BEZRDZENIOWY SILNIK TARCZOWY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Transkrypt

1 Zszyty Problmow Maszyny Elktryczn Nr 77/007 6 Piotr Cirzniwski Politchnika Szczcińska, Szczcin BEZRDZENIOWY SILNIK TARCZOWY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI CORELESS AXIAL FLUX PERMANENT-MAGNET MACHINES Abstract: Th papr prsnts construction and principls of opration of corlss axial flux PM machin. In its construction nw solution of stator windings mounting was usd, that allowd to xploit activ parts of machin mor fficintly. Elctric disc motors hav small axial dimnsions and can b installd dirctly in constructions of machin tools, tchnological dvics and indpndnt mans of transportation. Th intrst in disc machins has grown rcntly du to introduction into opration nw slotlss and corlss constructions that allow, by using SEMA (Sgmntd ElctroMagntic Array) tchnology, not only to liminat frromagntic yoks and stator s cors, but also to incras its fficincy, dcras wight and siz and dcras lvl of noiss and vibrations of machin during its opration. Thr was also prsntd thr dimnsional modl of machin and its paramtrs and charactristics obtaind du to simulation. Rsults of this simulation wr vrifid with xprimntal masurmnts conductd on physical modl. To vrify numric modl by comparing it to physical modl, a dpndnc of lctromagntic torqu from phas winding s constant currnt was dtrmind for static stat.. Wstęp Znaczn zwiększni sprawności prztwarzania nrgii w maszynach lktrycznych stało się możliw poprzz zastosowani tchnologiczni najnowszych matriałów ograniczających straty mocy czynnj, w tym równiż zastosowani magnsów trwałych w obwodach wzbudznia. Matriały magntyczn tward pozwalają na konstruowani obwodów wzbudznia EMPE o zwiększonj indukcji magntycznj B δ w szczlini. Paramtry osiągan przz obcni produkowan tranzystory, wykorzystywan w układach strowania, pozwalają na formowani odpowidnich przbigów prądu i napięcia co do wilkości, kształtu, częstotliwości, czasów narastania prądów i napięć. W przszłości silniki bzszczotkow z magnsami trwałymi były stosowan główni jako napędy o stosunkowo małj mocy i silniki wykonawcz układów automatyki. Obcni, z względu na znaczny postęp w rozwoju wysokonrgtycznych magnsów trwałych i lmntów nrgolktronicznych, moc tych silników jst coraz większa. Silniki z komutacją lktroniczną i magnsami trwałymi w obwodzi wzbudznia znajdują coraz szrsz zastosowania w wilu dzidzinach. Jako przykłady zastosowań można wyminić napędy lktryczn pojazdów z silnikim wbudowanym w piastę koła, silniki do napędu statków, robotów podwodnych, srwonapędów w robotach przmysłowych, gdzi wymagana jst duża dynamika oraz minimalna objętość i masa silnika. Konstrukcj tych silników cały czas rozwijają się. Dąży się w nich do uzyskania jak największj mocy jdnostkowj, momntu lktromagntyczngo czy siły, zwiększnia sprawności, zmnijsznia pulsacji momntów i szumów, wzrostu dynamiki zmnijsznia ich masy oraz objętości przy zachowaniu mocy i momntu na stałym poziomi. Silniki typu tarczowgo mają, w porównaniu z silnikami typu walcowgo, lpsz charaktrystyki tchniczn i wskaźniki masowogabarytow przy zwiększniu śrdnicy i liczby par bigunów. Zaintrsowani maszynami tarczowymi wzrosło w ostatnim czasi poprzz wdrożni nowych bzżłobkowych i bzrdzniowych konstrukcji, któr pozwalają, dzięki tchnologii SEMA (Sgmntd ElctroMagntic Array), ni tylko wyliminować jarzma frromagntyczn i rdzni stojana, al równiż podwyższyć sprawność, zmnijszyć masę i gabaryty oraz obniżyć poziom szumów i wibracji maszyny podczas jj pracy. Dodatkowo dzięki zastosowaniu bzrdzniowj struktury w silnikach tarczowych na bazi tchnologii SEMA ni występują w nich pulsacj momntu lktromagntyczngo ani straty wywołan zjawiskim histrzy.

2 6 Zszyty Problmow Maszyny Elktryczn Nr 77/007. Konstrukcja silnika tarczowgo. Śrdnica zwnętrzna i wwnętrzna części aktywnych silnika Jdnym z ważnijszych paramtrów przy projktowaniu silników tarczowych z magnsami trwałymi jst wyznaczni śrdnicy zwnętrznj D i wwnętrznj D i części aktywnych silnika (rys.). Wartość śrdnią momntu lktromagntyczngo M silnika tarczowgo z jdną tarczą stojana i dwoma tarczami wirnika w zalżności od wilkości D i D i można zapisać równanim: π max 3 β ( β ) M = Bδ A D () gdzi: Di β = ; D B δ wartość indukcji magntycznj w szczlini powitrznj; A max maksymalna wartość okładu prądowgo. D Rys.. Stojan silnika tarczowgo z zaznaczoną śrdnicą wwnętrzną D i i zwnętrzną D części aktywnych silnika Przyjmując za stał wartości B δ, A max i D w danj konstrukcji silnika w clu wyznaczni optymalnj wartości D i nalży rozpatrzyć funkcj F (β): β ( β ) F ( β) = ; () Wykrs funkcji F (β) od paramtru β przdstawiono na rys. W clu znalzinia optymalnj wartości współczynnika β nalży wyznaczyć kstrmum funkcji. Pochodna funkcji F (β) ma postać: D i ' [ β ( β )] = ( 3β ) ' F ( β ) = (3) Przyrównując pochodną do 0 otrzymujmy następując równani: ' F ( β ) = ( 3β ) = 0 () Rozwiązując powyższ równani otrzymujmy optymalna wartość współczynnika β równą: β =β = / 3 0,577 ; (5) opt Z przprowadzonj powyżj analizy wynika, ż przy konstruowaniu silników tarczowych z magnsami trwałymi nalży dążyć, by przy zadanj wartości śrdnicy zwnętrznj D części aktywnych silnika śrdnica wwnętrzna części aktywnych powinna wynosić w przybliżniu D =0,577 D i. 0,00 0,090 0,080 0,070 0,060 0,050 0,00 0,030 0,00 0,00 0,000 F (β) 0,0 0,5 0,0 0,55 0,70 0,85 Rys.. Wykrs funkcji F (β). Uzwojnia tarczy stojana Obcni coraz większ zaintrsowani w silnikach tarczowych ma tchnologia SEMA. Polga ona, na spcjalnym wykonaniu uzwojń w silniku bzrdzniowym, pozwalającym na maksymaln wykorzystani ich części aktywnych i zmnijszni szczliny powitrznj. Istota tgo rozwiązania opira się na odpowidnim wykonaniu uzwojń, umożliwiającym ich wzajmn nakładani się na sibi. Wszystki prominiowo ułożon fragmnty uzwojń znajdują się w jdnj płaszczyźni, podczas gdy części czołow ułożon wzdłuż obwodu kołowgo lżą powyżj i poniżj płaszczyzny aktywnj. Dzięki takimu rozwiązaniu uzwojnia, któr wytwarzają momnt lktromagntyczny, lżą w jdnj płaszczyźni i lpij wykorzystują przstrzń szczliny powitrznj, a ich części birn (połącznia czołow) ni wpływają na powiększni szczliny powitrznj. β

3 Zszyty Problmow Maszyny Elktryczn Nr 77/ Na rys. 3a pokazano sposób wykonania uzwojń wg tchnologii SEMA. Części aktywn uzwojń fazowych, i 3, znajdują się w jdnj warstwi. Poniważ wwnętrzn i zwnętrzn połącznia czołow uzwojń lżą w płaszczyznach powyżj i poniżj płaszczyzny aktywnj, uformowana tarcza stojana posiada cińszą część wwnętrzną z grubszym wwnętrznym obrzżm i zwnętrznym pirścinim. Zalżni od wymaganych paramtrów lktrycznych lub mchanicznych zastosowana moż być dowolna parzysta liczba uzwojń. Na rys. 3b przdstawiono sposób ułożnia uzwojń na tarczy stojana. Połącznia czołow uzwojń fazowych kształtowan są w taki sposób, ż znajdują się raz w dolnj, raz górnj warstwi. a) i wytwarzać nirównomirny rozkład pola lktromagntyczngo w silniku. Przdstawion na rys. rozwiązani wykonania uzwojń jst transformacją tchnologii SEMA. Polga ona na tym, ż pojdyncz uzwojni z tchnologii SEMA podzilono na dwi równ części i umiszczono j jdno obok drugigo. Przkrój poprzczny części aktywnych uzwojń, w porównaniu do układu cwk na rys. 3, ni ulgł zmiani, zwiększyła się jdnak dwukrotni ilość uzwojń w silniku, a zmnijsza się o połową liczba zzwojów w każdj z nich. W tak powstałych uzwojniach końc jdnj cwki połączon są z początkami następnj tworzącymi jdną fazę. Rys. a przdstawia sposób ułożnia uzwojń wdług nowj koncpcji. Połącznia czołow uzwojń znajdują się w trzch warstwach, przy czym dla pirwszj znajdują się wyłączni w warstwi górnj, drugij w środkowj, a trzcij w dolnj. Na rys. b przdstawiono sposób ułożnia uzwojń na tarczy stojana zgodni z przntowaną tchnologią a) b) Rys. 3. Wykonani uzwojń wg tchnologii SEMA: a) wzajmni nachodząc się cwki z lmntami aktywnymi; b) schmatyczny układ rozmiszcznia uzwojń Uzwojnia w pojdynczj fazi są rozłożon w taki sposób, ż pomiędzy nimi występuj przrwa o szrokości jdngo biguna. Oznacza to, ż po obu stronach części aktywnj uzwojnia ni występują t sam warunki. Moż to prowadzić do gnrowania składowych harmonicznych prądu podczas obciążania silnika b) Rys.. Budowa i rozmiszczni uzwojń wdług nowj koncpcji: a) wzajmni nachodząc się cwki z lmntami aktywnymi; b) schmatyczny układ rozmiszcznia uzwojń

4 6 Zszyty Problmow Maszyny Elktryczn Nr 77/007 Uzwojnia w poszczgólnych fazach rozmiszczon są pod każdym bigunm symtryczni, ni ma przrwy między nimi, jak to miało mijsc w tchnologii SEMA. W konstrukcji takij, długość uzwojnia zmnijszyła się o część długości połączń czołowych, z względu na mnijszy kąt zagięcia wynikający z zmnijszonj ich grubości. Wpływa to na zmnijszni strat ciplnych w stojani. W stani obciążnia warunki dla każdgo z uzwojń w danj fazi są podobn. 3. Konstrukcja modlu silnika Konstrukcja części aktywnych silnika tarczowgo została pokazana na rys. 5. Na tarczy stojana znajdują się trójfazow uzwojnia bzrdzniow,, 3 wykonan zgodni z tchnologią przdstawioną na rys.. Uzwojnia każdj fazy składają się cwk. Części aktywn wszystkich uzwojń znajdują się w jdnj powirzchni, natomiast ich połącznia czołow znajdują się z trzch warstwach. Uzwojnia w clu uzyskania sztywności stojana zalano żywicą poksydową. Na każdj z dwóch tarcz wirnika 3 i 3 umiszczono po wysokonrgtycznych magnsów trwałych z naprzminną bigunowością: N S N S..., charaktryzujących się następującymi: pozostałością magntyczną B r =,0 T i względną prznikalnością magntyczną µ rmag =,05 o wymiarach 0 x 30 x 3 mm. Magnsy trwał przykljono do tarczy wirnika z stali konstrukcyjnj. Niruchoma tarcza stojana została przymocowana do obudowy za pomocą śrub a) 3 5 b) c) r i r 3 3 Rys. 5. Budowa części aktywnych silnika Promiń zwnętrzny części aktywnj silnika r =68 mm a promiń wwnętrzny r i =38 mm. Długość podziałki bigunowj τ S na śrdnim prominiu r av =(r i + (r - r i )/)= 53 mm wynosi τ S = 8mm. Szczlina powitrzna silnika wynosi δ = mm. Na rys. 6 pokazano zdjęcia wykonango modlu silnika. Tarcz wirnika 3 i 3 umiszczon są na wspólnym wal 5 osadzonym w łożyskach, których gniazda są intgralną częścią obudowy 7. d) Rys. 6. Zdjęcia silnika: a) zdjęci całgo silnika; b)c )zdjęcia wirników; : a) zdjęci stojana

5 Zszyty Problmow Maszyny Elktryczn Nr 77/ Badania ksprymntaln i symulacyjn silnika tarczowgo Badania ksprymntaln modlu silnika przprowadzono w rżimi gnratorowj jgo pracy. W wyniku tych badań otrzymano następując przbigi napięć fazowych (rys. 7a), oraz międzyfazowych (rys. 7b), indukowanych przy prędkości obrotowj n=300 obr/min na bigu jałowym. Otrzyman w wyniku pomiarów przbigi indukowanych napięć fazowych i międzyfazow są symtryczn o kształci zbliżonym do sinusoidy. Otrzymano z pomiaru oscyloskopm typu ESCORT 30. a) b) Rys. 7. Wyniki pomiarów ksprymntalnych indukowanych napięć przy prędkości n=300 obr/min: a) fazow; b) międzyfazow Na rys. 8 przdstawiono zmirzon przbigi napięcia fazowgo w funkcji obrotów silnika tarczowgo pokazango na rys. 6. Otrzymany w wyniku badań przbig napięć fazowych w funkcji prędkości obrotowj silnika wykazuj liniowa zalżność przy pracy gnratorowj, co charaktryzuj silniki bzrdzniow z magnsami trwałymi U L [V] n [obr/min] Rys. 8. Wyniki pomiarów ksprymntalnych napięć fazowych w funkcji prędkości obrotowj badango bzrdzniowgo silnika tarczowgo z magnsami trwałymi W wyniku dokonanych pomiarów wyznaczono następując paramtry silnika tarczowgo bzrdzniowgo z magnsami trwałymi, któr zstawiono w tabli. Tabla. Paramtry silnika tarczowgo z magnsami trwałymi Dan znamionow silnika momnt znamionowy prędkość znamionowa M n = [Nm] n n =000 [obr/min] moc znamionowa P n =0,7 [W] promiń zwnętrzny r =68 [mm] promiń wwnętrzny r i =38 [mm] promiń śrdni r av =53 [mm] liczba par bigunów p =6 rzystancja fazy R f =7, [Ω] indukcyjność fazy L f =3 [mh] Przdstawiona na rys. 6 konstrukcja silnika tarczowgo stała się podstawą do stworznia modlu do obliczń numrycznych opartych o mtodę lmntów skończonych w programi FLUX 3D. Z względu na symtrię układu oraz w clu zwiększnia dokładności obliczń (zwiększoną ilość lmntów siatki), badania przprowadzono na wycinku o dwóch podziałkach bigunowych τ S i kąci rozwarcia równym 60 (/6 modlu). Modl numryczny silnika tarczowgo z magnsami trwałymi pokazany na rys. 9. przdstawia rozkład modułu indukcji pola magntyczngo w jarzmach frromagntycznych i magnsach trwałych. B[T] Rys. 9. Rozkład indukcji pola magntyczngo w modlu numrycznym bzrdzniowgo silnika tarczowgo z magnsami trwałymi Można na nim zauważyć, ż indukcja w jarzmi frromagntycznym osiąga znacząc wartości. Na rys.0 przdstawiony jst rozkład składowj użytcznj Bz indukcji magntycznj, wyzna-

6 66 Zszyty Problmow Maszyny Elktryczn Nr 77/007 czony w środku szczliny powitrznj δ= mm z magnsami trwałymi na długości dwóch podziałk bigunowych τ =56 mm na śrdnim prominiu r av. B z [T] Rys. 0. Rozkład składowj użytcznj indukcji magntycznj B z w szczlini powitrznj na śrdnim prominiu r av w modlu numrycznym bzrdzniowgo silnika tarczowgo Z przdstawiongo rozkładu składowj użytcznj indukcji magntycznj w szczlini powitrznj wynika, ż struktura ta ni jst optymalna, a otrzymany jj przbig jst tylko zbliżony do trapzoidalngo. Przyczyną takigo rozkładu jst kształt magnsów trwałych w formi prostopadłościanu. 0,7 0,6 0,5 0, 0,3 0, 0, 0 M max [Nm] 0,0 0,0 0,30 0,0 0,50 0,60 Rys.. Przbig momntu lktromagntyczngo w funkcji prądu fazowgo M max =f(i a ) I a [A] Na rys. pokazano otrzymaną zalżność momntu lktromagntyczngo od prądu stałgo płynącgo w uzwojniach fazowych M max =f(i a ) w stani statycznym dla modlu numryczngo linia i wyniki pomiaru modlu fizyczngo linia. Zalżności t otrzyman w wyniku obliczń, jak i pomiarów są liniow. Pomiaru dokonano z wykorzystanim zasilacza tranzystorowgo Z- 300 i dynamomtru standardowgo o zakrsi pomiarowym 000g. 5. Podsumowani Rozbiżność pomiędzy wynikami obliczń modlu numryczngo, a wynikami pomiarów modlu fizyczngo, momntu lktromagntyczngo od prądu stałgo płynącgo w uzwojniach fazowych M max =f(i a ) w stani statycznym miści się w zakrsi od % do 5%. Oznacza to, ż modl numryczny stworzony w programi FLUX 3D odpowiada przntowanmu modlowi fizycznmu silnika tarczowgo. Poprawę rozkładu indukcji magntycznj na śrdnim prominiu części aktywnych przntowango silnika można osiągnąć poprzz zastosowani magnsów sgmntowych będących wycinkim pirścinia. 6. Litratura []. Afonin A. A., Paplicki P.: Configuration of Dics-Typ Prmannt Magnt Motors. Proc. of th 6th Intrn. Conf. on Unconvntional Elctromchanical and Elctrical Systms UEES 0. Alushta, Ukrain, Sptmbr -9, 00, Vol, s [] Afonin A. A.: Magntic fild of an ironlss PM motor. Proc. of th 6th Intrn. Conf. on Unconvntional Elctromchanical and Elctrical Systms UEES 0. Alushta, Ukrain, Sptmbr -9, 00, s [3] Giras J. F., Wing R. Kampr M. J.: Axial Flux Prmannt Magnt Brushlss Machins. Kluwr Acadmic Publishrs, Dordrcht/Boston/London. 00, 30 s. Autor dr inż. Piotr Cirzniwski Politchnika Szczcińska Instytut Elktrotchniki ul. Sikorskigo 37, Szczcin tl.: (09) 9 70; mail: cirz@ps.pl