ELEKTRYKA 2011 Zeszyt 4 (220) Rok LVII Zbigniew GORYCA Instytut Automatyki i Telematyki, Politechnika Radomska Mariusz MALINOWSKI Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Politechnika Warszawska Artur PAKOSZ Zespół Szkół Elektronicznych, Radom SPOSÓB MINIMALIZACJI MOMENTU ZACZEPOWEGO W WIELOBIEGUNOWEJ MASZYNIE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI Streszczenie. W pracy przedstawiono unikalny, opatentowany [1] sposób minimalizacji momentu zaczepowego w wielobiegunowej maszynie z magnesami trwałymi. Sposób ten polega na odpowiednim doborze liczby biegunów wirnika i liczby żłobków stojana. Podano wyniki obliczeń przeprowadzonych w programie Comsol Multiphisics [7] oraz wyniki pomiarów przeprowadzonych na trzech prototypach maszyn. Wyniki badań wskazują wyraźnie, że jest to najlepszy z dotychczasowych sposobów minimalizacji momentu zaczepowego. Słowa kluczowe: moment zaczepowy, maszyna wielobiegunowa MINIMALIZATION OF COGGING TORQUE IN THE MULTIPOLE MACHINE WITH PERMANENT MAGNET Summary. The paper presents the manner of minimization of cogging torque of multi-pole permanent magnets motor. This method has been patented by the author. This method consists in the right choice of the number of rotor's poles and the number of stator's grooves. Simulation results performed in Comsol Multiphisics and measuring results performed in three prototypes have been presented. Obtained results clearly show, that proposed method is the best among all known methods basing on minimization of cogging torque. Keywords: cogging torque, multipole machine 1. WPROWADZENIE Maszyny z magnesami trwałymi charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami w porównaniu z innymi typami maszyn elektrycznych [2], [3]. Jedynym ich mankamentem jest moment zaczepowy, będący wynikiem zmiennej przewodności magnetycznej obwodu
116 Z. Goryca, M. Malinowski, A. Pakosz magnetycznego maszyny [4]. Moment ten wywołuje drgania i jest źródłem hałasu. Wartość momentu zaczepowego zależy od liczby biegunów maszyny, od indukcji w szczelinie i od geometrii obwodu magnetycznego. W maszynach wielobiegunowych zmniejszanie tego momentu jest szczególnie istotne [5]. Najbardziej popularnym sposobem zmniejszenia momentu zaczepowego jest stosowanie skosu żłobków stojana o jedną podziałkę żłobkową. Sposób ten powoduje jednak zmniejszenie użytecznej powierzchni żłobka i utrudnienia w uzwajaniu maszyny [3]. W przypadku maszyny wielobiegunowej, przy zastosowaniu skosu żłobków, występuje wielokrotnie strumień poosiowy, zwiększający moment zaczepowy. Do bardziej znanych sposobów zmniejszania tego momentu należą także: stosowanie pseudoskosu magnesów oraz zmiany wypełnienia magnesem podziałki biegunowej wirnika [6]. W poniższym referacie przedstawiono niezwykle efektywny sposób zmniejszenia momentu zaczepowego w wielobiegunowych maszynach. Sposób ten polega na odpowiednim doborze liczby biegunów magnetycznych stojana i wirnika. 2. KONSTRUKCJA BADANEJ MASZYNY Przedmiotem rozważań było zmniejszenie momentu zaczepowego w wolnoobrotowej prądnicy przeznaczonej do małej, bezprzekładniowej elektrowni wiatrowej [9]. Z uwagi na niewielką prędkość obrotową prądnica ta ma 36 biegunów magnetycznych (magnesów) na wirniku. W celu zmniejszenia momentu zaczepowego zastosowano w niej 39 zębów stojana, będących jego biegunami magnetycznymi. Zatem największą wspólną wielokrotnością liczby biegunów wirnika i stojana jest liczba 3 i liczba ta decyduje o wartości momentu zaczepowego. Rysunek 1 pokazuje obwód magnetyczny rozważanej konstrukcji. Pierwszym etapem badań było przeprowadzenie obliczeń polowych obrazujących rozkład indukcji w obwodzie magnetycznym prądnicy i obliczenie momentu zaczepowego. Obliczenia te przeprowadzono w programie Comsol Multiphisics [7], a ich wynik pokazuje rysunek 2. Wartość maksymalna momentu zaczepowego obliczona zgodnie z zależnością (1) wynosiła 1,15 Nm. gdzie: T moment zaczepowy, r promień środka szczeliny, µ0 przenikalność magnetyczna próżni, Bn składowa normalna indukcji magnetycznej, Bt składowa styczna indukcji magnetycznej. 2π 2 r T Bn Btd (1) 0 0
Sposób minimalizacji moment zaczepowego 117 Rys. 1. Obwód magnetyczny wielobiegunowej prądnicy Fig. 1. Multipolar magnetic circuit generator Rys. 2. Rozkład indukcji w obwodzie magnetycznym prądnicy Fig. 2. Distribution of the magnetic circuit of the induction generator Następnym etapem badań była budowa trzech prototypów prądnic. Rysunki 3, 4 i 5 pokazują zdjęcia elementów prototypów oraz efekt końcowy budowy. Rys. 3. Widok uzwojonego stojana Fig. 3. View of spiral stator Rys. 4. Widok wirnika Fig. 4. View of rotor Rys. 5. Widok prototypu prądnicy Fig. 5. View of generator prototype
118 Z. Goryca, M. Malinowski, A. Pakosz 3. WYNIKI BADAŃ LABORATORYJNYCH Badania laboratoryjne przeprowadzone na trzech wykonanych prototypach pokazały, że maksymalna wartość momentu zaczepowego wynosi 1,5 Nm. Pomiary przeprowadzono w dwóch etapach: w pierwszym zmierzono moment tarcia w łożyskach, w drugim sumę momentu tarcia i momentu zaczepowego maszyny. Pomiary maksymalnej wartości momentu tarcia w łożyskach wykonano następująco: wirniki prądnic (z naklejonymi magnesami) o numerach 2, 3 i 4 zaopatrzono w łożyska i umieszczano w obudowie pozbawionej pakietu blach stojana. Przy braku stojana nie występuje moment zaczepowy, a opory występujące przy obracaniu wirnika są związane wyłącznie z tarciem w łożyskach. Do wału prądnicy przyczepiono zrównoważone ramię i w określonej odległości od środka wału 450 mm zawieszono szalkę, którą stopniowo obciążano odważnikami. Przy określonym obciążeniu wał prądnicy zaczynał się poruszać. Wyniki przeprowadzonych pomiarów są zawarte w tabeli 1. Momenty tarcia w łożyskach badanych prądnic Tabela1 Nr prądnicy Wartość obciążenia [G] Moment tarcia [Nm] 2 260 1,15 3 360 1,59 4 410 1,81 Następnie włożono do obudów pakiety blach stojanów, zmontowano prądnice (włożono wirniki) i powtórzono pomiary. W tym przypadku momenty tarcia występujące w łożyskach sumują się z momentami zaczepowymi. Wyniki tych pomiarów są zawarte w tabeli 2. Suma momentu tarcia i momentu zaczepowego badanych prądnic Nr prądnicy Wartość obciążenia [G] Suma: momentu tarcia i momentu zaczepowego [Nm] Tabela 2 Moment zaczepowy [Nm] 2 602 2,66 1,51 3 672 2,97 1,38 4 732 3,23 1,42 Kolejnym krokiem był pomiar napięcia wytwarzanego przez prądnicę. W tym celu połączono ją z zespołem napędowym zasilanym z falownika. Przebieg napięcia w stanie jałowym zarejestrowany przy użyciu oscyloskopu cyfrowego prezentuje rysunek 6.
Sposób minimalizacji moment zaczepowego 119 Rys. 6. Przebieg napięcia fazowego prądnicy w stanie jałowym Fig. 6. Phase waveform generator at idle 4. WNIOSKI Przeprowadzone obliczenia i pomiary wykazały, że minimalizacja momentu zaczepowego przedstawionym sposobem jest bardzo skuteczna. Dotychczas najlepszym światowym rezultatem w maszynach wielobiegunowych było uzyskanie momentu zaczepowego na poziomie 1% w wyrobach francuskiej firmy ALXION [8]. W opracowanych prototypach uzyskano ten moment na poziomie 0,4%. Praca została wykonana w ramach projektu rozwojowego nr N R01 0015 06/2009 finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. BIBLIOGRAFIA 1. Goryca Z., Malinowski M., Pakosz A.: Wielobiegunowa maszyna z magnesami trwałymi o zredukowanym momencie zaczepowym. Zgłoszenie patentowe nr P-395663 z dnia 15.07.2011. 2. Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002. 3. Gajewski M.: Analiza pulsacji momentu w silnikach bezszczotkowych z magnesami trwałymi. Rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska. Warszawa 2007.
120 Z. Goryca, M. Malinowski, A. Pakosz 4. Łukaniszyn M., Młot A.: Analiza momentu elektromagnetycznego i składowych pulsacji w bezszczotkowym silniku prądu stałego wzbudzanym magnesami trwałymi. Przegląd Elektrotechniczny 2005, nr 10, s. 21-25. 5. Goryca Z., Ziółek M.: Moment zaczepowy wielobiegunowej maszyny z magnesami trwałymi. XLVI Sympozjum Maszyn Elektrycznych, Ustroń 2010. 6. Goryca Z., Ziółek M.: Wpływ wymiarów magnesu na parametry generatora. VII Konferencja Postępy w Elektrotechnice Stosowanej, Kościelisko 2009. 7. COMSOL Multiphysics wersja 3.3 licencja nr 1027828 8. ww.alxion.com 9. Goryca Z., Malinowski M.: Prądnica do małej bezprzekładniowej elektrowni wiatrowej, XVIII Konferencja Problemy Eksploatacji Maszyn i Napędów Elektrycznych. Rytro 26-28 maja 2010. Wpłynęło do Redakcji dnia 10 grudnia 2011 r. Recenzent: Prof. dr hab. inż. Tadeusz Glinka Dr hab. inż. Zbigniew GORYCA, prof. nadzw. UTH Rad. Politechnika Radomska, Wydział Transportu i Elektrotechniki, Instytut Automatyki i Telematyki ul. Malczewskiego 29, 26-600 RADOM tel.: (048) 3617726; e-mail: z.goryca@uthrad.pl, tgoryca@kki.net.pl Dr hab. inż. Mariusz MALINOWSKI Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej ul. Koszykowa 75, 00-662 WARSZAWA tel. (022) 234-51-24; e-mail: malin@isep.pw.edu.pl, m.malinowski@ieee.org Artur PAKOSZ Zespół Szkół Elektronicznych, Radom ul. Sadkowska 19; 26-600 RADOM tel.: (048) 344 81 16