Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi w napędzie pojazdu hybrydowego

Transkrypt

1 Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi w napęzie pojazu hybryowego Anrzej Białas, Emil Król 1. Wstęp Napę hybryowy jest połączeniem wóch rozajów napęów, najczęściej silnika spalinowego z silnikiem elektrycznym. Silnik spalinowy połączony jest poprzez różnego typu przekłanie lub bezpośrenio z silnikiem elektrycznym, który pełni również rolę prąnicy (generatora), służącej o łaowania akumulatorów. W zależności o konfiguracji oraz potrzeb napęu silniki spalinowy i elektryczny mogą pracować razem (równolegle) poczas użego zapotrzebowania na moment obrotowy (np. przyspieszanie lub jaza z użym obciążeniem) lub ozielnie tylko silnik spalinowy lub tylko elektryczny. W zależności o konfiguracji elementów napęzających wyróżnia się ukłay hybryowe szeregowe, równoległe i mieszane. W ukłazie szeregowym energia mechaniczna wytwarzana przez silnik spalinowy jest w całości przetworzona na energię elektryczną gromazoną w akumulatorach oraz o napęu silnika elektrycznego. W przypaku użego zapotrzebowania na moc silnik elektryczny może korzystać z energii zgromazonej w akumulatorach. W ukłaach tych zwykle nie stosuje się skrzyni biegów. W ukłazie równoległym część energii mechanicznej wytworzonej przez silnik spalinowy napęza pojaz, a pozostała część łauje akumulatory. Gy potrzebna jest uża moc, silniki mogą pracować równolegle (razem) jako źróło napęu. Poczas hamowania silnik elektryczny hamuje ozyskowo, zwracając energię o akumulatora. Ukła mieszany jest kombinacją cech ukłaów równoległego i szeregowego. Do wa napęu hybryowego należy zaliczyć większą masę pojazu oraz większą cenę, natomiast o zalet konstrukcji napęów hybryowych należy zaliczyć reukcję emisji spalin samochoowych oraz ograniczeniu hałasu, co skutkuje w oczywisty sposób poprawą jakości życia szczególnie w aglomeracjach miejskich. Rys. 1. Pojaz poany elektryfikacji Streszczenie: W artykule omówiono sposób oboru oraz miejsce montażu silnika synchronicznego o napęu pojazu ostawczego hybryowego bimoalnego. W pojeźzie tym silnik elektryczny został zamontowany na wale Carana. Zaprojektowano i wykonano specjalny silnik, który bęzie pracował w wóch trybach: jako napę i jako generator łaujący akumulatory pokłaowe. Zastosowany napę cechuje się wysokim momentem oraz możliwością pracy w barzo szerokim zakresie prękości obrotowych. Słowa kluczowe: pojaz elektryczny, napę elektryczny, silnik synchroniczny, bateria trakcyjna PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR IN HYBRID VEHICLE DRIVE Abstract: In the paper the concept of conversion a vehicle for bimoal hybri car was escribe. A special synchronous permanent magnets motor attene to the hybri vehicle was esigne. New motor will be mounte irectly on the Caran shaft. The special motor which will operate in two moes, as the rive an as a generator charging the on boar battery was esigne an mae. The use rive has a high torue an ability to operate in a very wie spee range. Keywors: electric vehicle, electric rive, synchronous motor, traction battery 2. Pojaz emonstracyjny Pojaz emonstracyjny powstał na bazie samochou osobowo-towarowego DZT Pasagon proukcji polskiej (rys. 1). Postawowe parametry samochou: opuszczalna masa całkowita: 3490 kg; łaowność: 1340 kg; nawozie: 2-rzwiowe; ilość miejsc: kierowca + 2; zbiornik paliwa: 80 m 3 ; silnik wysokoprężny Anoria: pojemność skokowa: 2,636 m 3, moc max: 85 kw, max moment obrotowy: 250 N m przy 2000 obr/min; ukła napęowy: skrzynia biegów manualna, pięciobiegowa, napę na koła tylne. 108 Nr 11 Listopa 2014 r.

2 3. Parametry napęu elektrycznego Dobór oraz zaprojektowanie elektrycznego silnika napęowego wymagały pogozenia kilku sprzecznych parametrów napęu. Silnik z jenej strony powinien ysponować opowienio użym momentem i mocą o komfortowej jazy oraz przyspieszania, z rugiej strony moc tę należy ograniczyć ze wzglęu na masę silnika elektrycznego oraz masę i parametry (głównie pojemność) elektryczne akumulatora. Ponato wał silnika elektrycznego musi przenieść pełny moment silnika spalinowego, co spowoowało konieczność zwiększenia śrenicy wału oraz masy silnika. Ze wzglęu na masę napęu i wymagany uży moment zecyowano się na zastosowanie silnika synchronicznego z ma- gnesami trwałymi z wirnikiem reklama typu IPM (Interior Permanent Magnet). Silnik taki został zaprojektowany i wykonany w Instytucie Komel. Silniki z magnesami trwałymi są coraz częściej stosowane w napęach trakcyjnych [2]. Posiaają szereg zalet, które pozwalają im być najlepszym napęem trakcyjnym. Do postawowych zalet silników z magnesami trwałymi możemy zaliczyć: wysoki stosunek uzyskiwanego momentu lub mocy o objętości lub masy maszyny; użą przeciążalność momentem; pracę w szerokim zakresie prękości obrotowych; wysoką sprawność. Silnik w opisywanym napęzie bęzie pracował w wóch strefach regulacji (ze stałym momentem i stała mocą rys. 2). Silnik bęzie spełniał specyficzne wymagania la tego typu napęu. Szczególnie ważna jest praca generatorowa przy barzo wysokich prękościach obrotowych. Zakłaa się, że prękość maksymalna pojazu z wykorzystaniem tylko silnika elektrycznego nie przekroczy 70 km/h, natomiast prękość maksymalna pojazu z silnikiem spalinowym wynosi pona 140 km/h. W związku z tym praca generatorowa bęzie obywać się w barzo niekorzystnych warunkach la falownika oraz akumulatora (wysokie napięcia na zaciskach prąnicy i konieczność utrzymania kontrolowanego prąu łaowania akumulatora). Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi z wirnikiem IPM ysponuje woma skłaowymi momentu elektromagne- tycznego. Oprócz występującej we wszystkich konstrukcjach silników PMSM skłaowej związanej z siłą magnetomotoryczną magnesów trwałych, w silnikach z wirnikiem IPM występuje jeszcze skłaowa reluktancyjna momentu synchronicznego. Skłaowa reluktancyjna związana jest z asymetrią magnetyczną wirnika. Cechą charakterystyczną asymetrii magnetycznej wirników w silnikach PMSM jest to, że reluktancja magnetyczna w osi wirnika jest zwykle znacząco większa o reluktancji w osi [3]. Im większą wartością ilorazu X /X charakteryzuje się zastosowana konstrukcja wirnika w anym silniku, tym większa jest wartość skłaowej reluktancyjnej momentu synchronicznego i tym samym jej uział w wypakowym momencie synchronicznym T e silnika może być większy. Zależnie o Nr 11 Listopa 2014 r. 109

3 konstrukcji wirnika, skłaowa reluktancyjna ma zwykle o 5% o 30% uziału w wypakowym momencie synchronicznym wytwarzanym przez silnik PMSM. W silniku synchronicznym z wirnikiem IPM przy zastosowaniu opowieniego sterowania wykorzystuje się moment reluktancyjny. Sterowanie falownikiem musi utrzymać stosunek prąu w osi i taki, aby moment elektromagnetyczny silnika, w każym punkcie pracy, był maksymalny. Zależność na moment elektromagnetyczny T e 3-fazowego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi (PMSM) zasilanego sinusoialną falą prąu przyjmuje postać: T, P, U, P N T N U 1max Zakres pracy ze stałym momentem T = const. T ~ I 1 Zakres pracy ze stałą mocą P m = const. T ~ 1/n P m 3 p Te = 2 [ ψ I ψ I ] a po uwzglęnieniu że Ψ = L I + Ψ mag oraz Ψ = L I otrzymujemy: (1) 0 0 U 1 Rys. 2. Charakterystyki silnika z wustrefową regulacją prękości obrotowej n b n max n 3 p Te = ψ 2 [ I + ( L L ) I I ] mag gzie: Ψ strumień skojarzony z uzwojeniem stojana w osi ; Ψ strumień skojarzony z uzwojeniem stojana w osi ; Ψ mag strumień wzbuzenia o magnesów trwałych skojarzony z uzwojeniem stojana; L, L inukcyjności opowienio w osi i ; p liczba par biegunów; I, I skłaowe prąów uzwojenia stojana w osi i. Wzór (2) stosuje się przy obliczaniu momentu elektromagnetycznego silników z wirnikiem, który posiaa różne reaktancje w osiach i. Parametry zaprojektowanego i wykonanego elektrycznego silnika napęowego: moc znamionowa 45 kw; moc maksymalna 75 kw; prękość znamionowa 1800 obr/min; moment maksymalny 400 N m; prękość maksymalna przy pracy prąnicowej 5000 obr/min. Nowoczesne napęy elektryczne, stosowane w elektrycznych pojazach rogowych, muszą charakteryzować się szerokim zakresem regulacji prękości obrotowej, zwykle w zakresie o zera o kilku tysięcy obrotów na minutę. Opracowano kilka strategii sterowania [5] napęami elektrycznymi z silnikami PMSM o szeroko regulowanej prękości obrotowej. W wyniku zastosowania tych strategii oraz zięki opowieniej konstrukcji wirników w silnikach PMSM [4, 5] uzyskiwane są typowe charakterystyki elektromechaniczne napęu o szeroko regulowanej prękości, pokazane na rys. 2. Na charakterystykach tych wyróżnić można wie strefy regulacji prękości, tzw. strefę stałego momentu i strefę stałej mocy. W pierwszej strefie regulacji prękości obrotowej, o zera aż o tzw. prękości bazowej n b, silniki PMSM są sterowane wg takiego algorytmu, by pracowały (2) przy optimum ilorazu osiąganego momentu elektromagnetycznego o prąu zasilania T/I 1. W rugiej strefie regulacji prękości P = const. Powyżej prękości bazowej n b silnik pracuje w rugiej strefie regulacji prękości, w której wzrost napięcia na zaciskach silnika U 1 nie jest już możliwy. Dalsze zwiększanie prękości obrotowej wirnika osiągane jest zięki zastosowaniu techniki osłabiania strumienia magnetycznego głównego w szczelinie powietrznej silnika. Osłabianie strumienia w silnikach PMSM uzyskuje się poprzez wytworzenie opowieniej ujemnej połużnej reakcji twornika, skutkującej nieprzekroczeniem limitu napięcia U 1max. Dwustrefowa metoa regulacji prękości obrotowej napęu elektrycznego wymaga zastosowania złożonych algorytmów sterowania napęem o użym nakłazie obliczeniowym. Dla potrzeb napęu pojazu hybryowego konieczne jest zastosowanie przekształtnika energoelektronicznego wyposażonego w wyajny procesor sygnałowy. Aby zapewnić możliwie wysoką niezawoność całego napęu, przekształtnik powinien być także wyposażony w różnego typu zabezpieczenia sprzętowe (np. nanapięciowe, ponapięciowe, naprąowe, temperaturowe itp.) ograniczające możliwość jego zniszczenia poczas coziennej eksploatacji w pojeźzie hybryowym. 4. Konstrukcja mechaniczna napęu hybryowego bimoalnego W omawianym pojeźzie ostawczym zastosowano napę hybryowy bimoalny. W tym typie napęu silnik elektryczny (rys. 3) nigy nie pracuje jako napę równocześnie z silnikiem spalinowym, może natomiast pracować jako prąnica o łaowania akumulatorów lub ukła ozyskujący energię poczas hamowania. W pojeźzie można wyróżnić trzy tryby pracy: z wykorzystaniem tylko napęu spalinowego, z wykorzystaniem tylko napęu elektrycznego oraz tryb awaryjny, w którym używany jest silnik spalinowy, a silnik elektryczny pracuje jako prąnica łaująca akumulatory pokłaowe. Tryb ten traktowany jest jako awaryjny, ponieważ ekonomicznie znacznie korzystniej jest nałaować akumulatory z sieci elektrycznej 110 Nr 11 Listopa 2014 r.

4 Rys. 3. Silnik napęowy ze sprzęgłami Carana niż używać silnika spalinowego o łaowania akumulatorów pokłaowych. Napęowy silnik elektryczny został zamontowany w ukłazie bezprzekłaniowym, bezpośrenio na wale napęowym pojazu, który przenosi moment obrotowy pomięzy skrzynią biegów a tylnym mostem z mechanizmem różnicowym (rys. 4). Prękość obrotowa wirnika w silniku elektrycznym bęzie zawsze taka sama, jak prękość obrotowa wału napęowego pojazu. Wał silnika elektrycznego został zaprojektowany tak, aby umożliwiał przeniesienie napęu silnika spalinowego i przekłani zmiany biegów. Moment, który wał silnika musi przenieść, wynosi pona 1100 N m przy pełnym momencie silnika spalinowego i użytym 1 biegu skrzyni przekłaniowej. Silnik elektryczny jest zaprojektowany tak, by w trybie elektrycznym napęu hybryowego najwyższą sprawność osiągał w możliwie szerokim zakresie prękości pojazu z przeziału o 0 o ok. 50 km/h. Łaowanie akumulatora (akumulatorów) pokłaowego jest możliwe w wóch stanach. Poczas jazy pojazu w trybie iesel silnik elektryczny pracuje w trybie pracy generatorowej łaowania lub ołaowywania baterii. W takim stanie pracy sam silnik i pozostałe pozespoły elektrycznego ukłau napęowego są tak opasowane elektrycznie, aby generowane napięcie na zaciskach silnika (generatora) elektrycznego poczas jazy z większymi prękościami, aż o prękości maksymalnej włącznie, nigy nie przekraczały wartości opuszczalnych (bezpiecznych) i nie spowoowały uszkozenia któregoś z tych pozespołów (przekształtnik, bateria akumulatorów itp.). Na rys. 5 pokazano schemat połączeń akumulatorów trakcyjnych wraz z niezbęnymi elementami, które zabezpieczają elementy napęu prze niekontrolowanymi prąami poczas zamykania obwoów prąowych. 5. Posumowanie Zastosowanie w pojeźzie napęu hybryowego bimoalnego pozwoli w znacznym stopniu ograniczyć koszty eksploatacji pojazu oraz zmniejszyć oziaływanie na śroowisko naturalne. Waą jenak jest początkowy koszt związany z zakupem pojazu z takim napęem oraz zmniejszenie jego łaowności. reklama Nr 11 Listopa 2014 r. 111

5 Rys. 4. Rozmieszczenie elementów napęu hybryowego bimoalnego spalinowo-elektrycznego Zwiększenie kosztów związane jest głównie z potrzebą zastosowania opowienich baterii oraz przekształtnika energoelektronicznego. Aby w pełni wykorzystać możliwości silnika z magnesami trwałymi, powinien on być zasilany z eykowanego o niego przekształtnika energoelektronicznego. Obecnie przekształtniki te nie są tak rozpowszechnione i uniwersalne, jak przekształtniki la silników asynchronicznych, z tej przyczyny cena przekształtników o silników z magnesami trwałymi utrzymuje się na wyższym poziomie. Literatura [1] Dąbrowski Z.: Wały napęowe. Wyawnictwo Naukowe PWN, Warszawa [2] Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbuzane magnesami trwałymi. Wyawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [3] Bernatt J.: Obwoy elektryczne i magnetyczne maszyn elektrycznych wzbuzanych magnesami trwałymi. Wyawnictwo BOBR- ME Komel, Katowice [4] Król E., Rossa R.: Silniki z magnesami trwałymi o użej przeciążalności momentem. Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne 81/2009, BOBRME Komel. Rys. 5. Schemat połączenia akumulatorów trakcyjnych w pojeźzie [5] Rossa R., Król E.: Dwustrefowa regulacja prękości obrotowej w nowoczesnych napęach elektrycznych opartych na silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne 81/2009, BOBRME Komel, s [6] Fręchowicz A., Dukalski P., Białas A.: Projekt napęu samochou elektrycznego z wustrefowym ukłaem sterowania współpracującym z silnikiem PMBLDC. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne 3/2012 (96), BOBRME Komel, s Praca finansowana ze śroków NCBiR w ramach projektu rozwojowego nr NR /2010. Anrzej Białas, Emil Król Instytut Napęów i Maszyn Elektrycznych Komel, Katowice artykuł recenzowany 112 Nr 11 Listopa 2014 r.