Wybrane konstrukcje silników o ruchu złożonym w zastosowaniu w samochodowych skrzyniach biegów

Transkrypt

1 Andrzej SMAK, Krzysztof POLAKOWSKI Politechnika Warszawska, Instytut Maszyn lektrycznych Wybrane konstrukcje silników o ruchu złożonym w zastosowaniu w samochodowych skrzyniach biegów Streszczenie. Obecnie silniki elektryczne o ruchu złożonym znajdują coraz szersze zastosowanie w przemyśle, automatyce i urządzeniach nawigacyjnych. Jednym z przedstawicieli lego typu konstrukcji jest silnik o geometrii sferycznej. Oferuje on bardzo duże możliwości ruchowe, znacznie lepsze niż klasyczne silniki wirujące czy liniowe. Poniższy artykuł przedstawia wyniki badań nad zastosowaniem silników o geometrii sferycznej w samochodowych skrzyniach biegów. Abstract. (The application of selected construction of complex motion motors in vehicle gear boxes). Today. complex motion e/ectric motors are morę and morę popular in industry, automation and navigation devices. The motor with spherical geometry is one of them. The motor offers many possibilities of a motion. much better than casual rotating or linear electrical motor. The paper presents the results of research into the application of spherical motors in the vehicle gear boxes. Słowa kluczowe: silniki elektryczne o ruchu złożonym, silniki sferyczne, silniki przetączalne. Keywords: compiex motion electric motors, sphericai motors. switched reluctance motors. Wstęp Obecnie na świecie następuje dynamiczny rozwój takich dziedzin jak robotyka, automatyka czy też komunikacja. Powoduje to wzrost zainteresowania silnikami elektrycznymi o ruchu złożonym, które znajdują szerokie zastosowanie jako silniki wykonawcze w ramionach robotów, automatów czy różnorodnych manipulatorów. Użycie silnika o ruchu złożonym pozwala zastąpić dwa czy czasem nawet trzy dotychczas stosowane w tych konstrukcjach tradycyjne silniki elektryczne o ruchu obrotowym czy liniowym. Silniki posiadające wirnik jak i wzbudnik w kształcie sfery lub jej wycinków są jednym z rodzajów silników o ruchu złożonym. Silniki te, poprzez różnorodność struktury konstrukcyjnej oraz sposobu ułożyskowania sferycznego wirnika w stosunku do wzbudnika, charakteryzują się wieloma możliwościami ruchu, znacznie przewyższającymi klasyczne silniki elektryczne. Silniki o geometrii sferycznej mogą zostać zastosowane w pojazdach samochodowych jako: układ napędowy pojazdu, manipulator dokonujący zmiany przełożeń w skrzyni biegów. regulator położenia (pionowego i poziomego) projektora samochodowego, regulator położenia lusterek zewnętrznych. Zaprezentowane w niniejszym artykule wyniki obliczeń numerycznych modeli silników z wirnikiem sferycznym miały na celu zbadanie możliwości zastosowania tego typu konstrukcji jako manipulatora dokonującego zmiany przełożeń w klasycznej manualnej skrzyni biegów. Konstrukcja Silniki o geometrii sferycznej posiadają wirnik w kształcie kuli, który poprzez swoją różnorodność struktury konstrukcyjnej oraz sposobu ułożyskowania w stosunku do stojana daje dużo możliwości ruchowych. Aby uzyskać więcej niż jeden stopień swobody ruchów silnika, wirnik posiada oś biegunową i jest objęty obudową charakteryzującą się wewnętrzną powierzchnią sferyczną (kulistą). lementami wytwarzającymi pole magnetyczne są znajdujące się w obudowie jarzmo zewnętrzne i strefa żłobkowa. Wirnik może być usytuowany wspólśrodkowo w obudowie w taki sposób, że odległości mierzone w kierunku promieniowym od jego powierzchni do elementów obudowy wytwarzających pole magnetyczne są jednakowe tworząc w ten sposób szczelinę powietrzną. Możliwe jest także rozwiązanie, gdzie wirnik toczy się po wewnętrznej powierzchni wzbudnika [1]. W celu spowodowania ruchu obrotowego wirnika względem jednej z osi wzbudnik powinien być wyposażony w dwa strefowe obwody magnetyczne rozłożone na wycinkach kulistych, umieszczone symetrycznie względem osi prostopadłej do osi obrotu. Umieszczając we wzbudniku dwie pary strefowych obwodów magnetycznych, rozmieszczonych symetrycznie względem dwóch wzajemnie prostopadłych osi leżących w płaszczyźnie symetralnej osi biegunowej wzbudnika, możliwy będzie ruch obrotowy osi biegunowej wirnika o pewien kąt. Natomiast dla uzyskania ruchu obrotowego wirnika wokół jednej z jego osi biegunowych, wzbudnik powinien zawierać dodatkowe elementy wytwarzające pole wędrujące, wirujące dookoła danej osi biegunowej. Takimi elementami mogą być dodatkowe wzbudniki lub też modułowe obwody magnetyczne mające podwójną strefę żłobkowo-zębową. Konstrukcje wzbudnika W konstrukcjach rzeczywistych silników o wirniku sferycznym o kształcie i wymiarach wzbudnika decydują następujące elementy: rodzaj zastosowanego uzwojenia (lub uzwojeń), rozkład uzwojenia wzbudzenia w obwodzie magnetycznym, technologia układania uzwojenia. Przy zastosowaniu pojedynczego uzwojenia typu płaszczowego we wzbudniku jego obwód magnetyczny może być wykonany z: usytuowanych w płaszczyznach równoleżników blach różnowymiarowych w kierunku promieniowym, które tworzą zęby oraz z takich samych blach tworzących żłobki, usytuowanych w płaszczyznach południków lub równoleżników blach jednowymiarowych w kierunku promieniowym, posiadających w strefie przyszczelinowej żłobki. Gdy uzwojenie wzbudzenia zbudowane jest z dwóch uzwojeń typu płaszczowego o propagacji pól wzajemnie prostopadłych, wzbudnik może być wykonany z blach jedno- lub wielowymiarowych, posiadających żłobki w kierunku promieniowym, gdzie ich ułożenie tworzy podwójne użłobkowanie w strefie przyszczelinowej. To powoduje, że zęby dla jednego uzwojenia są jednocześnie jarzmem dla drugiego [2]. W większości rozwiązań konstrukcyjnych wzbudnika wykorzystywane są blachy anizotropowe, a także przy wysokich częstotliwościach zasilania jest możliwość zastosowania materiałów ferromagnetycznych proszkowych [1]. Uzwojenia obwodów wzbudzenia Rodzaj zastosowanego uzwojenia w obwodach wzbudzenia zależny jest od struktury geometrycznej silnika, z której 698 PRZGLĄD LKTROTCHNICZNY R. 80 NR 7-8/2004

2 wynika konstrukcja obwodu magnetycznego. W silnikach z wirnikiem kulistym można spotkać następujące typy uzwojeń wzbudników: płaszczowe, * cylindryczne. Wszystkie parametry uzwojeń, takie jak poskok, liczba par biegunów itp. zależą od parametrów wyjściowych maszyny, rodzaju zasilania i dobierane są na podobnych zasadach jak w klasycznych maszynach wirujących czy liniowych. Konstrukcje wirników Konstrukcja wirnika kulistego składa się z dwóch zasadniczych elementów: obwodu magnetycznego oraz uzwojenia, których parametry zależne są od wymaganych parametrów eksploatacyjnych, sposobu mocowania wirnika oraz od metody odbioru napędu. Obwodem magnetycznym wirnika silnika sferycznego jest lita, drążona kula wykonana z materiału ferromagnetycznego. Zbudowana jest ona z dwóch łączonych na tak zwany zamek półkul, których zewnętrzna powierzchnia w zależności od rodzaju zastosowanego uzwojenia może być gładka lub żłobkowana. Dla wirnika zewnętrznie gładkiego jego uzwojeniem jest warstwa przewodząca, którą może być nałożona galwanicznie miedź lub inny materiał diamagnetyczny. W przypadku drugiego rozwiązania konstrukcyjnego wirnika w żłobkach umieszczone są pręty wykonane z materiałów diamagnetycznych przewodzących. Spotyka się również konstrukcje wirnika kulistego analogiczne do silnika kubkowego, gdzie nieruchomy obwód magnetyczny jest zewnętrznie otoczony ruchomym uzwojeniem w postaci litej, cienkiej, przewodzącej, niemagnetycznej powłoki. Dla układów zasilania wysokiej częstotliwości wirnik może być wykonany tylko z diamagnetycznego przewodzącego materiału, w postaci cienkościennej kuli. Układy zawieszenia wirników Parametrami decydującymi o wyborze konstrukcji zawieszenia wirnika są:» struktura geometryczna silnika, parametry ruchowe wirnika, przeznaczenie silnika. Dla silnika o wirniku sferycznym najczęściej stosowane są następujące rozwiązania zawieszenia wirnika: za pomocą pierścieni lub łożysk o dwóch stopniach swobody (dla małych prędkości kątowych). przy użyciu pierścieni Cardana, gdy jest dużo miejsca w otoczeniu silnika i pozwala na to dynamika ruchu wirnika. Możliwe jest również umieszczenie pierścieni wewnątrz wirnika. Rozwiązanie na pierścieniach Cardana jest często stosowane w urządzeniach żyroskopowych. poprzez zastosowanie poduszki magnetycznej, powietrznej lub elektrostatycznej (dla bardzo dużych prędkości kątowych wirnika). modelowanie pozwala budowa silnika, który posiada cztery, jednakowe i symetrycznie rozmieszczone względem wirnika modułowe wzbudniki. Rozwiązanie to zostało także zastosowane ze względu na ograniczenia programu: maksymalna liczba węzłów wygenerowanej siatki elementów skończonych nie mogła być większa niż Modę! został zbudowany w ten sposób, że płaszczyzną symetrii dla niego jest płaszczyzna XOY nieruchomego układu współrzędnych. Punkt O jest środkiem promieni tworzących wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnię wzbudnika (rys. 1). Rys. 1. Widok przykładowego modelu wraz z jego umieszczeniem w układzie współrzędnych Żeby móc porównywać uzyskiwane wartości momentu rozruchowego dla wszystkich zamodelowanych konstrukcji, została przyjęta jednakowa gęstość prądu J= 5 A/mm 2. Moment jest liczony według algorytmu wbudowanego w program, opartego na tensorze naprężeń Maxwella [4j. W pierwszym etapie zostały wykonane obliczenia numeryczne dla czterech konstrukcji silników sferycznych (rys. 2): silnik reluktancyjny z wirnikiem wirującym, silnik reluktancyjny z wirnikiem toczącym się, silnik indukcyjny z wirnikiem wirującym żłobkowanym, silnik indukcyjny z wirnikiem wirującym gładkim. Założenia konstrukcyjne Głównym założeniem konstrukcyjnym był wymiar zewnętrzny silnika elektrycznego: maksymalna średnica zewnętrzna wzbudnika wynosi <P szm = 164 mm. Wartość taka została przyjęta ze względu na dostępną przestrzeń w komorze silnikowej samochodu klasy średniej [3]. Model numeryczny Obliczenia zostały wykonane przy użyciu metody elementów skończonych. W programie Opera wersja 7.1 3D firmy Vector Fields zamodelowano 1/4 całego silnika. Na takie Rys. 2. Przykładowe konstrukcje silników o ruchu złożonym ze sferycznym wirnikiem: a) silnik reluktancyjny z wirującym wirnikiem, b) silnik reluktancyjny z toczącym się wirnikiem, c) silnik indukcyjny z wirującym żłobkowanym wirnikiem, d) silnik indukcyjny z wirującym gładkim wirnikiem Na rysunku 3 zostały porównane wartości momentu uzyskane w wyniku obliczeń numerycznych dla czterech zamodelowanych konstrukcji. Z uzyskanych wyników widać wyraźnie, że największy moment rozruchowy osiągnął silnik reluktancyjny z toczącym się wirnikiem. PRZGLĄD LKTROTCHNICZNY R. 80 NR 7-8/

3 łożeń wirnika. Uzyskane przebiegi momentu w zależności od położenia wirnika zostały pokazane na rysunku 6 i 7, a) c) d) Rys. 3. Porównanie momentów czterech konstrukcji silników o ruchu złożonym: a) silnik reluktancyjny z wirującym wirnikiem, b) silnik reluktancyjny z toczącym się wirnikiem, c) silnik indukcyjny z wirującym żłobkowanym wirnikiem, d) silnik indukcyjny z wirującym gładkim wirnikiem Ta konstrukcja została poddana w następnym etapie obliczeń różnym modyfikacjom w celu uzyskania jak największej wartości momentu rozruchowego [3] Rys. 6. Moment w funkcji wysokości zęba wzbudnika dla zmian położeń wirnika w zakresie Rozwartość kątowa w przekroju południkowym zęba wzbudnika Dla stałej wysokości zęba h z = 5 mm został zbadany wpływ rozwartości kątowej zęba wzbudnika w przekroju południkowym, w zakresie od b z = 8 do b z - 13, na uzyskiwany moment rozruchowy. Przebiegi momentu w funkcji położenia kątowego wirnika pokazano na rysunku 4 i Rys. 7. Moment w funkcji wysokości zęba wzbudnika dla zmian położeń wirnika w zakresie ' Największy moment rozruchowy został uzyskany dla wysokości zęba h z = 8 mm. Także dla tej wysokości zęba wzbudnika moment osiąga największą wartość w szerokim zakresie zmian położenia wirnika i dlatego taką wartość wysokości zęba wzbudnika przyjęto jako optymalną pod względem uzyskiwanego momentu obrotowego wirnika. Rys. 4. Moment w funkcji rozwartości kątowej w przekroju południkowym zęba wzbudnika dla zmian położeń wirnika w zakresie 0-15 <D o Wpływ otworów w zębach wzbudnika na uzyskiwany moment Na tym etapie obliczeń został zbadany wpływ wielkości szczelin powietrznych we wzbudniku na uzyskiwany moment obrotowy wirnika. Zostały dokonane obliczenia numeryczne dla czterech konstrukcji, dla kilkunastu położeń wirnika. Przebiegi momentów uzyskiwanych dla poszczególnych konstrukcji zostały przedstawione na rysunku ! Rys. 5. Moment w funkcji rozwartości kątowej w przekroju południkowym zęba wzbudnika dla zmian położeń wirnika w zakresie Wysokość zęba wzbudnika W kolejnym etapie obliczeń numerycznych został zbadany wpływ wysokości zęba wzbudnika na uzyskiwany moment. Dla stałej wartości rozwartości kątowej zęba wzbudnika w przekroju południkowym b z = 10, dokonywano zmian wysokości zęba wzbudnika w zakresie od h z = 5 mm do h z = Q mm dla kilku po Rys. 8. Moment w funkcji wielkości szczeliny powietrznej we wzbudniku 700 PRZGLĄD LKTROTCHNICZNY R. 80 NR 7-8/2004

4 Wpływ wielkości wzbudnika w przekroju równoleżnikowym Wartość określająca maksymalny rozmiar wzbudnika w przekroju równoleżnikowym dla wszystkich dotychczasowych obliczeń wynosiła 50. Wartość ta wynika z zastosowania czterech wzbudników modułowych oraz jest podyktowana koniecznością przeznaczenia odpowiedniej przestrzeni między wzbudnikami na połączenia czołowe uzwojeń. Zbadano wpływ rozmiaru wzbudnika w przekroju równoleżnikowym na uzyskiwany moment rozruchowy dla jednego położenia wirnika (90 stopni). Wyniki otrzymanych obliczeń zostały przedstawione na rysunku tt <D 150 o Rozmiar wzbudnika w przekroju równoleżnikowym [stopnie] Rys. 9. Wpływ rozmiaru wzbudnika w przekroju równoleżnikowym na uzyskiwany moment rozruchowy Mimośród sferyczny Jedną z wielkości charakterystycznych dla silników z toczącym się wirnikiem jest mimośród sferyczny S, czyli odległość między środkiem symetrii wirnika a środkiem symetrii wzbudnika. Wraz ze wzrostem wielkości mimośrodu maleje promień wirnika. Obliczenia zostały przeprowadzone dla jednego początkowego położenia wirnika wynoszącego 90 stopni. Przebieg uzyskanego momentu został przedstawiony na rysunku 10. Rys. 11. Model silnika z trzema wzbudnikami Konstrukcja ta zapewnia duży moment tylko względem jednej z osi obrotu, co jest wystarczające w przypadku zastosowania tej konstrukcji w klasycznej samochodowej skrzyni biegów, gdzie duży moment (przy zmianie przełożeń) jest potrzebny właśnie tylko względem jednej osi. Drugą proponowaną konstrukcją jest silnik posiadający wirnik składający się z czterech niezależnych wycinków sferycznych, które toczą się po wewnętrznych powierzchniach wzbudników, a których ruch jest możliwy dzięki czterem małym kulom, które z kolei obracają się po ich wewnętrznej powierzchni (rys. 12). Rozpatrując w przekroju równoleżnikowym wielkość czterech wycinków sferycznych, należy uwzględnić odpowiednie odstępy między nimi tak, aby w przypadku ich jednoczesnego wychylenia względem dwóch prostopadłych do siebie osi, nie nastąpiło ich zakleszczenie (D i 200 5, Mimośród sferyczny [mm] Rys. 10. Wpływ mimośrodu na moment rozruchowy Propozycje konstrukcji modelowych Na podstawie wszystkich dotychczas przeprowadzonych obliczeń zostały zaproponowane dwie konstrukcje silników z toczącym się wirnikiem. Pierwszą w nich jest silnik z trzema wzbudnikami, który został pokazany na rysunku 11. Wirnik w pozycji spoczynkowej nie jest umieszczony symetrycznie względem wszystkich wzbudników modułowych. W tym przypadku szczelina powietrzna pomiędzy wirnikiem a najbardziej oddalonym wzbudnikiem ma tak dużą wartość (rzędu 10 mm), że uzyskiwany moment rozruchowy byłby bardzo mały, dlatego też możliwa była rezygnacja z tego najbardziej oddalonego wzbudnika. Rys. 12. Model silnika z wirnikiem w postaci czterech niezależnych wycinków sferycznych Konstrukcja ta posiada bardzo duże możliwości ruchowe oraz jednakowy moment względem wszystkich osi. Kolejną zaletą tej konstrukcji jest możliwość zasilania jednocześnie dwóch przeciwstawnych cewek, co pozwala na dwukrotne zwiększenie uzyskiwanego momentu. Na rysunku 13 przedstawiono wartości momentów w funkcji położenia wirnika dla dwóch wyżej omówionych konstrukcji Rys Porównanie momentów dwóch proponowanych konstrukcji PRZGLĄD LKTROTCHNICZNY R. 80 NR 7-8/

5 Moment silnika z wirnikiem w kształcie czterech niezależnych wycinków sferycznych jest przedstawiony dla przypadku zasilania cewki tylko jednego wzbudnika modułowego. Można zauważyć, że silnik z trzema wzbudnikami osiąga w całym zakresie zmian położenia wirnika większy moment. Jednakże w przypadku jednoczesnego zasilania dwóch przeciwstawnych cewek w konstrukcji przedstawionej na rysunku 12. osiągnie ona nieznacznie większy moment niż druga proponowana konstrukcja. Wnioski Zaprezentowane w niniejszym artykule wyniki obliczeń numerycznych modeli silników z wirnikiem sferycznym pozwalają stwierdzić, że proponowane konstrukcje (rys. 1 1 i rys. 12) zapewniają wystarczający moment, aby zostały zastosowane jako manipulator dokonujący zmiany przełożeń w klasycznej manualnej skrzyni biegów. Rozwiązanie to pozwoli także na przekształcenie przekładni manualnej w automatyczną, przy zachowaniu możliwości zmiany przełożeń przez kierowcę. Dodatkową zaletą jest całkowite oddzielenie przedziału pasażerskiego od komory silnikowej, co zwiększa bezpieczeństwo i komfort podróżujących. Tego typu rozwiązanie wymusza zastosowanie automatycznego sprzęgła, co powinno również wpłynąć pozytywnie na żywotność całego układu napędowego. LITRATURA [1]Kamiński G.: Silniki o ruchu złożonym, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, (1994). [2]Kamiński G., Smak A.: Modernconstructionofmotorswith spherical rotors, Archives of lectricalngineering, Mol. L (2001), n. 3, [3] S mak A: Silnik reluktancyjny przetączalny z toczącym się wirnikiem, Rozprawa doktorska, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, (2002). [4] Vector Fields Limited, Opera-3D User Guide, Oxford, (1999). Autorzy: dr inż. Andrzej Smak, Politechnika Warszawska, Instytut Maszyn lektrycznych, Zakład Konstrukcji Urządzeń lektrycznych, pl. Politechniki 1, Warszawa, asmak@zkue.ime.pw.edu.pl; dr inż. Krzysztof Polakowski, Politechnika Warszawska, Instytut Maszyn lektrycznych, Zakład Konstrukcji Urządzeń lektrycznych, pl. Politechniki 1, Warszawa, kp@zkue.ime.pw.edu.pl. Andrzej SĘK, Krzysztof POLAKOWSKI Politechnika Warszawska, Zakład Konstrukcji Urządzeń lektrycznych Analiza pola magnetycznego w rozruszniku samochodowym z magnesami trwałymi i przekładnią planetarną Streszczenie. W artykule omówiono podstawowe cechy rozruszników z magnesami trwałymi i przekładnią planetarną. Przedstawiono wyniki obliczeń przy użyciu programu PC Opera rozkładu po/a magnetycznego w przekroju poprzecznym rozrusznika. W pracy wyznaczono moment rozrusznika w funkcji prądu obciążenia. Abstract. (Magnetic field analysis of automotive starter with permanent magnets and planetar gear). The article describes the basie features of the electric engine starters based on permanent magnets and the planetar gear design. It also presents the calculation results obta/ned by using the PC Opera software, showing the transverse cross-sectional electromagnetic field distribution inside the starter. The torsional moment on the starter shafthas been evaluatedas the function of the loadcurrent. Słowa kluczowe: analiza pola magnetycznego, rozruszniki elektryczne silników samochodowych, magnesy trwale, maszyny elektryczne. Keywords: magnetic field analysis. electric starters of automotive engine, permanent magnets. eiectric machines. Wstęp W ostatnim dziesięcioleciu, gdy opracowano technologię wytwarzania magnesów ferrytowych i magnesów z metali ziem rzadkich została w wielu firmach rozpoczęta produkcja rozruszników magnetoelektrycznych. Rozruszniki magnetoelektryczne charakteryzują się tym, że funkcja uzwojenia wzbudzenia występującego w klasycznym rozruszniku elektromagnetycznym została zastąpiona magnesami trwałymi. W rozwiązaniu tym nastąpiła także konieczność zastosowania przekładni planetarnej (zwiększenie prędkości obrotowej rozrusznika przy zachowaniu momentu rozruchowego na wale urządzenia rozruchowego), a pozostałe funkcje maszyny nie uległy zmianie. W momencie pojawienia się magnesów o odpowiednich parametrach (BH max ), tzn. o odpowiednio dużym H c, rozpoczęto produkcję tychże rozruszników. Dzięki zastosowaniu magnesów trwałych zmieniły się wymiary i masa maszyny (mniejsza i lżejsza od rozrusznika elektromagnetycznego), wzrosła również niezawodność takiej maszyny ze względu na mniej skomplikowaną budowę. Maszyna z magnesami trwałymi, dzięki wyeliminowaniu uzwojenia wzbudzenia ma ok % lepszą sprawność. Rys. 1. Rozrusznik magnetoelektryczny ze wzbudzeniem od magnesów trwałych Do wad maszyn o wzbudzeniu magnetoelektrycznym należałoby zaliczyć możliwość rozmagnesowania magnesów. Nastąpić to może wskutek poprzecznego oddziaływania prądu twornika, podczas przepływu zbyt dużego prądu. Spowoduje to przekroczenie koercji magnesu trwałego, a w konsekwencji zniszczenie magnesów trwałych maszyny. Niekorzystny wpływ dużych prądów ogranicza więc zakres mocy produkowanych rozruszników. Bezpośredni wpływ na magnesy, a tym samym na pracę maszyny ma również temperatura. Zachowanie się magnesów przy zmianach 702 PRZGLĄD LKTROTCHNICZNY R. 80 NR 7-8/2004