WPŁYW KSZTAŁTU I KIERUNKU MAGNESOWANIA MAGNESÓW TRWAŁYCH NA WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI WYSOKOOBROTOWEGO SILNIKA PM BLDC

Transkrypt

1 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemoe Nr 2/15 (6) 79 Jansz Hetmańczyk Politechnika Śląska, Gliice WPŁYW KSZTAŁTU I KIERUNKU MAGNESOWANIA MAGNESÓW TRWAŁYCH NA WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI WYSOKOOBROTOWEGO SILNIKA PM BLDC INFLUENCE OF THE PERMANENT MAGNETS SHAPE AND MAGNETIZATION DIRECTION ON SELECTED PROPERTIES OF HIGH SPEED PM BLDC MOTOR Streszczenie: W artykle omóiono ybrane aspekty sposob mocoania magnesó trałych na irnik silnika PM BLDC. Przeanalizoano pły rozmieszczenia i kiernk magnetyzacji na łaściości silnika PM BLDC. W analizie ykorzystano yniki symlacji kompteroej ykonanej metodą elementó skończonych (FEM). Rozażania teoretyczne poparto ynikami laboratoryjnymi zarejestroanymi trakcie badań ysokoobrotoych bezszczotkoych silnikó prąd stałego. Abstract: The paper describes selected aspects of permanent magnets monting on the rotor of PM BLDC. The inflence of the position as ell as direction of the magnetization on the PM BLDC motor properties has been analyzed. The reslts of compter modelling achieed throgh finite elements method (FEM) hae been tilized in performed analysis. Theoretical considerations hae been spported ith laboratory reslts acqired dring tests of high-speed permanent magnet DC motors. Słoa klczoe: ysokoobrotoy bezszczotkoy silnik prąd stałego, magnes trały Keyords: high-speed brshless DC motor, permanent magnet 1. Wproadzenie Przedmiotem artykł jest irnik ysokoobrotoego silnika prąd stałego (PM BLDC) o jednej parze biegnó, zojeniach połączonych giazdę i z komtatorem elektronicznym kładzie mostka 3 fazoego. W silnik tym kład zbdzenia stanoi magnes trały zamocoany na irnik, a zojenie tornika jest nierchome i znajdje się stojanie. Opis ysokoobrotoego silnika PM BLDC, zasada działania oraz jego łaściości zostały przedstaione [3], []. W silnikach bezszczotkoych prąd stałego najkorzystniej jest, z pnkt idzenia plsacji moment głónego, aby przy pracy silnikoej napięcie indkoane było przedziałami stałe. Drgim istotnym ymogiem jest niski moment zaczepoy ytarzany przez magnesy i niesymetryczny obód magnetyczny (zmienna relktancja szczeliny) naet przy pracy prądnicoej bez obciążenia. Przy pracy silnikoej moment zaczepoy nakłada się na głóny moment elektromagnetyczny (który rónież nie jest stały czasie) poodjąc dodatkoe plsacje moment, a zatem dodatkoe drgania i hałas silnika. Istotna jest rónież artość maksymalna tych plsacji oraz ich częstotliość [2], []. W trakcie prac nad opracoaniem ysokoobrotoego silnika przeanalizoano pły kształt magnes trałego, sposob jego magnesoania oraz rozmieszczenia na irnik na kształt pola szczelinie poietrznej. Zrócono agę na kształt przebieg czasoego napięcia indkoanego oraz artości moment zaczepoego silnika. Wyniki tych analiz zaprezentoano dalszej części artykł. 2. Wirnik silnika PM BLDC Wirniki silnikó PM BLDC mogą przyjmoać różną konstrkcję. Różnice mogą ystępoać sposobie mocoania magnesó trałych, kształcie samych magnesó, a także materiale, z którego są ykonane irniki. Mocoania magnesó możemy ogólnie podzielić na die grpy: magnesy mocoane (klejone) na poierzchni ałka irnika (rys. 1a,, magnesy zagłębione irnik (rys. 1c, d). Najprostszym i najczęściej stosoanym sposobem mocoania magnesó trałych jest mocoanie poierzchnioe (rys. 1. Za pomocą klej, magnesy są przyklejone do poierzchni irnika. Właściości klej oraz stan poierzchni ałka irnika mają niemały pły na trałość mocoania, podobnie jak i kształt

2 80 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemoe Nr 2/15 (6) magnes trałego. Inaczej przylega magnes kształcie ycinka pierścienia do irnika, a inaczej magnes kształcie sztabki. Istotną adą montaż poierzchnioego jest konieczność zabezpieczenia magnesó przed płyem sił odśrodkoych przy dżych prędkościach obrotoych. W cel popraienia peności mocoania magnesó stosje się bandażoanie, które połączeni z chemicznymi sbstancjami tardzającymi znacznie podyższa trałość mocoania (rys. 1. Innym sposobem ziększenia peności mocoania magnesó jest mieszczenie irnika tlei ykonanej z materiał niemagnetycznego np. tytan [5]. Zaróno jeden, jak i drgi sposób zmacniania mocoania magnesó pozala bdoać irniki silnikó PM BLDC na prędkości rzęd obr/min. W odróżnieni od poierzchnioego sposob mocoania magnesó, istnieje możliość mieszczenia ich tż pod poierzchnią irnika lb zagłębienie ich środk irnika (rys. 1c, d) [4], [7]. Konstrkcja irnikó z magnesami zgłębionymi jest bardziej złożona niż irnikó z magnesami klejonymi poierzchnioo. Zaletą tego sposob mocoania magnesó jest rónież łaty sposób ymiany magnesó oraz zmiany geometrii szczeliny roboczej. Konstrkcja takiego irnika ma iększą odporność na rozmagnesoanie oraz jest mniej rażlia na działanie sił odśrodkoych. c) d) c) d) Rys. 1. Przekroje irnika silnika: magnesy mocoane (klejone) na poierzchni irnika; magnesy mieszczone tlei (opasce); c) magnesy zagłębione irnik; d) magnesy zagłębione łożone promienioo Rys. 2. Rozmieszczenie magnesó na poierzchni irnika z opaską mocjącą oraz kiernki ektoró magnetyzacji: magnes łkoy, magnesoany rónolegle; magnes łkoy, magnesoany promienioo; c) da magnesy łkoe, magnesoane rónolegle; d) trzy magnesy sztabkoe, magnesoane rónolegle Na rysnk 2 pokazano możliości kształtoania pola szczelinie silnika poprzez zastosoanie odpoiedniego sposob magnesoania. Ponieaż magnesy są mocoane do irnika, najprostsze technologicznie jest ykorzystanie magnesó łkoych będących ycinkiem pierścienia. W zależności od kiernk magnesoania można yróżnić magnesy magnesoane rónolegle do średnicy (rys. 2 oraz magnesy o magnesoani promienioym (rys. 2. Przeażająca iększość magnesó o dżej indkcji magnetycznej spotykanych praktyce to magnesy o magnesoani rónoległym. Zatem, aby ykorzystać te magnesy obodzie irnika, należy storzyć magnes składający się z pojedynczych magnesó - segmentó. Na rysnk 2c przedstaiono kład z doma magnesami łkoymi magnesoanymi rónolegle. Na kolejnym rysnk 2d zilstroano zastosoanie trzech magnesó sztabkoych magnesoanych rónolegle do

3 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemoe Nr 2/15 (6) 81 bdoy jednego magnes o magnesoani promienioym [4], [7], [12]. Wpły kształt magnes i kiernk magnesoania na łaściości silnika PM BLDC przedstaiono na rysnk 4, gdzie zaprezentoano yniki symlacji metodą elementó skończonych (FEM) ykonanej dla pracy generatoroej silnika nieobciążonego, o stałej prędkości obrotoej i konstrkcji obod stojana ze żłobkami półotartymi (rys. 3) [6], [8], [12]. Zarejestroane yniki symlacji przedstaiono fnkcji kąta elektrycznego obrot irnika. obód magnetyczny magnesy opaska mocjąca W silnik PM BLDC przebieg napięć indkoanych zojeniach stojana poinien być trapezoidalny (rys. 4). Wóczas, przy stałym prądzie stojana postaje stały moment elektromagnetyczny. Jak idać na rysnkach, najbardziej zbliżony do przebieg trapezoidalnego jest przebieg zyskany dla magnes łkoego o magnesoani promienioym (rys. 4. Taki sposób magnesoania jest jednak najtrdniejszy do zrealizoania. Z rysnkó (rys. 4c, d) ynika, że stosoanie magnesó segmentoych odpoiednio sytoanych na irnik, poodje indkoanie się zojeni dodatkoej składoej plsacyjnej napięcia ziązanej z liczbą pojedynczych magnesó (segmentó). Przebiegi napięcia indkoane dla ersji z magnesem łkoym magnesoanym rónolegle skazją, że ten sposób magnesoania magnesó nie zapenia korzystnego kształt siły elektromotorycznej silnika PM BLDC [1], [12]. Oprócz przebiegó napięć indkoanych zojeniach silnikó, ażnym czynnikiem konstrkcyjnym jest artość i częstotliość moment zaczepoego. Wielkość moment zaczepoego zależy głónie od otarcia żłobkó, kształtoania i sposob magnesoania magnesó trałych oraz od grbości szczeliny poietrznej [1], [8], [12]. Krotność częstotliości plsacji moment n h ( stosnk do częstotliości ynikającej z prędkości iroani zależy od liczby żłobkó stojana i liczby biegnó. Rys. 3. Bdoa ysokoobrotoego silnika PM BLDC c) d) Rys. 4. Napięcie fazoe indkoane silnik przy pracy generatoroej dla kąta magnes 1 o : magnes łkoy, magnesoany rónolegle; magnes łkoy, magnesoany promienioo; c) cztery magnesy łkoe, magnesoane rónolegle; d) siedem magnesó sztabkoych, magnesoanych rónolegle

4 82 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemoe Nr 2/15 (6) c) 0.02 d) 0.04 h Rys. 5. Przebiegi moment zaczepoego: magnes łkoy, magnesoany promienioo; c) cztery magnesy łkoe, magnesoane rónolegle; d) trzy magnesy, magnesoane rónolegle oraz idmo harmonicznych dla magnes łkoego, magnesoanego promienioo Na rysnk 5 przedstaiono przebiegi moment zaczepoego oraz idmo harmonicznych dla magnes łkoego, magnesoanego promienioo o kącie 1 o. Uzyskane yniki doodzą, że artości momentó zaczepoych są mniejsze dla magnesó łkoych niż dla magnesó złożonych z segmentó. W przypadk magnesó segmentoych następje zrost tętnień o około 2,5 raza, co może stanoić kilkanaście procent moment znamionoego. zestaiono rozmieszczenie magnesó osadzonych na irnik z magnesami częścioo osadzonymi irnik. Z przedstaionych przebiegó (rys. 7) ynika, że osadzenie magnesó irnik poodje zrost plsacji napięcia indkoanego silnik, zmniejszeni lega rónież artość średnia indkoanego napięcia, jak rónież moment zaczepoy o około 2 razy [9], [11], [12] Rys. 6. Rozmieszczenie magnesó i kiernki ektoró magnetyzacji dla magnesó magnesoanych rónolegle: mocoane na obodzie irnika; częścioo osadzone irnik W silnikach ysokoobrotoych, ze zględ na dże prędkości i oddziałyanie sił odśrodkoych na magnesy mocoane na poierzchni irnika istnieje możliość ziększenia przylegania magnes do irnika przez częścioe osadzenie magnesó na irnik. Na rysnk Rys. 7. Przebiegi silnika z magnesami mocoanymi częścioo osadzonymi na irnik (6 magnesó); napięcia indkoane zojeniach; moment zaczepoy

5 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemoe Nr 2/15 (6) 83 Stosjąc silnikach PM BLDC konstrkcję segmentoą irnika istnieje łata możliość zmiany szerokości czynnej magnes. Porónjąc przebiegi z rysnkó 4c i 7a i 8a, gdzie zastosoano odpoiednio 4, 6 i 7 magnesó, idać yraźnie ydłżanie się podstay przebieg napięcia indkoanego zojeni. Na rysnkach i 11 przedstaiono zarejestroane napięcia indkoane (SEM) silnikach PM BLDC dla pracy generatoroej. Pierszy przebieg (rys. został zarejestroany dla silnika o konstrkcji obod magnetycznego ze żłobkami półotartymi i 6 magnesami sztabkoymi osadzonymi na irnik. Drgi przebieg zarejestroano dla silnika bezżłobkoego o takim samym irnik (rys.. Porónjąc przebiegi można zaażyć brak plsacji napięcia indkoanego silnik bezżłobkoym. Niekorzystną cechą tego przebieg jest natomiast brak płaskiego odcinka SEM, tak jak to jest idoczne na rys. a Rys. 8. Przebiegi obliczone dla silnika z magnesami mocoanymi na poierzchni irnika (7 magnesó): napięcia indkoane zojeniach; moment zaczepoy 3. Badania laboratoryjne W trakcie prac nad opracoaniem ysokoobrotoego silnika prąd stałego (PM BLDC) ykonano kilka prototypó o różnej konstrkcji obod magnetycznego z materiał amorficznego [5], [6] oraz irnika, do bdoy którego ykorzystano magnesy sztabkoe (rys. 6. Ze zględ na dże siły odśrodkoe zastosoano dodatkoą opaskę mocjącą (rys. 9). Rys.. Napięcia indkoane ysokoobrotoym silnik PM BLDC przy pracy generatoroej z sześcioma magnesami sztabkoymi: konstrkcja z żłobkami półotartymi; konstrkcja bezżłobkoa obod magnetycznego Na rysnk 11a przedstaiono przebiegi napięcia indkoanego lepszonej ersji silnika ze żłobkami półotartymi i magnesami sztabkoymi pszczonymi irnik. Plsacje napięcia zostały zminimalizoane, a kształt zbliżony do przebieg trapezoidalnego. Rysnek 11b przedstaia przebiegi sygnał z czjnika hallotronoego i prądó fazoych silnika zarejestroane dla prędkości obr/min. Rys. 9. Wirnik ysokoobrotoego silnika PM BLDC z magnesami sztabkoymi

6 84 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemoe Nr 2/15 (6) Faza 1 Faza 2 Faza 3 Rys. 11. Przebiegi lepszonego ysokoobrotoego silnika PM BLDC ze żłobkami półotartymi: napięcia indkoane silnik przy pracy generatoroej; sygnał z czjnika hallotronoego oraz prądy fazoe dla prędkości obr/min 4. Podsmoanie W artykle przedstaiono analizę, jaki sposób rozmieszczenie, kształt magnesó trałych oraz sposób magnesoania płyają na napięcia indkoane silnik PM BLDC. Wyniki symlacji kompteroej ykonanej metodą elementó skończonych poparto ynikami badań laboratoryjnych. W opracoanym ysokoobrotoym bezszczotkoym silnik prąd stałego irnik został ykonany z magnesó sztabkoych, osadzonych na irnik i mocoanych poierzchnioo. Przeproadzone badania laboratoryjne potierdziły, że konstrkcja irnika z magnesami osadzonymi częścioo na irnik możliia pracę silnikó z prędkościami rzęd 0 000obr/min. Praca została ykonana ramach projekt MNiSW - Fndsze Strktralne nr POIG / Literatra [1]. M. Cirys, I. Ddzikoski: Analiza pły ymiaró i kształt magnesó trałych na moment elektromagnetyczny bezszczotkoego silnika prąd stałego, Prace Nakoe Instytt Maszyn, Napędó i Pomiaró Elektrycznych Politechniki Wrocłaskiej. Stdia i Materiały, Nr 25, 05. [2]. A. Domoracki, J. Hetmańczyk: Ograniczenie komtacyjnych tętnień moment bezszczotkoym silnik prąd stałego, Przegląd Elektrotechniczny, nr 3, str. 5-7, 04. [3]. Z. Gałszkieicz, K. Krykoski, R. Miksieicz, J. Hetmańczyk: Bdoa i realizacja ysokoobrotoego silnika zbdzanego magnesami trałymi, Przegląd Elektrotechniczny, R. 86 nr 2/. [4]. T. Glinka, A. Borkoski.: Maszyny elektryczne zbdzane magnesami trałymi, Atomatyka, Elektryka, Zakłócenia, nr 9, 12. s [5]. J. Hetmańczyk, K. Krykoski, Z. Gałszkieicz, R. Miksieicz, D. Makieła: Wysokoobrotoy silnik zbdzany magnesami trałymi, Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemoe, nr 86, str ,. [6]. J. Hetmańczyk, K. Krykoski, Z. Gałszkieicz, R. Miksieicz, D. Makieła: Porónanie łaściości ysokoobrotoego silnika PM BLDC ze stojanem bezżłobkoym i żłobkoanym, Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemoe, nr 90, str , 11. [7] J. Bernatt: Obody elektryczne i magnetyczne maszyn elektrycznych zbdzanych magnesami trałymi, Wydanicto KOMEL,. [8]. K. Krykoski, J. Hetmańczyk, Z. Gałszkieicz, R. Miksieicz: Compter analysis of high-speed PM BLDC motor properties, COMPEL - The International Jornal for Comptation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, Vol. 30, isse 3, str , 11. [9]. K. Krykoski, R. Miksieicz, Z. Gałszkieicz, J. Hetmańczyk, D. Makieła: Projekt i badania ysokoobrotoego silnika BLDC z rdzeniem amorficznym, Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemoe, nr 87, str ,. []. K. Krykoski: Silnik PM BLDC napędzie elektrycznym analiza, łaściości, modeloanie. Wydanicto Politechniki Śląskiej, Gliice 11. [11]. M. Łkaniszyn, A. Młot: Analiza moment elektromagnetycznego i składoych plsjących bezszczotkoym silnik prąd stałego zbdzanym magnesami trałymi, Przegląd Elektrotechniczny, nr 1, str , 05. [12]. R. Miksieicz: Inflence of magnets shape and magnetization direction on BLDC motor properties, XVII International Symposim on Electric Machinery ISEM'09, Prage 09. Ator dr inż. Jansz Hetmańczyk Politechnika Śląska, Katedra Energoelektroniki, Napęd Elektrycznego i Robotyki l. Bolesłaa Krzyostego 2, 44-0 Gliice Jansz.Hetmanczyk@polsl.pl