Analiza wybranych charakterystyk liniowego silnika tubowego indukcyjnego

Transkrypt

1 VI Lbka onfeencja Nakowo-Techniczna i-mitel 00 Sebatian WISZNIEWSI Zachoniopomoki Uniweytet Technologiczny w Szczecinie, Intytt Elektotechniki () Analiza wybanych chaakteytyk liniowego ilnika tbowego inkcyjnego Stezczenie. W opaci o pzepowazoną analizę pzetawiono wpływ wybanych paametów kontkcyjnych liniowego ilnika tbowego inkcyjnego (LSTI) na jego chaakteytyki. Omówiono popozycję algoytm pojektowych baań tialnych i zamiezczono wybane ezltaty baań ymlacyjnych. Pokazano, że itotny wpływ na chaakteytyki LSTI mają obciążenia elektomagnetyczne, paamety pojektowe, połżny efekt końcowy i opzczalna tempeata la anej klay izolacji. Abtact. On the bae of the analyi, the inflence of the electe eign ata on the LITM opeational pefomance ha been peente in thi aticle. The popoal of the eign ty eeach algoithm ha been ecibe by the Atho an the choen elt of the imlation teting ae incle a well. The otcome of imlation hae eeale the electomagnetic loa, contction paamete, longitinal en effect an an amiible tempeate fo a gien cla of inlation hae an eential inflence on the LITM pefomance. (Analyi of choen pefomance of the linea inction tbla moto). Słowa klczowe: ilnik liniowy tbowy, paamety pojektowe, ymlacja. eywo: linea tbla moto, contction paamete, imlation. Wtęp Wiek XXI można nazwać wiekiem mechatoniki i infomatyki, poobnie jak wiek XIX pay, a XX elektyczności. W wynik potęp technicznego w mikoelektotechnice, technice kompteowej i elektomechanice nowej geneacji wyłoniła ię nowa ycyplina po nazwą mechatonika [, ]. Liniowy napę mechatoniczny kłaa ię zwykle z ilnika elektycznego, ektoa o żym pzełożeni, kłaów elektonicznych, elektonicznych mołów mocy oaz opogamowania kompteowego. Ważną olę w tym poceie pełniają człony wykonawcze, zwane też aktoami. Pośó tej gpy ważną ole pełniają aktoy elektomechaniczne, a zczególnie liniowe ilniki tbowe (LST). Liniowe ilniki aynchoniczne, obok wiel zalet, poiaają także nieotatki [3, 4, 5, 6, 7]. Wśó tych gich poblem ciepła wytwazanego w ilnikach jet jenym z najtniejzych zaganień technicznych, któe mają zaaniczy wpływ na chaakteytyki ekploatacyjne ilnika [8]. Celem pacy jet analiza wybanych apektów pocey pojektowania LST oaz obliczeń tanów pzejściowych elektomechanicznych i temicznych. Wybó tategii pojektowania LST ze wzglę na kozytny tonek iły ciąg o may oaz niewielkie pola ozpozenia znajją znajją coaz zeze zatoowanie wśó wiel typów ewonapęów liniowych w ytemach mechatonicznych. Jak jż wpomniano mają one woje nieotatki; wśó nich ytem łożykowania części wtónej. Ekpeci zacją jenak, że w pzyzłości mogą one zatąpić napęy hyaliczne i pnematyczne w niektóych aplikacjach. Wykozytanie mateiałów czynnych w ilnikach elektycznych chaakteyzje paamet wyzykania [9, 0]: 457

2 () σ = δ 5,A B 0 [kv A min/m 3 ] gzie: B δ inkcja w zczelinie powietznej, A okła pąowy. Dobo wpółczynnika wyzykania mazyny δ należy okonywać z ozwagą, gyż tonek B δ /A wpływa na właściwości żytkowe pojektowanej mazyny. Ma on ównież ecyjący wpływ na obciążenie cieplne, wpółczynnik mocy, coφ i iłę makymalną F max. Inkcja w zczelinie powietznej B δm la LSTI poiaa watości znacznie mniejze niż w ilnikach obotowych i ekomenje ię, by pzyjmować ją w ganicach 0,3 0,9 T - w zależności o mocy ilnika. Okła pąowy A wybiea ię z pzeział A/m, wzglęniając pzy tym, że A wpływa bezpośenio na paamet F N, któy jet popocjonalny o gętości tat mocy wyzielających ię w zwojeni i zależy o zatoowanej klay izolacji oaz poob chłozenia mazyny. Jet on efiniowany jako: () = A J 458 F N gzie: A okła pąowy [A/m], J gętość pą [A/mm ]. Należy zabać, aby paamet ten nie pzekoczył pewnej watości, pzy któej zwojenie oiąga ganiczny opzczalny pzyot tempeaty. Pzy pojektowani LST pocea jet poobna, jak pzy ilnik klaycznym, tym niemniej wytępje pewna omienna pecyfika związana z oobliwością zjawik fizycznych wytępjących w liniowych ilnikach tbowych. Do ważniejzych etapów pojektowania LSTI należą [4, 7, 9]:. Zetawienie wymagań techniczno-ekploatacyjnych;. Obliczenia wtępne wymiaów głównych połączone z pozczoną poceą optymalizacyjną; 3. Pojekt części piewotnej i wtónej. 4. Analiza paametów chemat zatępczego i chaakteytyk. 5. Polowa analiza tialna połączona z optymalnym wyboem paametów ilnika. 6. Pzepowazenie obliczeń cieplno-wentylacyjne. Pzy wyboze ozwiązań pojektowych należy w piewzym etapie oztzygnąć, któe z kyteiów pojektowych mają najwiękzą angę. Do najważniejzych pośó nich tzeba zaliczyć: a) nomatywno-ekonomiczne; zązenie powinno być zapojektowane tak, aby pełniało nomy pzy minimalnych koztach, b) jakości kontkcji Laithwaite a wyażone pzez paamet ε 0, któy okeśla itotne właściwości mazyny, c) enegoozczęność - efiniowana óżnymi paametami, np. tonkiem pobieanej enegii o iły ciąg, ) ynamiczność - wyażoną watością pzypiezenia lb zywnością mazyny. Natomiat w gim etapie powazi ię komplekowe baania tialne poceów elektomechanicznych i cieplnych w tanach talonych i pzejściowych, wg algoytm pokazanego na y.. Na początk baań (blok ) zetawiamy i analizjemy założenia pojektowe oaz okonjemy wybo głównych ozmiaów z wykozytaniem optymalizacji pozczonej. W gim kok (blok ) zetawiamy lb opacowjemy aekwatne moele matematyczne o analizy tanów talonych i poceów pzejściowych liniowego kła napęowego. W kolejnym etapie (blok 3) fomłjemy kyteia optymalizacji oaz okonjemy optymalizacji wtępnej i okłanej całego ytem napęowego waz z ilnikiem lb wybanych jego elementów. Pzeotatni kok (blok 4) związany jet z

3 VI Lbka onfeencja Nakowo-Techniczna i-mitel 00 wyznaczeniem tat wytępjących w ilnik. W końcowym taim baań (blok 5) analizjemy pocey cieplne i - w zależności o ezltatów - okonjemy weyfikacji założeń lb pojektjemy ytem chłozenia. Ry.. Ogólny algoytm pojektowych baań tialnych LST Wybó głównych ozmiaów Pojektowanie ilników zaczyna ię o okeślenia ozmiaów głównych wewnętznej śenicy inktoa 3 i jego aktywnej łgości L i. Na y.. pokazano jeen ze chematów kontkcyjnych LSTI, któy ato wykozytje w obliczeniach. Aby okeślić związek mięzy głównymi ozmiaami i obciążeniami elektomagnetycznymi, należy poównać wyażenia na moc obliczeniową mazyny -wyażoną w fnkcji paametów wewnętznych - z mocą wyażoną pzez zewnętzne paamety obliczeniowe. Ry.. Schemat kontkcyjny LSTI 459

4 Moc obliczeniową mazyny w fnkcji paametów wewnętznych : (3) P obl = f w δ fli 3ABδm oaz zewnętznych paametów znamionowych: (4) E PN P obl = η coϕ e n N W wyażeni (4) wzglęniono wpływ połżnego efekt końcowego e [5], któego zmianę w fnkcji liczby pa biegnów p i poślizg pokazano na y.. Dla pzykła pzy p= i poślizg =0,4 e wynoi 0,8. Ry.. Rozina kzywych e =f(p,) Pzyównjąc zależności (3) i (4) oaz okonjąc pzekztałceń otzymjemy wzó o obliczenia wewnętznej śenicy inktoa LSTI: (5) 3 = e f w E δ F N η coϕ L AB N i δ Wpółczynniki δ, E, f, w, e, η i coφ można znać za niezmienne w okeślonych pzeziałach, zatem ozmiay mazyny zależą głównie o obciążeń elektomagnetycznych A B δ. Po wyznaczeni 3, bioąc po wagę wymogi kontkcyjne napę z LSTI, a zwłazcza założoną łgość ch części wtónej, i wzglęniając paamet mkłości mazyny w ganicach λ = 4 8 otzymjemy gi potawowy paamet kontkcyjny aktywną łgość inktoa: (6) L i = λ3 Natępnie okeśla ię wymiay geometyczne żłobków i zębów inktoa oaz części wtónej. Oblicza ię liczbę zwojów fazy i wybiea śenicę pzewo nawojowego. olejnym kokiem jet okeślenie inkcji w zczelinie powietznej, zębach i jazmie inktoa. Po wyznaczeni paametów chemat zatępczego i obliczeni chaakteytyk oboczych LST pzepowaza ię ocenę nagzewania ilnika w cel 460

5 VI Lbka onfeencja Nakowo-Techniczna i-mitel 00 pawzenia, czy nie zotała pzekoczona opzczalna tempeata elementów ilnika. Najważliwze ą zwojenia; gy tempeata pzekacza opzczalne watości, okonje ię koekty paametów pojektowych, w tym A i B δ. Opowieni obó wymiaów geometycznych ilnika ma znaczący wpływ na jego pozotałe paamety geometyczne i elektomagnetyczne. W tabeli. pzetawiono wpływ wybanych paametów na chaakteytyki ilnika. Tabela. Paamet Zwiękzenie Zmniejzenie Szczelina powietzna g Poziałka biegnowa Liczba biegnów p Gbość części wtónej Oponość części wtónej ρ Szeokość zęba t z Więkzy pą magnejący Więkze taty Dże ε 0 Zwiękzenie gbości jazma magnetowo Mniejze efekty końcowe Dże ε 0 Dży pą ozch Mniejze efekty końcowe Dża oponość ozpozenia Więkzy wpółczynnik ε 0 Więkza iła ciąg Więkza pawność Dża liczba biegnów Więkza eaktancja ozpozenia o tmieni ozpozenia części wtónej Dża eaktancja ozpozenia o tmieni ozpozenia części wtónej Dży wpółczynnik ε 0 Mniejze taty w części wtónej Dża iła ciąg Dża pawność Baania tialne W początkowym etapie pojektowania celowe jet wykozytanie pozczonych meto obliczeń optymalizacyjnych z oganiczeniem liczby paametów zmiennych. Pzy takim poejści fnkcja cel la jenego z waiantów może pzyjąć potać: (7) c * * * w w w3fe F = w C η gzie: C w jenotkowa iła wyażona tonkiem jej watości znamionowej o całkowitej may ilnika, η pawność, F e iła elektomagnetyczna, w i wagowe wpółczynniki, okeślające angę anego kyteim w fnkcji cel ( w w w3 = ) W amach baań tialnych pzytępjemy o obliczeń obwoowych i polowych mazyny [,, 3] z wykozytaniem pecjalitycznych pogamów kompteowych np.: MATLAB Flx3D, COMSOL czy Elct, w któych paamety i chaakteytyki mazyny ą wyznaczane bezpośenio na potawie ozkła pola elektomagnetycznego. Obecnie poce inteaktywnego pojektowania i optymalizacji [] wykozytje ymlacje kompteową, któa wymaga jenak twozenia, w miaę możliwości, okłanych moeli matematycznych zjawik zachozących w LSTI. 46

6 46 ( ) ( ) ( ) ( ) = = = = = = = t x F F m t X F t t t t zew ef k k k k 3 (8) σ gzie: ef = e wpółczynnik wzglęniający efekt nakókowości i połżne efekty końcowe. Moel matematyczny napę liniowego z LSTI [6, 7, 8] twozy kła ównań óżniczkowych (8). Do baań ymlacyjnych w śoowik MATLABSimlink opacowano chemat blokowy i okeślono paamety moel matematycznego (Ry. ). Ry.. Schemat blokowy LSTI W pacy pzytoczono baania ymlacyjne pzepowazone la wóch fizycznych moeli liniowych ilników tbowych typ LC i TW. Dane ilników:. LC: p=6, m=9kg, =3,8 0 - m, =3,8m/, F=45N. TW: p=, m=3kg, =7,3 0 - m, =7,3m/, F=00N W ezltacie otzymano, m.in. pzebiegi pękości i iły ciąg F la wóch ww. ilników pocza ozch (y. 3). Pzepowazone baania ekpeymentalne moeli fizycznych pozwoliły poównać ich wyniki z ezltatami baań ymlacyjnych i twiezić ich zaowalającą zbieżność. Na potawie wyników baań ymlacyjnych okonano analizy poównawczej wybanych chaakteytyk wóch typów ilników cylinycznych. Piewzy z nich o p=6, ilnik LC ma tałą elektomechaniczną T em =0, i tonkowo małe placje iły oaz chaakteyzje ię paametami ynamicznymi: pzypiezeniem a=4,77m/ i zywnością Z=F a=4,65nm/. Dgi ilnik TW o p= ma tałą czaową kótzą

7 VI Lbka onfeencja Nakowo-Techniczna i-mitel 00 T em =0,5, a=7,69m/ Z=769,3Nm/, ale wytępją w nim znaczące placje iły ciąg i aje ię wyaźnie zaważyć wpływ efekt końcowego. Ry. 3. Chaakteytyki ozch LSTI ił ciąg F c (a)i pękości (b) la ilników typ --- LC i ---TW Ze wzglę na pecyfikę kontkcji LSTI wymagają zczególnego zwócenia wagi na zaganienia temiczne [4, 5]. Nie zawze właściwie analizowane ą pzy pojektowani i ekploatacji LSTI zaganienia cieplne. Analiza pozwala na baziej okłane pawzenie wymogów tawianych pzez nomy i fomowanie ozkła pola tempeaty w cel lepzego wykozytania mateiałów kontkcyjnych i zwiękzenia niezawoności mazyny. Ciepło z inktoa LSTI oawane jet o otoczenia popzez konwekcję i pomieniowanie. a b Ry. 4. Obaz pól tempeatowych ilników LSTI typ: a) LC, b) TW 463

8 Analizjąc np. ozkła tempeaty można zaważyć, że makymalna tempeata LSTI jet na połowie wyokości zwojeń. W cel okłaniejzego okeślenia najbaziej nagzewającego ię pnkt zbaano ozkła tempeaty na pomieniach opowienio la ilnika TW =54mm i LC =9mm o śoka ilnika (Ry. 5). a b 464 Ry. 5. Rozkłay tempeat makymalnych la LSTI typ: LC (a) i TW (b) Wyniki baań ymlacyjnych poównano z baaniami ekpeymentalnymi [6].Okazało ię, że ą one zbieżne z zaowalającą okłanością. Analiza polowa pozwoliła zykać obaz pola tempeatowego ilnika i okeślić obzay o najwyżzej tempeatze. Dla ilnika LC pełnione ą wymogi nomy; tempeata nie pzekacza 47 C, natomiat la ilnika TW pzegzane ą cewki 3. i 4., a tempeata ochozi o 33 C, co jet nieopzczalne. Należy koygować obciążenia elektomagnetyczne lb pzewizieć ytem chłozenia. Pomowanie Wpółczene wymagania tawiane liniowym napęom z inkcyjnymi ilnikami tbowymi w zóżnicowanych aplikacjach wymagają ytemowego poejścia o pojektowania ilnika. Sama pocea oaz zatoowane metoyki i nazęzia o kompteowego pojektowania powinny zapewnić możliwie kótki cza o opacowania machatonicznego wyob i jego wożenia. W pacy pzetawiono algoytm pojektowych baań tialnych LSTI oaz omówiono wybane etapy jego ealizacji, m.in. zapoponowano wzó o obliczenia

9 VI Lbka onfeencja Nakowo-Techniczna i-mitel 00 potawowego paamet, jakim jet wewnętzna śenica inktoa oaz zamiezczono wybane wyniki baań ymlacyjnych związanych z analizą poceów elektomechanicznych i cieplnych. Pokazano w wybanych baaniach, że itotny wpływ na chaakteytyki ilnika mają obciążenia elektomagnetyczne, paamety pojektowe, połżny efekt końcowy i eżimy tempeatowe. LITERATURA [] T ow k i J., Potawy maechatoniki, Wyawnictwo Wyżzej Szkol Hmanityczno Ekonomicznej w Łozi, Łóź, 008 [] Poaje Y.V., Mechatonika: onowy, metoy, pimienienie, Mazinotoenie, Mokwa, 007 [ 3 ] Giea J.F.: Linea inction ie, Oxfo Science Pblication, Oxfo, 994 [4] N a a S.A., Bolea I., Linea motion electic machine, John Wiley & Son Inc, 976 [ 5 ] B o l ea I.,N a a S.A., Linea motion electomagnetic ytem, A Wiley-Intecience Pblication, 985 [6] S o k oło M.M., Sook in L..: Elektopio liniejnymi aynchonnymi igatelami, Enegia, Mokwa, 974 [7] S o k ołowa E.M., Mozyń k i Y. A.: Ciliniczjekije liniejnyje aynchonnyje igateli, Iz. MEI, Mokwa 998 [8] o mol J.: Sewonapęy obabiaek teowanych nmeycznie, WNT Waczawa 998 [9] D ą b ow ki M. : Pojektowanie mazyn elektycznych pą pzemiennego, WNT, Wazawa, 994 [0] Pyhönen J., Jokinen T., Habocoá V., Deign of Rotating Electical Machine, John Wiley & Son Lt., 008 [] D e m e nko A., Obwoowe moele kłaów z polem elektomagnetycznym, Wy. Politechniki Poznańkiej, Poznań, 004 [] D e m e nk o A., Symlacja ynamicznych tanów pacy mazyn elektycznych w jeci polowym, Wy. Politechniki Poznańkiej, Poznań, 997 [3] N o wak L., Moele polowe pzetwoników elektomechanicznych w tanach nietalonych, Wy. Politechniki Poznańkiej, Poznań, 999 [4] B l a., Ientyfikacja tałych paametów temicznych w chemacie cieplnym ilnika liniowego płakiego, Zezyty Nakowe Politechniki Rzezowkiej, Elektotechnika z.8, N 46, 996 [5] Rafalki W., amiń ki M., Bowa mazyn elektycznych, część II, wybane zaganienia obliczeń cieplno-wentylacyjnych. Politechnika Gańka, Gańk, 98 [6] Mkoiej J., Zapaś nik R., Baanie cieplne i wentylacyjne mazyn elektycznych. WNT, Wazawa, 964 Ato: mg inż. Sebatian Wizniewki, Zachoniopomoki Uniweytet Technologiczny w Szczecinie, Intytt Elektotechniki, l. Sikokiego 37, Szczecin, wiz@zt.e.pl 465

10