Projektowanie systemów EM. dr inż. Michał Michna

Transkrypt

1 Projektowanie systemów EM dr inż. Michał Michna

2 Rozwój Maszyn Elektrycznych 2 dr inż. Michał Michna

3 Literatura Dąbrowski M.: Projektowanie maszyn elektrycznych prądu przemiennego. Warszawa, Wydaw. Nauk. - Techn., Gieras J.F.: Mitchell Wing, Permanent Magnet Motor Technology, 2nd ed. Marcel Dekker, Inc, 2002 Gieras J.F: Advancements in Electric Machines. Springer-Verlag Gmbh 2008 Hanselman D.: Brushless Permanent Magnet Motor Design, 2nd ed. McGraw-Hill, New York, Pyrhönen J., Jokinen T., Hrabovcová V.: Design of Rotating Electrical Machines Wiley dr inż. Michał Michna

4 Rozwój maszyn elektrycznych Przyczyny rozwoju ME Inżynieria materiałowa Nowe zastosowania Energoelektroniki i metody sterowania Wymagania środowiskowe/polityczne ochrona środowiska, oszczędzanie energii Duże projekty naukowe MEA, HEV/EV, ogniwa paliwowe, budynki inteligentne, bioinżynieria 4 dr inż. Michał Michna

5 Rozwój maszyn elektrycznych Maszyny wysokoobrotowe 5 dr inż. Michał Michna

6 Napięcie stałe (DC) Prąd stały (DC) 3-faz. napięcie przemienne (AC) 3-faz. napięcie przemienne (AC) Silnik prądu stałego Napięcie stałe (DC) Silnik synchroniczny Prąd stały (DC) 3-faz. napięcie przemienne (AC) Silnik asynchroniczny/indukcyjny 3-faz. napięcie przemienne (AC) Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi 3-faz. napięcie prostokątne Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi 3-faz. napięcie przemienne (AC) Silnik synchroniczny reluktancyjny Kluczowane sekwencyjnie napięcie stałe (DC) Silnik bezszczotkowy prądu stałego z magnesami trwałymi i komutatorem elektronicznym Silnik bezszczotkowy prądu przemiennego z magnesami trwałymi i komutatorem elektronicznym Silnik o przełączanej reluktancji z komutatorem elektronicznym 6 dr inż. Michał Michna

7 Silnik indukcyjny klatkowy Zalety Prosta konstrukcja, Niskie koszty produkcji i eksploatacji Brak komutatora i pierścieni ślizgowych (silnik bezszczotkowy) Małe tętnienia momentu Wady Mała szczelina powietrzna niski współczynnik mocy Niska wydajność przy małych prędkościach Moment proporcjonalny do kwadratu napięcia zasilania Możliwość pękania prętów wirnika Niska sprawność, mały współczynnik mocy 7 dr inż. Michał Michna

8 Silnik indukcyjny klatkowy Zalety Prosta konstrukcja, Niskie koszty produkcji i eksploatacji Brak komutatora i pierścieni ślizgowych (silnik bezszczotkowy) Małe tętnienia momentu Wady Mała szczelina powietrzna niski współczynnik mocy Niska wydajność przy małych prędkościach Moment proporcjonalny do kwadratu napięcia zasilania Możliwość pękania prętów wirnika Niska sprawność, mały współczynnik mocy 8 dr inż. Michał Michna

9 Silnik bezszczotkowy z MT Zalety Wady Brak szczotek (bezszczotkowa) Dobre przenoszenie ciepła i łatwe chłodzenie - źródłem ciepła stojan Większa szczelina niż w IM i SRM Brak strat wzbudzenia - wysoka sprawność Wysoka gęstość mocy Współczynnik mocy bliski cosf=1 Bardzo dobre parametry dynamiczne Magnesy trwałe są wrażliwe na temperaturę, a tym samym parametry silnika zależą od temperatury Droższe niż IM i SRM Wymagają układu zasilnia i sterowania 9 dr inż. Michał Michna

10 Silnik bezszczotkowy z MT Zalety Wady Brak szczotek (bezszczotkowa) Dobre przenoszenie ciepła i łatwe chłodzenie - źródłem ciepła stojan Większa szczelina niż w IM i SRM Brak strat wzbudzenia - wysoka sprawność Wysoka gęstość mocy Współczynnik mocy bliski cosf=1 Bardzo dobre parametry dynamiczne Magnesy trwałe są wrażliwe na temperaturę, a tym samym parametry silnika zależą od temperatury Droższe niż IM i SRM Wymagają układu zasilnia i sterowania 10 dr inż. Michał Michna

11 Silnik bezszczotkowy z MT Silniki z magnesami trwałymi Komutatorowe silniki prądu stałego Silniki bezszczotkowe Silniki skokowe Bezszczotkowe silniki prądu stałego Bezszczotkowe silniki prądu przemiennego 11 dr inż. Michał Michna

12 Silnik bezszczotkowy z MT 12 dr inż. Michał Michna

13 Silnik bezszczotkowy z MT R 40 R 40 R dr inż. Michał Michna

14 Silnik bezszczotkowy z MT mocowanie powierzchniowe MT mocowanie zagłębione MT indukcja w szczelinie mniejsza niż indukcja remanencji prosta konstrukcja silnika mała moc obwodów twornika magnesy nie są zabezpieczone przed odmagnesowaniem mała odporność na działanie sił odśrodkowych prądy wirowe w magnesach trwałych ograniczone możliwości pracy w stanie odwzbudzenia 14 indukcja w szczelinie może być większa od indukcji remanencji konstrukcja stosunkowo złożona duża moc obwodów twornika, droższy przekształtnik magnesy są zabezpieczone przed odmagnesowaniem odporność na działanie sił odśrodkowych brak prądów wirowych w magnesach trwałych możliwość pracy przy osłabionym polu wzbudzenia stosunkowo prosta możliwość kształtowania rozkładu pola w szczelinie dr inż. Michał Michna roboczej

15 Silnik bezszczotkowy z MT IM SBMT Sprawność Średnia (70-96%) Wysoka (93-95%) wsp. mocy 0,7-0,86 >0,94 straty mocy stojan i wirnik stojan szczelina powietrzna mała, harmoniczne żłobkowe, hałas duża wsp. moc/masa średni (75W/kg) duży (160W/kg) konstrukcja wirnika prosta, wytrzymała cena niska wysoka prosta lub złożona, podatność MT na siły odśrodkowe 15 dr inż. Michał Michna

16 Silnik bezszczotkowy z MT Melfi, M.J.; Rogers, S.D.; Evon, S.; Martin, B. Permanent Magnet Motors for Energy Savings in Industrial Applications. PPIC dr inż. Michał Michna

17 Silnik reluktancyjny przełączalny SRM Kolejne pasma silnika SRM zasilane są ze źródła napięcia stałego w funkcji położenia wirnika Wymaga zastosowania bardzo szybkich kluczy energoelektronicznych (MOSFET, IGBT) Moment jest wytwarzany przez magnetyczne przyciąganie wirnika do elektromagnesów stojana C C B A B D A A A B D B C C 17 dr inż. Michał Michna

18 Silnik reluktancyjny przełączalny SRM Zalety duża niezawodność niski koszt produkcji prosta budowa brak magnesów, brak uzwojeń mały moment bezwładności wirnika wyższa sprawność w porównaniu np. z silnikami indukcyjnymi dokładna regulacja prędkości obrotowej, uzyskiwana tanim kosztem przez zastosowanie układów bezczujnikowych Wady hałas akustyczny tętnienia momentu obrotowego 18 dr inż. Michał Michna

19 Maszyny elektryczne 19 dr inż. Michał Michna

20 Moc wewnętrzna 20 dr inż. Michał Michna

21 Moc wewnętrzna S m E i s RMS I RMS Rozkład indukcji w szczelnie B( t, x) ( t) e( t) B Strumień sprzężony z uzwojeniem Napięcie indukowane m sin x t s B( t, x)dt A N Współczynniki konstrukcyjne N k s ws1 N s d ( t) dt Okład prądowy liniowa gęstość prądu A s m s k 2NI D B RMS s B B M l AV s 0 s B( t, x)dx 2 k U E E RMS AV s 2 2 p D s 2 21 dr inż. Michał Michna

22 Moc wewnętrzna Współczynniki konstrukcyjne Objętość maszyny Prędkość maszyny S i 2 k B k U k ws 2 A S B m D s l s m Okład prądowy Indukcja w szczelnie 22 dr inż. Michał Michna

23 Indukcja w szczelnie 23 dr inż. Michał Michna

24 Gęstość liniowa prądu okład prądowy 24 dr inż. Michał Michna

25 Współczynnik wyzyskania maszyny F A F 2T D i s A D l s s T i S i m k 2 B k U k ws 2 A B D l S m s s k B k U k ws A S B m 25 dr inż. Michał Michna

26 Współczynnik wyzyskania maszyny 26 dr inż. Michał Michna

27 Materiały magnetyczne Materiały magnetyczne stosowane w budowie ME 27 dr inż. Michał Michna

28 Materiały Materiały magnetyczne miękkie Materiały magnetycznie twarde Materiały przewodowe 28 dr inż. Michał Michna

29 Materiały magnetycznie miękkie 29 dr inż. Michał Michna

30 Materiały magnetycznie miękkie Zastosowanie: obwód magnetyczny stojana i wirnika Parametry: Indukcja nasycenia, stratność 30 dr inż. Michał Michna

31 Materiały magnetycznie miękkie Cechy duża indukcja nasycenia wąska pętla histerezy duża rezystywność duża przenikalność magnetyczna Właściwości skład stopu i jego czystość technologia produkcji (np.: walcowanie) Pakiet stojana z blach okrągłych spawany obróbka cieplna (np.: wyżarzanie st. C przez ok. 1h) 31 dr inż. Michał Michna

32 Materiały magnetycznie miękkie Materiały magnetycznie miękkie Krystaliczne 0,1mm-10mm Stopy nanokrystaliczne 1nm-20nm Amorficzne 0-0,5mm Kompozyty Spieki ferrytowe Stale krzemowe Stopy Fe-Ni permaloj Stopy Co-Fe permendur Fe, Si, B, Nb Taśmy szkieł metalicznych Anizotropowe, Izotropowe Nisko-krzemowe, Wysokokrzemow e amorficzna 0 0,5nm nanokrystaliczna 1nm 20nm mikrokrystaliczna 0,1 10 mm krystaliczna (niezorientowana i zorientowana) Pakiet wirnika zapiekany 33 dr inż. Michał Michna

33 Materiały magnetycznie miękkie Materiał Stratność (0,2T 25KHz) Indukcja nasycenia [W/kg] [T] Permaloy (Fe-Ni) 14 0,7-1,5 Ferryt 17 0,6 Taśma amorficzna (30-50um) 5 0,57-,77 Taśma amorficzna (20um) 3 1,25 34 dr inż. Michał Michna

34 Materiały magnetycznie miękkie Wpływ usprawnień technologicznych na straty całkowite na jednostkę masy blach elektrotechnicznych 35 dr inż. Michał Michna

35 Stale krzemowe Zawartość Si [%] B max [T] μ max [-] Stratność [W/kg] 1 2, , ,3 4,5 1, ,7 Stopy żelaza z krzemem (0,4-4,2 % Si) 36 dr inż. Michał Michna

36 Stale krzemowe blachy o ziarnie zorientowanym anizotropowe, transformatorowe stal niskowęglowa, 3 % Si niewielka grubość: 0,27 mm, 0,30 mm, 0,35 mm blachy o ziarnie niezorientowanym blachy izotropowe, tzw.: prądnicowe wysokostopowe (3 % Si i do 1 % Al.) - niska stratność niskostopowe (1-2% Si)- wyższa stratność grubość: 0,35 mm, 0,50 mm i 0,65 mm 37 dr inż. Michał Michna

37 Armco DI-MAX nonoriented electrical steels M-27, M-36 and M dr inż. Michał Michna

38 Materiały magnetycznie miękkie Właściwości blach o ziarnie zorientowanym produkcji Stalprodukt S.A. 39 dr inż. Michał Michna

39 Materiały magnetycznie miękkie Właściwości blach izotropowych krzemowych produkcji Stalprodukt S.A. 40 dr inż. Michał Michna

40 41 dr inż. Michał Michna

41 Stale amorficzne Starty 0,125-0,28 W/kg 1T 50Hz Silnik indukcyjny małej mocy 550W blacha krzemowa straty 137W sprawność 74% blacha amorficzna straty 88W sprawność 84% Kruche Cięcie laserem i EDM niszczy strukturę B [T] 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Stratność 60 Hz 0,0035 0,010 0,026 0,045 0,070 0,10 0,14 0,22 0,28 p [W/kg] 50 Hz 0,0028 0,008 0,021 0,036 0,056 0,08 0,11 0,17 0,22 Magnesowalnoś ć H [A/m] prąd stały 0,84 1,00 1,10 1,18 1,26 1,35 1,6 5,6 8,0 43 dr inż. Michał Michna

42 Stale amorficzne 44 dr inż. Michał Michna

43 Stale krzemowe - nanokrystaliczne krystalizacja blach amorficznych mała koercja <1A/m duża przenikalność magnetyczna indukcja 1,2T Vitroperm, Finemet, 45 dr inż. Michał Michna

44 Stale krzemowe - nanokrystaliczne Straty całkowite stopu nanokrystalicznego Nanoperm (Fe85,6Nb3,3Zr3,3B6,8Cu1) stopów amorficznych Fe78Si9B13 i Co70,5Fe4,5Si10B15 46 dr inż. Michał Michna

45 Stale krzemowe - mikrokrystaliczne Wielkość ziarna 0,1-10 um Zawartość krzemu Si 6,5% Mniejsza indukcja nascyenia 1,8-2,03 T Grubości 0,05 0,1 0,2 0,3 mm 47 dr inż. Michał Michna

46 Stale krzemowe - mikrokrystaliczne 48 dr inż. Michał Michna

47 Stopy żelaza z niklem Fe-Ni Nazwa Zawartość Ni [%] B max [T] μ max anizotropia Hyperm 36 1, Nie Hyperm 50 1, Nie Permaloj , Tak Supermaloj 80 Ni, 4-6 Mo, reszta Fe 0, Tak W chwili obecnej materiał wypierany jest powoli przez rdzenie z taśmy amorficznej i nanokrystalicznej 49 dr inż. Michał Michna

48 Stopy żelaza z niklem Fe-Ni W chwili obecnej materiał wypierany jest powoli przez rdzenie z taśmy amorficznej i nanokrystalicznej 50 dr inż. Michał Michna

49 Stopy żelaza z kobaltem Co-Fe stop kobaltu i żelaza z niewielkimi dodatkami wanadu, tantalu i niobu Carpenter Hiperco 50 49% Fe, 48.75% Co, 1.9% V, 0.05% Mn, 0.05% Nb 0.05% Si Vanadium Permendur Wysoka indukcja nasycenia 2,4T Wysoka temperatura pracy, temp. Curie 940C Stratność 6 W/kg dla 2T, 400 Hz Grubość 0.15 to 0.36 mm Wysoka cena 51 dr inż. Michał Michna

50 Stopy żelaza z kobaltem Co-Fe Carpenter Hiperco dr inż. Michał Michna

51 Stopy żelaza z kobaltem Co-Fe zmiany indukcji magnetycznej w funkcji temperatury przenikalności od natężenia pola magnetycznego 53 dr inż. Michał Michna

52 Stopy żelaza z kobaltem Co-Fe Carpenter Hiperco dr inż. Michał Michna

53 Stopy żelaza z kobaltem Co-Fe Carpenter Hiperco dr inż. Michał Michna

54 Stopy żelaza z kobaltem Co-Fe 56 dr inż. Michał Michna

55 Materiały kompozytowe mielenie amorficznych taśmy szkła metalicznego wiązanie materiałem polimerowym, termo lub chemoutwardzalnym formowanie kształtu Wielkość cząstek proszku dobiera się z uwagi na zakres częstotliwości pracy, wartość przenikalności 57 dr inż. Michał Michna

56 Materiały kompozytowe 58 dr inż. Michał Michna

57 Materiały kompozytowe 59 dr inż. Michał Michna

58 Materiały magnetycznie miękkie Rodzaj materiału ρ [µωm] Bmax [T] µ dla 50Hz Stal krzemowa 0,5 2, Stopy Fe-Ni 0,4 1, Zastoso wanie Maszyny Hz Maszyny specjalne do 400 Hz Nanokrystaliczne 11,5 1, Maszyny Metglas (amorfiki) 13,7 1, specjalne do 20kHz Accucore 6,5 1, (kompozyty) 60 dr inż. Michał Michna

59 Powłoki elektroizolacyjne Powłoka C3 (AISI) organiczna odporna na działanie oleju i freonu polepsza wykrawalność blachy odporność temperaturowa 180 C grubość 1,5 µm/stronę. Powłoka typu C4 (AISI) nieorganiczna (fosforan glinu i magnezu) odporna na olej i freon odporność temperaturowa 800 C grubość 1 µm/stronę. 61 dr inż. Michał Michna

60 Materiały magnetycznie trwałe 62 dr inż. Michał Michna

61 Materiały magnetycznie trwałe 63 dr inż. Michał Michna

62 Materiały magnetycznie trwałe Alnico ceramiczne ferryty baru i strontu z domieszkami pierwiastków ziem rzadkich: samorowo-kobaltowe SmCo neodymowe NdFeB 64 dr inż. Michał Michna

63 Materiały magnetycznie trwałe SmCo 5 NdFeB ferryt AlNiCo B r [T] (BH) max [kj/m 3 ] JH c [ka/m] > T max [ºC] cena 120 /kg 50 /kg /kg 65 dr inż. Michał Michna

64 Materiały magnetycznie trwałe Material Cost Index Maximum Energy Products (BH)max(MGOe) Coercivit y Hci(KOe) Maximum Working Temperature( C) Machinability Nd-Fe-B(sintered) 65% Up to 45 Up to Fair Nd-Fe-B (bonded) 50% Up to 10 Up to Good Sm-Co (sintered) 100% Up to 30 Up to Difficult Sm-Co (bonded) 85% Up to 12 Up to Fair Alnico 30% Up to 10 Up to Difficult Hard Ferrite 5% Up to 4 Up to Fair Flexible 2% Up to 2 Up to Excellent 66 dr inż. Michał Michna

65 Materiały MT 67 dr inż. Michał Michna

66 Materiały MT 68 dr inż. Michał Michna

67 Materiały magnetycznie trwałe 69 dr inż. Michał Michna

68 Materiały magnetycznie trwałe Tlenki ziem rzadkich są poddawane procesowi rozdrabniania i rafinacji (oczyszczania) Przygotowywane są kompozyty z materiałów bazowych (metali ziem rzadkich, żelaza, kobaltu) topionych w piecach indukcyjnych w środowisku próżni Bloki (wlewki) kompozytu są rozdrabnianie (szlifowanie lub ścieranie) w atmosferze gazów osłonowych (azotu i argonu) w celu uzyskania proszków o wielkości rzędu kilku mikronów 70 dr inż. Michał Michna

69 Materiały magnetycznie trwałe Formowanie magnesów w procesie prasowania w polu magnetycznym Spiekanie przeprowadzanie w próżni lub w atmosferze gazów osłonowych, w różnych temperaturach w zależności od typu magnesu. W tym procesie zwiększa się gęstość magnesów i zmniejsza ich objętość (około 50%) Wyżarzanie - starzenie magnesów w celu poprawienia właściwości magnetycznych i stabilności parametrów Kontrola jakości i parametrów magnesów 71 dr inż. Michał Michna

70 Materiały magnetycznie trwałe Obróbka mechaniczna przez szlifowanie magnesów diament Platerowanie Nd-Fe-B magnets are generally susceptible to rust so they are surface treated with nickel or paint. Sm-Co magnets have a high resistance to corrosion so they are not usually plated. Kontrola jakości, pomiary Magnesowanie Pakowanie, wysyłka 72 dr inż. Michał Michna

71 Materiały magnetycznie trwałe 73 dr inż. Michał Michna

72 Materiały magnetycznie trwałe Parametry magnesów NdFeB prostopadłościennych magnesowanych prostopadle 74 dr inż. Michał Michna

73 Materiały magnetycznie trwałe Parametry magnesów NdFeB prostopadłościennych magnesowanych równolegle 75 dr inż. Michał Michna

74 Materiały magnetycznie trwałe Parametry magnesów magnesów w kształcie pierścienia 76 dr inż. Michał Michna

75 Dopuszczalne wymiary magnesów trwałych wykonywanych w kształcie pierścienia Materiały magnetycznie trwałe 77 dr inż. Michał Michna

76 Punkt pracy MT - geometrycznie 78 dr inż. Michał Michna

77 Punkt pracy MT - analitycznie 79 dr inż. Michał Michna

78 Punkt pracy MT wpływ temperatury B.mT H.m 20 B.mT H.m 40 B.mT H.m 60 B.mT H.m 80 B.M H.m 3mm 1mm H.m 0 80 dr inż. Michał Michna

79 Punkt pracy MT wpływ temperatury B.r 1 B.MT.0 h.m 20 B.MT.0 h.m 40 B.MT.0 h.m 60 B 0.5.MT.0 h.m mm h.m 10mm 81 dr inż. Michał Michna

80 Punkt pracy MT wpływ temperatury B.r 1 B.MT.x h.m0 20 B.MT.x h.m0 40 B.MT.x h.m0 60 B 0.5.MT.x h.m mm.x mm 82 dr inż. Michał Michna

81 Punkt pracy MT wpływ temperatury B.MT.0.0 x B.MT.0.0 x40 B.MT.0.0 x60 B.MT.0.0 x x dr inż. Michał Michna

82 Punkt pracy MT wpływ temperatury 0 0 t B.m t B.m.0 1 t B.m.0 2 t B.m.0 5 t B.m t dr inż. Michał Michna