POLITECHNIKA POZNAŃSKA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA POZNAŃSKA INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI PRZEMYSŁOWEJ Łuasz KNYPIŃSKI OPTYMALIZACJA SILNIKÓW O MAGNESACH TRWAŁYCH NA PODSTAWIE POLOWO- OBWODOWEGO MODELU ZJAWISK ELEKTOMAGNETYCZNYCH Rozprawa Dotorsa Promotor: prof. dr hab. inż. Lech NOWAK POZNAŃ

2 Sładam serdeczne podzięowania za pomoc i wsparcie mojej Żonie Agnieszce, Rodzicom, profesorom: L. Nowaowi, A. Demeno, W. Szelągowi, pracowniom Załadu Mechatronii i Maszyn Eletrycznych, w szczególności: dr inż. Mariuszowi Barańsiemu, dr inż. Cezaremu Jędryczce, dr inż. Piotrowi Sujce oraz dr inż. Krzysztofowi Kowalsiemu, profesorom: A. Oo i L. Drobniowi, dr M. Pawli ze Szpitala Klinicznego im. Heliodora Święciciego w Poznaniu, oraz tym tórzy wciąż żyją w mojej pamięci. 2

3 Spis treści 1. Wprowadzenie. Cel, zares i tezy pracy Silnii wzbudzane magnesami trwałymi Rozwój materiałów magnetycznie twardych 2.2. Klasyfiacja silniów magnetoeletrycznych 2.3. Silnii synchroniczne Wprowadzenie Obwody magnetyczne maszyn PMSM Obwody magnetyczne maszyn LSPMSM Nowe oncepcje onstrucji silniów synchronicznych 2.4. Bezszczotowe silnii prądu stałego Wprowadzenie Budowa silnia BLDC Metody sterowania i eletroniczna omutacja w silniach BLDC Metody detecji położenia biegunów wirnia 2.5. Silnii roowe 3. Modele o parametrach supionych maszyn wzbudzanych magnesami trwałymi Wprowadzenie 3.2. Modele obwodowe silnia PMSM 3.3. Modele obwodowe silnia BLDC 3.4. Uproszczona metoda obliczania obwodów z magnesami trwałymi 3.5. Metody odwzorowania pętli histerezy Model Preisacha Model Jilesa-Athertona 4. Polowy model zjawis w silniach magnetoeletrycznych Równania pola eletromagnetycznego 4.2. Polowo obwodowy model zjawis nieustalonych w silniach BLDC 4.3. Równanie równowagi mechanicznej 4.4. Algorytm sterowania silniiem BLDC 4.5. Komplesowe oprogramowanie do symulacji dynamicznych stanów pracy silniów wzbudzanych magnesami trwałymi 5. Algorytmy optymalizacji w projetowaniu przetworniów eletromagnetycznych Analiza i synteza obietu technicznego. Formułowanie zadania optymalizacji 5.2. Metody optymalizacji bezwarunowej 5.3. Zastosowanie metod funcji ary do optymalizacji z ograniczeniami. Przystosowanie funcji ary do algorytmu genetycznego 5.4. Optymalizacja wieloryterialna ompromisowe funcje celu 3

4 5.5. Oprogramowanie do optymalizacji silniów. Przyłady testowe Strutura oprogramowania z wyorzystaniem algorytmu genetycznego i metody roju cząste Optymalizacja wybranych urządzeń z wyorzystaniem obwodowych modeli zjawis eletromagnetycznych Zastosowanie metody roju cząste do identyfiacji parametrów histerezy magnetycznej modelu Jilesa-Athertona 5.6. Podsumowanie 6. Optymalizacja magnetoeletrycznych silniów synchronicznych na podstawie polowo-obwodowego modelu zjawis eletromagnetycznych Wprowadzenie 6.2. Zastosowanie algorytmu genetycznego do optymalizacji wirnia PMSM Optymalizacja wirnia z magnesami łuowymi z uwzględnieniem momentu zaczepowego Deompozycja zadania. Etap 1 optymalizacja z uwzględnieniem współczynnia THD zawartości harmonicznych w przebiegu siły eletromotorycznej Deompozycja zadania. Etap 2 optymalizacja z uwzględnieniem współczynnia THD i momentu zaczepowego 6.3. Zastosowanie algorytmu genetycznego do optymalizacji wirnia PMSM z hybrydowym uładem wzbudzenia 6.4. Zastosowanie metody roju cząste do optymalizacji wirnia LSPMSM Optymalna synteza silnia z wyorzystaniem metody funcji ary zewnętrznej Projet i wyonanie prototypu silnia. Weryfiacja pomiarowa 7. Optymalizacja silniów BLDC na podstawie polowo-obwodowego modelu zjawis eletromagnetycznych Wprowadzenie 7.2. Optymalizacja wieloryterialna 7.3. Optymalizacja z ograniczeniami 8. Podsumowani. Wniosi ońcowe Wyaz literatury

5 1. Wprowadzenie cel, zares i tezy pracy W ostatnim dwudziestoleciu XX-go wieu; na masową salę wdrożono do producji materiały magnetyczne twarde, wytwarzane na bazie tzw. ziem rzadich, o dużej gęstości energii [49, 124, 189]. W związu z tym od ilunastu lat obserwuje się dynamiczny rozwój nowych onstrucji maszyn o magnesach trwałych. We współczesnych uładach napędowych coraz częściej wyorzystuje się taie właśnie maszyny eletryczne ja: silnii synchroniczne (Permanent Magnet Synchronous MotorsPMSM), bezszczotowe silnii prądu stałego (BrushLess Direct Current Motors BLDCM), a taże silnii roowe. Obecnie są wytwarzane silnii o mocach rzędu nawet megawatów. Rozwój ten idzie w parze z rozwojem przeształtniowych uładów zasilania i zaawansowanych algorytmów sterowania [51, 60, 125, 144, 159, 186, 206]. Silnii wszystich trzech wymienionych typów mają podobną struturę i zasadę działania. Moment eletromagnetyczny jest wytwarzany w wyniu oddziaływania pola magnetycznego generowanego przez uzwojony stojan na wirni z zamontowanym uładem magnesów trwałych. Uzwojenie stojana może być rozłożone w żłobach lub nawinięte w sposób supiony na wydatnych szeroich zębach (biegunach). Uzwojenia rozłożone są stosowane przede wszystim w silniach synchronicznych, zaś w silniach typu BLDC i silniach roowych zwyle stosuje się uzwojenia supione. Wirnii silniów synchronicznych są wyonywane w postaci ferromagnetycznych rdzeni z magnesami umieszczonymi na zewnętrznej powierzchni (Surface Permanent Magnet Synchronous Motors SPMSM) lub magnesami umieszczonymi wewnątrz rdzeni (Inner Permanent Magnet Synchronous Motors IPMSM). Często silnii są zaopatrywane w latę służącą do rozruchu asynchronicznego; mówimy wówczas o silniach o rozruchu bezpośrednim (Line Start Permanent Magnet Synchronous Motors LSPMSM). Rozruch asynchroniczny silniów z magnesami trwałymi jest znacznie trudniejszy niż silniów o wzbudzeniu eletromagnetycznym [16, 257, 258]. Dlatego ryteria związane z właściwościami rozruchowymi (np. ze zdolnością do osiągania synchronizmu) muszą być uwzględniane z dużą wagą w procesach projetowania i optymalizacji tych silniów. W silniach synchronicznych (w mniejszym stopniu taże w silniach typu BLDC) występuje bardzo nieorzystne zjawiso polegające na przylejaniu się i odrywaniu magnesów od zębów stojana. Generowany jest relutancyjny, pulsujący moment, ta zwany moment zaczepowy (Cogging Torque) [159, 254]. Minimalizacja tego momentu, jest bardzo ważnym aspetem procesu optymalnego projetowania silniów o magnesach trwałych i taże musi być wzięta pod uwagę przy onstruowaniu ompromisowych funcji celu i funcji ograniczeń [142, 196]. 5

6 Silnii roowe o magnesach trwałych działają podobnie ja silnii BLDC, jedna ich zadaniem jest wyonanie obrotu o zadany ąt; rzado są wyorzystywane jao elementy napędowe o ruchu ciągłym. W przedłożonej rozprawie silnii roowe nie są rozpatrywane. W związu ze wspomnianym wyżej dynamicznym rozwojem maszyn o magnesach trwałych, pojawiają się coraz to nowsze onstrucje, tórych celem jest poprawa parametrów i charaterysty silniów oraz poprawa wsaźniów eonomicznych. Nowe, udosonalone onstrucje są trudniejsze do wyonania pod względem technologicznym. Dlatego coraz częściej sięga się do technologii proszowych wytwarzania materiałów magnetycznie mięich i formowania magnesów. W najbardziej nowatorsich rozwiązaniach stosuje się obwody magnetyczne sładające się zarówno z różnych typów proszowych elementów magnetycznie mięich, ja też różnych typów proszowych magnesów trwałych tzw. strutury hybrydowe [84, 111, 176, 229]. Dalszy rozwój nowych onstrucji silniów wzbudzanych magnesami jest w dużej mierze uzależniony od dosonalenia metod symulacji ich stanów pracy oraz metod projetowania i optymalizacji. We współczesnym procesie projetowania urządzeń oraz uładów eletromechanicznych wyorzystuje się symulację omputerową. Pozwala ona uninąć osztownego i czasochłonnego etapu budowy prototypów. Programy symulacyjne zapewniają onstrutorowi możliwość wirtualnej realizacji i weryfiacji swoich pomysłów już na etapie projetowania, co znacznie sraca ores wprowadzania w życie nowych projetów. Symulacja omputerowa wymaga jedna tworzenia doładnych modeli matematycznych zjawis zachodzących w projetowanych urządzeniach. W dostępnej literaturze bra jest opracowań ujmujących omplesowo zagadnienia dotyczące polowoobwodowej symulacji dynamii nowych typów maszyn o magnesach trwałych, w szczególności opracowań prezentujących algorytmy na tyle efetywne, by można je było zastosować w procedurach reursywnego projetowania i w procedurach optymalizacji z ograniczeniami. Często brauje nawet ogólniowych wytycznych do projetowania i do optymalnego doboru proporcji wymiarów i parametrów charateryzujących nowe strutury. Dlatego głównym celem badań jai postawił sobie autor rozprawy jest pogłębienie teorii i dosonalenie procedur modelowania silniów o magnesach trwałych w ujęciu polowym, ale przede wszystim opracowanie efetywnego i uniwersalnego oprogramowania do optymalnej syntezy tych silniów. Najważniejszy cel polega na połączeniu efetywnego numerycznego (polowego) modelu silnia ze sutecznie i stabilnie działającą procedurą optymalizacyjną. Zgodnie z założeniami przyjętymi przez autora rozprawy oprogramowanie ma charater modułowy. Słada się z dwóch głównych bloów: modułu optymalizacyjnego oraz modułu zawierającego matematyczny model zjawis w analizowanym obiecie. Uniwersalność oprogramowania ma polegać na: (a) możliwości analizy i syntezy silniów magnetoeletrycznej o dowolnej struturze, (b) możliwości wymiennego stosowania 6

7 różnych procedur optymalizacji oraz (c) możliwości wymiennego wyorzystywania modeli matematycznych o różnym stopniu złożoności do symulacji zjawis w wybranym obiecie. Z ta postawione celu głównego wyniają dalsze, bardziej szczegółowe cele. 1. Opracowanie efetywnych procedur i oprogramowania do analizy dynamii silniów magnetoeletrycznych z wyorzystaniem ujęcia polowego i polowo-obwodowego, przystosowanych do optymalizacji. 2. Przeprowadzenie analizy porównawczej i zaproponowanie sposobów formułowania zadania optymalizacji z ograniczeniami w odniesieniu do silniów o magnesach trwałych, w szczególności doboru zmiennych decyzyjnych, sposobów uwzględniania w procesie optymalizacji różnych przeciwstawnych ryteriów oraz ograniczeń. Autor postanowił rozparzyć dwie główne strategie polegające na: (a) formowaniu wieloryterialnych funcji ompromisowych oraz (b) dołączaniu do funcji celu członu reprezentującego arę za przeraczanie ograniczeń. 3. Testowanie i wsazanie najbardziej efetywnych metod optymalizacji bezwarunowej, to jest metod estremalizacji zmodyfiowanych funcji celu, formowanych w postaci addytywnych lub multipliatywnych funcji ompromisowych lub formowanych poprzez uwzględnienie ograniczeń za pomocą ary zewnętrznej. 4. Porównanie efetywności procesów syntezy silniów z wyorzystaniem modeli matematycznych o różnym stopniu złożoności: modeli o parametrach supionych (modeli obwodowych), modeli o parametrach rozłożonych (modeli polowych), a taże modeli polowo-obwodowych. Celem autora jest wsazanie w jaich przypadach, ze względów eonomicznych, uzasadnione jest stosowanie modeli uproszczonych, a w jaich onieczne jest stosowanie doładniejszych modeli polowych. Dlatego przy opracowaniu własnych programów do polowej symulacji stanów pracy zwracano szczególną uwagę na efetywność obliczeniową algorytmów, np. algorytmu formowania macierzy sztywności MES, algorytmu rozwiązywania zagadnień nieliniowych. 5. Opracowanie (na postawie obliczeń testowych) wytycznych do projetowania silniów wybranych typów, w szczególności wytycznych dotyczących wstępnego doboru proporcji wymiarów uładów wzbudzenia z magnesami trwałymi. Z ta sformułowanymi celami pracy wiąże się jej zares. Pierwsze dwa rozdziały autor potratował jao prezentacje atualnego stanu wiedzy w obszarze, tórego dotyczy rozprawa. Na tej podstawie wsazał na potrzeby dotyczące opracowywania nowych strutur i modeli matematycznych do symulacji zjawis w silniach wzbudzanych magnesami trwałymi. Przegląd i analizę porównawczą prezentowanych w literaturze współczesnych onstrucji maszyn wzbudzanych magnesami trwałymi przedstawiono w rozdziale 2. Scharateryzowano w nim wady i zalety proponowanych rozwiązań. 7

8 Znaczna część badań przedstawionych w rozprawie była realizowana w ramach projetu Nowa generacja energooszczędnych napędów eletrycznych do pomp i wentylatorów dla górnictwa współfinansowanego ze środów Europejsiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodara. Badania dotyczyły przede wszystim opracowania nowych strutur silniów synchronicznych o wzbudzeniu magnetoeletrycznym, tóre w przyszłości zastąpią bardziej energochłonne silnii inducyjne. Część z przedstawionych w rozdziale 2 onstrucji, to rozwiązania nowe, zaproponowane w ramach projetu, przy współudziale autora niniejszej rozprawy. W rozdziale 3 scharateryzowano najczęściej stosowane modele matematyczne zjawis eletromagnetycznych, to jest modele o parametrach supionych (modele obwodowe ). Omówiono ogólne zalecenia dotyczące wybranych aspetów projetowania silniów o magnesach trwałych. Wsazano ograniczenia wyniające z przyjmowanych założeń upraszczających. Symulacja omputerowa wymaga tworzenia modeli matematycznych możliwie wiernie odwzorowujących zjawisa zachodzące w projetowanych urządzeniach. Dlatego współcześnie coraz częściej stosuje się modele, w tórych parametry i charaterystyi przetworniów eletromechanicznych są wyznaczane na podstawie rozładu pola eletromagnetycznego. W dostępnej literaturze bra jest opracowań ujmujących omplesowo zagadnienia dotyczące polowo-obwodowej symulacji dynamii maszyn o magnesach trwałych, w szczególności opracowań prezentujących algorytmy na tyle efetywne, by można je było zastosować w procedurach optymalizacji. Dlatego jednym z celów jaie postawił sobie autor rozprawy jest opracowanie efetywnych procedur i oprogramowania do analizy dynamii silniów magnetoeletrycznych z wyorzystaniem ujęcia polowego, przystosowanych do optymalizacji. Zaproponowane procedury do analizy zjawis statycznych i zjawis nieustalonych, z wyorzystaniem metody elementów sończonych (MES) przedstawiono w rozdziale 4. W przetworniach z nieliniowym obwodem magnetycznym, przebiegi prądów w uzwojeniach zwyle nie są znane przed wyznaczeniem rozładu pola. Równania pola muszą być zatem sprzężone z równaniami obwodów eletrycznych przetwornia i równaniami obwodów zewnętrznych. Opracowano zmodyfiowany, efetywny algorytm do rozwiązywania nieliniowych uładów równań modelu polowo-obwodowego, bazujący na metodzie Newtona-Raphsona. W zaproponowanym algorytmie poszuiwane są zarówno poprawi wetora potencjałów ja też poprawi wetora prądów, a nie prądy ja w przypadu sformułowań lasycznych. Zaprezentowane w rozdz. 4 algorytmy i programy omputerowe obejmują taże modelowanie zjawis polowych w stanach dynamicznych (nieustalonych pod względem mechanicznym), to jest w stanach, w tórych w uładzie występuje ruch wirnia ze zmienną, nieznaną a priori prędością obrotową. Do modelowania pola w uładach z elementami 8

9 ruchomymi zaproponowano efetywną metodę redysretyzacji siati MES. Została opracowana procedura rozwiązywania dysretnego równania bilansu momentów i włączona do omplesowego modelu nieustalonych zjawis polowo-obwodowych. Najważniejszy cel jai autor postanowił osiągnąć, polega na połączeniu powyższego omplesowego numerycznego modelu silnia z efetywną procedurą optymalizacyjną. Zadanie taie, to znaczy połączenie rozbudowanego paietu oprogramowania do polowoobwodowej symulacji dynamicznych stanów pracy silniów magnetoeletrycznych z algorytmem optymalizacji nie zostało jeszcze w omplesowym ujęciu rozwiązane. Stanowi najważniejszy nowy element w stosunu do atualnego stanu wiedzy dotyczącej rozpatrywanych w pracy zagadnień. Zagadnienia związane z połączeniem obu głównych bloów, to znaczy omplesowego numerycznego modelu obietu z efetywnie działającą procedurą optymalizacyjną są przedmiotem rozdziału 5. Stworzone środowiso omputerowe słada się z dwóch modułów: modułu optymalizacyjnego oraz modułu zawierającego matematyczny model zjawis analizowanej maszyny. Opracowany system pozwala na wyorzystanie różnych algorytmów optymalizacji w pierwszym z modułów. Natomiast w module do symulacji zjawis można wyorzystywać zarówno prostsze modele (o parametrach supionych), ja również modele polowe i polowo obwodowe, i to dla silniów różnych typów: synchronicznych z magnesami montowanymi na powierzchni wirnia (SPMSM), synchronicznych z magnesami wewnętrznymi (IPMSM), synchronicznych o rozruchu własnym (LSPMSM) oraz dla bezszczotowych silniów prądu stałego (BLDC). Głównym zadaniem jaie postawił sobie autor było opracowanie uniwersalnego środowisa programistycznego umożliwiającego w stosunowo prosty sposób wymianę modułów zarówno modułu optymalizacji, ja również modułu zawierającego model zjawis w dowolnym typie silnia, a taże wymienne stosowanie modeli o różnym stopniu złożoności w zależności od typu realizowanego zadania. Oba moduły są połączone poprzez procedurę transformacji zmiennych decyzyjnych oraz procedurę obliczania funcji celu i ograniczeń. W procedurze optymalizacji wyorzystywany jest wetor bezwymiarowych zmiennych unormowanych, natomiast moduł do symulacji stanów pracy silniów BLDC, PMSM lub LSPMSM wyonuje obliczenia na podstawie wetora zmiennych rzeczywistych Procedura transformacji zmiennych jest więc powiązana ze strumieniem danych wyjściowych modułu optymalizacji i jednocześnie ze strumieniem danych wejściowych modułu z modelem obietu. Odwrotna sytuacja występuje w przypadu procedury obliczania funcji celu i ograniczeń. W tym przypadu wyznaczane parametry funcjonalne silnia tworzą strumień danych wyjściowych z modułu zawierającego matematyczny model zjawis w obiecie i jednocześnie strumień danych wejściowych modułu optymalizacji, w tórym są formowane ompromisowe funcje celu (optymalizacja wieloryterialna) lub człony reprezentujące arę za niespełnienie wymagań (metoda funcji ary zewnętrznej). 9

10 Opracowane środowiso umożliwia taże łączenie modułu zawierającego oprogramowanie własne z modułem wyorzystującym oprogramowanie omercyjne. Jest to pratyczne rozwiązanie, szczególnie przy wyorzystaniu środowisa omercyjnego do odwzorowania polowych zjawis eletromagnetycznych. W taim przypadu onieczne jest jedna opracowanie dodatowych sryptów umożliwiających omuniację pomiędzy różnymi środowisami programistycznymi. Do optymalizacji opracowano warianty oprogramowania bazujące na metodach deterministycznych (metody najszybszego spadu i metody gradientów sprzężonych) oraz procedur probabilistycznych: algorytmu genetycznego (AG), metody roju cząste (PSO) i algorytmu mrówowego. W wyniu wyonania wielu obliczeń testowych stwierdzono, że w procesie optymalnego projetowania silniów magnetoeletrycznych należy stosować algorytmy niedeterministyczne, co uzasadniono w podsumowaniu rozdziału 5. W przypadu optymalizacji obietów technicznych, w tym silniów magnetoeletrycznych, ompromisowe funcje celu, funcje ograniczeń i funcje ary mają bardzo złożone, nie znane projetantowi ształty. Posiadają wiele estremów; ich liczba oczywiście nie jest znana. Algorytmy deterministyczne często utyają w pobliżu estremum loalnego, w pobliżu siodła funcji lub wewnątrz jej zaułu [64, 234]. Algorytmy probabilistyczne (niedeterministyczne) są pod tym względem o wiele bardziej suteczne, bardziej odporne na utnięcia. Na podstawie zrealizowanych i prezentowanych w rozdziale 5 obliczeń stwierdzono, że najbardziej efetywne w optymalnej syntezie silniów magnetoeletrycznych z wyorzystaniem modeli polowych są algorytmy genetyczne (AG) oraz metoda roju cząste (PSO). Te dwie metody zostały włączone do opracowanego środowisa projetowego. Autor, zarówno w przypadu algorytmu genetycznego, ja również metody roju cząste stosował różne proponowane w literaturze modyfiacje i udosonalenia [1, 6, 31, 54, 239, 255]. Zaproponował też szereg własnych modyfiacji. Wszystie modyfiacje zwięszają oczywiście czas obliczeń w ramach modułu optymalizacyjnego. Umożliwiają jedna osiągnięcie optimum przy mniejszej liczebności poolenia lub roju. Zmniejszeniu ulega taże liczba przetworzonych pooleń. Zmniejsza się więc liczba wywołań funcji celu. W przypadu, gdy funcja celu jest formowana z wyorzystaniem prostego modelu zjawis w obiecie, to znaczy przypadu, gdy wyznaczanie parametrów funcjonalnych jest szybie, stosowanie modyfiacji nie jest wsazane; ompliuje algorytmy, a nawet może wydłużyć czas trwania obliczeń optymalizacyjnych. Jedna gdy wyorzystywany jest polowy lub polowoobwodowy model zjawis eletromagnetycznych w urządzeniu, to czas operacji wyonywanych w module optymalizacyjnym jest pomijalnie mały. Wtedy nawet niewielie zmniejszenie liczby 10

11 osobniów w pooleniu i liczby pooleń może znacząco srócić czas obliczeń. To jest jeden z ważniejszych wniosów wyniających z badań wyonanych w ramach tej pracy. Bardzo często w procesie optymalnego projetowania silniów magnetoeletrycznych mamy do czynienia z oniecznością uwzględnienia ilu parametrów funcjonalnych, tóre należy wziąć pod uwagę przy tworzeniu ryteriów optymalności. Zmiany wartości zmiennych decyzyjnych mogą wpływać orzystnie na wszystie ryteria, jedna w pratyce zmiany te często prowadzą do przeciwstawnych tendencji. Jedne parametry poprawiają się, podczas gdy inne pogarszają. Mówimy wówczas, że ryteria są sprzeczne i trzeba szuać ompromisu. Zagadnienia te są przedmiotem tzw. optymalizacji wieloryterialnej. W tego typu zagadnieniach nie można wsazać jednoznacznie tóry wariant jest optymalny. Dlatego często jest wyznaczany tzw. zbiór Pareto (zbiór ompromisów) [130, 139]. Podstawowym zadaniem optymalizacji wieloryterialnej jest znalezienie frontu Pareto. Dalsze działania wymagają interwencji projetanta (jego wiedzy, doświadczenia, intuicji) zmierzającej do wyboru wariantu ompromisowo-optymalnego. Teoria optymalizacji wieloryterialnej proponuje strategie wspomagające podjęcie decyzji, np. algorytm wagowy lub algorytm minmax [168]. Strategie te zazwyczaj prowadzą do sonstruowania ompromisowej funcji celu i przeprowadzenia optymalizacji jednoryterialnej. W strategii wagowej formułowana jest addytywna lub multipliatywna funcja ompromisowa: Na etapie wstępnej optymalizacji silniów, tórej celem jest rozpoznanie relacji pomiędzy parametrami opisującymi struturę obwodów eletromagnetycznych, a uzysiwanymi parametrami funcjonalnymi, dopuszczalne wartości parametrów nie są jednoznacznie oreślone. Dlatego, przy wstępnym formułowaniu wytycznych do projetowania, wygodniejsze jest dołączenie tych dodatowych parametrów z odpowiednią wagą do ompromisowej funcji celu i wyorzystanie zasad optymalizacji wieloryterialnej. Natomiast w procesie projetowania silnia dedyowanego do oreślonego zadania lub przeznaczonego do seryjnej producji, funcją celu może być wąsi zbiór wybranych parametrów funcjonalnych; pozostałe parametry tworzą wówczas zbiór ograniczeń nierównościowych. W taim przypadu z powodzeniem można stosować metodę funcji ary. Ponieważ w algorytmie genetycznym przystosowanie musi być wielością dodatnią (ara nie może przewyższać funcji celu), zatem autor zaproponował modyfiację członu reprezentującego arę z wyorzystaniem funcji sigmoidalnej. Opracowana i wdrożona procedura upodabnia algorytm z funcją ary do algorytmu z multipliatywną funcją ompromisową. Funcja zmodyfiowana (z arą) jest wówczas iloczynem dwóch czynniów: funcji celu i czynnia związanego z ograniczeniami. W lasycznej metodzie z funcją ary zewnętrznej, zwięszenie współczynnia ary następuję po całowitym zaończeniu bezwarunowej optymalizacji zmodyfiowanej funcji celu [166, 209]. W algorytmach niedeterministycznych wyorzystywanych w tej pracy (AG 11

12 i PSO) taie postępowanie jest niecelowe; prowadzi do znacznego, niepotrzebnego wydłużenia czasu obliczeń. Wyazano, że bardzo dobre wynii zapewnia algorytm ze zmianą współczynnia ary przed osiągnięciem optimum, po wyonaniu obliczeń dla ilu pooleń. Zaproponowano więc oryginalny algorytm mieszany, w tórym operacje związane z obiema strategiami (algorytmem genetycznym i generowaniem narastającej ary) wzajemnie się przeniają podrozdz W porównaniu z procedurą lasyczną uzysano nawet trzyrotne srócenie czasu obliczeń. Bardzo ważnym zagadnieniem w estremalizacji funcji ompromisowej jest dobór współczynniów wagowych z jaimi są uwzględniane poszczególne ryteria. Autorsą metodyę dobierania wartości tych współczynniów przedstawiono w podrozdziale 5.5 oraz rozdziałach 6 i 7. W podrozdziale przedstawiono wynii testowych obliczeń optymalizacyjnych silnia LSPMSM z zastosowaniem zmodyfiowanej metody PSO. Z przeprowadzonych badań wynia bardzo ważny wniose, a mianowicie, że model o parametrach supionych może być wyorzystywany do wstępnej optymalizacji maszyn synchronicznych o rozruchu własnym, pod waruniem, że w obwodzie magnetycznym nie wystąpią obszary silnie nasycone. W drugim przyładzie testowym wyorzystano algorytm genetyczny do optymalizacji wymiarów rdzenia oraz parametrów uzwojeń transformatora zasilacza eletronicznego, zapewniających minimalne straty mocy. Zastosowano model o parametrach supionych. Celem badań było testowanie różnych strategii i ocena ich przydatności w procesie projetowania urządzeń eletromagnetycznych. Przeprowadzono analizę efetywności różnych metod: reproducji, rzyżowania, mutacji oraz wpływu strategii elitarnej na przebieg procesu optymalizacji. W ostatnim teście (rozdz ) opracowane oprogramowanie wyorzystano do realizacji zadania innego typu, nie polegającego na optymalnej syntezie obietu. Wyorzystano metodę roju cząste do identyfiacji parametrów histerezy magnetycznej modelu Jilesa-Athertona. Zastosowanie naturalnego ryterium w postaci odchylenia nie pozwalało odwzorowanie pętli histerezy z zadowalającą doładnością. Po wielu próbach testowych zaproponowano autorsą metodę formowania trójczłonowej funcji celu obejmującej dodatowe dwa sładnii dotyczące pola powierzchni pętli oraz położenia jej wierzchołów. Wszystie wyonane testy potwierdziły przydatność i efetywność opracowanego oprogramowania. Opracowane środowiso zostało w dalszej części badań z powodzeniem wyorzystane do optymalizacji silniów synchronicznych o magnesach trwałych (rozdział 6) i silniów BLDC (rozdział 7). W rozdziale 6 zaprezentowano algorytmy i wynii badań dotyczących wyorzystania algorytmu genetycznego do: 12

13 optymalizacji wirnia PMSM z magnesami łuowymi z uwzględnieniem momentu zaczepowego, optymalizacja wirnia PMSM z uwzględnieniem współczynnia THD zawartości harmonicznych w przebiegu siły eletromotorycznej, optymalizacji wirnia PMSM z uwzględnieniem współczynnia THD i momentu zaczepowego, optymalizacji wirnia PMSM z hybrydowym uładem wzbudzenia. W ostatnim teście przedstawiono możliwość wyorzystania metody roju cząste do optymalizacji wirnia LSPMSM. Jednym z ważniejszych osiągnięć autora w zaresie zaleceń co do metodyi definiowania zadania optymalizacji, jest sformułowana w rozdziale 6 teza dotycząca doboru cząstowych ryteriów w funcji ompromisowej. Stwierdzono, że przy niewłaściwym wyborze ryteriów algorytm optymalizacji może działać wadliwie. Dotyczy to przypadu gdy poszczególnie ryteria mają znacznie zróżnicowaną czułość na zmiany parametrów decyzyjnych. Ja poazano rozdziale 6, zmiana przyjętej jao parametr decyzyjny względnej rozpiętości magnesu o ila procent może generować iluprocentowe zmiany użytecznego momentu eletromagnetycznego, przy jednoczesnych zmianach momentu zaczepowego o ilaset procent. Algorytm jest zbyt czuły na moment zaczepowy, co wypacza wyni lub załóca proces optymalizacji wydłużając wielorotnie czas obliczeń. Dlatego zaproponowano deompozycję zadania optymalizacji na etapy, w tai sposób by uninąć łączenia w jedną funcję ompromisową sładniów o charaterze unimodalnym i multimodalnym, a w szczególności by uninąć łączenia członów o bardzo różnej czułości na zmiany poszczególnych parametrów decyzyjnych. Jest to jedna z głównych onluzji wyniających z przeprowadzonych badań nad formułowaniem i realizacją zadań optymalnej syntezy urządzeń eletromagnetycznych. W rozdziale 7 przestawiono wynii obliczeń i wyniające z nich wniosi dotyczące formułowania i rozwiązywania zadań optymalnej syntezy silniów typu BLDC. W procesie optymalnej syntezy wyorzystano algorytm genetyczny. Podstawową wadą silniów bezszczotowych są pulsacje momentu eletromagnetycznego, obejmujące dwa sładnii: moment zaczepowy i moment tętniący. Przyczyną występowania momentu tętniącego jest sposób sterowania silniiem. W celu uzysania impulsów prądowych o pożądanym ształcie, onieczne jest formowanie ształtu impulsów napięciowych, co w przypadu stosowania bipolarnych uładów sterowania jest utrudnione. Dlatego pulsacje momentu muszą być minimalizowane już na etapie projetowania silnia. W wyniu omutacji, w obwodzie magnetycznym silnia BLDC występują silnie nasycone podobszary. Przeprowadzenie obliczeń optymalizacyjnych, przy wyorzystaniu uproszczonych obwodowych modeli 13

14 zjawis może być całowicie nieefetywne i może prowadzić do błędnych rozwiązań w sensie optymalizacji. Dlatego do obliczeń optymalizacyjnych silniów BLDC należy stosować polowo-obwodowy model nieustalonych zjawis eletromagnetycznych. W rozdziale 7 porównano procesy optymalizacji silnia BLDC dla dwóch różnych strategii: (a) z ompromisową, wieloryterialną funcją celu, (b) z dołączoną do algorytmu genetycznego procedurą ary zewnętrznej za przeroczenie ograniczeń. Wyazano przydatność obu strategii. Przeprowadzono również wniliwą analizę dotyczącą optymalnego doboru liczby osobniów w pojedynczym pooleniu. Zaproponowano liczebność poolenia zapewniająca ompromis pomiędzy jaością otrzymywanych wyniów, a złożonością czasową procesu optymalizacyjnego. Biorąc pod uwagę zareślone powyżej cele oraz zares można sformułować następujące tezy pracy. 1. Możliwe jest opracowanie uniwersalnego, omplesowego i jednocześnie efetywnego omputerowego narzędzia do optymalnej syntezy różnych typów silniów magnetoeletrycznych z wyorzystaniem polowych i polowo-obwodowych modeli zjawis eletromagnetycznych w tych silniach. 2. Dla prawidłowego działania algorytmu optymalnej syntezy podstawowe znaczenie ma sformułowanie zadania optymalizacji: dobór zmiennych decyzyjnych, dobór ryteriów cząstowych przy formowaniu ompromisowej funcji celu. Ze względu na zróżnicowaną czułość ryteriów cząstowych na zmiany parametrów decyzyjnych, w wielu przypadach onieczna jest deompozycja zadania, to jest jego podział na realizowane sewencyjnie etapy. 3. W przypadu zadania optymalizacji z ograniczeniami możliwe jest połączenie algorytmu genetycznego z metodą funcji ary zewnętrznej w tai sposób by operacje związane z tymi strategiami wzajemnie się przeniały. 4. Na etapie wstępnej optymalizacji silniów, tórej celem jest rozpoznanie relacji pomiędzy parametrami opisującymi struturę obwodów eletromagnetycznych a uzysiwanymi parametrami funcjonalnymi, wygodniejsze jest łączenie tych parametrów w funcję ompromisową. Natomiast w procesie projetowania silnia dedyowanego do oreślonego zadania lub przeznaczonego do seryjnej producji, funcję celu można onstruować na bazie wybranych parametrów funcjonalnych; pozostałe parametry (tórych wartości są sztywno narzucone) należy włączyć do zbioru ograniczeń nierównościowych, uwzględnianych z wyorzystaniem metody funcji ary zewnętrznej. 14

15 2. Silnii wzbudzane magnesami trwałymi 2.1. Rozwój materiałów magnetycznie twardych Zjawiso magnetyzmu towarzyszy człowieowi od bardzo dawna. Pierwsze wzmiani dotyczące wyorzystania pierwiastów o właściwościach magnetycznych pochodzą z ooło 2600 r. p.n.e., iedy wojsa cesarza Huang-Ti wyorzystywały ompasy magnetyczne do wyznaczenia ierunu swojego marszu [48]. Pierwsze magnesy wyonane były z naturalnego magnetytu. Wyorzystywano je do budowy busoli magnetycznej. Począte technologii wytwarzania materiałów magnetycznie twardych rozpoczął się w drugiej połowie XIX wieu. Poprawianie właściwości tych materiałów w XX wieu znacząco przyczyniło się do rozwoju dziedzin eletrotechnii związanych z projetowaniem i producją maszyn magnetoeletrycznych. Począti onstrucji tego typu maszyn datowane są już na XIX wie. Pierwszą onstrucją obrotowej maszyny eletrycznej była samowzbudna dynamo-eletryczna maszyna zaprezentowana przez belgijsiego inżyniera Zénobe Théophile Gramme a we francusiej Aademii Nau w lipcu 1871 rou. Maszyna Gramme a była prądnicą o mocy 3 W, prędości obrotowej 420 obr/min oraz masie 600 g [123]. Maszyna mogła pracować zarówno jao prądnica lub silni. Jao magnesy stosowane były wówczas stale węglowe. W 1920 rou najlepszymi właściwościami magnetycznymi charateryzowały się stale twarde: chromowa, obaltowa oraz wolframowa [62]. W tym oresie obserwowano nawet pewne spowolnienie w rozwoju onstrucji maszyn eletrycznych o wzbudzeniu eletromagnetycznym. Przełomowym momentem w rozwoju maszyn eletrycznych wzbudzanych magnesami trwałymi było opracowanie przez T. Mishima w 1932 rou stopów magnesów utwardzanych dyspersyjnie: Al Ni Fe oraz Fe Al Ni Co [73]. Maszyny o wzbudzeniu magnetoeletrycznym stały się wówczas onurencyjne w stosunu do maszyn o wzbudzeniu eletromagnetycznym. Współcześnie magnesy stopowe, ALNICO straciły swoje wiodące znaczenie; stosowane są głownie w maszynach synchronicznych do mocy iludziesięciu ilowatów [224]. Szybie tempo rozwoju technologicznego, wdrażanie nowych technologii doprowadziło do odrycia w 1955 rou magnesów ferrytowych. Są one wyonywane na bazie baru (Ba) lub strontu (Sr). Technologia wytwarzania tego typu magnesów jest technologią ceramiczną [210]. W zależności od sposobu wytwarzania wyróżniamy materiały anizotropowe oraz izotropowe, produowane metodą spieania na sucho. Materiały anizotropowe, tóre są magnesowane w ściśle oreślonym ierunu, charateryzują się więszymi gęstościami energii niż magnesy izotropowe, tóre mogą być magnesowane w dowolnych ierunach. 15

16 Próby poszuiwania materiałów o coraz lepszych właściwościach magnetycznych doprowadziły do odrycia pod oniec lat 60-tych XX wieu magnesów produowanych na bazie pierwiastów ziem rzadich. Jao pierwsze produowano magnesy Sm-Co charateryzujące się więszą gęstością energii wytwarzanego pola oraz znacznie lepszą stabilnością temperaturową w porównaniu do magnesów ferrytowych. Magnesy tego typu produowane są metodami spieania lub spajania pod ciśnieniem. Są materiałami anizotropowymi dlatego ierune magnesowania może być dopasowany do ształtu magnesu. Obecnie produowane są dwa typy magnesów: SmCo 5 oraz Sm 2 Co 17. Najsilniejszymi dotychczas wyproduowanymi magnesami są trójsładniowe magnesy z pierwiastów ziem rzadich neodym, żelazo, bor NeFeB, tórych producję rozpoczęto w latach 80-tych XX wieu. Najbardziej popularne Nd 2 Fe 14 B charateryzują najwięszą gęstością energii magnetycznej oraz dużą powtarzalnością właściwości magnetycznych. Wadą jest słaba odporność na orozję. W celu uodpornienia magnesów neodymowych porywane są one powłoami zabezpieczającymi wyonanymi z nilu, chromu oraz tworzyw sztucznych. Ze względu na technologię producji magnesy można podzielić na następujące grupy: magnesy wiązane, wytwarzane poprzez spajanie materiału magnetycznego specjalnym tworzywem sztucznym (żywica lub nylon), wytwarzane jao magnesy izotropowe i anizotropowe. Drugą grupę magnesów neodymowych tworzą magnesy spieane. Do budowy współczesnych silniów wzbudzanych przez magnesy trwałe w celu uzysania ja najlepszych parametrów użytowych (sprawność, trwałość oraz wysoie stosuni mocy wyjściowej do masy) stosowane są magnesy o najlepszych właściwościach magnetycznych oraz posiadające najwięszą odporność na rozmagnesowanie. Do tej grupy zaliczamy ferryty oraz magnesy wytwarzane na bazie pierwiastów ziem rzadich. W tabeli 2.1 przedstawiono porównanie podstawowych parametrów powyżej opisanych materiałów magnetycznie twardych: natężenie oercji max H C, inducję remanentu B r, gęstość energii BH oraz masymalną temperaturę pracy T max [21, 49, 263, 267]. Rysune 2.1 prezentuje rzywe odmagnesowania tych materiałów. Tabela 2.1. Wybrane parametry materiałów magnetycznie twardych Materiał H c B r (BH) max T max [A/m] [T] [J/m 3 ] [ºC] Ferryty (spieane) ,25 0,45 6, AlNiCo (odlewane) ,8 1, AlNiCo (spieany) ,6 1, Sm 2 Co ,73 1, NdFeB (spieane) ,0 1, NdFeB (diaeletromagnety) ,5 0,

17 Rys Porównanie charaterysty odmagnesowania magnesów trwałych 2.2. Klasyfiacja silniów magnetoeletrycznych Do grupy maszyn eletrycznych wzbudzanych magnesami trwałymi możemy zaliczyć: silnii synchroniczne PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor), silnii synchroniczne o rozruchu własnym LSPMSM (Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor), bezszczotowe silnii prądu stałego BLDC (Brushless Direct Current Motor), omutatorowe silnii prądu stałego (Brush Direct Current Motor), silnii roowe (Stepper Motor). Na rysunu 2.2 przedstawiono ogólną lasyfiację silniów eletrycznych ze wsazaniem maszyn wzbudzanych magnesami trwałymi. W pracy szczegółowo rozpatrywane będą typy silniów BLDC, PMSM oraz LSPMSM. Strutury obwodów magnetycznych bezszczotowych silniów prądu stałego, synchronicznych i roowych są podobne, obejmują uzwojony stojan oraz wirni z magnesami trwałymi. Jedna pomiędzy właściwościami tych silniów występują istotne różnice. Silnii synchroniczne charateryzują się sinusoidalnymi przebiegami: prądu fazowego, sinusoidalnym przebiegiem siły eletromotorycznej induowanej w uzwojeniach stojana oraz w przybliżeniu sinusoidalnym rozładem inducji magnetycznej w szczelinie powietrznej [2]. Mogą być zasilane z falownia (PMSM) lub bezpośrednio z sieci trójfazowej (LSPMSM). Bezszczotowe silnii prądu stałego charateryzują się prostoątnym przebiegiem prądu w ażdym paśmie oraz trapezoidalnym przebiegiem siły eletromotorycznej 17

18 induowanej w stojanie. Sterowanie ruchem tego typu maszyn realizowane jest przez uład omutatora eletronicznego. Silnii roowe zasilane są odpowiednio dobraną sewencją impulsów. Są przeznaczone do precyzyjnego pozycjonowania napędzanego elementu. Różne przeznaczenia silniów i związane z tym różne sposoby zasilania powodują istotne różnice w onstrucjach stojanów i wirniów. Silnii eletryczne Silnii prądu zmiennego Silnii prądu stałego Asynchroniczne Jednofazowe Silnii z uzwojeniem Ze wzbudzeniem od uzwojeń Szeregowe Boczniowe Ze wzbudzeniem od magnesów trwałych Silnii z pomocniczym Obcowzbudne Trójfazowe Klatowe Pierścieniowe Synchroniczne Wzbudzane magnesami trwałymi Relutancyjne Histerezowe Silnii o omutacji eletronicznej Silnii roowe z magnesami trwałymi Przełączalne relutancyjne (SRM) Bezszczotowe wzbudzane magnesami trwałymi (BLDC) Silnii omutatorowe uniwersalne Rys Klasyfiacja silniów eletrycznych 18

19 2.3. Silnii synchroniczne Wprowadzenie W wyniu ciągłego rozwoju inżynierii materiałowej powstają magnesy trwałe o dużych gęstościach energii, lepszych parametrach magnetycznych, mechanicznych i termicznych. Współcześnie producenci i użytownicy maszyn eletrycznych coraz częściej zwracają uwagę na energooszczędność urządzeń. Z powyższych powodów obserwowany jest wzrost zainteresowania oraz rozwój onstrucji silniów magnetoeletrycznych, to jest silniów wzbudzanych magnesami trwałymi. Silnii te posiadają wiele zalet: wysoi stosune momentu do masy, wyższą sprawność, więszy współczynni mocy, niższe oszty esploatacji, więszą dynamię działania oraz nisą awaryjność [49, 136, 198]. Maszyny PMSM są silniami zazwyczaj małej i średniej mocy. Uzwojenie stojana jest rozmieszczone równomiernie w żłobach i sojarzone w gwiazdę. Uzwojenia silniów PMSM są podobne do uzwojeń maszyn inducyjnych. Różnorodność parametrów magnesów trwałych oraz szeroie spetrum zastosowań pratycznych tego typu maszyn, wpływa na zróżnicowanie ich onstrucji [21, 83]. W struturach tych maszyn magnesy są nalejane na zewnętrzną powierzchnię wirnia lub umieszczone wewnątrz jego paietu (wsuwane). Wymiary, ształt oraz rozmieszczenie magnesów trwałych pozwala na osiągnięcie pożądanego przez onstrutora rozładu pola magnetycznego w szczelinie powietrznej. W przypadu silniów PMSM dąży się do uzysania rozładu sinusoidalnego. Podstawową wadą silniów PMSM jest onieczność stosowania przy rozruchu uładów przeształtniowych, co powoduje zwięszenie całowitego osztu napędu [13]. W celu uninięcia dodatowych osztów stosowane są silnii synchroniczne o rozruchu własnym (LSPMSM). Maszyny LSPMSM łączą zalety silnia PMSM podczas pracy w stanie ustalonym, natomiast uzwojenie latowe ma za zadanie wytworzyć odpowiedni moment rozruchowy. Silnii te są przystosowane do rozruchu przy bezpośrednim podłączeniu do sieci zasilającej. Prace nad dosonaleniem onstrucji tego typu silniów prowadzone są obecnie w wielu ośrodach nauowo-badawczych na całym świecie [13, 41, 55, 65, 84, 251] Obwody magnetyczne maszyn PMSM Wymagane przez onstrutorów parametry funcjonalne silniów magnetoeletrycznych są determinowane przez waruni esploatacji, ryteria eonomiczne oraz wymogi europejsich norm dotyczących energooszczędności [175]. Obecnie produowane maszyny synchroniczne magnetoeletryczne posiadają magnesy trwałe umieszczone w wirniu. Stojany maszyn synchronicznych nie różnią się od stojanów maszyn inducyjnych [224]. Często prace nad poprawieniem parametrów funcjonalnych 19

20 przeprowadza się wyonując proces optymalizacji wirnia maszyny magnetoeletrycznej. Wymiary geometryczne paietu stojana przyjmuje się wówczas z seryjnie produowanego silnia inducyjnego [114, 117]. Zasilanie maszyn PMSM realizowane jest przy wyorzystaniu falowniów wyposażonych w ułady do regulacji częstotliwości stosowany jest wówczas rozruch częstotliwościowy. W onstrucji wirniów tego typu maszyn stosowane mogą być następujące sposoby montażu magnesów [26, 101, 252]: magnesy nalejane na powierzchni wirnia (surface mounted permanent magnet SPM [26]), magnesy osadzane w wirniu (insert rotor with surface magnet ISM [198]), magnesy ułożone promieniowo (buried radial magnets BRM [70]) magnesy zagłębione w rdzeniu wirnia (buried, interior permanent magnets IPM [218]); Na rysunu 2.3 przedstawiono przyładowe onstrucje wirniów pierwszych trzech typów wirniów silniów synchronicznych. W najprostszym przypadu wirnia SPM wirni jest wyonany w postaci ferromagnetycznej tulei na powierzchni tórej nalejane są magnesy trwałe uformowane w ształcie wycina pierścienia rys. 2.3a. Podstawowe wady tego typu onstrucji wirniów to duże niebezpieczeństwo uszodzenia pod wpływem działania sił odśrodowych przy dużych prędościach oraz możliwość odmagnesowania materiału magnetycznego. a) b) c) Rys Wybrane strutury wirniów walcowych PMSM: a) magnesy SPM, b) magnesy osadzane w wirniu, c) magnesy ułożone promieniowo Główną zaletą strutury IPM (rys. 2.4) jest stosunowo prosta możliwość ształtowania pola magnetycznego w szczelinie powietrznej poprzez odpowiednio przyjęty przerój obwodu magnetycznego wirnia. Konstrucję cechuje również więsza odporność na uszodzenia mechaniczne mogące powstać pod wpływem działających sił odśrodowych. W tym przypadu magnesy są bardziej odporne na odmagnesowanie. Przyłady obwodów magnetycznych współczesnych silniów synchronicznych z magnesami zagłębionymi w wirniu przedstawiono na rys. 2.4 [83, 252]. 20

21 a) b) c) Rys Wybrane strutury silniów z wirniami walcowymi IPM: a) maszyna z powietrznymi barierami dla strumienia, b) maszyna z magnesami w ształcie litery V z dasziem, c) maszyna z łuowymi magnesami Obwody magnetyczne maszyn LSPMSM Silnii synchroniczne o rozruchu własnym łączą zalety dwóch typów maszyn eletrycznych: inducyjnych i synchronicznych. LSPMSM mogą być stosowane jao zamiennii popularnych silniów inducyjnych, jedna charateryzujące się wyższą sprawnością oraz więszym współczynniiem mocy. Z badań przedstawionych w ramach projetu Nowa generacja energooszczędnych napędów eletrycznych do pomp i wentylatorów dla górnictwa wynia, że w przypadu silniów LSPMSM uzysuje się sprawności ooło 4 7 % więsze od sprawności silniów inducyjnych tej samej mocy. Współczynni mocy wzrasta nawet o 0,1 [228]. Obecnie publiowane wynii badań symulacyjnych oraz weryfiacja pomiarowa tych maszyn wyazuje na możliwości znacznego poprawienia współczynnia energooszczędności [5, 16, 81]. Rozruch LSPMSM jest możliwy dzięi momentowi asynchronicznemu wytwarzanemu przez uzwojenie latowe w wirniu. W warunach pracy ustalonej, maszyna wpada w synchronizm i moment synchroniczny jest momentem roboczym. Proces technologiczny producji silniów synchronicznych małej mocy o rozruchu własnym jest zbliżony do procesu producji małych silniów inducyjnych. Wyniająca z różnorodności ształtów magnesów strutura paietu wirnia, wymaga zaprojetowania i wyonania odpowiednich narzędzi, tóre dedyowane byłyby dla onretnego rozwiązania onstrucyjnego silnia, co często zwięsza oszty producji [257]. Koszt producji maszyn LSPMSM jest wyższy od osztu producji silniów latowych taże o oszt materiału magnesu. Żywotność produowanych maszyn jest podobna do żywotności maszyn inducyjnych. Na rys. 2.5 przedstawiono wybrane strutury obwodów magnetycznych maszyn LSPMSM. Koncepcję silnia o rozruchu własnym, w tórym zastosowano pierścień wyonany z materiału przewodzącego zastępujący latę rozruchową przedstawiono na rys. 2.5c [72]. Zmodyfiowaną struturę maszyny PMSM z łuowymi magnesami w ształcie litery V poazano na rys. 2.5d. W celu zwięszenia momentu rozruchowego stosuje się rozwiązanie ze zmienną średnicą prętów lati rysune 2.5d 21

22 [229]. W celu zmniejszenia strumienia rozproszenia w wirniu są wyonywane prostoątne bariery powietrzne [23, 78]. a) b) c) d) e) Rys Wybrane strutury obwodów magnetycznych LSPMSM: a) maszyna z latą rozruchową i magnesami rozłożonymi w ształcie litery U, b) maszyna z orągłymi prętami lati rozruchowej oraz magnesami rozłożonymi w ształcie litery W, c) maszyna o latce rozruchowej wyonanej w postaci pierścienia, d) maszyna z magnesami łuowymi i różnymi przerojami prętów lati rozruchowej, e) maszyna z latą rozruchową i magnesami umieszczonymi przy powierzchni wirnia Nowe oncepcje onstrucji silniów synchronicznych Rozwój technologii proszowej umożliwia swobodne ształtowanie geometrii elementów oraz zmiany właściwości magnetycznych w zależności od zastosowanych domiesze. Zastosowanie ompozytów proszowych umożliwia uzysanie swobodnego wpływu na właściwości magnetyczne uładów wzbudzenia maszyn synchronicznych. Obecnie do najnowszych rozwiązań technologii proszowej możemy zaliczyć możliwość wytwarzania elementów hybrydowych. Elementy te sładają się z co najmniej dwóch obszarów wyonanych z materiałów o różnych właściwościach magnetycznych. Są wyonywane w jednym procesie technologicznym [229]. W przypadu magnesów hybrydowych mogą to być magnesy wyonane z mieszane różnych materiałów lub magnesy o struturze warstwowej [84]. Właściwości oraz parametry taich magnesów można dostosować do projetowanej onstrucji i wymagań stawianych maszynie [98]. 22

23 Współcześnie produowane maszyny PMSM z wyorzystaniem magnesów na bazie pierwiastów ziem rzadich umożliwiają poprawianie parametrów energooszczędności silniów przy zachowaniu tych samych wymiarów zewnętrznych. Główną wadą silniów o rozruchu własnym LSPMSM jest słaba zdolność synchronizacji oraz mała wartość momentu rozruchowego. Wartość momentu rozruchowego możemy ształtować poprzez zmiany wartości rezystancji lati. Zastosowanie magnesów hybrydowych umożliwia poszuiwanie onstrucji pozbawionych powyżej wymienionych wad. Pełne wyorzystanie zalet i właściwości silniów o wirniu hybrydowym wymaga poznania zjawis, opracowania nowych, doładnych modeli matematycznych oraz algorytmów ich projetowania i optymalizacji tych silniów [143, 173, 176]. Przy współudziale autora niniejszej pracy, między innymi w ramach projetu Nowa generacja energooszczędnych napędów eletrycznych do pomp i wentylatorów dla górnictwa zaproponowano szereg nowych onstrucji strutur silniów magnetoeletrycznych. Nowoczesne wirnii silniów synchronicznych z magnesami trwałymi pozwalają na zmniejszenie zużycia energii i osztów esploatacji oraz zwięszenie współczynnia mocy przy jednoczesnym zmniejszeniu gabarytów. Wadą tych silniów jest słaba zdolność synchronizacji oraz mały moment rozruchowy, tóry pogarsza się ze wzrostem natężenia oercji magnesów. W silniach synchronicznych z magnesami trwałymi przystosowanych do rozruchu bezpośredniego wyorzystuje się latę rozruchową. Zwięszenie rezystancji lati powoduje wzrost momentu rozruchowego, ale wpływa nieorzystnie na zdolność synchronizacji silnia. Celowe jest poszuiwanie onstrucji o ja najlepszych parametrach esploatacyjnych charateryzujących się dużym momentem rozruchowym i łatwością synchronizacji. [111, 229]. Na rysunu 2.6 przedstawiono wybrane strutury maszyn z magnesami hybrydowymi Na rys. 2.6b poazano struturę silnia z zewnętrzną warstwą wirnia wyonaną z materiału przewodzącego oraz magnesem będącym hybrydą dwóch proszów o różnych właściwościach magnetycznych. Materiał magnesów należy dobierać w zależności od potrzeb wymaganego rozładu inducji w szczelinie. Środowa cześć magnesu powinna być wyonana z materiału o dużej wartości inducji remanentu B r, ońce z materiału o dużym natężeniu oercji H c. Rysune 2.6c przedstawia obwód magnetyczny silnia w tórym pomiędzy magnesami o różnych właściwościach magnetycznych umieszczono pręty lati rozruchowej. W tym przypadu istnieje niebezpieczeństwo odmagnesowania magnesów srajnych, dlatego wyonuje się je z materiałów o dużym natężeniu oercji [229]. 23

24 a) b) c) d) e) Rys Wybrane strutury obwodów magnetycznych silniów wzbudzanych uładem magnesów: a) maszyna z dwoma obszarami magnetycznymi nalejonymi na powierzchni wirnia, b) maszyna z hybrydowymi magnesami i warstwą przewodzącą przy powierzchni wirnia, c) maszyna z trójątnymi prętami lati rozruchowej i magnesami o różnych właściwościach magnetycznych, d) maszyna z hybrydowymi magnesami uształtowanymi w ształcie litery U oraz latą rozruchową, e) maszyna z magnesami umieszczonymi pomiędzy prętami lati rozruchowej Na rys. 2.6d przedstawiono struturę silnia z latą rozruchową i magnesami proszowymi o różnych właściwościach uformowanymi w ształcie litery U. Umieszczenie prętów lati rozruchowej bliso szczeliny powietrznej powinno zapewnić wpad w synchronizm, przy nieco gorszym momencie rozruchowym wyniającym z oddziaływania magnesów. Rysune 2.6e ilustruje struturę silnia, w tórej pomiędzy uładem magnesów z materiału proszowego o różnych właściwościach magnetycznych umieszczono pręty lati rozruchowej Bezszczotowe silnii prądu stałego Wprowadzenie W ostatnich latach obserwowany jest dynamiczny rozwój onstrucji bezszczotowych silniów prądu stałego (Brushless Direct Current Motor BLDC). Silnii BLDC należą do 24