BEZSZCZOTKOWY SILNIK PR DU STA EGO O WZBUDZENIU MAGNESAMI TRWA YMI PRZEZNACZONY DO NAPÊDU WÓZKÓW AKUMULATOROWYCH ***



Podobne dokumenty
ANALIZA BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA PRĄDU STAŁEGO Z MAGNESAMI NdFeB

POLOWO - OBWODOWY MODEL BEZSZCZOTKOWEJ WZBUDNICY GENERATORA SYNCHRONICZNEGO

ANALIZA WPŁYWU SPOSOBU NAMAGNESOWANIA MAGNESÓW NA PARAMETRY SILNIKA KOMUTATOROWEGO O MAGNESACH TRWAŁYCH

PORÓWNANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z SILNIKIEM SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM

ANALIZA WPŁYWU SPOSOBU NAMAGNESOWANIA MAGNESÓW NA PRZEBIEGI CZASOWE WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH I MECHANICZNYCH W SILNIKU BEZSZCZOTKOWYM

SILNIK BEZSZCZOTKOWY O WIRNIKU KUBKOWYM

WPŁYW OSADZENIA MAGNESU NA PARAMETRY SILNIKA MAGNETOELEKTRYCZNEGO O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

SILNIK RELUKTANCYJNY PRZEŁĄCZALNY PRZEZNACZONY DO NAPĘDU MAŁEGO MOBILNEGO POJAZDU ELEKTRYCZNEGO

Silniki prądu stałego z komutacją bezstykową (elektroniczną)

PORÓWNANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO ORAZ SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM - BADANIA EKSPERYMENTALNE

bieguny główne z uzwojeniem wzbudzającym (3), bieguny pomocnicze (komutacyjne) (5), tarcze łożyskowe, trzymadła szczotkowe.

ANALIZA STRUKTUR MAGNETOELEKTRYCZNYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH O ROZRUCHU CZĘSTOTLIWOŚCIOWYM. OBLICZENIA

POLOWO OBWODOWY MODEL DWUBIEGOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO WERYFIKACJA POMIAROWA

Ćwiczenie EA1 Silniki wykonawcze prądu stałego

Silniki prądu stałego

NOWA SERIA WYSOKOSPRAWNYCH DWUBIEGUNOWYCH GENERATORÓW SYNCHRONICZNYCH WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

SILNIK ELEKTRYCZNY O WZBUDZENIU HYBRYDOWYM

PRZEGLĄD KONSTRUKCJI JEDNOFAZOWYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

Ćwiczenie: "Silnik prądu stałego"

ZJAWISKA W OBWODACH TŁUMIĄCYCH PODCZAS ZAKŁÓCEŃ PRACY TURBOGENERATORA

WPŁYW ROZMIESZCZENIA MAGNESÓW NA WŁAŚCIWOŚCI EKSPOATACYJNE SILNIKA TYPU LSPMSM

ANALIZA STRUKTUR MAGNETOELEKTRYCZNYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH O ROZRUCHU CZĘSTOTLIWOŚCIOWYM. MODELOWANIE

SILNIK SYNCHRONICZNY ŚREDNIEJ MOCY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ZASILANY Z FALOWNIKA

PORÓWNANIE JEDNOFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO I JEDNOFAZOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI. BADANIA EKSPERYMENTALNE

MODELOWANIE SILNIKA KOMUTATOROWEGO O MAGNESACH TRWAŁYCH ZASILANEGO Z PRZEKSZTAŁTNIKA IMPULSOWEGO

BADANIA SILNIKA SZEREGOWEGO BEZKOMUTATOROWEGO

Badania maszyny reluktancyjnej przełączalnej, przeznaczonej do napędu lekkiego pojazdu elektrycznego

Ćwiczenie: "Silnik indukcyjny"

WPŁYW KSZTAŁTU SZCZELINY POWIETRZNEJ NA WŁAŚCIWOŚCI SILNIKA SYNCHRONICZNEGO WZBUDZANEGO MAGNESAMI TRWAŁYMI

ZASTOSOWANIE MONOLITYCZNYCH NADPRZEWODNIKÓW WYSOKOTEMPERATUROWYCH W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

OBLICZENIA POLOWE SILNIKA PRZEŁĄCZALNEGO RELUKTANCYJNEGO (SRM) W CELU JEGO OPTYMALIZACJI

Maszyny elektryczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

BADANIA MASZYNY RELUKTANCYJNEJ PRZEŁĄCZALNEJ PRZEZNACZONEJ DO NAPĘDU LEKKIEGO POJAZDU ELEKTRYCZNEGO

BADANIA SYMULACYJNE SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH PRZEŁĄCZALNYCH PRZEZNACZONYCH DO NAPĘDU WYSOKOOBROTOWEGO

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka

OBLICZENIOWE BADANIE ZJAWISK WYWOŁANYCH USZKODZENIEM KLATKI WIRNIKA

SPOSÓB MINIMALIZACJI MOMENTU ZACZEPOWEGO W WIELOBIEGUNOWEJ MASZYNIE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

WOLNOOBROTOWY BEZSZCZOTKOWY SILNIK PRĄDU STAŁEGO DO NAPĘDU ROGATKOWEGO

Wykład 5. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów

Stanowisko pomiarowe do wyznaczania ró nicowego pr¹du wy³¹czania wy³¹czników ró nicowo-pr¹dowych typu AC

PL B1. INSTYTUT NAPĘDÓW I MASZYN ELEKTRYCZNYCH KOMEL, Katowice, PL BUP 17/18

WERYFIKACJA METOD OBLICZENIOWYCH SILNIKÓW TARCZOWYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

WPŁYW EKSCENTRYCZNOŚCI STATYCZNEJ WIRNIKA I NIEJEDNAKOWEGO NAMAGNESOWANIA MAGNESÓW NA POSTAĆ DEFORMACJI STOJANA W SILNIKU BLDC

ANALIZA PARAMETRÓW ROZRUSZNIKÓW SAMOCHODOWYCH O MAGNESACH TRWAŁYCH 1. WPROWADZENIE

BADANIA WPŁYWU PRZEKSZTAŁTNIKA IMPULSOWEGO NA WARTOŚĆ STRAT DODATKOWYCH W ŻELAZIE W SILNIKU Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Temat: Silniki komutatorowe jednofazowe: silnik szeregowy, bocznikowy, repulsyjny.

IX International PhD Workshop OWD 2007, October 2007 BADANIA SYMULACYJNE SILNIKA MAGNETOELEKTRYCZNEGO PRĄDU STAŁEGO

Obliczenia polowe silnika przełączalnego reluktancyjnego (SRM) w celu jego optymalizacji

DWUKIERUNKOWY JEDNOFAZOWY SILNIK SYNCHRONICZNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

KSZTAŁTOWANIE POLA MAGNETYCZNEGO W DWUBIEGOWYCH SILNIKACH SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

TRÓJWYMIAROWA ANALIZA POLA MAGNETYCZNEGO W KOMUTATOROWYM SILNIKU PRĄDU STAŁEGO

WPŁYW ALGORYTMU STEROWANIA PRZEKSZTAŁTNIKA NA WŁAŚCIWOŚCI NAPĘDU Z SILNIKIEM BEZSZCZOTKOWYM

PRĄDNICE I SILNIKI. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

SAMOCZYNNA SYNCHRONIZACJA SILNIKÓW LSPMSM

WYKORZYSTANIE PROCESORA SYGNAŁOWEGO DO STEROWANIA SILNIKIEM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Dr hab. inż. Jan Staszak. kierunkowy (podstawowy / kierunkowy / inny HES) nieobowiązkowy (obowiązkowy / nieobowiązkowy) język polski III

ANALIZA DYNAMICZNYCH I STACJONARNYCH STANÓW PRACY ROZRUSZNIKA SAMOCHODOWEGO WZBUDZANEGO MAGNESAMI TRWAŁYMI

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

PRACA RÓWNOLEGŁA PRĄDNIC SYNCHRONICZNYCH WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

OPTYMALIZACJA MAGNETOELEKTRYCZNEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO O MAGNESACH ZŁOŻONYCH Z MATERIAŁÓW O RÓŻNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH MAGNETYCZNYCH

ZWARTE PRĘTY ROZRUCHOWE W SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

ROZRUCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

ANALIZA WPŁYWU WYMIARÓW I KSZTAŁTU MAGNESÓW TRWAŁYCH NA MOMENT ELEKTROMAGNETYCZNY BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA PRĄDU STAŁEGO

SILNIK MAGNETOELEKTRYCZNY TARCZOWY Z TWORNIKIEM BEZ RDZENIA FERROMAGNETYCZNEGO

Badania symulacyjne silników elektrycznych z magnesami trwałymi do trolejbusów

SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

ZASTOSOWANIE SKOSU STOJANA W JEDNOFAZOWYM SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Badanie prądnicy prądu stałego

ANALIZA PORÓWNAWCZA WYBRANYCH MODELI SILNIKÓW TARCZOWYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

ANALIZA WŁASNOŚCI SILNIKA INDUKCYJNEGO SYNCHRONIZOWANEGO (LSPMSM) METODĄ OBLICZEŃ POLOWYCH.

Przegląd koncepcji maszyn wzbudzanych hybrydowo do zastosowania w napędzie samochodów

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

Charakterystyka rozruchowa silnika repulsyjnego

Ćwiczenie EA5 Silnik 2-fazowy indukcyjny wykonawczy

ANALIZA PORÓWNAWCZA PARAMETRÓW MASZYN MAGNETOELEKTRYCZNYCH ZASILANYCH Z PROSTOWNIKÓW STEROWANYCH I PRZEKSZTAŁTNIKÓW IMPULSOWYCH 1.

Koncepcja budowy silnika bezszczotkowego z magnesami trwałymi na bazie elementów seryjnie produkowanych silników indukcyjnych

SPIS TREŚCI PRZEDMOWA WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ 1. PODSTAWOWE INFORMACJE O NAPĘDZIE Z SILNIKAMI BEZSZCZOTKOWYMI 1.1. Zasada działania i

Maszyny elektryczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.

TRÓJFAZOWY GENERATOR Z MAGNESAMI TRWAŁYMI W REśIMIE PRACY JEDNOFAZOWEJ

ANALIZA WPŁYWU NIESYMETRII NAPIĘCIA SIECI NA OBCIĄŻALNOŚĆ TRÓJFAZOWYCH SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

Maszyny prądu stałego - budowa

PROJEKT SILNIKA PRĄDU STAŁEGO Z KOMUTACJĄ ELEKTRONICZNĄ PRZEZNACZONEGO DO NAPĘDU LEKKIEGO POJAZDU ELEKTRYCZNEGO

Wykaz ważniejszych oznaczeń Podstawowe informacje o napędzie z silnikami bezszczotkowymi... 13

CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

MODELOWANIE SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O UZWOJENIACH SKUPIONYCH

DRGANIA ORAZ SIŁY POCHODZENIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO W DWUBIEGOWYCH SILNIKACH SYNCHRONICZNYCH DUŻEJ MOCY

DOBÓR MASZYN ELEKTRYCZNYCH dr inż. Michał Michna 2

WYBRANE PROBLEMY SILNIKÓW INDUKCYJNYCH SYNCHRONIZOWANYCH Z MAGNESAMI TRWA YMI (LSPMSM)

POLOWO-OBWODOWA ANALIZA MOMENTU ELEKTROMAGNETYCZNEGO W KOMUTATOROWYM SILNIKU MAGNETOELEKTRYCZNYM

Rys. 1. Krzywe mocy i momentu: a) w obcowzbudnym silniku prądu stałego, b) w odwzbudzanym silniku synchronicznym z magnesem trwałym

ANALIZA POLOWO-OBWODOWA ROZRUSZNIKA SAMOCHODOWEGO O MAGNESACH TRWAŁYCH

SYNCHRONIZACJA SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH. WYBÓR CHWILI ZAŁĄCZENIA PRĄDU WZBUDZENIA

Badanie napędu z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

WPŁYW ZMIAN KĄTA ZAŁĄCZENIA NA WŁAŚCIWOŚCI SILNIKA BLDC NAPĘDU HYBRYDOWEGO BEZZAŁOGOWEGO APARATU LATAJĄCEGO

ANALIZA PRACY SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI W WARUNKACH ZAPADU NAPIĘCIA

BADANIE SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO (SRM) CZĘŚĆ 2 PRACA DYNAMICZNA SILNIKA

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 80/

Badanie silnika indukcyjnego jednofazowego i transformatora

Transkrypt:

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 25. ZESZYT 2, 2006 ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 25. ZESZYT 2, 2006 Barbara ŒLUSAREK *, Piotr GAWRYŒ *, Marek PRZYBYLSKI *, Tomasz CZEKALA ** BEZSZCZOTKOWY SILNIK PR DU STA EGO O WZBUDZENIU MAGNESAMI TRWA YMI PRZEZNACZONY DO NAPÊDU WÓZKÓW AKUMULATOROWYCH *** STRESZCZENIE W produkowanych obecnie wózkach akumulatorowych stosowane s¹ silniki komutatorowe w wykonaniu szeregowym. Bezszczotkowe silniki pr¹du sta³ego zapewniaj¹ wiêksz¹ sprawnoœæ, trwa³oœæ i cichobie noœæ. Celem prowadzonych prac jest opracowanie, wykonanie i wdro enie do produkcji bezszczotkowego silnika pr¹du sta³ego o mocy 8 kw przeznaczonego do wózków akumulatorowych produkowanych przez Fabrykê Maszyn w Le ajsku. W referacie przedstawiono zarysy projektu silnika wraz z uk³adem sterowania o mocy 8 kw oraz wyniki badañ wykonanego modelu silnika. S³owa kluczowe: silniki bezszczotkowe, komutator elektroniczny, magnesy Nd-Fe-B BRUSHLESS DC MOTOR EXCITED BY PERMANENT MAGNETS FOR BATTERY-ELECTRIC TRUCKS This paper deals with design, assembling and measurements of 8kW brushless DC motor for battery-electric trucks. The paper contains of measurements of flux density in air gap, load and efficiency curves. It contains also measured currents and voltages in windings of motor. Keywords: permanent magnet brushless motor, electronic commutator, Nd-Fe-B permanent magnets 1. WSTÊP W produkowanych obecnie pojazdach trakcyjnych, do których nale ¹ wózki akumulatorowe, stosowane s¹ najczêœciej silniki komutatorowe w wykonaniu szeregowym. Wad¹ tych silników s¹ zbyt du e gabaryty, zbyt wysoki poziom ha³asu oraz zu ywanie szczotek. Odbiorcy wózków akumulatorowych potrzebuj¹ wózków o lepszych parametrach technicznych, mniejszej uci¹ liwoœci eksploatacji. Zapewnienie takich parametrów umo liwiaj¹ nowe generacje bezszczotkowych silników pr¹du sta³ego o wzbudzeniu magnesami trwa³ymi. Takie silniki zapewniaj¹ wiêksz¹ sprawnoœæ, wiêksz¹ trwa³oœæ oraz cichobie noœæ. Im wiêksza sprawnoœæ silnika elektrycznego, tym mniejsze zu ycie pobieranej energii. ród³em energii elektrycznej w tego typu pojazdach s¹ akumulatory. Sprawnoœæ silników wp³ywa, miêdzy innymi, na pojemnoœæ i masê koniecznych do zastosowania akumulatorów. Ostatnie lata przynios³y gwa³towny rozwój maszyn elektrycznych z magnesami trwa³ymi, który wynika z postêpu dotycz¹cego technologii materia³ów na magnesy trwa³e. Nowe materia³y magnetycznie twarde charakteryzuj¹ siê bardzo korzystnymi, z punktu widzenia konstruktora maszyn elektrycznych, w³aœciwoœciami magnetycznymi. Umo - liwia to, miêdzy innymi, poprawê parametrów eksploatacyjnych silnika, np. wiêksz¹ sprawnoœæ oraz moc osi¹gan¹ z jednostki masy czy objêtoœci maszyny. Idea bezszczotkowego silnika polega na zastosowaniu jako Ÿród³a strumienia magnetycznego magnesów trwa- ³ych umieszczonych na wirniku. W u ³obkowanym stojanie znajduj¹ siê pasma zasilane niezale nie ze sterownika. Przebiegi pasmowej sem indukowanej w uzwojeniach silnika maj¹ kszta³t trapezowy, a przebiegi pr¹dów pasmowych twornika maj¹ kszta³t prostok¹tny. Trapezowe przebiegi sem uzyskuje siê przez odpowiednie roz³o enie uzwojeñ na obwodzie stojana. Komutacja pr¹dów w uzwojeniach jest zsynchronizowana z po³o eniem wirnika dziêki czujnikowi œledz¹cemu jego chwilowe po³o enie. W artykule przedstawiono wyniki prac maj¹cych na celu opracowanie i wykonanie bezszczotkowego magnetoelektrycznego silnika pr¹du sta³ego o mocy 8 kw, przeznaczonego do napêdu wózka akumulatorowego o ³adownoœci 2000 kg produkowanego przez Fabrykê Maszyn w Le ajsku sp. z o.o. 2. PROJEKT SILNIKA Celem prowadzonych prac by³o opracowanie bezszczotkowego szeœciobiegunowego silnika pr¹du sta³ego magnetoelektrycznego o mocy 8 kw, n = 2200 obr./min. Producent wózków akumulatorowych przedstawi³ szereg ograniczeñ dotycz¹cych, miêdzy innymi, zasilania silnika z dotychczas wykorzystywanych akumulatorów o napiêciu U n = 80 V. Tak e gabaryty silnika musza byæ dostosowane do konstrukcji produkowanego obecnie wózka akumulatorowego. Wykorzystuj¹c klasyczny obwodowy model zjawisk elektromagnetycznych i cieplnych, zaprojektowano silnik o za³o onych parametrach funkcjonalnych [1]. Nastêpnie, wykorzystuj¹c polowo-obwodowy model zjawisk oraz opracowane na jego podstawie oprogramowanie do symulacji stanów pracy silników bezszczotkowych, przeprowadzono analizê obci¹ enia obwodu magnetycznego i elek- * Instytut Tele- i Radiotechniczny, Warszawa ** Student trzeciego roku, Politechnika Warszawska, Wydzia³ Matematyki i Nauk Informacyjnych *** Artyku³ uzyska³ pozytywne recenzje i by³ prezentowany podczas Miêdzynarodowego Sympozjum Maszyn Elektrycznych SME 2006 w Krakowie 207

Barbara ŒLUSAREK, Piotr GAWRYŒ, Marek PRZYBYLSKI, Tomasz CZEKALA BEZSZCZOTKOWY SILNIK PR DU STA EGO O WZBUDZENIU MAGNESAMI TRWA YMI... trycznego silnika [2]. W opracowanym algorytmie i programie rozk³ad pola magnetycznego wyznacza siê za pomoc¹ elementów skoñczonych, a jego czasowy przebieg uzyskuje siê, wykorzystuj¹c metodê kolejnych kroków czasowych. W rozwa aniach uwzglêdniono nieliniowe w³aœciwoœci materia³ów magnetycznych, pr¹dy wirowe indukowane w masywnych elementach przewodz¹cych oraz dynamiczne odmagnesowanie magnesów trwa³ych [3]. Ponadto w programie obliczeniowym odwzorowano w sposób przybli ony pó³przewodnikowy uk³ad zasilaj¹cy silnik [4]. Elementy pó³przewodnikowe modelowano za pomoc¹ nieliniowych rezystorów o rezystancji zale nej od pr¹du i czasu. Uk³ad steruj¹cy prac¹ uk³adu zasilaj¹cego odwzorowywa³ klasyczny algorytm sterowania silnika bezszczotkowego [1, 5]. Magnesy Nd-Fe-B charakteryzuj¹ siê du ¹ koercj¹, która decyduje o ich odpornoœci na rozmagnesowanie. Obliczenia przeprowadzono dla dwóch wersji silnika o wzbudzeniu spiekanymi magnesami Nd-Fe-B oraz dielektromagnesami Nd-Fe-B. W³aœciwoœci magnetyczne magnesów przeznaczonych do projektowanego silnika przedstawiono w tabeli 1. na rysunku, dla du ych wartoœci pr¹du I m obserwuje siê silne oddzia³ywanie twornika objawiaj¹ce siê du ¹ niejednorodnoœci¹ rozk³adu pola w obrêbie krañców magnesów. Przeprowadzono analizê rozk³adu indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej silnika. Rozpatrywano rozk³ad modu³u B wektora indukcji oraz sk³adowych: radialnej B r i stycznej B t. Na biegu ja³owym (I m = 0) rozk³ad indukcji w szczelinie powietrznej wzd³u obwodu wirnika jest zbli- ony do prostok¹tnego, a wartoœæ maksymalnej indukcji wynosi oko³o 0,88 T. W miarê wzrostu obci¹ enia zmienia siê rozk³ad indukcji w szczelinie (rys. 2). Pulsacje w rozk³adzie indukcji spowodowane s¹ ³obkami stojana, a odkszta³cenia rozk³adu oddzia³ywaniem twornika i zwiêksza siê ono ze wzrostem pr¹du. Tabela 1 W³aœciwoœci magnesów do projektowanego silnika Table 1 Properties of magnets used in designed motor Rodzaj magnesu B r H cb H cj BH max [T] [ka/m] [ka/m] [kj/m 3 ] Magnes spiekany 1,00 750 1900 195 Dielektromagnes 0,71 475 899 85 Analizowano wp³yw pr¹du w uzwojeniach na rozk³ad indukcji w jarzmach stojana i wirnika, zêbach, szczelinie powietrznej, magnesach oraz wp³yw pr¹du na uzyskiwany moment elektromagnetyczny [6]. Rozk³ady linii si³ pola magnetycznego i rozk³ady indukcji magnetycznej w szczelinie silnika pokazano dla silnika o wzbudzeniu spiekanymi magnesami Nd-Fe-B. Przyk³adowy rozk³ad pola uzyskany dla wybranej wartoœci I m pr¹du w uzwojeniach przedstawiono na rysunku 1. Jak widaæ Rys. 1. Rozk³ad linii si³ pola magnetycznego dla I m = 1820 A Fig. 1. Magnetic field force lines distribution, I m = 1820 A Rys. 2. Rozk³ad indukcji w szczelinie powietrznej silnika dla I m = 132 A Fig. 2. Induction distribution inside motor air gap, I m = 132 A Wp³yw oddzia³ywania twornika na magnesy pokazuje rozk³ad indukcji w magnesie. Na biegu ja³owym, podobnie jak w szczelinie powietrznej rozk³ad indukcji zbli ony jest do rozk³adu prostok¹tnego. Ze wzrostem pr¹du twornika rozk³ad ten coraz bardziej deformuje siê. Z rozk³adu indukcji w po³owie wysokoœci magnesu dla I m = 1820 A wynika, e jeden kraniec magnesu jest silnie odmagnesowany indukcja ma wartoœæ ujemn¹, a drugi kraniec magnesu jest domagnesowany maksymalna indukcja wynosi oko³o 2,06 T. Tak du e oddzia³ywanie twornika w sposób trwa³y zmniejsza strumieñ magnetyczny wytwarzany przez magnes. Zatem pr¹d w uzwojeniach nie mo e osi¹gaæ tak du- ych wartoœci, ale zgodnie z za³o eniami zwi¹zanymi z rodzajem stosowanych akumulatorów maksymalna wartoœæ pr¹du pobieranego z nich wynosi 500 A [6]. Uzyskane rezultaty symulacji komputerowej potwierdzaj¹ obliczenia przeprowadzone za pomoc¹ modelu obwodowego. Z wykonanych obliczeñ wynika, e obwód magnetyczny zaprojektowano poprawnie jest on nienasycony, tj. indukcje magnetyczne w elementach obwodu magnetycznego nie maj¹ du ych wartoœci. Niska jest tak e gêstoœæ pr¹du w uzwojeniach przy obci¹ eniu znamionowym ( j = 4 A/mm 2 ). Z przeprowadzonych obliczeñ wynika ponadto, e w przypadku przyjêtych materia³ów magnetycznie twardych, dopuszczalny udarowy pr¹d wirnika nie spowoduje trwa³ego odmagnesowania magnesów [6]. 208

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 25. ZESZYT 2, 2006 3. STEROWANIE SILNIKIEM Dla w³aœciwego sterowania silnika bezszczotkowego z magnesami trwa³ymi wymagane jest zastosowanie komutatora elektronicznego. Jest to urz¹dzenie energoelektroniczne s³u- ¹ce do prze³¹czania faz silnika umo liwiaj¹c jego kontrolowan¹ pracê. Aby sterownik pracowa³ prawid³owo, silnik musi zostaæ wyposa ony w czujnik po³o enia wa³u. Sterownik silnika komutator elektroniczny sk³ada siê z dwóch g³ównych podzespo³ów: 1) czêœci steruj¹cej wyposa onej w procesor steruj¹cy, 2) koñcówki mocy, która sk³ada siê z ³¹czników tranzystorowych oraz ich sterowników. Schemat blokowy stopnia mocy w regulatorach silników bezszczotkowych przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Schemat blokowy stopnia mocy silnika bezszczotkowego Objaœnienia w tekœcie Fig. 3. Block diagram of power stage of brushless DC motor Explanations in the text Na rysunku 3 literami A, B, C oznaczono wyjœcia faz silnika, natomiast symbolami AH, AL, BH, BL, CH, CL tranzystory stopnia mocy. Sterowanie prac¹ silnika polega na odpowiednim otwieraniu i zamykaniu tranzystorów mocy, co zmienia przep³yw pr¹du w uzwojeniach silnika w zale noœci od sygna³u otrzymanego z czujnika po³o enia wa³u. Czujnik po- ³o enia sk³ada siê z trzech hallotronów i wielobiegunowego magnesu trwa³ego umieszczonego na wale silnika. Hallotrony wytwarzaj¹ sygna³y elektryczne w postaci binarnej. Czujnik umo liwia pomiar po³o enia wa³u silnika z dok³adnoœci¹ do 20 stopni mechanicznych. Algorytm sterowania tranzystorami mocy przedstawiony jest w tabeli 2. Cyfra 1 w tabeli oznacza stan wysoki hallotronu, a cyfra 0 stan niski. W przypadku tranzystorów mocy cyfra 1 oznacza, e tranzystor przewodzi pr¹d, a cyfra 0 e nie przewodzi. Tabela 2 Algorytm sterowania tranzystorami mocy Objaœnienia w tekœcie Table 2 Algorithm of controlling the power transistors Explanations in the text Zmiana kierunku wirowania wirnika wymaga zamiany sterowania tranzystorów oznaczonych liter¹ H z tranzystorami oznaczonymi literami L. Sterowanie obrotami i momentem silnika odbywa siê przez regulacjê natê enia pr¹du p³yn¹cego przez uzwojenia. 4. BADANIA SILNIKÓW Na podstawie uzyskanych danych obliczeniowych wykonano modele silników. Podstawowe wymiary silnika s¹ nastêpuj¹ce: œrednica zewnêtrzna stojana 208 mm, œrednica wirnika wraz z magnesami 132,6 mm, d³ugoœæ szczeliny powietrznej 0,7 mm. D³ugoœæ pakietu stojana oraz wirnika 114 mm. Uzwojenie silnika jest trójpasmowe, po³¹czone w gwiazdê. Na wirniku naklejono magnesy spiekane ze stopu Nd-Fe-B o nastêpuj¹cych parametrach: B r = 1,08 T, H cb = 808 ka/m, H cj = 1989 ka/m, BH max = 218 kj/m 3. Wykonano te model silnika z dielektromagnesami Nd-Fe-B o parametrach przedstawionych w tabeli 1. Przeprowadzono badania modeli silników. Pomiary wykonywano w fabryce maszyn elektrycznych Wamel na przygotowanym stanowisku pomiarowym. Zmierzono charakterystykê mechaniczn¹ silnika, wykonano próbê nagrzewania maszyny. Zarejestrowano przebiegi rozk³adu indukcji magnetycznej w szczelinie silnika, przebiegi pr¹dów i napiêæ fazowych (pasmowych). Okreœlono tak e sprawnoœæ maszyny. Do obci¹ ania bezszczotkowego silnika zastosowano pr¹dnicê pr¹du sta³ego wraz z rezystorami mocy na jej wyjœciu. Do pomiaru momentu silnika stosowano momentomierz indukcyjny o zakresie do 200 N m. Prêdkoœæ obrotow¹ mierzono elektronicznym miernikiem prêdkoœci obrotowej. Pomiar rozk³adu indukcji magnetycznej w szczelinie silnika, bez uwzglêdnienia jej pulsacji spowodowanych wystêpowaniem ³obków w silniku, zarejestrowano przy u yciu oscyloskopu Tektronix TDS 210. W tym celu w szczelinie powietrznej silnika umieszczono przewód pomiarowy o d³ugoœci równej d³ugoœci wirnika i stojana. Zmierzono rozk³ad indukcji magnetycznej w szczelinie poprzez pomiar i rejestracjê si³y elektromotorycznej zaindukowanej w pomiarowym przewodzie umieszczonym w szczelinie powietrznej silnika. Pomiarów dokonano dla dwóch prêdkoœci wirowania wirnika silnika bezszczotkowego napêdzanego zewnêtrznym silnikiem pr¹du sta³ego o regulowanej prêdkoœci obrotowej. Przyk³adowy rozk³ad indukcji w szczelinie silnika przedstawiono na rysunku 4 dla prêdkoœci wirowania wirnika n = 894 obr./min. Rys. 4. Rozk³ad indukcji magnetycznej w szczelinie bezszczotkowego silnika magnetoelektrycznego; 1dz = 200 mv, 1dz = 10 ms Fig. 4. Magnetic induction distribution in the brushless DC motor air gap, 1 div = 200 mv, 1 div = 200 ms 209

Barbara ŒLUSAREK, Piotr GAWRYŒ, Marek PRZYBYLSKI, Tomasz CZEKALA BEZSZCZOTKOWY SILNIK PR DU STA EGO O WZBUDZENIU MAGNESAMI TRWA YMI... 200 150 100 50 i [A] 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16-50 -100-150 -200 czas [ms] Rys. 5. Charakterystyki modelu bezszczotkowego silnika magnetoelektrycznego; P1 moc pobierana przez silnik, P2 moc oddawana do obci¹ enia Fig. 5. Characteristics of brushless DC motor model; P1 power taken by motor, P2 power delivered to load Wartoœæ maksymalna zaindukowanej sem wynosi 720 mv, co przy sta³ych: d³ugoœci przewodu pomiarowego, prêdkoœci k¹towej wirnika, œrednicy wirnika, odpowiada maksymalnej indukcji magnetycznej w szczelinie równej ok. 1 T. Tak¹ sam¹ wartoœæ maksymaln¹ indukcji magnetycznej w szczelinie zmierzono za pomoc¹ sondy pomiarowej gausomierza. Na rysunku 5 przedstawiono zmierzone charakterystyki silnika. Jak widaæ z rysunku 5, zmiana prêdkoœci wirowania wraz ze wzrostem momentu obci¹ enia jest niewielka. Sprawnoœæ silnika wynosi ok. 90% dla prawie ca³ego zakresu obci¹ eñ. Silnik przeznaczony jest do pracy przerywanej S2 60 min. W zwi¹zku z tym wykonano próbê nagrzewania silnika. Silnik pozytywnie przeszed³ próbê nagrzewania trwaj¹c¹ 1 godz. przy obci¹ eniu momentem 35 N m przy prêdkoœci wirowania wirnika ok. 2150 obr./min. Przyrost temperatury uzwojenia wyniós³ 61,3 o C. Jest on niewielki z uwagi na ma³¹ gêstoœæ pr¹du w uzwojeniach. Dla tego punktu pracy silnika pr¹d wynosi³ 110 A przy zak³adanym 118 A. Dokonano te pomiaru temperatury magnesów po próbie termoelementem i wynios³a ona 80 o C. Zmierzono tak e moment rozruchowy silnika i wyniós³ on 130 N m, przy poborze pr¹du wynosz¹cym 400 A. Zatem jest wiêkszy od zak³adanego, wynosz¹cego 95 N m. Za pomoc¹ oœmiokana³owego oscyloskopu z sondami pr¹dowymi i napiêciowymi zarejestrowano przebiegi napiêæ i pr¹dów pasmowych silnika. Przyk³adowe przebiegi pokazano na rysunkach 6 i 7. u [V] 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16-20 -40-60 -80 czas [ms] u1 u2 u3 Rys. 6. Przebiegi napiêæ pasmowych silnika bezszczotkowego; M obc = 35 N m, n = 2168 obr./min Fig. 6. Phase voltages characteristic in brushless motor; T load = 35 N m, n = 2168 round/min Odchylenia od teoretycznych przebiegów pr¹dów i napiêæ zwi¹zane s¹ m.in. z wykonaniem czujnika po³o enia wa³u silnika. Obecnie trwaj¹ badania silnika bezszczotkowego o wzbudzeniu dielektromagnesami Nd-Fe-B. 5. WNIOSKI Przeprowadzone badania wykaza³y, e silnik spe³nia wymagane parametry techniczne. Z przebiegu charakterystyki mechanicznej silnika wynika, e silnik osi¹gn¹³ moc oko³o 8 kw przy obci¹ eniu go momentem 35 N m. Pr¹d pobierany przez silnik wynosi 110 A i jest mniejszy ni zak³adany w stanie znamionowym 118 A. Sprawnoœæ silnika mieœci siê w przedziale zak³adanym przez producenta wózków akumulatorowych i wynosi ok. 90% dla obci¹ enia znamionowego, natomiast moment rozruchowy jest wiêkszy od zak³adanego o 37%. Badania wykonano w ramach projektu celowego nr 6 T10 2003C/6269 finansowanego przez Fabrykê Maszyn w Le ajsku sp. z o.o i Ministerstwo Edukacji i Nauki. Literatura i1 i2 i3 Rys. 7. Przebiegi pr¹dów pasmowych silnika bezszczotkowego; M obc = 35 N m, n = 2168 obr./min Fig. 7. Phase currents characteristics in brushless motor; T load = 35 N m, n = 2168 round/min [1] Gieras J., Wing M.: Permanent magnet motor technology. New York, Marcel Dekker, Inc., 2002 [2] Œlusarek B., Szel¹g W., Dlugiewicz L., Gromek J.: Application of dielectromagnetics and dielectromagnets in high speed electric motors. XII International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering, Baiona, Spati, September 15 17 2005 [3] Szel¹g W.: Demagnetization effects due to armature transient currents in the permanent magnet self starting synchronous motor. EMF 2000, Gent (Belgia), 17 19 May 2000, 93 94 [4] Piriou F., Razek A.: Finite element analysis in electromagnetic systems accounting for electric circuits. IEEE Trans. Magn., 1993, Vol. 29, No. 2, 1669 1675 [5] Demenko A.: Time stepping FE analysis of electric motor drives with semiconductor converter. IEEE Trans. Mag., 1994, Vol. 30, No. 5, 3264 3267 [6] Œlusarek B, Szel¹g W.: Brushless DC motor for battery-electric trucks. Six International Conference on Computational Electromagnetics CEM 2006, Aachen 4 6 April 2006 Wp³ynê³o: 26.09.2006 210

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 25. ZESZYT 2, 2006 Barbara ŒLUSAREK Absolwentka Wydzia³u Mechanicznego Technologicznego Politechniki Warszawskiej. Pracê doktorsk¹ obroni³a na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej, a w roku 2002 uzyska³a stopieñ naukowy doktora habilitowanego nauk technicznych w zakresie elektrotechniki materia³oznawstwa elektrotechnicznego na Wydziale Elektrycznym Politechniki Wroc³awskiej. Obecnie pracuje na stanowisku docenta w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym w Warszawie. G³ównym obszarem zainteresowañ naukowych s¹ materia³y magnetyczne i technologie wytwarzania magnesów trwa³ych z szybko ch³odzonej taœmy Nd-Fe-B oraz kszta³towania ich w³aœciwoœci magnetycznych, mechanicznych, termicznych i elektrycznych. Ostatnie badania koncentruj¹ siê na wytwarzaniu magnesów wielobiegunowych oraz zastosowaniu proszkowych obwodów magnetycznych w maszynach elektrycznych. Jest autork¹ lub wspó³autork¹ oko³o 150 publikacji naukowych w czasopismach i materia³ach konferencyjnych krajowych i zagranicznych. Absolwent Wydzia³u Mechatroniki Politechniki Warszawskiej, gdzie w roku 2004 uzyska³ tytu³ mgr. in. na kierunku Mechanika i Budowa Maszyn w zakresie mikromechaniki. Obecnie pracuje na stanowisku asystenta w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym w Warszawie. G³ówne zainteresowania zwi¹zane s¹ z technologi¹ wytwarzania oraz magnesowania magnesów trwa³ych ze stopów Nd-Fe-B polem impulsowym. Jest autorem lub wspó³autorem 10 publikacji naukowych w czasopismach i materia³ach konferencyjnych krajowych i zagranicznych. e-mail: pgawrys@itr.org.pl Marek PRZYBYLSKI Absolwent Wydzia³u Elektrycznego Politechniki Poznañskiej, gdzie w roku 2004 uzyska³ tytu³ mgr. in. elektryka w zakresie maszyn elektrycznych i uk³adów wykonawczych automatyki. Obecnie pracuje na stanowisku asystenta w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym w Warszawie. Zainteresowania naukowe zwi¹zane s¹ z obliczeniami elektromagnetycznymi maszyn elektrycznych z zastosowaniem proszkowych obwodów magnetycznych. Jest autorem lub wspó³autorem siedmiu publikacji naukowych w czasopismach i materia³ach konferencyjnych krajowych i zagranicznych. e-mail: barbara@itr.org.p e-mail: mprzybyl@itr.org.pl Piotr GAWRYŒ Tomasz CZEKALA Student III roku Informatyki na Wydziale Matematyki i Nauk Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. W roku 2003 Laureat Turnieju M³odych Fizyków. e-mail: czekalat@student.mini.pw.edu.pl 211