu ozuchowego maszyn typu synchoncznego, stneją ówneż oganczena tunośc natuy zycznej. o głównych oganczeń zycznych ozuchu zalcza sę: - pzecwność tętnącego momentu eluktancyjnego wzglęem momentu asynchoncznego, - powstawane geneatoowego momentu hamującego wskutek ozaływana pola twonka z polem magneśncy, - powstawane momentu pzecwbeżnego pzy watośc poślzgu 0.5, zwanego momentem Gogesa, na któy ma wpływ ezystancja uzwojena twonka [1]. Stweza sę, że eektywność momentu hsteezowego, eluktancyjnego oscylacyjnego jest mała w stosunku o momentu asynchoncznego eaktywnego. Oczywśce wygeneowane momentu asynchoncznego wymaga zastosowana oatkowych uzwojeń. ożna je wykonać w ome uzwojena klatkowego (zwatego) umeszczonego w żłobkach wykonanych w nabegunnkach lub w postac ltych nakłaek na nabegunnkach, albo zwojów zwatych okalających nabegunnk. Należy zauważyć, że w obecne konstuowanych altenatoach, ze wzglęu na stuktuę kłową magneśncy oganczena wytzymałoścowe,

3 Zeszyty Poblemowe aszyny Elektyczne N 4/014 (104) 57 ne wykonuje sę begunów blachowanych. Tak węc lty nabegunnk stanow ówneż element zwaty umożlwający powstawane w nm momentów asynchoncznych. W ozusznko-altenatoze można węc utwozyć tzy obwoy o ozuchu asynchoncznego. 4. Konstukcja ozusznko-altenatoa Wybó konstukcj hybyowej ozusznkoaltenatoa z kłowym begunam magneśncy, uwaunkowany jest zapewnenem opeatywnej egulacj napęca w stane pacy pąncowej wskutek, zastosowana źóeł wzbuzających o osach pzepływu ne pokywających sę z osą pzepływu twonka oaz możlwoścą wpowazena wustuktualnego uzwojena zwatego. Pzyjmuje sę klasyczną buowę twonka jego stey żłobkowo-zębowej, któej oma jest uwaunkowana lczbą pasm azowych begunów. agneśnca natomast ma buowę hybyową, tzn. zawea magnesy twałe. agnesy są umeszczone męzy kłowym begunam (ys. 1.), stanowąc tak zwaną konstukcję kolektoową, czyl o polayzacj magnetycznej zoentowanej tangencjalne. Konstukcja z magnesam kolektoowym jest po wzglęem magnetycznym kozystnejsza [3, 4]. uzwojene wzbuzające, może meć óżną lokalzację, a nawet może stanowć klka obwoów nezależnych. Zaleca sę, aby ose magnetyczne obwoów wzbuzających, o wzbuzena elektomagnetycznego oś magnetyczna magnesu były wzajemne kontlneane. Rys.. Szkc konstukcyjny maszyny hybyowej o konstukcj kłowej klasycznym solenoalnym uzwojenu wzbuzającym w magneśncy Rys. 3. Szkc konstukcyjny maszyny hybyowej o konstukcj kłowej obwoem wzbuzającym o wewnętznym stumenu Rys. 1. Szkc konstukcyjny maszyny hybyowej o konstukcj kłowej kolektoowej stuktuze magnesów: 1 stojan, begun kłowy, 3 tacza begunów, 4 cewka wzbuzena elektomagnetycznego, 5 magnes twały, 6 lty obwó zwaty, 7 pętowy obwó zwaty aszyna hybyowa zawea ówneż uzwojene wzbuzające złożone z cewek solenoalnych. Należy stwezć, że solenoalne Rys. 4. Szkc konstukcyjny maszyny hybyowej o konstukcj kłowej obwoem wzbuzającym o zewnętznym stumenu

4 58 Zeszyty Poblemowe aszyny Elektyczne N 4/014 (104) Cewk wzbuzające mogą być umeszczone w magneśncy, jak w typowym altenatoze (ys. ), lub mogą być umeszczone w stee skajnej stojana w sąseztwe tacz łożyskowych w ome wu stuktu. W pewszym pzypaku stanową obwó wzbuzający o wewnętznym stumenu (ys. 3.), a w ugm o zewnętznym stumenu (ys. 4.).Unka sę w ten sposób węzła szczotkowo-peścenowego o opowazena zaslana obwou wzbuzającego, jak ma to mejsce w klasycznym altenatoze. Ze wzglęu na olę ozusznkową maszyny, pzy założenu ozuchu asynchoncznego, szczególne znaczene ma uzwojene ozuchowe. W zwązku z lcznym oganczenam na stuktuę stey żłobkowo-zębowej maszyn asynchoncznych, w celu unknęca eektów momentów pasożytnczych, poponuje sę konstukcję uzwojena ozuchowego w ome wu obwoów; jenego w ome pętowo-żłobkowej usytuowanego w begunach ugego w ome zwojów lub ltych nakłaek na magnesam twałym (ys. 1). Uzwojena zwate mogą być połączone o wspólnego peścena zweającego lub ozelnych peścen. Po wzglęem konstukcyjnym technologcznym ogona jest konstukcja magneśncy o kształce tapezoalnym nabegunnków. 5. oel ównana polowe maszyny Postawą wyznaczana ównań pola elektomagnetycznego w maszynach elektycznych są ównana axwella z uzupełnającym je ównam konstytutywnym. Równa konstytutywne waz z geometą poukłaów maszyny stanową postawową tuność ozwązana ównań pola. Poneważ w pzypaku śoowsk eomagnetycznych zwązek konstytutywny jest nelnowy B = ( µ H ) (1) co powaz o slne nelnowych ównań pola. W poobszaze śoowska stanowącego magnes twały ównane mateałowe pzestawa sę w postac: ( H ) B = µ () la obecne poukowanych magnesów można założyć, z ostateczną okłanoścą, wuocnkową lnowość tego zwązku, zaówno co o zmennośc nukcj B, jak wektoa magnetyzacj. Pzenkalność magnetyczną magnesu µ zakłaa sę stałą w pzyblżenu ówną watośc pzenkalnośc paamagnetyków. W pzypaku ogólnego moelu maszyny la pzyszczelnowego poobszau magneśncy, w któym kompozytowo umeszczone są obwoy zwate beguny magnesów twałych ogólna postać ównań pola w epezentacj potencjału wektoowego pzy wzbuzenu pąam pzewozena magnesem twałym epezentowanym wektoem magnetyzacj ma postać: 1 A = J ot (3) µ 0 Należy jenak zauważyć, że w sytuacj kompozytowej konstukcj poobsza ten cechuje sę anzotopą konstukcyjną. W ukłaze współzęnych cylnycznych pzy wymuszenu pola skłaową osową pąu skłaową tangencjalną wektoa magnetyzacj, ównane (3) ma postać: 1 1 Az µ 1 1 µ Az A A 1 = γ γµω t = ( ) (4) W pzypaku ozzelena poobszaów obwoów zaweających obwoy zwate magnesy la poobszaów z magnesam można okeślć ównana magnetostatyczne w epezentacj potencjału skalanego, któe w ukłaze współzęnych cylnycznych ma postać V 1 V 1 V 1 = (5) Równane w stee obwoów zwatych jest analogczne o ówna (3) z pomnęcem skłanka zaweającego skłaową tangencjalną wektoa magnetyzacj. Komplementaność somułowana zaganena w ujęcu polowym wymaga okeślena waunków bzegowych. Wyjątkowo złożone są te waunk w stee magnesów twałych. Należy

5 Zeszyty Poblemowe aszyny Elektyczne N 4/014 (104) 59 bowem zauważyć, że w poobszaach begunów skłaowe pola w epezentacj nukcj o oentacj tangencjalnej, o wzbuzena magnetycznego, aksjalnej, o wzbuzena elektomagnetycznego, pzechozą w oentację aalną. ogonym metoam analzy pól w maszynach elektycznych są metoy analtyczne, chocaż z konecznośc slne oganczone założenam upaszczającym. Ważnym poblemem w tym poejścu, po wzglęem poznawczym, jest założene ozkłau w keunku tangencjalnym (obwoowym) unkcj wektoa magnetyzacj. = [ n m) cos( n m ] ) ( ) 1() sn( () n () = gze: k, k 1, są skłankam ozwnęca oueowskego wzglęem współzęnej tangencjalnej wektoa magnetyzacj, m=nw(, p), lczba żłobków twonka, p lczba pa begunów. Fnalnym poblemem analzy stanów pacy ozusznko-altenatoa jest ozaływane sł (momentów) elektomagnetycznych. Wymaga to specykacj analzy sł powezchnowych oaz objętoścowych ozałujących na lub w okeślonych poobszaach maszyny. Należy bowem zauważyć, że postulowany powszechne tenso napężeń axwella w śoowsku kompozytowej stuktuy magneśncy w stee pzyszczelnowej, ne jest symetyczny. Skłana to o ozszezena ozaływań klasycznych w postac napężeń lub sł objętoścowych o omę ozaływań momentowych. 6. oel ównana obwoowe Pełny ukła ównań la stanu ynamcznego slnka hybyowego, z altenatywnym zaslanem uzwojena wzbuzającego można zapsać w postac ównań napęcowo-pąowostumenowych: u = R L ω ψ u = R L ω ψ u = R L 0 = R L 0 = R L, (6) w któych stumene skojazone mają postać: [ ψ = L ± 3 ψ = ψ = L ψ = L 3 ψ = L [ [ 3 ± L ± ] ] ] (7) gze: welkośc oznaczające napęca, pąy paamety ezystancyjne nukcyjne mają znaczene jak w konwencjonalnym opse slnka synchoncznego w ukłaze współzęnych. Symbol oznacza możlwość zmany zwotu (w stee os ) stumena o wzbuzena elektomagnetycznego wzglęem stumena magnesów. jest zastępczym pąem magnesu okeślonym pzepływem, wyznaczonym punktem pzecęca chaakteystyk omagnesowana z osą pzepływu. Pzyjmuje sę jenozwojność smm magnesu. Osoblwym skłankem w ównanach onesonych o os są napęca nukowane tansomacj lub otacj: L, ω, któe zależą o polayzacj magnesu twałego. Napęca nukowane tansomacj pzy założenu stacjonanośc chaakteystyk omagnesowana magnesu można pomnąć. oment elektomagnetyczny wyażony pzez paamety obwoowe slnka pąy ma postać.

6 60 Zeszyty Poblemowe aszyny Elektyczne N 4/014 (104) T em 3p = {( L L ) ( ) } (8) Ostatn skłank we wzoze (8) wskazuje na możlwość egulacj momentu magnetoelektycznego w eekce ozaływana wzbuzena elektomagnetycznego na smm magnesu (ys. 5). Wykes pzestawony na ysunku 5. wskazuje, że pzy wu źółach wzbuzających główny stumeń magnetyczny w szczelne powetznej, można uzyskać eekt stłumena tego stumena (pkt. < -,0>). Oznacza to wyelmnowane skłanka momentu o stumena wzbuzającego, któym jest moment tętnący. W stane pacy pąncowej (ustalonej = 0 ) ukła ównań ma postać: u u = R = R = ω ψ ω ψ (9) opoweno upaszczają sę zależnośc na stumene skojazone poszczególnych obwoów. Rys. 5. Chaakteystyka napęca nukowanego maszyny hybyowej w unkcj pzepływu wzbuzającego elektomagnetycznego z uzałem smm magnesu twałego Pozostaje ówneż w tym stane możlwość egulacj głównego stumena wzbuzającego, a węc egulacj napęca geneatoa pzy zmennej pękośc obotowej. W analze stanów ynamcznych ozusznka o pzestawonej stuktuze elektomagnetycznej pojawa sę poblem pzelczena paametów twonka lub magneśncy o jenego z obwoów. Pzelczene o obwou twonka, ze wzglęu na obwó z magnesam twałym ne wyaje sę acjonalne jest zaganenem otwatym. 7. Wnosk uwag końcowe Rozuch asynchonczny może pzebegać ównocześne z ozuchem częstotlwoścowym. Współzałane pzepływów wzbuzających w szeokm zakese zmennośc magnesowana emagnesowana wymaga stosowana ukłaów wzbuzających o osach magnetycznych kontlneanych. Oganczenem baań ekspeymentalnych jest bak ukłaów zaslających cechujących sę małym watoścam napęć użym watoścam pąów. W opse moelowym poważnym zaganenem jest wyznaczene paametów obwoowych maszyny. 8. Lteatua [1]. Pawluk K., Benaek S.: Rozuch stany asynchonczne slnków synchoncznych. WNT Waszawa 1968 []. Amaa Y., Lucame J., Gabs., Le cvan., Ben Ahme A.H., Akemakou A..: A new Topology o Hyb Synchonous machne, EEE Tans. On nusty Applcatons, Vol. 37, No. 5, pp , 001 [3]. Hańczewsk P., Pzyboowsk W.: Pzeglą konstukcj maszyn synchoncznych o wzbuzenu hybyowym z kolektoową stuktuą magnesów twałych, Poc. O XL ntenatonal Symposum on Electcal achnes SE 004, Polan, pp , 004 [4]. Hańczewsk P., Pzyboowsk W.: Hyb synchonous machne wth pemanent magnet s commutato stuctue an statoney excte ntenal lux. Poznan Unvesty o Technology Acaemc Jounals, Electcal Engneeng, No. 55, pp , 007 [5]. Ca W. Compason an evew o electc machnes o ntegate state altenato applcatons. nusty Applcatons Con. 004, 39th AS Annual eetng. Coneence Reco o 004 EEE, Vol. 1, pp [6]. Cho C. P. Compason an evew o electc machnes o ntegate state altenato applcatons, Techncal Papes an Pesentatons, Pesente at Pemanent agnet Systems Goham Avance ateals, nc Atlanta, GA Septembe 000 Autozy hab. nż. Włozmez Pzyboowsk E-mal: W.Pzyboowsk@me.pw.eu.pl mg nż. Eml Kupec, E-mal: kupece@ee.pw.eu.pl nstytut aszyn Elektycznych, Poltechnka Waszawska, Waszawa, Plac Poltechnk 1