Projekt silnika bezszczotkowego z magnesami trwałymi

Transkrypt

1 Projekt silnika bezszczotkowego z magnesami trwałymi dr inż. Michał Michna michna@pg.gda.pl Dane znamionowe moc znamionowa P n : 10kW napięcie znamionowe U n : 400V prędkość znamionowa n n : 1500 rpm liczba faz m s : 3 częstotliwość znamionowa f n : 50Hz sprawność η n : 0.85 współczynnik mocy cosϕ n : 1. Parametry materiałów.1 Magnes trwały indukcja remanencji B r : 1.17T natężenie pola koercji H c : 836 ka m B r przenikalność magnetyczna względna μ r : μ μ 0 H r c współczynnik temperaturowy indukcji k TBr : 0.1 współczynnik temperaturowy koercji k THc : 0.7 temperatura pracy magnesów t PM : 60 1/13

2 Parametry magnesu w temperaturze pracy t PM 0 indukcja remanencji B rt : B r 1 + k TBr B 100 rt T t PM 0 natężenie pola koercji H ct : H c 1 + k THc H 100 ct ka m μ rt : B rt μ 0 H ct μ rt Współczynniki wyzyskania materiałów czynnych Wartość maksymalna indukcji w szczelinie - należy przyjąć taką wartośc k.bm by wartość 1 harmonicznej indukcji w szczelnie nie przekraczała 0.9T k Bm : 0.8 wartość maksymalna indukcji w szczelinie B m : k Bm B rt B m T Gęstość liniowa prądu gęstość liniowa prądu (okład prądowy) zależy od rodzaju chłodzenia, dobrać z zakresu ka/m A s : 30 ka m.3 Maksymalne wartości indukcji w częściach obwodu magnetycznego współczynnik zapełnienia pakietu blach k fe : 0.95 maksymalna wartość indukcji - dobrać na podstawie wykładu: w jarzmie wirnika 1.0T..1.6T B yr : 1.5T w jarzmie stojana 1.0T T B ys : 1.T w zębach stojana 1.4T...1T B ts : 1.5T 3. Obliczenie wymiarów głównych 3.1 Obliczenia pomocnicze prędkość kątowa ω n : n n ω n s ω s : π f n ω s s /13

3 ω s liczba par biegunów p : round, 0 ω p n P n moment znamionowy T n : ω n T n N m P n prąd znamionowy (fazowy) I n : 3 U n η n cosϕ n I n A 3. Współczynniki konstrukcyjne l s współczynnik smukłości λ λ : 1.1 τ ps współczynnik zapełnienia podziałki biegunowej MT α PM : 0.75 współczynnik obciążenia wirnika, w przypadku braku prądu w wirniku - 0 K Φ : 0 Kształt pola wzbudzenia flux_density : SIN RECT flux_density "RECT" współczynnik kształtu prądu K I : if flux_density "SIN" 1 if flux_density "RECT" α PM 1 otherwise K I współczynnik kształtu pola wzbudzenia K B : π sin π α PM if flux_density "SIN" K B 0.75 α PM if flux_density "RECT" 1 otherwise współczynnik uzwojenia - dla uzwojenia 1-warstwowego K ws : 0.96 współczynnik kształtu napięcia K E : π K B K ws K ws 0.96 ( ) 1 współczynnik kształtu mocy K P : cosϕ n K P 0.5 3/13

4 3.3 Obliczenia wymiarów głównych Objętość obliczeniowa silnika P n V s : V π 1 f s.73l n η n K 1 + K I K P K E A Φ p ( s B m) srednica wewnętrzna wirnika D s : 3 p πλ V s m długość pakietu stojana D s D s : 1m round 1m, 3 D s 147 mm l s : π D s λ p mm l s l s : 1m round 1m, 3 l s 17 mm podziałka biegunowa τ ps : π D s p τ ps mm szczelina powietrzna Dla maszyn cylindrycznych przyjmujemy γ : m kg A s szczelina powietrzna δ 0 : γ τ ps A s B m mm δ 0 δ : 1m round 1m, 4 δ 1. mm δ : 1.5mm 4. Wymiary wirnika 4/13

5 4.1 Struktura wirnika Mocowanie powierzchniowe magnesów trwałych, magnesy w kształcie wycinka pierścienia, magnesowanie równoległe (rozkład sinusoidalny indukcji w szczelinie) w PM D r D PM α αpm D ri D S α1 h yr h PM δ 4. Wymiary magnesów trwałych średnica zewnętrzna MT D PM : D s δ D PM m podziałka biegunowa na wysokości MT π D PM τ PM : τ p PM mm szerokość MT w PM : τ PM α PM w PM mm amplituda pierwszej harmonicznej indukcji w szczelinie 5/13

6 1 B δ1 : B m α PM + π sin ( πα PM) if flux_density "SIN" B m if flux_density "RECT" B m otherwise B δ T 4 π B π m sin α PM Wysokość magnesów trwałych - punkt pracy magnesów trwałych współczynnik rozproszenie MT σ lpm : 1 δμ rt σ lpm wysokość MT h PM : h B rt σ PM mm lpm 1 B δ1 h PM h PM : 1m round 1m, 3 h PM 9 mm strumień wzbudzony przez MT (na jeden biegun) ( ) Φ PM : K B l s τ ps B m Φ PM Wb 4.3 Wymiary rdzenia (jarzma) wirnika Φ PM Strumień w jarzmie wirnika Φ yr B yr h yr k fe l s Φ PM wysokość jarzma wirnika h yr : B yr k fe l s mm h yr : 1m round h yr 1m, 3 7 mm 4.4 Wymiary wałka Wprowadzając współczynnik wytrzymałości zależny od mocy silnika: kd wał poziomy kd0. dla mocy P>10kW, kd0.7 dla mocy P<10kW 6/13

7 k D : k D 0. 3 Pn 1rpm średnica zewnętrzna wałka [m] D shaft : k D n n 1kW ( ) D shaft : 1m round D shaft, Sprawdzenie poprawności obliczeń wymiarów wirnika 38 mm Średnica wewnętrzna wirnika D ri : D s δ 0 h PM h yr D ri mm Średnica zewnętrzna wałka D shaft 38 mm ( ) "OK" if D ri > D shaft, "OK", "PROBLEM" 5. Uzwojenie stojana 5.1 Parametry uzwojenia Liczba żłobków na biegun i fazę q : 3 Liczba żłobków Q s : p m s q Q s 36 Liczba gałęzi równoległych a s : 1 Q s Podziałka biegunowa t ts : t p ts 9 skrót cewki s t : 0.5 rozpiętość cewki y : t ts s t y 8.5 skos cewki [liczba żłobków] sq : 0 7/13

8 współczynnik skrótu k ps ( ν) : sin ν π y t k ps ( 1 ) ts współczynnik grupy wspólczynnik skosu sin ν π m s k ds ( ν) : if q 1 k π ds ( 1) 0.96 q sin ν m s q k sq ( ν) 1 otherwise sin ν sq π t ts : ν sq k π sq ( 1) 1 t ts Współczynnik uzwojenia K ws : k ps ( 1) k ds ( 1) k sq ( 1) K ws Liczba zwojów cewki Wartość masks ymalna napięcia induk owanego w cewce ( ) ( ) E m π K B K ws D s l s f N s B p m współczynnik napięcia indukowanego k e : 1.05 E m : k e U n 3 E m V E m p liczba zwojów szeregowych N s : π B m D s K B K ws f n l s N s liczba warst uzwojenia a l : 1 uzwojenie 1-warstwowe liczba zwojów w cewce a s N s N cs : ceil N a l p q cs 0 a l p q skorygowana liczba zwojów N s : N cs N a s 10 s sprawdzenie wartości okładu prądowego 8/13

9 wartość założona A s 30 ka m m s N s I n wartość w projektowanym silniku A s : A π D s ka s m 5.3 Dobór przewodu nawojowego gęstość prądu w uzwojeniu j s : 5 A mm liczba gałęzi równoległych a w : 1 I n Powierzchnia przewodu S ps : S a w a s j ps mm s 4 S ps średnica przewodu d ds : d π ds.079 mm dobrana średnica przewodu z katalogu d ds :.1mm współczynniki zapełnienia żłobka miedzią - zależy od kształtu przewodu, sposobu zwojenia k q1 : 0.75 k q : 0.7 k q3 : 0.7 k q1 k q k q Powierzchnia żłobka d ds a w N cs π S qs : S k q1 k q k qs mm q3 5.4 Wymiary jarzma stojana Φ PM wysokość jarzma stojana h ys : B ys k fe l s mm 9/13

10 h ys h ys : 1m round 1m, 4 h ys 0.034m Φ PM minimalna szerokość zęba stojana b ts : b B ts k fe l s m s q ts mm b ts b ts : 1m round 1m, 4 b ts 6 mm 5.5 Wymiary żłobka stojana szerokość rozwarcia żłobka b s1_min : d ds + 1mm b s1_min 3.1 mm b s1 : 3mm wysokość rozwarcia żłobka h s1 : 0.7mm wysokość kilna żłóbkowego h s : 1mm β s : π Q s szerokość żłobka bs b s : tan β s D s + h s1 + h s ( ) cos b ts β s 10/13

11 b s b s : round m, 4 m b s 7.1 mm szerokość żłobka bs3 b s3 : b s + 4 S qs tan β s π tan + β s mm b s3 b s3 : round m, 4 m b s3 10. mm wysokość części trapezowej żłobka b s3 b s h s3 : β s tan mm h s3 h s3 : round m, 4 m h s mm całkowita wysokość żłobka średnica zewnętrzna silnika b s3 h Qs : h s1 + h s + h s3 + h Qs 4.5 mm D se : D s + h Qs + h ys D se 63.6 mm ( ) 11/13

12 Results Stator dimensions Outer diameter of the stator D se 63.6 mm inner diameter of the stator D s 147 mm stator length l s 17 mm height (thickness) of the stator yoke h ys 33.8 mm number of stator slots Q s 36 Dimensions of the stator slot width of the slot iron gap b s1 3 mm width of the slot wedge b s 7.1 mm, width of the stator slot b s3 10. mm height of the slot iron gap h s1 0.7 mm height of the slot wedge h s 1 mm height of the stator slot h s mm total height of the stator slot h Qs 4.5 mm Dimensions of the rotor shaft diameter D shaft 38 mm PM diameter D PM 144 mm PM height h PM 9 mm PM span α PM 0.75 air gap thickness δ 1.5 mm height of the rotor yoke h yr 7 mm Winding parameters number of pole pairs p number of series turn N s 10 number of turns in coil of N cs 0 number of slots per phase and per pole q 3 1/13

13 b 13/13