ELEKTRYKA 2014 Zeszyt 2-3 (230-231) Rok LX Romuald GRZENIK Politechnika Śląska w Gliwicach SILNIK ELEKTRYCZNY O WZBUDZENIU HYBRYDOWYM Streszczenie. W artykule przedstawiono koncepcję bezszczotkowego silnika o wzbudzeniu hybrydowym, o biegunach wzbudzanych magnesami trwałymi i elektromagnetycznie. Wykonano obliczenia polowe silnika o trzech parach biegunów dwie pary biegunów są wzbudzane magnesami trwałymi i jedna para wzbudzana elektromagnetycznie. Obliczenia wykonano dla obciążenia znamionowego i dwukrotnego przeciążenia. Z obliczeń wynika, że silnik może uzyskać w drugiej strefie regulacji dwukrotną zmianę prędkości obrotowej. Słowa kluczowe: silnik o wzbudzeniu hybrydowym, silnik BLDC ELECTRIC MOTOR WITH HIBRID EXCITATION Summary. Conception of brushless motor with hybrid excitation has been presented in the paper. The poles are excited with permanent magnets and electromagnetically. Field calculations for motor with 3 pole pairs have been conducted (two pairs excited with permanent magnets and one pair excited electromagnetically). The calculations have been carried out for rated load and for overload conditions (load equal to twice its rated value). The calculations show that in the second control zone motor may achieve twofold change in rotational speed Keywords: motor with hybrid excitation, motror BLDC 1. WSTĘP Silniki wzbudzane magnesami trwałymi (o napięciu indukowanym zarówno sinusoidalnym, jak i trapezowym) zyskują coraz większą popularność. Główną ich cechą jest brak komutatora mechanicznego, który został zastąpiony kluczami energoelektronicznymi. Umożliwia to komutację prądów wielokrotnie przekraczających prąd znamionowy, a tym samym można uzyskać moment wielokrotnie przekraczający moment znamionowy. Stosując metodę modulacji szerokości impulsów, można obniżyć średnią wartość napięcia zasilania silnika, a tym samym zmniejszyć jego prędkość obrotową. Tą metodą nie można jednak zwiększyć prędkości obrotowej silnika ponad prędkość biegu jałowego. O maksymalnej
118 R. Grzenik prędkości wirowania decyduje napięcie indukowane w tworniku, które jest proporcjonalne do iloczynu strumienia i prędkości kątowej: E= Ψ ω gdzie: E napięcie indukowane w uzwojeniu twornika, strumień sprzężony z uzwojeniem twornika, ω prędkość kątowa wirnika. Osłabiając pole, zmniejszamy strumień, a tym samym zmniejszamy napięcie indukowane w tworniku, co powoduje zwiększenie prędkości do takiej wartości, by przywrócić napięcie indukowane w tworniku do poprzedniej wartości. Zmieniając strumień, zmieniamy również moment, który jest równy iloczynowi strumienia skojarzonego i prądu twornika Przy zmianach strumienia iloczyn momentu i prędkości kątowej jest stały mamy stałą moc na wale. Wzbudzanie silnymi magnesami trwałymi powoduje trudności w uzyskaniu prędkości obrotowej większej od prędkości znamionowej, czyli pracę w drugiej strefie regulacji. Uzyskanie prędkości powyżej prędkości znamionowej (druga strefa regulacji przy stałej mocy) jest możliwe przy podniesieniu napięcia zasilania [1] bądź osłabieniu pola [2]. Druga metoda jest wykorzystywana w silnikach o rozkładzie pola sinusoidalnym z magnesami zagłębionymi w wirniku. Osłabienie pola jest uzyskane kosztem dużych prądów twornika i powoduje duże obniżenie sprawności silnika [2]. Traci się przez to jedną z podstawowych zalet tych silników dużą sprawność. Osłabianie pola tym sposobem powoduje dodatkowe potencjalne problemy. W przypadku zakłócenia pracy falownika następuje przepływ dużych prądów mogących spowodować poważną awarię układu napędowego. W literaturze [3, 4] można spotkać inne sposoby uzyskania drugiej strefy regulacji, polegające między innymi na zmianie liczby zwojów twornika lub zwiększeniu napięcia zasilania. Powoduje to komplikację układu energoelektronicznego zasilającego silnik. Na rys.1 przedstawiono koncepcję silnika o wzbudzeniu hybrydowym. W wirniku tego silnika oprócz biegunów wzbudzanych magnesami trwałymi znajdują się bieguny wzbudzane elektromagnetycznie. Wszystkie zezwoje danej fazy twornika są połączone szeregowo. Prąd w uzwojeniu biegunów może być zmieniany od wartości maksymalnej w jednym kierunku do wartości maksymalnej w drugim kierunku. Uzwojenie twornika przenika zarówno strumień pochodzący od biegunów z magnesami trwałymi, jak i biegunów wzbudzanych elektromagnetycznie. Zmiana prądu w uzwojeniu wzbudzenia powoduje zmianę całkowitego strumienia przenikającego uzwojenie twornika, a tym samym zmienia prędkość obrotową silnika, przy stałej mocy na wale. Umożliwia to uzyskanie w prosty sposób drugiej strefy regulacji. (1)
Silnik elektryczny o wzbudzeniu... 119 Rys. 1. Obwód magnetyczny silnika o wzbudzeniu hybrydowym: 1 wirnik, 2 magnesy trwałe, 3 stojan, 4 bieguny wzbudzane elektromagnetycznie, 5 uzwojenie wzbudzenia, 6 uzwojenie twornika Fig. 1. Magnetic circuit of hybrid excitation motor: 1 rotor, 2 permanent magnets, 3 stator, 4 poles excited electromagnetically, 5 excitation winding, 6 armature winding 2. OBLICZENIA POLOWE MASZYNY O WZBUDZENIU HYBRYDOWYM Analizy polowe przeprowadzono przy użyciu programu FEMM 4.2 dla przykładowej maszyny modelowej, której obwód magnetyczny przedstawiono na rys. 1. W obliczeniach założono liniowość charakterystyk żelaza oraz magnesów trwałych. Do badań wybrano model silnika o trzech parach biegunów. Wymiary obwodu magnetycznego i parametry uzwojenia przyjęto takie jak w silniku wzbudzanym magnesami trwałymi typu PMSG-80-C2. W modelu przyjęto dwie pary biegunów wzbudzanych magnesami trwałymi neodymowymi, a jedna para jest wzbudzana elektromagnetycznie. Obwód magnetyczny, będący przedmiotem obliczeń polowych przy użyciu programu FEMM 4.2, przedstawiono na rys. 2. Obliczenia przeprowadzono dla prądu twornika It = In i dla It = 2In. Dla każdej wartości prądu twornika przeprowadzono obliczenia dla dodatniej, zerowej i ujemnej wartości prądu wzbudzenia. Dodatnia wartość prądu wzbudzenia oznacza, że bieguny wzbudzane elektromagnetycznie mają prawidłową biegunowość i ich strumień sumuje się ze strumieniem magnesów trwałych. Dla ujemnej wartości prądu wzbudzenia (czyli przeciwnego kierunku przepływu prądu) występuje osłabianie strumienia. Obliczenia
120 R. Grzenik przeprowadzono dla maksymalnej wartości prądu wzbudzenia w kierunku dodatnim i ujemnym. Przy czym za wartość maksymalną prądu wzbudzenia przyjęto wartość, przy której następuje nasycenie obwodu magnetycznego. [wz1:1500] Pure Iron [wz1:-1500] Pure Iron [wz1:1500] [wz1:-1500] Rys. 2. Obwód magnetyczny wykorzystany do obliczeń polowych Fig. 2. Magnetic circuit used to field calculations Na rys. 3 przedstawiono wyniki obliczeń dla prądu twornika równego prądowi znamionowemu i trzech wartości prądu wzbudzenia. I tak kolejno, na rys. 3a zamieszczono rozpływ strumieni magnetycznego dla maksymalnej dodatniej wartości prądu wzbudzenia, na rys. 3b dla zerowej wartości prądu wzbudzenia i na rys. 3c dla maksymalnej ujemnej wartości prądu wzbudzenia.
Silnik elektryczny o wzbudzeniu... 121 a) b) c) Rys. 3. Rozpływ strumienia magnetycznego w maszynie o wzbudzeniu hybrydowym dla prądu twornika równego prądowi znamionowemu Fig. 3. Magnetic field lines image for hybrid excitation machine, armature current equal to rated current Przeprowadzono również obliczenia dla dwukrotnego przeciążenia silnika. Wyniki obliczeń przedstawiono na rys. 4. Podobnie jak poprzednio rys. 4a ilustruje obraz gęstości linii strumienia magnetycznego dla maksymalnej dodatniej wartości prądu wzbudzenia, rys. 4b dla zerowej wartości prądu wzbudzenia i rys. 4c dla maksymalnej ujemnej wartości prądu wzbudzenia. Wyniki obliczeń zestawiono w tab. 1. Strumień jest sumą wartości pod biegunami twornika, w których płynie prąd twornika (we wszystkich przypadkach tymi samymi), z uwzględnieniem właściwej biegunowości. Moment jest wyznaczony dla jednego położenia wirnika.
122 R. Grzenik a) b) c) Rys. 4. Rozpływ strumienia pola magnetycznego w maszynie o wzbudzeniu hybrydowym dla prądu twornika równego podwójnej wartości prądowi znamionowemu Fig. 4. Magnetic field lines image for hybrid excitation machine, armature current equal to twice the rated current prąd uzwojenia wzbudzenia Tabela 1 Wyniki obliczeń strumienia i momentu elektromagnetycznego przeprowadzonych przy użyciu programu FEMM 4.2 Dla prądu twornika I t = I n Dla prądu twornika I t = 2I n strumień moment strumień moment Wb Nm Wb Nm dodatni 0,00592 10,5 0,00562 21,1 zero 0,00471 8,8 0,00451 17,6 ujemny 0,00330 6,7 0,00338 13,8
Silnik elektryczny o wzbudzeniu... 123 3. PODSUMOWANIE Z analizy przeprowadzonych obliczeń wynika, że maksymalny strumień przenikający uzwojenie twornika występuje przy dodatniej wartości prądu wzbudzenia. Strumień przy zerowym prądzie wzbudzenia to niecałe 80% wartości strumienia maksymalnego. Dalsze osłabienie strumienia jest możliwe przy zmianie kierunku prądu wzbudzenia. Dla maksymalnej wartości prądu wzbudzenia płynącego w kierunku przeciwnym strumień ma wartość około 55% wartości maksymalnej. Uzyskano możliwość prawie dwukrotnej zmiany prędkości obrotowej w drugiej strefie regulacji, kosztem nieco mniejszego momentu maksymalnego w porównaniu z silnikiem typu BLDC o tych samych wymiarach. Inną kwestią jest sposób zasilania uzwojenia wzbudzenia. Najprostszym sposobem jest dodanie pierścieni ślizgowych i szczotek, podobnie jak w tradycyjnych maszynach synchronicznych. Możliwe jest również zasilanie z dodatkowej wzbudnicy poprzez wirujący układ energoelektroniczny, który umożliwi zmianę kierunku prądu w uzwojeniu wzbudzenia. BIBLIOGRAFIA 1. Krykowski K.: Silnik PM BLDC w napędzie elektrycznym. Analiza, właściwości, modelowanie. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2011. 2. Rossa R., Król E.: Dwustrefowa regulacja prędkości obrotowej w nowoczesnych napędach elektrycznych opartych na silnikach synchronicznych. Zeszyty Problemowe BOBRME Komel Maszyny Elektryczne 2009, Nr 81, s. 125-129. 3. Goryca Z.: Metody sterowania silników BLCD. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej Studia i Materiały nr 32. Zagadnienia maszyn napędów i pomiarów elektrycznych Nr 66, Wrocław 2012, s. 32-47. 4. Fręchowicz A., Dualski P, Białas A.: Projekt napędu samochodu elektrycznego z dwustrefowym układem sterowania współpracującym z silnikiem PMBLDC. Zeszyty Problemowe BOBRME Komel Maszyny Elektryczne 2012, Nr 3(96), s. 115-120. Dr inż. Romuald GRZENIK Politechnika Śląska Wydział Elektryczny Instytut Elektrotechniki i Informatyki ul. Akademicka 10a 44-100 Gliwice e-mail: Romuald.Grzenik@polsl.pl