PORÓWNANIE WŁAŚCIWOŚCI WYSOKOOBROTOWEGO SILNIKA PM BLDC ZE STOJANEM BEZśŁOBKOWYM I UśŁOBKOWANYM

Transkrypt

1 117 Jansz Hetmańczyk 1, Krzysztof Krykoski 1, Roman Miksieicz 2, Zbignie Gałszkieicz 3, Daid Makieła 1 1, 2 Politechnika Śląska, Gliice 3 Megatech, Kalety PORÓWNANIE WŁAŚCIWOŚCI WYSOKOOBROTOWEGO SILNIKA PM BLDC ZE STOJANEM BEZśŁOBKOWYM I UśŁOBKOWANYM PROPERTIES COMPARISON OF HIGH-SPEED PM BLDC MOTOR WITH SLOT AND SLOTLESS STATOR Abstract: In the paper the athors compare properties of high-speed brshless DC motor ith slots and slotless stator. The athors take in consideration open-slots, half-open slots, closed slots and slotless constrction of stator. Depending on type of slots motor hae different parameters like electromotie force EMF, ripple and cogging torqe. As a reslt of analyse the athors sho aeforms of electromotie force EMF end distribtion of indction diagram. Maxell softare is sed for simlation. 1. Wproadzenie Przy projektoani ysokoobrotoego bezszczotkoego silnika prąd stałego pojaia się szereg niekorzystnych zjaisk, które znacznie komplikją konstrkcję silnika, a mianoicie: następje zrost strat obodach magnetycznych i elektrycznych, spoodoanych yŝszą częstotliością prądó niŝ typoych konstrkcjach. Występją momenty zaczepoe o charakterze relktancyjnym, pojaia się pły histerezy czjnikó połoŝenia irnika a na irnik silnika działają dŝe siły odśrodkoe [5,6,7]. W pracy przedstaiono yniki analizy pły kształt Ŝłobkó stojana na łaściości ysokoobrotoego bezszczotkoego silnika prąd stałego. 2. Wpły Ŝłobkoania na łaściości ysokoobrotoego silnika PM BLDC Stosjąc metodę elementó skończonych (FEM) porónano 4 sposoby zajania silnika, a mianoicie zojenia o Ŝłobkach otartych, półotartych, zamkniętych i bezŝłobkoych. Modele obliczenioe oraz przebiegi napięć fazoych zarejestroanych dla pracy generatoroej przedstaiono na rysnkach 1-4. Wszystkie yniki podano dla tej samej dłgości maszyny, tej samej liczby zojó oraz prędkości obrotoej. Badania symlacyjne oraz yniki badań laboratoryjnych ykazały, Ŝe najkorzystniejsze łaściości ma silnik z zojeniem o Ŝłobkach półotartych (rys. 2). Negatynie zostało ocenione roziązanie ze Ŝłobkami otartymi (rys. 1, które charakteryzoało się zbyt dŝymi momentami zaczepoymi relktancyjnymi oraz roziązanie ze Ŝłobkami zamkniętymi (rys. 3), które ze zględ na dŝe artości indkcyjności fazoych nie nadaje się do zastosoania silnikach ysokoobrotoych pracjących z dŝą częstością łączeń [1]. Silnik z zojeniem bezŝłobkoym charakteryzoał się natomiast brakiem momentó relktancyjnych i bardzo małymi artościami indkcyjności fazoych. Wadą jego jest jednak mała artość spółczynnika zbdzenia, orientacyjnie da razy mniejsza niŝ silnik ze Ŝłobkami półotartymi. Ta niekorzystna łaściość spoodoała, Ŝe pierszej opracoanej konstrkcji prototypoego model silnika zrezygnoano z takiego roziązania (Tab.1) [4]. Tabela 1. Parametry ysokoobrotoego silnika PM BLDC yznaczone programie Maxell Rodzaj E p 2E s K fp T cogm Ls Rs zojenia V V mnm A mnm µh mω Z Ŝłobkami otartymi 11,7 1, 2,2,7 7.6 Z Ŝłobkami półotartymi 11,9 3,4 2,3,16 9.

2 11 Z Ŝłobkami zamkniętymi Bez- Ŝłobkoe,5 3, 2,, , 2,2,9, E s E p Rys. 2. Model silnika ze Ŝłobkami półotartymi: bdoa; przebiegi napięć fazoych Rys. 1. Model silnika ze Ŝłobkami otartymi: bdoa; przebiegi napięć fazoych Rys. 3. Model silnika ze Ŝłobkami zamkniętymi: bdoa; przebiegi napięć fazoych

3 119 c) U [V] Rys. 4. Model silnika bezŝłobkoego: bdoa; przebiegi napięć fazoych 3. Silnik bezŝłobkoy W trakcie prac nad bdoą modeli silnika o Ŝłobkach półotartych pojaiły się jednak istotne trdności technologiczne. Polegały one na tym, Ŝe rdzeni silnika zastosoano materiały amorficzne tarde i krche [3]. 4 6 Rys. 5. Silnik bezŝłobkoy z zojeniem toroidalnym o liczbie zojó N = 6: model kompteroy; napięcia fazoe; c) napięcia międzyfazoe Poodje to istotne trdnienia przy konstrkcji magnetood i moŝe niemoŝliić seryjną prodkcję silnikó o Ŝłobkach półotartych. W tej sytacji zdecydoano się potórnie rozaŝyć koncepcję silnika bezŝłobkoego

4 1 c) U [V] c) Rys. 7. Silnik bezŝłobkoy z zojeniem toroidalnym o liczbie zojó N = 3: model kompteroy; napięcia fazoe; c) rozkład indkcji zojeni Na rysnk 7a przedstaiono model obliczenioy silnika o zredkoanej liczbie zojó N = 3 i niezmienionych pozostałych parametrach. Rys. 6. Silnik bezŝłobkoy z zojeniem postaci cylindra o liczbie zojó N = 6: model kompteroy; napięcia fazoe; c) napięcia międzyfazoe Zaproponoano przy tym, by liczbę zojó ziększyć dkrotnie i ten sposób zyskać ymaganą artość strmienia skojarzonego, a przez to rónieŝ siły elektromotorycznej. W analizie przyjęto dłgość silnika L = 3 mm; liczba zojó N = 6 oraz zastosoano 6 magnesó płaskich (segmentoych) o grbości 3 mm. RozaŜano da rodzaje zojeń bezŝłobkoych. Uzojenie o postaci pierścienia enętrznego (rys. 5) oraz zojenie toroidalne (rys. 6). Z obliczeń ynika, Ŝe oba roziązania bezŝłobkoe z zojeniem toroidalnym i bezŝłobkoe z zojeniem o kształcie enętrznego stojana charakteryzją się podobnym kształtem i podobnymi artościami siły elektromotorycznej, przy czym roziązanie z zojeniem toroidalnym ydaje się łatiejsze do realizacji, dlatego zdecydoano się dodatkoo przeanalizoać ybrane przypadki roziązania z zojeniem toroidalnym. Obliczenia ykonano dla pracy prądnicoej przy prędkości obrotoej n = obr/min. Moment zaczepoy, tym roziązani praktycznie nie ystępje

5 121 Rys.. Silnik bezŝłobkoy z zojeniem toroidalnym o liczbie zojó N = 3 oraz 5 magnesó: napięcia fazoe; rozkład indkcji zojeni Rys. 9. Silnik bezŝłobkoy z zojeniem toroidalnym o liczbie zojó N = 3 oraz 5 magnesó o grbości 2 mm: napięcia fazoe; rozkład indkcji zojeni W kolejnym przypadk symlacje ykonano dla model silnika o liczbie zojó N = 3 i zmniejszonej ilości magnesó do 5 (rys. ). Magnesy mieszczono na ałk o średnicy enętrznej 22 mm, odpoiednio zmieniono grbości zojeń oraz rdzenia stojana. Następnie spradzono pły grbości magnesó na łaściości konstrkcji. Symlacje ykonano dla model silnika o liczbie zojó N = 3 oraz 5 magnesach o grbości 2 mm. Jak idać dla tego przypadk (rys. 9) artości napięcia fazoego są teraz mniejsze. W cel ziększenia artości napięcia naleŝałoby ziększyć liczbę zojó do 4 lb ziększyć dłgość pakiet blach stojana. W przypadk tym obód magnetyczny jest rónieŝ mniej ykorzystany (rys. 9. Z przebiegó fazoych siły elektromotorycznych idać, Ŝe nie są one przedziałami stałe (jak dla magnesó płaskich). Spoodje to ziększenie plsacji moment zaczepoego [2] Analizoano rónieŝ stosoanie magnesó płaskich oraz magnesó kształcie łk magnesoanego rónolegle. Na ostatnim rysnk przedstaiono yniki symlacji przypadk zastosoania magnesó postaci pierścienia, magnesoanego rónoległe. Rys.. Silnik bezŝłobkoy z zojeniem toroidalnym z magnesem postaci pierścienia: napięcia fazoe; rozkład indkcji zojeni

6 Podsmoanie. Wnioski końcoe Z przeproadzonej analizy ynika: konstrkcji ysokoobrotoego silnika PM BLDC naleŝy stosoać roziązanie z Ŝłobkami półotartymi lb bezŝłobkoe. roziązanie z Ŝłobkami otartymi i zamkniętymi nie nadają się do zastosoań ysokoobrotoych silnikach PM BLDC. z elektrycznego pnkt idzenia oba roziązania, a mianoicie roziązanie z zojeniem toroidalnym (rys. 5) i zojeniem z zojeniem kształcie cylindra enątrz stojana (rys. 6) są rónorzędne. roziązanie z zojeniem toroidalnym jest nieco łatiejsze realizacji. stosoanie magnesó łkoych magnesoanych rónolegle (rys. ) jest znacznie mniej korzystne, niŝ roziązanie z magnesami sztabkoymi tak rozmieszczonymi na obodzie, by mogły zastępoać magnes magnesoany radialnie. do dalszych prac projektoych i laboratoryjnych zaleca się stosoanie zojenia bez- Ŝłobkoego najlepiej z zojeniem toroidalnym. Praca została ykonana ramach projekt MNiSW - Fndsze Strktralne nr POIG / 5. Literatra [1]. Gałszkieicz Z, Krykoski K, Miksieicz R., Hetmańczyk J.: Bdoa i realizacja ysokoobrotoego silnika zbdzanego magnesami trałymi, Przegląd Elektrotechniczny, R. 6 NR 2/. [2]. Glinka T.: Maszyny elektryczne zbdzane magnesami trałymi. Wydanicto Politechniki Śląskiej. Gliice 2. [3]. Krykoski K., Miksieicz R., Gałszkieicz Z., Hetmańczyk J., Makieła D.: Projekt i badania ysokoobrotoego silnika BLDC z rdzeniem amorficznym. Zeszyty Problemoe - BOBRME Komel - Maszyny Elektryczne Nr 7, Katoice. [4]. Krykoski K., Hetmańczyk J., Gałszkieicz Z., Miksieicz R.,: Compter analysis of high-speed PM BLDC motor properties. XXI Symposim Electromagnetic Phenomena in Nonlinear Circits - EPNC Dortmnd and Essen [5]. Nogchi T., Kano M.: Deelopment of 15 obr/min, 1.5 kw Permanent Magnet Motor for Atomotie Spercharger. PEDS7-Bangkok, 2A-3 (7) [6]. Rahman M.A., Chiba A., Fkao T., Sper high speed electrical machines smmary. IEEE Poer Engineering Society General Meeting, Jne 6-, 4, ol. 2, [7]. Zyssig C., Derr M., Hassler D., Kolar J.W.: An Ultra-High-Speed, 5 rpm, 1 kw Electrical Drie System. Poer Conersion Conference - PCC'7, Nagoya 7, Atorzy dr inŝ. Jansz Hetmańczyk, Politechnika Śląska, Katedra Energoelektroniki, Napęd Elektrycznego i Robotyki, l. Bolesłaa Krzyostego 2, 44- Gliice, Jansz.Hetmanczyk@polsl.pl mgr inŝ. Zbignie Gałszkieicz, Megatech, l.ks. P. Drozdka 25, Kalety, megatech@megatech.org.pl dr hab. inŝ. Krzysztof Krykoski, prof. Pol. Śl, Politechnika Śląska, Katedra Energoelektroniki, Napęd Elektrycznego i Robotyki, l. Bolesłaa Krzyostego 2, 44- Gliice, Krzysztof.Krykoski@polsl.pl dr inŝ. Roman Miksieicz, Politechnika Śląska, Katedra Maszyn i Urządzeń Elektrycznych, l. Akademicka a, 44- Gliice, Roman.Miksieicz@polsl.pl mgr inŝ. Daid Makieła, Politechnika Śląska, Katedra Energoelektroniki, Napęd Elektrycznego i Robotyki, l. Bolesłaa Krzyostego 2, 44- Gliice, Daid.Makiela@polsl.pl