WPŁYW OBWODU MAGNETYCZNEGO I KONSTRUKCJI WIRNIKA NA PARAMETRY SILNIKA INDUKCYJNEGO PRACUJĄCEGO W NISKICH TEMPERATURACH

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 64 Politechniki Wrocławskiej Nr 64 Studia i Materiały Nr 3 21 Stanisław AZAREWICZ*, Adam ZALAS* kriogeniczne silniki indukcyjne, konstrukcja, symulacje komputerowe WPŁYW OBWODU MAGNETYCZNEGO I KONSTRUKCJI WIRNIKA NA PARAMETRY SILNIKA INDUKCYJNEGO PRACUJĄCEGO W NISKICH TEMPERATURACH W artykule przedstawiono wyniki badań zmian podstawowych parametrów blach elektrotechnicznych stosowanych na magnetowody maszyn indukcyjnych, które mogą być wykorzystane do pracy w warunkach zbliżonych do kriogenicznych. Przeprowadzono także badania symulacyjne i zamieszczono uzyskane wyniki wpływu wyboru kształtu żłobka wirnika oraz materiałów z których mogą być wykonane pręty i pierścienie zwierające na podstawowe parametry silnika indukcyjnego klatkowego. Wykazano, że dobierając odpowiedni kształt pręta wirnika oraz materiał, z którego wykonana jest klatka, można wpływać na wartość i przebieg istotnych parametrów silnika. Badania symulacyjne wykonano dla silnika o mocy około 1 MW, 6 kv, przeznaczonego do napędu pompy ciekłego gazu LNG wykorzystując w trym celu program Flux 2 D. Oprócz badania wpływu kształtu i materiału wirnika na parametry eksploatacyjne przeprowadzono także badania symulacyjne wpływu zamknięcia żłobków stojana klinami magnetycznymi na zmiany parametrów silnika. Rozwiązanie to posiada zarówno zalety jak i wady, które przedstawiono w artykule. 1. WSTĘP Wraz z rozwojem światowego przemysłu wzrasta także intensywnie zapotrzebowanie na nośniki energii. Ograniczenia związane z możliwością zaspakajania zapotrzebowania energetycznego z tradycyjnych źródeł powodują, że intensywnie poszukuje się zarówno nowych źródeł energii, jak i dywersyfikacji dostaw istniejących produktów. Do nich z całą pewnością należy dziedzina zaopatrzenia gospodarki w gaz. Wraz z opracowaniem efektywnych i tanich metod skraplania gazu naturalnego, jego transportowania, przechowywania i dystrybucji w wielu krajach staje się on * Politechnika Wrocławska Maszyn,, Instytut Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, 5-372 Wrocław, stanislaw.azarewicz@pwr.wroc.pl, adam.zalas@pwr.wroc.pl

alternatywnym źródłem zaopatrzenia w energię. Ciekły gaz naturalny (LNG) o temperaturze 161 C stwarza jednak pewne problemy techniczne związane zarówno z niską temperaturą, jak i chemicznym oddziaływaniem na materiały i urządzenia z którymi się styka. Dotyczy to także silników elektrycznych napędzających pompy, zawory, urządzenia dystrybucji itp. Badania światowych ośrodków zajmujących się ciekłym gazem wykazały, że najlepsze rezultaty eksploatacyjne osiągają urządzenia pracujące w zanurzeniu w ciekłym gazie. Dotyczy to także indukcyjnych silników klatkowych, wykorzystywanych do napędu różnego rodzaju urządzeń. Silniki te są z reguły budowy otwartej, w których ciekły gaz przepływając przez ich wnętrze spełnia rolę czynnika chłodzącego. Obniżenie temperatury pracy maszyny elektrycznej ma znaczący wpływ na właściwości elektryczne i magnetyczne tworzących ją elementów przewodzących oraz magnetycznych [1]. Istotną zmianą właściwości blachy elektrotechnicznej jest wzrost jej stratności, indukcji nasycenia oraz maksymalnej przenikalności magnetycznej [2]. Ponadto wraz ze spadkiem temperatury spada rezystywność materiałów przewodzących. Mniejsza rezystywność materiału powoduje, że możliwe jest, w projekcie silnika uwzględnienie większej gęstość prądu. Umożliwia to zastosowanie klatki wirnika o mniejszych przekrojach prętów. Zmniejszenie przekroju żłobków wirnika powinno dodatkowo skutkować mniejszą reluktancją całkowitą obwodu magnetycznego silnika i w związku z tym zmniejszeniem prądu magnesującego. Wynika z tego, że kształtowanie parametrów silnika możliwe jest przez dobór rodzaju materiału klatki, a właściwie jego rezystywność, oraz kształtu żłobka wirnika. W artykule przedstawiono wyniki badań symulacyjnych skutków zastosowania w konstrukcji silnika kriogenicznego o mocy około 1MW, różnego kształtu i przekroju żłobków wirnika oraz różnego rodzaju materiału na jego klatkę. Badania symulacyjne metodą polowo-obwodową wykonano przy wykorzystaniu programu Flux2D [5]. W szczególności analizie i porównaniu poddano zmiany przebiegu momentu elektromagnetycznego i prądu silnika. Zbadano także zmiany w rozkładzie gęstości prądu w pręcie wirnika. Analiza uzyskanych wyników ułatwi optymalizację konstrukcji silników przeznaczonych do pracy w bardzo niskich temperaturach. Oprócz typowych metod kształtowania parametrów elektromagnetycznych silnika należy rozważyć także możliwość zastosowania dodatkowych, nietypowych rozwiązań konstrukcyjnych, które mogą korzystnie wpłynąć na ostateczny przebieg i wartość momentu rozwijanego przez silnik kriogeniczny. Dotyczy to w szczególności silników przeznaczonych do zasilania zarówno z sieci jak i przekształtnikowych źródeł energii o dużej zawartości wyższych harmonicznych w napięciu zasilającym. Jednym z takich rozwiązań może być zastosowanie klinów magnetycznych, o odpowiednio dobranej przenikalności, w stojanie silnika. Zastosowanie zamknięcia żłobków klinami wykonanymi z materiału magnetycznie miękkiego w maszynach indukcyjnych powoduje podniesienie ich sprawności przy zachowaniu stałej wartości momentu rozruchowego w porównaniu do silników z klinami wykonanymi z materiałów niema- 123

124 gnetycznych. Ponadto zastosowanie magnetycznego zamknięcia żłobka prowadzić powinno do zmniejszenia harmonicznych żłobkowych stojana, oraz zmniejszenia strat związanych ze zmniejszeniem się prądu magnesującego. Zależności te mogą jednak wykazywać różnice w przypadku silników pracujących w bardzo niskich temperaturach. Dlatego też celowym jest sprawdzenie wpływu wprowadzenia klinów magnetycznych do silnika kriogenicznego na przebieg jego podstawowych parametrów. W artykule przedstawiono wyniki badań symulacyjnych skutków wprowadzenia do konstrukcji silnika kriogenicznego o mocy około 1MW, klinów magnetycznych o różnej przenikalności magnetycznej. Badania symulacyjne metodą polowoobwodową wykonano przy wykorzystaniu programu Flux2D. 2. ZMIANY PARAMETRÓW BLACH PRĄDNICOWYCH W TEMPERATURZE CIEKŁEGO AZOTU Przedstawiono wyniki badań wybranych blach prądnicowych w ciekłym azocie (LN2) i porównanie uzyskanych wyników z badanymi w temperaturze pokojowej. Temperatura ciekłego azotu ( 196 C) jest niższa od temperatury gazu naturalnego, a prowadzone badania nie wymagają szczególnych środków ostrożności. Celem badań było określenie zmian w charakterystykach magnesowania oraz stratnościach blach prądnicowych powszechnie stosowanych w konstrukcji maszyn elektrycznych po ich schłodzeniu do temperatury ciekłego azotu. Badaniom poddano blachy prądnicowe Stalproduktu o dwóch grubościach:,35 i,5 mm, pokryte różnymi typami izolacji. Podstawowe dane dotyczące badanych blach przedstawiono w tabeli 1. Badano zmiany charakterystyk magnesowania blach, stratność całkowitą oraz udział strat histerezowych i wiroprądowych w ogólnych stratach badanych próbek. Oznaczenie blachy 35C3 35C4 Tabela 1. Badane blachy prądnicowe [wg. katalogu Stalprodukt], Table 1. Examined electrical sheets [according to Stalprodukt data sheets] Grubość d [mm] Indukcja magnetyczna przy f = 5 Hz, B [T] Stratność całkowita przy f = 5 Hz, p [W kg-1] H =2,5 kam 1 H = 5, kam 1 B = 1, T B = 1,5 T,35 1,49 1,6 1,3 3,3 35C6 5C3 5C4,5 1,49 1,6 1,35 3,3 5C6 C3 izolacja organiczna o dobrej wykrawalności, C4 izolacja nieorg. o dobrej wytrzymałości temperaturowej, C6 izolacja org. z wypełniaczem nieorg. o wysokiej oporności izolacyjnej.

125 Wyniki pomiarów dla częstotliwości przemagnesowania blach f = 5 Hz przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Zakres indukcji magnetycznej osiąganej przez badane blachy w obu temperaturach pomiarowych przy częstotliwości 5 Hz Fig. 1. Magnetic induction range reached in both measuring temperatures at f = 5 Hz Tabela 2 prezentuje wyniki pomiaru indukcji magnetycznej dla dwóch wartości natężenia pola: H = 2,5 ka m 1 oraz H = 5, ka m 1 i częstotliwości f = 5 Hz. Tabela 2. Wyniki pomiarów indukcji magnetycznej badanych blach przy częstotliwości 5 Hz Table 2. Magnetic induction of examined electrical sheets at frequency f = 5 Hz Blacha Indukcja magnetyczna, B [T] H = 2,5 ka m 1 H = 5, ka m 1 T = 25 C T = 196 C T = 25 C T = 196 C 35C3 1,482 1,514 1,578 1,64 35C4 1,513 1,539 1,611 1,633 35C6 1,497 1,531 1,63 1,629 5C3 1,497 1,529 1,67 1,632 5C4 1,492 1,526 1,598 1,625 5C6 1,511 1,541 1,612 1,638

126 Zarówno z wykresu przedstawionego na rys. 1, jak i z danych w tabeli 2 wynika, że schładzanie blach prądnicowych o różnej grubości i różnym typie izolacji ma niewielki wpływ na przebieg ich charakterystyk magnesowania. Drugim istotnym parametrem niezbędnym projektantom silników jest stratność blach. Stratność całkowitą zmierzono dla badanych próbek w temperaturze otoczenia oraz w temperaturze ciekłego azotu uzyskując dane porównawcze uwzględniające zarówno wpływ grubości blach na stratność jak i wpływ rodzaju ich izolacji. Podobnie jak pomiary charakterystyk magnesowania stratność całkowitą określono dla częstotliwości przemagnesowania f = 5 Hz. Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli 3. Tabela 3. Stratność całkowita badanych blach prądnicowych przy częstotliwości 5 Hz Table 3. Total energy loss of examined electrical sheets at frequency f = 5 Hz Blacha Dane katalogowe B = 1, T Stratność całkowita, p [W kg 1 ] przy 5 Hz Wyniki pomiarów Dane katalogowe B = 1,5 T Wyniki pomiarów T 25 C T = 25 C T = 196 C T 25 C T = 25 C T = 196 C 35C3 1,72 1,95 3,99 4,51 35C4 1,3 1,53 1,77 3,3 3,62 4,5 35C6 1,78 1,97 4,3 4,45 5C3 1,58 1,9 3,64 4,27 5C4 1,35 1,57 1,72 3,3 3,58 3,89 5C6 1,53 1,72 3,44 3,87 Jak wynika z danych zamieszczonych w tabeli 3 straty całkowite blach, zmierzone przy częstotliwości f = 5 Hz, okazały się wyższe od podawanych przez wytwórcę. Wzrost ten może być skutkiem zarówno tolerancji technologicznych przy produkcji blach jak również, efektem wycinania próbek Przeprowadzone badania próbek blach prądnicowych o grubościach,35 mm i,5 mm wykazały, że zmiana charakterystyki magnesowania blach dla częstotliwości 5 Hz w ciekłym azocie jest stosunkowo niewielka i wynosi około 2%. Przy czym obniżenie temperatury powoduje zmniejszenie kąta nachylenia krzywej magnesowania (spadek maksymalnej przenikalności magnetycznej) oraz wzrost indukcji nasycenia [1, 2]. Stosunkowo małe zmiany w wartości indukcji blach przy polu magnetycznym o niskim natężeniu, związane są z małym, bo wynoszącym od 1% do około 2%, wzrostem strat całkowitych w blachach przy częstotliwości przemagnesowania wynoszącej 5 Hz.

127 3. WPŁYW KONSTRUKCJI I RODZAJU MATERIAŁÓW KLATKI WIRNIKA NA PARAMETRY SILNIKA INDUKCYJNEGO PRACUJĄCEGO W NISKICH TEMPERATURACH Przedstawiono wyniki badań symulacyjnych skutków zastosowania w konstrukcji silnika kriogenicznego o mocy około 1 MW, różnego kształtu i przekroju żłobków wirnika oraz różnego rodzaju materiału na jego klatkę. Badania symulacyjne metodą polowo-obwodową wykonano przy wykorzystaniu programu Flux2D. W szczególności analizie i porównaniu poddano zmiany przebiegu momentu elektromagnetycznego i prądu silnika. Zbadano także zmiany w rozkładzie gęstości prądu w pręcie wirnika. Analiza uzyskanych wyników ułatwi optymalizację konstrukcji silników przeznaczonych do pracy w bardzo niskich temperaturach. 3.1. WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH Analizę parametrów silnika pracującego w ciekłym azocie przeprowadzono dla silnika, zawierającego 48 żłobków w stojanie i 4 żłobków w wirniku[3]. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy wycinek badanego modelu silnika z klasyczną konstrukcją klatki zwartej wirnika z naniesioną siatką obliczeniową. Model obwodowy o wymuszeniu napięciowym uwzględnia parametry elektryczne układu zasilania oraz uzwojeń fazowych stojana o stałej rezystancji i indukcyjności połączeń czołowych. Rys. 2. Wycinek modelu silnika z wygenerowaną siatką obliczeniową w programie Flux2D Fig. 2. The motor model segment with generated computational mesh in Flux2D computer program

128 3.1.1. WPŁYW GEOMETRII ŻŁOBKA WIRNIKA Na rysunku 3 przedstawiono, wybrane do badań, kształty żłobków wirnika badanego silnika. We wszystkich przedstawionych żłobkach zachowano takie samo pole przekroju poprzecznego. Rys. 3. Kształty żłobka wirnika badanego silnika kriogenicznego Fig. 3. The shape of rotor slots the tested cryogenic motor Kształt A żłobka wirnika jest typowym rozwiązaniem stosowanym w silnikach klatkowych. Kształt B jest rozwiązaniem odwrotnym do typowego kształtu żłobka, spotykanym np. w silnikach energooszczędnych. Rozwinięciem geometrii żłobka zaprezentowanym w kształcie B jest kształt C. Wyniki badań symulacyjnych przebiegu momentu elektromagnetycznego w funkcji poślizgu silnika kriogenicznego z wirnikiem o różnym kształcie żłobków przedstawiono na rysunku 4. W celach porównawczych, przedstawiono parametry otrzymane dla silnika o kształcie żłobków wirnika A, ale pracującego temperaturze pokojowej (charakterystyka E). Z przedstawionych wyników obliczeń, wynika, że dość powszechnie stosowany kształt żłobka wirnika silnika indukcyjnego (A), zastosowany w silniku pracującym w warunkach kriogenicznych pozwala osiągnąć największy moment krytyczny, jednakże, dla silnika z tym kształtem żłobka otrzymano najmniejszy moment rozruchowy. Dla kształtów B, C i D (rys. 3), otrzymano porównywalne wartości momentu krytycznego oraz momentu rozruchowego. Na rysunku 5 przedstawiono zależność prądu silnika w funkcji poślizgu dla badanych modeli silnika. Najmniejszą wartość prądu rozruchowego uzyskano dla kształtu C żłobka wirnika. Jak widać z rysunku 5, stosując żłobek wirnika o kształcie A, w silniku pracującym w obniżonej temperaturze, otrzymuje się największe wartości prądu rozruchowego.

129 12 1 Moment elektromagnetyczny, M [N m] 8 6 4 2 Kształt E Kształt D Kształt B Kształt A Kształt C 1,,8,6,4 Poślizg, s [-],2, Rys. 4. Przebiegi momentu elektromagnetycznego silnika kriogenicznego dla różnych kształtów żłobków wirnika Fig. 4. Electromagnetically characteristics (M = f(s)) of cryogenic motor for different rotor slot shapes 5 45 Kształt B Kształt A 4 35 Kształt C Kształt D 3 Prąd, I [A] 25 2 15 Kształt E 1 5,15,125,1,75,5 Poślizg, s [-],25, Rys. 5. Przebiegi prądu silnika w funkcji poślizgu dla różnych kształtów żłobków wirnika Fig. 5. I = f (s) characteristics for deferent rotor slot shapes

13 Za najbardziej odpowiedni kształt żłobka wirnika w silnikach powszechnego stosowania można zatem przyjąć kształt C. W odniesieniu do kształtu żłobka A uzyskano zmniejszenie prądu rozruchowego silnika o około 7% przy równoczesnym zmniejszeniu momentu krytycznego o około 8%. Równocześnie moment rozruchowy wirnika z tym kształtem żłobka zwiększył się o około 24%. Na rysunku 6 przedstawiono rozkład gęstości prądu w żłobku wirnika badanych modeli dla s = 1. Rys. 6. Rozkład gęstości prądu silnika (dla s = 1) dla różnych kształtów żłobków wirnika Fig. 6. Distribution of current density (at s = 1) for different rotor slot shapes 3.1.2. WPŁYW RODZAJU MATERIAŁU KLATKI WIRNIKA Symulacje silnika kriogenicznego dla różnych materiałów klatki wirnika przeprowadzono dla pręta wirnika o kształcie A (rysunek 3). W badaniach zastosowano następujące rodzaje materiału klatki wirnika: a) aluminium odlewane na gorąco, b) brąz berylowy o niskiej zawartości berylu, c) miedź. Na rysunku 7 przedstawiono przebiegi momentu elektromagnetycznego w funkcji poślizgu silnika z klatką wykonaną z ww. materiałów.

131 14 Al, T= +2 o C 12 Moment elektromagnetyczny, M [N m] 1 8 6 4 2 CuBe2, T= +2 o C Cu, T= +2 o C Al, T= -15 o C CuBe2, T= -15 o C Cu, T= -15 o C,15,125,1,75,5 Poślizg, s [-],25 Rys. 7. Przebiegi momentu elektromagnetycznego silnika z klatką wykonaną z różnych materiałów Fig. 7. Electromagnetically characteristics (M = f(s)) for different squirrel-cage materials 6 Al, T= -15 o C CuBe2, T= -15 o C Cu, T= -15 o C 5 4 Al, T= +2 o C Prąd, I [A] 3 2 Cu, T= +2 o C CuBe2, T= +2 o C 1 1,8,6,4 Poślizg, s [-],2 Rys. 8. Przebieg prądu silnika w funkcji poślizgu dla różnych materiałów klatki wirnika Fig. 8. I = f(s) characteristic for different squirrel-cage materials

132 Na rysunku 8 przedstawiono przebiegi prądu silnika w funkcji poślizgu dla wirników z klatką z badanych materiałów. Na rysunku 9 przedstawiono wartości momentu i prądu rozruchowego silnika kriogenicznego z wirnikami o klatce z analizowanych materiałów. Z przedstawionych wartości wynika, że silnik z klatką miedzianą w porównaniu do silnika z klatką aluminiową, w temperaturze pracy ( 15 C), charakteryzuje się mniejszym o około 21% momentem rozruchowym i większym o około 2,3% prądem rozruchowym. 45 55 4 Moment rozruchowy Prąd rozruchowy 53 Moment rozruchowy, M r [N m] 35 3 25 2 15 1 T = 2 o C T = 2 o C T = 2 o C T = -15 o C T = -15 o C T = -15 o C Al CuBe2 Cu Al CuBe2 Cu Rodzaj materiału klatki wirnika 51 49 47 45 43 41 Prąd rozruchowy, I r [A] Rys. 9. Wartości momentu i prądu rozruchowego silnika dla różnych materiałów klatki wirnika Fig. 9. The values of starting torque and current for deferent squirrel-cage materials 4. WPŁYW ZAMKNIĘCIA ŻŁOBKÓW STOJANA KLINAMI MAGNETYCZNYMI NA PARAMETRY SILNIKA PRACUJĄCEGO W CIEKŁYM AZOCIE Przedstawiono wyniki badań symulacyjnych skutków wprowadzenia do konstrukcji silnika kriogenicznego o mocy około 1 MW, klinów magnetycznych o różnej przenikalności magnetycznej. Badania symulacyjne metodą polowo-obwodową wykonano przy wykorzystaniu programu Flux2D. W szczególności analizie i porównaniu

133 poddano zmiany wartości przebiegu momentu elektromagnetycznego i prądu silnika z zastosowanymi klinami magnetycznymi w porównaniu z klinami klasycznyminiemagnetycznymi. Zbadano także zmiany w przebiegu strumienia magnetycznego w szczelinie silnika [4]. 4.1. BADANIA SYMULACYJNE Model silnika oraz schemat zastępczy wykorzystany w badaniach symulacyjnych przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Model silnika i odpowiadający mu schemat zastępczy wykorzystany w badaniach symulacyjnych Fig. 1. Circuit diagram of motors model with corresponding element in the field model

134 Model obwodowy o wymuszeniu napięciowym uwzględnia parametry elektryczne układu zasilania oraz uzwojeń fazowych stojana o stałej rezystancji i indukcyjności połączeń czołowych. Jako kliny zamykające żłobki stojana zastosowano materiał magnetyczny magnetodielektryk o przenikalności magnetycznej μ = 3, 5, 1 i 15, którego charakterystyki μ = f(h) przedstawiono na rysunku 11. 19 Przenikalność magnetyczna, μ [-] 15 11 7 4 f = 5Hz μ = 15 μ = 1 μ = 5 μ = 3 2 4 6 8 1 Natężenie pola magnetycznego, H [A m -1 ] Rys. 11. Przebiegi przenikalności magnetycznej w funkcji natężenia pola magnetycznego magnetodielektryków zastosowanych do zamknięcia żłobków stojana dla f = 5 Hz Fig. 11. Dependence of magnetic permeability on magnetic field intensity magnetodielectrics at frequency f = 5 Hz Magnetodielektryki składają się z proszku magnetycznie miękkiego oraz dielektryku izolującego i wiążącego cząsteczki magnetyczne. Zastosowanie tego typu materiału magnetycznego na zamknięcie żłobków stojana wynika z szerokich możliwości kształtowanie jego parametrów magnetycznych, w prosty sposób, przez odpowiedni dobór komponentów. Wyniki badań symulacyjnych przebiegów prądu i momentu silnika z klinami magnetycznymi i klinami niemagnetycznymi przedstawiono na rysunkach 12, 13 i 14. Na wykresach oraz w analizie wyników badań zastosowano następujące oznaczenia: Model- model silnika z klasycznymi klinami dielektrycznymi, Model-1 model silnika z klinami magnetycznymi o przenikalności μ = 3, Model-2 model silnika z klinami magnetycznymi o przenikalności μ = 5, Model-3 model silnika z klinami magnetycznymi o przenikalności μ = 1, Model-4 model silnika z klinami magnetycznymi o przenikalności μ = 15.

135 6 5 Prąd, I [A] 4 3 2 1 Model- Model-1 Model-2 Model-3 Model-4 1,,8,6,4,2, Poślizg, s [-] Rys. 12. Przebiegi prądu silnika w funkcji poślizgu dla klinów o różnej przenikalności Fig. 12. Current of simulated cryogenic motor with different magnetic permeability of slots wedge 14 Moment obrotowy, M [N m] 12 1 8 6 4 2 Model- Model-1 Model-2 Model-3 Model-4 1,,8,6,4,2, Poślizg, s [-] Rys. 13. Przebiegi momentu elektromagnetycznego silnika w funkcji poślizgu dla klinów o różnej przenikalności Fig. 13. Electromechanical characteristics of simulated cryogenic motor with different magnetic permeability of slots wedge

136 Z przeprowadzonych badań wynika, że zastosowanie w silniku kriogenicznym zamknięcia żłobków stojana klinami o właściwościach magnetycznych powoduje, że rozpływ strumienia magnetycznego w szczelinie powietrznej i strefie przyszczelinowej ulega zmianie. Im wyższa przenikalność magnetyczna klina, tym większa część strumienia magnetycznego przebiega przez klin. Powoduje to obniżenie prądu silnika z klinami magnetycznymi w porównaniu do silnika klasycznego. Moment obrotowy, M [N m] 14 12 1 8 6 4 2 Model- Model-1 Model-2 Model-3 Model-4,1,8,6,4,2, Poślizg, s [-] Rys. 14. Przebieg momentu krytycznego silnika przy zastosowaniu klinów o różnej przenikalności magnetycznej Fig. 14. Fragment of Electromechanical characteristics of simulated cryogenic motor with different magnetic permeability of slots wedge Zastosowanie klina magnetycznego o przenikalności μ = 3 powoduje obniżenie prądu rozruchowego o około 8%, natomiast dla klina magnetycznego o przenikalności μ = 15 uzyskano obniżenie prądu rozruchowego o około 25%. Równocześnie zmniejszeniu ulega moment krytyczny i rozruchowy silnika. Dla klina magnetycznego o przenikalności μ = 3 otrzymano o około 17% niższy moment rozruchowy i o około 8,5% niższy moment krytyczny. Dla modelu silnika z klinem magnetycznym o przenikalności μ = 15 uzyskano o około 44% niższy moment rozruchowy i o około 28% niższy moment krytyczny.

137 5. WNIOSKI Na podstawie wyników badań przedstawionych w artykule można sformułować następujące wnioski: o Schładzanie blach prądnicowych do temperatury ciekłego azotu ( 196 C) w nieznacznym (około 2%) stopniu wpływa na charakterystyki magnesowania. Indukcja nasycenia blach mierzonych w ciekłym azocie jest nieznacznie wyższa. o Wzrost stratności całkowitej w blachach schłodzonych do temperatury ciekłego azotu zawiera się w granicach 15% dla blach,35 mm i 1% dla blach,5 mm dla wszystkich częstotliwości pomiarowych. Straty całkowite dla blach o grubości,5mm pokrytych izolacjami C4 i C6 są niższe niż dla blach o grubościach,35 mm. o W stratach całkowitych badanych blach zarówno w temperaturze otoczenia, jak i w ciekłym azocie dominują straty histerezowe. Jednakże są one wyższe dla próbek mierzonych w ciekłym azocie, co spowodowane jest dodatkowymi naprężeniami wprowadzanymi do materiału przez niską temperaturę. o Na podstawie uzyskanych wyników symulacyjnych wpływu kształtu pręta wirnika na parametry silnika stwierdzono, że z rozpatrywanych konstrukcji najlepsze parametry podczas rozruchu uzyskano dla wirnika z prętem o kształcie C. o Silnik z takim wirnikiem, charakteryzuje się nieznacznie mniejszym momentem krytycznym. Może to mieć znaczenie np. w napędach pomp odśrodkowych zasilanych z regulowanych źródeł napięcia i częstotliwości przy realizacji pracy w zakresie częstotliwości większej od znamionowej. o Zastosowanie klatki wirnika wykonanej z miedzi lub jej stopu o niskim dodatku np. berylu spowoduje, w porównaniu do silnika z klatką z aluminium, zmniejszenie momentu rozruchowego oraz zwiększenie prądu rozruchowego. Zmiana momentu i prądu rozruchowego, wynikająca z obniżenia temperatury pracy silników z klatką z miedzi lub brązu berylowego, jest mniejsza niż w przypadku silnika z klatką z aluminium. Wykonanie klatki wirnika z miedzi lub jej stopu jest jednak trudniejsze technologicznie, ze względu na wyższą temperaturę topnienia Cu. Jednakże zastosowanie tego rozwiązania może wynikać z innymi względów takich jak np. celowość ograniczenia strat w silniku. o Przeprowadzone badania symulacyjne silnika przeznaczonego do pracy w ciekłym gazie naturalnym, w którym zamknięcie żłobków stojana wykonano klinami o różnej przenikalności magnetycznej wykazują, że ich zastosowanie przyniesie zarówno pozytywne jak i negatywne skutki. o Do pozytywnych skutków należy zaliczyć obniżenie prądu rozruchowego silnika oraz zmniejszenie zawartości harmonicznych w pobieranym prądzie, co ułatwia spełnienie warunków kompatybilności elektromagnetycznej napędu.

138 Obniżenie prądu rozruchowego jest szczególnie korzystne przy napędzie pompy odśrodkowej. W przypadku takiego napędu, również obniżenie momentu rozruchowego silnika, a tym samym złagodzenie przebiegów dynamicznych należy uznać za korzystny skutek zastosowania klinów magnetycznych. o Jako niekorzystne należy uznać obniżenie momentu krytycznego silnika, co jest szczególnie istotne przy zasilaniu silnika z przemiennika częstotliwości w przypadku konieczności regulacji np. pompy odśrodkowej powyżej częstotliwości znamionowej napięcia zasilającego. Obniżenie momentu krytycznego skutkować będzie, w tym przypadku, obniżeniem maksymalnego zakresu regulacji. o W przypadku zasilania silnika wyłącznie z sieci o stałej częstotliwości w pewnych przypadkach zastosowanie klinów magnetycznych o odpowiednio dobranej przenikalności może być korzystne. LITERATURA [1] AZAREWICZ S., GAWORSKA D., WĘGLIŃSKI B., Właściwości blach prądnicowych w ciekłych gazach, [w:] Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Oficyna Wydawnicza PWr., Wrocław 25, s. 286 295. [2] AZAREWICZ S., BUNIOWSKI A., GAWORSKA D., WEGLINSKI B., Performance of chosen magnetic materials in cryogenic temperatures, [w:] Sixth International Conference on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems. 6th UEES 4, Vol. 3, Alushta, Ukraina, s. 955 96. [3] AZAREWICZ S., KONIAREK J., WĘGLIŃSKI B., Wpływ konstrukcji wirnika na parametry silnika indukcyjnego pracującego w ciekłych gazach. XLII International Symposium on Electrical Machines. SME 26. Conference proceedings. Cracow, July 3 6, 26. [4] AZAREWICZ S., ŚNIEGOŃ S., WĘGLIŃSKI B., Wpływ zamknięcia żłobków stojana klinami magnetycznymi na parametry silnika pracującego w ciekłym azocie, [w:] Problemy eksploatacji maszyn i napędów elektrycznych. PEMINE, Ustroń Jaszowiec, 17 19 maja 26. Katowice: BOBRME Komel, 26. s. 185 188. [5] CEDRAT, FLUX.1 2D Aplication, User guide, vol.4, Solving and results postprocessing, March 25. THE INFLUENCE OF MAGNETIC CIRCUIT AND ROTOR CONSTRUCTION ON PARAMETERS OF INDUCTION MOTOR WORKING IN LOW TEMPERATURES In the paper the results of studies oriented info basic parameters of electrotechnical sheets are presented. The sheets are appropriated for magnetic circuits of induction machines working in very low temperatures. The simulation studies of the influence of the rotor slot shape and of the material kind of rods and end-rings on the electromagnetic parameters of squirrel-cage induction motor are performed. The simulation studies are realized with using Flux software for the 1 MW, 6 kv induction motor, designed for the drive system of liquid gas pump. It has been proved that through the proper shape design of rotor rods and the proper choice of squirrel-cage material kind it is possible to have an effect on the basic electromagnetic parameters of the motor.