IX International PhD Workshop OWD 2007, October 2007 BADANIA SYMULACYJNE SILNIKA MAGNETOELEKTRYCZNEGO PRĄDU STAŁEGO

Transkrypt

1 IX International PhD Workshop OWD 2007, October 2007 BADANIA SYMULACYJNE SILNIKA MAGNETOELEKTRYCZNEGO PRĄDU STAŁEGO Marek Przybylski, Instytut Tele- i Radiotechniczny, Warszawa Abstract In the paper attempts of application of powder hard and soft magnetic materials in DC motor are shown. They are named dielectromagnets and dielectromagnetics. They are applied in typical magnetoelectric commutator DC machine of 5W power and supply voltage of 12V. This motor develops 5000rpm loaded by torque of 0,01N*m. This motor has rotor made of electrical steel and powder magnets made of mixture of Nd-Fe-B powder and Fe powder. Powder technology enables to reduce production cost of electric motors. For computers calculations it was used commercial software Opera 3D which is based on finite elements analysis. This software enables to show distribution of magnetic flux density in air-gap or section of motor and calculate of motor s torque. In the paper designed constructions of electric motors are shown with powder hard and soft magnetic materials. Streszczenie Rozwój proszkowych materiałów magnetycznych jest jednym z czynników który przyczynia się do rozwoju maszyn elektrycznych. Technologia wytwarzania elementów obwodu magnetycznego metodą spajania proszku magnetycznego tworzywem pozwala na kształtowanie ich właściwości fizycznych. Stwarza to konstruktorom maszyn elektrycznych nowe moŝliwości konstruowania maszyn o dobrych parametrach eksploatacyjnych. Często teŝ pozwala na obniŝenie kosztów produkcji. W referacie przedstawiono wpływ zastosowania proszkowych materiałów magnetycznie twardych i magnetycznie miękkich dielektromagnesów i dielektromagnetyków w komutatorowym silniku magnetoelektrycznym prądu stałego o mocy 5W produkowanym przez fabrykę Mikroma S.A. z Wrześni. W obecnie produkowanych silnikach stosuje się domieszkowane proszkiem Ŝelaza dielektromagnesy Nd-Fe-B oraz blachy elektrotechniczne. W referacie przedstawiono wpływ rodzaju zastosowanych materiałów magnetycznie miękkich i magnetycznie twardych na parametry silników. Obliczenia wykonywano przy pomocy programu Opera 3D wykorzystującego metodę elementów skończonych. 1. Wstęp Maszyny komutatorowe prądu stałego o strumieniu magnetycznym wzbudzanym magnesami trwałymi są stosowane w róŝnego rodzaju napędach o regulowanej prędkości obrotowej. Sterowanie prędkością obrotową realizowane jest poprzez zmianę napięcia zasilającego uzwojenie silnika. Silniki te posiadają duŝą sprawność. Silniki tego typu są produkowane od wielu lat przez fabrykę Mikroma S.A. z Wrześni. W obecnie produkowanych silnikach jako magnesy wzbudzenia stosowane są dielektromagnesy z proszku z szybko chłodzonej taśmy ze stopu Nd- Fe-B domieszkowanego proszkiem Ŝelaza o maksymalnej gęstości energii magnetycznej 27-28kJ/m 3. Wirnik tego silnika wykonany jest z blach elektrotechnicznych. Blachy elektrotechniczne stosowane w silnikach charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami magnetycznymi, ale wadą ich jest dość wysoka cena związana między innymi z kosztem wytwarzania tego typu elementów obwodów magnetycznych. Celem prowadzonych prac jest zastąpienie tradycyjnego obwodu magnetycznego magnetowodem wykonanym z proszku Ŝelaza. W związku z tym konieczne jest zaprojektowanie obwodów magnetycznych i elektrycznych silnika z magnetowodem proszkowym. Dla celów badawczych zastąpiono obecnie stosowane magnesy wiązane Ŝywicą epoksydową z mieszaniny proszków Nd-Fe-B 70% wag. i Fe 30% wag., magnesami wiązanymi z proszku Nd-Fe-B 100% wag., co pozwala na zwiększenie strumienia magnetycznego i momentu elektromagnetycznego rozwijanego przez silnik przy niezmienionej prędkości obrotowej i co za tym idzie, zwiększeniu mocy całego silnika, przy niezmienionych jego wymiarach gabarytowych. W nowo projektowanym silniku blachy elektrotechniczne wirnika zastąpiono magnetowodem wykonanym z proszku Ŝelaza wiązanego Ŝywicą epoksydową. W obliczeniach wykorzystano właściwości fizyczne dielektromagnesów i dielektromagnetyków wytwarzanych zgodnie z opracowaną wcześniej technologią [1]. W obliczeniach i badaniach symulacyjnych analizowano obwód elektryczny i magnetyczny 361

2 silnika produkcyjnego o mocy znamionowej 5W, prędkości znamionowej 5000obr/min i napięciu znamionowym 12V oraz silników o zmienionych obwodach magnetycznych i elektrycznych. Do badania rozkładu pola magnetycznego i wyznaczania momentu elektromagnetycznego zastosowano komercyjny program do czasowej i przestrzennej analizy rozkładu pola elektromagnetycznego w przestrzeni trójwymiarowej o nazwie Opera 3D firmy Vector Fields wykorzystującą metodę elementów skończonych. Do obliczeń wykorzystano moduł Tosca do obliczeń magnetostatycznych. 2. ZałoŜenia do badań symulacyjnych silnika PRMO 30-5D Silnik PRMO 30-5D wykorzystany w badaniach symulacyjnych jest silnikiem komutatorowym prądu stałego o wzbudzeniu magnesami trwałymi. Zbudowany jest on ze stojana w postaci rury stalowej, dwóch magnesów trwałych namagnesowanych średnicowo, oraz wirnika wykonanego z blach elektrotechnicznych o symbolu EP-20 o grubości 0,5mm pakietowanych o skosie ½ podziałki Ŝłobkowej. Uzwojenia twornika umieszczone są w ośmiu Ŝłobkach. Zastosowany komutator jest klasycznym 8 wycinkowym komutatorem wykonanym z miedzi. Silnik wyposaŝony jest w dwie szczotki. Silnik ma średnicę zewnętrzną 32mm, a jego długość osiowa wynosi 60mm. Silnik ma następujące parametry techniczne: napięcie zasilania U n=12v, prąd znamionowy I n=0,8a, prąd biegu jałowego I=0,25A, moment znamionowy 0,01N*m, znamionowa prędkość obrotowa 5000 obr/min, prędkość obrotowa biegu jałowego 5700obr/min, moc znamionowa 5W, masa silnika 0,18 kg [3]. Stosowane w silniku dielektromagnesy są wycinkami pierścienia o promieniu zewnętrznym 14,2mm i wewnętrznym 10,9mm. Kąt rozwarcia magnesu wynosi 120. Długość osiowa magnesów wynosi 24mm. Właściwości magnetyczne magnesów trwałych stosowanych w silnikach produkcyjnych pokazano na rys. 1 w postaci charakterystyki odmagnesowania B=f(H) i w tab. 1 ich parametry magnetyczne. Jednocześnie przedstawiono tam parametry magnetyczne dielektromagnesów zastosowanych w obliczeniach nowo projektowanego silnika. B [T] 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Magnes produkcyjny H [ka/m] Magnes projektowany Rys. 1. Charakterystyki odmagnesowania magnesów do silnika PRMO 30-5D. Fig. 1. Demagnetization curves of magnets for PRMO 30-5D electric motor. Parametry magnetyczne magnesów w 20 C Magnetic parameters of magnets at 20 C 0 Tab.1. Rodzaj magnesu Br HcB HcJ BHmax [T] [ka/m] [ka/m] [kj/m 3 ] Magnes produkcyjny 70% wag. Nd-Fe-B i 0, ,6 30% wag. Fe Magnes projektowany 100% Nd-Fe-B 0, ,4 Dielektromagnesy Nd-Fe-B nowo projektowanego silnika mają kształt i wymiary magnesów produkcyjnych. Sposób magnesowania magnesów trwałych wpływa na rozkład strumienia magnetycznego w silniku. Magnesy trwałe będące wycinkiem pierścienia (segmentem) mogą być namagnesowane średnicowo lub promieniowo. Schematycznie sposoby namagnesowania pokazano na rys. 2. N S a) b) Rys. 2. Sposoby namagnesowania magnesów a) średnicowe, b) promieniowe. Fig. 2. The kind of magnetization of magnets a) diametral, b) radial. Magnesowanie promieniowe pozwala zwiększyć strumień główny w maszynie, ale jego wadą jest konieczność magnesowania kaŝdego pojedynczego magnesu w specjalnej głowicy magnesującej. Magnesowanie średnicowe wykonuje się najczęściej w otwartej cewce i moŝliwe jest jednoczesne magnesowanie kilku sztuk magnesów w zaleŝności od długości osiowej cewki. N S 362

3 W analizie wpływu zastosowanego rodzaju magnetowodu na parametry silnika prądu stałego wykorzystano parametry stosowanych obecnie blach elektrotechnicznych oraz magnetowodu wykonanego z magnetycznie miękkiego proszku Ŝelaza spajanego Ŝywicą epoksydową. Parametry magnetyczne blach wirnika oraz dielektromagnetyku pokazano na rys. 3 w postaci ich charakterystyk magnesowania. B [T] 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Dielektromagnetyk H [A/m] Blacha elektrotechniczna Rys. 3. Charakterystyki magnesowania materiału wirnika do silnika PRMO 30-5D. Fig. 3. Magnetization curves of rotor s material for PRMO 30-5D electric motor. 3. Badania symulacyjne silnika PRMO 30-5D W prowadzonych badaniach symulacyjnych opracowano modele silników w których zastosowano róŝny rodzaj magnesów trwałych oraz sposób ich magnesowania oraz dwa rodzaje magnetowodów, magnetowód wykonany z blach elektrotechnicznych i z dielektromagnetyku. W związku z tym w badaniach symulacyjnych które pozwolą na określenie wpływu zastosowanych materiałów obwodu magnetycznego na charakterystyki silników przyjęto pięć rodzajów silników: a) silnik produkcyjny magnesy z mieszaniny proszków namagnesowane średnicowo oraz wirnik z b) silnik projektowany 1 magnes z proszku Nd- Fe-B namagnesowany średnicowo oraz wirnik z c) silnik projektowany 2 magnes z proszku Nd- Fe-B namagnesowany promieniowo oraz wirnik z d) silnik projektowany 3 magnes z proszku Nd- Fe-B namagnesowany średnicowo oraz wirnik z dielektromagnetyku, c) silnik projektowany 4 magnes z proszku Nd- Fe-B namagnesowany promieniowo oraz wirnik z dielektromagnetyku. Po wykonaniu serii badań symulacyjnych wyznaczono momenty elektromagnetyczne, strumienie magnetyczne, rozkłady indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej oraz rozkłady modułu indukcji w przekroju silnika. W pracy korzystano takŝe z analitycznych metod projektowania komutatorowych silników magnetoelektrycznych prądu stałego [2]. W prowadzonych badaniach załoŝono, Ŝe projektowane silniki będą miały napięcie zasilające i osiąganą prędkość obrotową takie jak silniki produkowane obecnie. Przekrój drutu oraz liczba zwojów w silnikach produkowanych była znana natomiast wyznaczono parametry uzwojeń dla czterech nowo projektowanych silników, tj, przekrój drutu i liczbę zwojów tak, aby uzyskać ten sam iloczyn liczby zwojów i strumienia magnetycznego w szczelinie powietrznej silnika. Pozwoli to na osiągnięcie przez silniki tej samej prędkości obrotowej przy załoŝeniu w przybliŝeniu stałej wartości iloczynu prądu silnika i rezystancji twornika. Wykonanie uzwojenia z grubszego drutu umoŝliwi osiągnięcie przez silnik większego momentu elektromagnetycznego a zatem większej mocy. ZałoŜenie tej samej gęstości prądu w uzwojeniu silnika pozwoli, zatem na pobór przez silnik większego prądu. ZałoŜono, Ŝe przekrój przewodów w cewkach umieszczonych w Ŝłobkach jest taki sam w kaŝdym z rozpatrywanych silników. W kaŝdym Ŝłobku znajdują się dwa boki cewek o przekroju poprzecznym 2,6mm 2. Współczynnik zapełnienia Ŝłobka wynosi około 0,35. Uzwojenie silnika jest pętlicowe, (poskok uzwojenia 1-4, 2-5, itd.). Uzwojenie składa się ogółem z 8 cewek. Wykonano obliczenia symulacyjne rozkładu składowej promieniowej i stycznej dla wszystkich analizowanych silników. Na rys. 4. i 5 przedstawiono, dla przykładu, rozkłady składowej promieniowej i stycznej indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej dla silnika produkcyjnego oraz składowej promieniowej dla silnika projektowanego nr 2 w którym zastosowano dielektromagnes Nd-Fe- B namagnesowany promieniowo oraz blachy elektrotechniczne. Rys. 4. Rozkład składowej promieniowej i stycznej indukcji w szczelinie powietrznej silnika produkcyjnego PRMO 30-5D. Fig. 4. Distribution of radial and tangential components of magnetic flux density in air-gap of PRMO 30-5D electric motor produced by Mikroma S. A. 363

4 W ramach badań symulacyjnych otrzymano rozkłady składowej promieniowej indukcji w połowie szczeliny powietrznej silników oraz rozkłady indukcji w przekrojach silników. Na rysunkach od 6 i 7 pokazano, dla przykładu, wybrane rozkłady składowej promieniowej indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej silnika oraz rozkłady indukcji w przekroju silnika. Rys. 5. Rozkład składowej promieniowej indukcji w szczelinie powietrznej silnika projektowanego PRMO 30-5D nr 2. Fig. 5. Distribution of radial component of magnetic flux density in air-gap of PRMO 30-5D electric motor number 2. Przy magnesowaniu promieniowym obserwuje się otrzymywanie rozkładu pola magnetycznego zbliŝonego do prostokątnego w stosunku do pola o przebiegu sinusoidalnym w przypadku magnesowania średnicowego (rys. 4 i rys. 5). W tabeli 2 pokazano otrzymane wyniki z obliczeń symulacyjnych dla 5 silników produkcyjnego i czterech projektowanych. W tabeli przedstawiono wartość strumienia magnetycznego w szczelinie powietrznej silnika dla ½ obwodu silnika (strumień dla jednego magnesu), momenty elektromagnetyczne rozwijane przez silniki dla prędkości obrotowej 5000obr/min, moc wydawaną przy tej prędkości obrotowej, obliczone ilości zwojów oraz średnice drutów dla silników projektowanych oraz odczytane z karty uzwojenia dla silnika produkcyjnego. Wyniki obliczeń parametrów silników Results of calculations of parameters of electric motors Rodzaj magnesowania i rodzaj magnetowodu Strumień magnetyczny Rozwijany moment Pn z φ Tab.2. [µwb] [N*mm] [W] [-] [mm] produkcyjny 200,2 11,3 5,9 49 0,26 średnicowe/ blachowany 227,3 11,9 6,2 43 0,28 promieniowy/ blachowany 256,2 15,9 8,3 38 0,30 średnicowe/ proszkowy 209,2 10,3 5,4 47 0,27 promieniowe/ proszkowy 236,2 15,2 8,0 42 0,28 Wyniki przedstawione w tab. 2 pokazują Ŝe dla wszystkich rodzajów silników promieniowe magnesowanie magnesów trwałych zwiększa strumień magnetyczny w szczelinie powietrznej silników. Zmiana rodzaju magnetowodu z blachowego na proszkowy zmniejsza strumień magnetyczny w szczelinie powietrznej silnika co wpływa na wartość rozwijanego momentu. Obserwowane spadki mocy dla silnika z magnetowodem proszkowym mieszczą się w zakresie 0,3 do 0,8W. Rys. 6. Rozkład składowej promieniowej indukcji w połowie obwodu szczeliny powietrznej silnika projektowanego nr 3 typu PRMO 30-5D. Fig. 6. Distribution of radial component of magnetic flux density in half of perimeter of air-gap of designed electric motor number 3 of type PRMO 30-5D. Rys. 7. Rozkład modułu indukcji magnetycznej w przekroju silnika projektowanego nr 4 typu PRMO 30-5D w jego połowie. Fig. 7. Distribution of magnetic flux density in section of designed electric motor number 4 of type PRMO 30-5D. Badania rozkładu indukcji magnetycznej w przekroju silnika pokazały silne nasycanie jarzma stojana i zębów wirnika. Przedstawiono to na rys. 7. Zwiększenie grubości jarzma stojana i zębów moŝe polepszyć parametry silników. 4. Wnioski Przeprowadzone obliczenia analityczne i komputerowe pokazały, Ŝe moŝliwe i celowe jest stosowanie obwodu magnetycznego maszyn elektrycznych wykonanego metodą metalurgii proszków. Dotyczy to zarówno magnetycznie twardej i magnetycznie miękkiej części obwodu. Technologia wytwarzania obwodów magnetycznych metodą spajania proszków magnetycznych 364

5 tworzywem pozwala na kształtowanie właściwości fizycznych tych elementów a w konsekwencji na sterowanie parametrami silnika. Pozwala to na wytwarzanie silników o róŝnej mocy w jednym korpusie silnika. Maksymalny wzrost mocy w stosunku do silnika produkcyjnego wynosi 41%. Ostatecznym sprawdzianem badań symulacyjnych i prac projektowych będą badania parametrów eksploatacyjnych wykonanych modeli silników projektowanych. Literatura 1. Przybylski M. Proszkowe materiały magnetyczne miękkie i twarde w obwodach magnetycznych maszyn elektrycznych Materiały konferencyjne z VII Międzynarodowych Warsztatów Doktoranckich OWD 2005 vol. 2, Wisła, października 2005r. Polska, Archiwum Konferencji PTETiS, vol. 21, 2005, s , ISBN Glinka T. Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002r. 3. MIKROMA S.A. katalog Silniki magnetoelektryczne typu PRMO Adres słuŝbowy autora: mgr inŝ. Marek Przybylski Instytut Tele- i Radiotechniczny ul. Ratuszowa Warszawa tel. (022) wew. 265 fax (022) mprzybyl@itr.org.pl 365