PRZYDATNO WYBRANYCH PROGRAMÓW POLOWYCH DO OBLICZANIA MOMENTU ZACZEPOWEGO WIELOBIEGUNOWEJ MASZYNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "PRZYDATNO WYBRANYCH PROGRAMÓW POLOWYCH DO OBLICZANIA MOMENTU ZACZEPOWEGO WIELOBIEGUNOWEJ MASZYNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI"

Adam Żurawski
9 lat temu
Przeglądów:

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 179 Zbigniew Goryca *, Mariusz Korkosz **, Damian Mazur**, Robert Rossa ***, Marcin Ziółek **** * Politechnika witokrzyska ** Politechnika Rzeszowska *** Instytut Napdów i Maszyn Elektrycznych KOMEL, Katowice **** Accuratus, Warszawa PRZYDATNO WYBRANYCH PROGRAMÓW POLOWYCH DO OBLICZANIA MOMENTU ZACZEPOWEGO WIELOBIEGUNOWEJ MASZYNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI HELPFULNESS SELECTED FIELD PROGRAMS FOR CALCULATING OF COGGING TORQUE FOR MULTIPOLE PERMANENT MAGNETS ELECTRIC MACHINE Streszczenie: W artykule przedstawiono problem przydatnoci oblicze momentu zaczepowego w wielobiegunowej maszynie z magnesami trwałymi. Obliczenia tej samej maszyny zostały wykonane przez rónych autorów, bez wymiany informacji midzy nimi. Obliczenia wykonano przy uyciu rónych programów. Due rozbienoci midzy uzyskanymi wynikami oblicze i pomiarami pozwalaj na stwierdzenie, e obliczanie momentu zaczepowego w takich maszynach jest mało przydatne. Abstract: The paper presents plausibility of calculation of cogging torque of multi-pole motor. Calculation for the same motor were performed by different authors without information exchange among them. The calculation were performed with the use of different programs. A large discrepancies among obtained results allow authors to allege that calculation of cogging torque is implausible. Słowa kluczowe: maszyna z magnesami trwałymi, moment zaczepowy Keywords: permanent magnet machine, cogging torque 1. Wstp Istotnym fragmentem oblicze maszyny z magnesami trwałymi jest wyznaczenie momentu zaczepowego odpowiedzialnego za pulsacje momentu, bdcego ródłem drga maszyny i zwizanego z tymi drganiami hałasu [7], [8], [9], [17]. Wielu autorów podejmuje si obliczania momentu zaczepowego [7], [8], [9], [10, [11], [12], [13], [14], [15] z wykorzystaniem metod polowych lub analitycznie [16], jednak brak prac porównujcych obliczenia z wynikami pomiarów zwłaszcza w maszynach wielobiegunowych. Wieloletnie dowiadczenie głównego autora artykułu w obliczaniu i budowie maszyn wielobiegunowych [1], [2], [3] wskazuje, e zmierzony na prototypach maszyn moment zaczepowy bardzo istotnie róni si od momentu obliczonego. Poniszy artykuł jest prób wskazania ródeł głównych rónic w uzyskanych obliczeniach i pomiarach. Artykuł ten powstał w wyniku nakłonienia współautorów do zajcia si tym tematem. Współautorzy dostali zadanie obliczenia momentu zaczepowego w maszynie o narzuconej konstrukcji i ich zadaniem było obliczenie tego momentu przy uyciu rónego oprogramowania i przy braku konsultacji i wymiany informacji midzy sob. 2. Konstrukcja maszyny Zadana konstrukcja maszyny pokazana jest na rys. 1. Stojan maszyny ma 27 prostych zbów, na których umieszczono trójfazowe uzwojenie. Na wirniku umieszczonych jest przemienniebiegunowo 30 segmentowych magnesów o szerokoci 18 mm i wysokoci 5 mm, co przy rednicy wewntrznej stojana 228 mm i szczelinie powietrznej równej 1,5 mm stanowi 75% wypełnienia podziałki biegunowej wirnika. W celu zmniejszenia masy wirnik wykonano w postaci rury o ciance gruboci 10 mm.

MAGNESAMI TRWAŁYMI HELPFULNESS SELECTED FIELD PROGRAMS FOR CALCULATING OF COGGING TORQUE FOR MULTIPOLE PERMANENT MAGNETS ELECTRIC MACHINE Streszczenie: W artykule przedstawiono problem przydatnoci

2 180 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) Rys. 1. Obwód magnetyczny rozpatrywanej maszyny W maszynie zastosowano nowy, opatentowany sposób minimalizacji momentu zaczepowego [5] polegajcy na odpowiednim doborze liczby łobków stojana i liczby biegunów wirnika. Dziki temu nie ma potrzeby stosowania skosu i nie zmniejsza si powierzchnia uyteczna łobka. 3. Uzyskane wyniki oblicze Poniej przedstawione s wyniki oblicze momentu zaczepowego uzyskane przez współautorów referatu. Od wielu lat zajmuj si oni podobnymi obliczeniami i maj bogate dowiadczenie dotyczce oblicze polowych [1], [2], [3], [4], [5], [6]. Obliczenia przeprowadzane były w programach: Maxwell, Ansys, Comsol Multiphisics. Wspólnym elementem oblicze była konstrukcja maszyny nie narzucano liczby wzłów siatki, liczby warstw w szczelinie ani liczby elementów siatki oraz metody oblicze Wyniki z programu Ansys Poniej na rysunku nr 2 pokazany jest rozkład strumienia magnetycznego, za na rysunku nr 3 zaleno momentu zaczepowego od kta obrotu wirnika. Rys. 2. Rozkład strumienia magnetycznego w

wirnika. Dziki temu nie ma potrzeby stosowania skosu i nie zmniejsza si powierzchnia uyteczna łobka. 3.

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 181 Rys. 3. Warto momentu zaczepowego liczona 3.2. Wyniki z programu Maxwell Podobnie jak w Ansysie wyniki oblicze zamieszczone s na rysunkach nr 4 i 5. Rys. 6. Rozkład strumienia magnetycznego w Rys. 4. Rozkład strumienia magnetycznego w Moment zaczepowy [NewtonMeter] Rys. 7. Warto momentu zaczepowego liczona Jak wida wyniki uzyskane przez dwóch współautorów s róne pomimo przeprowadzania oblicze w tym samym programie. Istotne rónice wystpuj zarówno w amplitudzie momentu zaczepowego jak i w jego okresie zmiennoci Wyniki z programu Comsol Multiphisics Poniej prezentowane s wyniki uzyskane przy przeprowadzeniu oblicze z uyciem programu Comsol Multiphisics w wersji Pozycja wirnika [deg] Rys. 5. Warto momentu zaczepowego liczona Jak wida wartoci momentu zaczepowego s zblione, ale wyranie inny jest okres zmiennoci tego momentu. Poniej pokazane s wyniki oblicze przeprowadzone take w programie Maxwell przez innego współautora. Rys. 8. Rozkład strumienia magnetycznego w

5 5.0 2.5 0.0-2.5-5.0 Rys. 7. Warto momentu zaczepowego liczona Jak wida wyniki uzyskane przez dwóch współautorów s róne pomimo przeprowadzania oblicze w tym samym programie.

4 182 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) Rys. 9. Warto momentu zaczepowego liczona 4. Wnioski Prezentowane wyniki oblicze róni si midy sob zarówno pod wzgldem amplitudy momenty zaczepowego jak i okresu jego zmiennoci. Najwiksze rónice wystpuj midzy pierwszym liczeniem (Ansys), a ostatnim (Comsol Multiphisics). Co dziwniejsze rónice praktycznie nie wystpuj w obliczeniach indukcji magnetycznej w rdzeniu maszyny. Moe to wiadczy o istotnych błdach w procedurach obliczeniowych rónych programów i braku wiarygodnoci oblicze, w przypadku momentu zaczepowego lub wyjtkowej wraliwoci programów na liczb wzłów siatki. Warto zmierzonego na wykonanym prototypie maszyny momentu zaczepowego wynosiła 3,2 Nm, co przy długoci maszyny 0,1 m stanowi piciokrotn warto obliczonego momentu zaczepowego. Tak due rozbienoci midzy obliczeniami a pomiarami s wynikiem nieuwzgldnienia w modelu symulacyjnym nierównomiernoci w rozkładzie magnesów na wirniku i nieuwzgldnienia rónego stopnia ich namagnesowania. Nawet małe przesunicie magnesu rzdu 0,5 mm powoduje w przypadku maszyny wielobiegunowej duy błd procentowy, a jak pokazuj obliczenia błdy takie zmieniaj warto momentu zaczepowego nawet dwukrotnie. Przy maszynie o trzydziestu biegunach uwzgldnienie wszystkich niesymetrii jest po prostu niemoliwe ze wzgldu na ogromn liczb wszystkich moliwych przypadków. Dlatego przy budowie maszyn wielobiegunowych naley szczególn uwag zwraca na dokładno wykonania elementów i dobór magnesów o jednakowej wartoci indukcji. Naley podkreli, e due rónice midzy obliczeniami a pomiarami momentu zaczepowego wystpowały we wszystkich znanych autorom przypadkach wykonania maszyn wielobiegunowych i dlatego obliczenia te s mało wiarygodne. 5. Literatura [1]. Goryca Z., Ziółek M., Malinowski M.: Moment zaczepowy wielobiegunowej maszyny z magnesami trwałymi, Sympozjum Maszyn Elektrycznych SME 2010, Zeszyty Problemowe, Maszyny Elektryczne zeszyt nr 88. Ustro, czerwiec 2010 [2]. Goryca Z., Malinowski M., Pakosz A.: Wielobiegunowa maszyna z magnesami trwałymi o zredukowanym momencie zaczepowym, Zgłoszenie patentowe nr P z dnia [3]. Goryca Z., Ziółek M., Pakosz A.: Minimalizacja momentu zaczepowego niesymetrycznej, wielobiegunowej maszyny z magnesami trwałymi, Wiadomoci Elektrotechniczne nr 12, 2011 [4]. Mazur D.: Analiza momentu zaczepowego oraz indukcji magnetycznej w szczelinie dla prdnicy synchronicznej metod MES, Wydawnictwo PAK - Agenda SIMP, POMIARY AUTOMATYKA KONTROLA, z.11/2012 [5]. R.Rossa, Zastosowanie metody polowo - obwodowej do obliczania parametrów silników synchronicznych z magnesami trwałymi przy pracy synchronicznej, Zeszyty Problemowe "Maszyny Elektryczne" BOBRME Komel, nr 72/2005 [6]. R.Rossa, E.Król, FEA-Based Calculation of Load Characteristics of Stand-Alone PM Generators with Inner or Outer Rotor Constructions, Proceedings of ICEM 2010 Conference, Roma, IX 2010 [7]. Mohammad S., Sayeed M., Tomy S.: Issues in reducing the cogging torque of mass-produced permanent-magnet brushless dc motor, IEEE Transactions on Applications, Vol. 40, No.3, May/June 2004, pp [8]. S. K. Chang, S. Y. Hee, W. N. Ki, and S. C. Hong, Magnetic pole shape optimization of permanent magnet motor for reduction of cogging torque, IEEE Trans. Magn., vol. 33, pp , Mar [9]. Aydin, M, Magnet skew in cogging torque minimization of axial gap permanent magnet motors, IEEE, Electrical Machines, ICEM th International Conference on, Vilamoura, 6-9 wrzenia 2008, Digital Object Identifier : /ICELMACH [10]. L. Dosiek and P. Pillay, Cogging torque reduction in permanent magnet machines, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 43, no, 6, pp , Nov./ Dec [11]. W. Fei and P. C. K. Luk, Cogging torque reduction techniques for axial-flux surface-mounted permanent-magnet segmented armature torus

Najwiksze rónice wystpuj midzy pierwszym liczeniem (Ansys), a ostatnim (Comsol Multiphisics). Co dziwniejsze rónice praktycznie nie wystpuj w obliczeniach indukcji magnetycznej w rdzeniu maszyny.

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 183 machines, Proc. IEEE Int. Symp. Ind. Electron., pp , 2008 [12]. Atallah K., Jiabin Wang J., Howe D., Torque- Ripple Minimization in Modular Permanent-Magnet Brushless Machines, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 39, No.6, November/December 2003, pp [13]. W. Fei, and P. C. K. Luk, A New Technique of Cogging Torque Suppression in Direct-Drive Permanent Magnet Brushless Machines, IEEE Transactions on Industry Applications, 2010, Volume 46, Issue 4 Pages [14]. Y. Yang, X. Wang, R. Zhang, T. Ding, and R. Tang, The optimization of pole-arc coefficient to reduce cogging torque in surface-mounted permanent magnet motors, IEEE Trans. Magn., vol. 42, no. 4, pp , April 2006 [15]. Atallah K., Jiabin Wang J., Howe D., Torque- Ripple Minimization in Modular Permanent-Magnet Brushless Machines, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 39, No.6, November/December 2003, pp [16]. J. F. Gieras, Analytical Approach to Cogging Torque Calculation in PM Brushless Motors, IEEE Int. Electric Machines and Drives Conf., IEMDC 03, Madison, WI, vol. 2, pp , June 2003 [17]. L. Zhu, S. Z. Jiang, Z. Q. Zhu, and C. C. Chan, Analytical methods for minimizing cogging torque in permanent-magnet machines, IEEE Trans.Magn., vol. 45, no. 4, pp , April 2009 Autorzy dr hab. in. Zbigniew Goryca prof. Pk Wydział Inynierii rodowiska, Geomatyki i Energetyki, Politechnika witokrzyska, tgoryca@kki.net.pl, tel.: , dr in. Mariusz Korkosz Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Rzeszowska, korkosz@prz.edu.pl, tel.: , dr hab. in. Damian Mazur Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Rzeszowska, mazur@prz.edu.pl, tel.: , dr in. Robert Rossa BOBRME Komel, r.rossa@komel.katowice.pl, tel.: , mgr in. Marcin Ziółek Accuratus sp. z o.o. ul. Domaniewska 50A, Warszawa, ziolek@accuratus-software.pl, tel:

K. Luk, A New Technique of Cogging Torque Suppression in Direct-Drive Permanent Magnet Brushless Machines, IEEE Transactions on Industry Applications, 2010, Volume 46, Issue 4 Pages 1332 1340 [14]. Y.

Podobne dokumenty

SPOSÓB MINIMALIZACJI MOMENTU ZACZEPOWEGO W WIELOBIEGUNOWEJ MASZYNIE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

SPOSÓB MINIMALIZACJI MOMENTU ZACZEPOWEGO W WIELOBIEGUNOWEJ MASZYNIE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ELEKTRYKA 2011 Zeszyt 4 (220) Rok LVII Zbigniew GORYCA Instytut Automatyki i Telematyki, Politechnika Radomska Mariusz MALINOWSKI Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Politechnika Warszawska