Branżowy Ośrodek Badawczo Rozwojowy Maszyn Elektrycznych KOMEL al. Roździeńskiego 188 4-23 Katowice SPRAWOZDANIE MERYTORYCZNE Z WYKONANIA PROJEKTU BADAWCZEGO-ROZWOJOWEGO Nr R1-26-3, pt.: Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi do wysokowydajnych, wysokosprawnych napędów o dwustrefowo regulowanej prędkości obrotowej Załącznik do raportu końcowego z realizacji projektu nr R1 26 3. Opracował zespół w składzie: dr inż. Robert Rossa BOBRME Komel mgr inż. Stanisław Gawron BOBRME Komel mgr inż. Emil Król BOBRME Komel Katowice, październik 29 r.
Wstęp. Syntetyczny opis uzyskanych wyników W ramach realizacji projektu badawczego rozwojowego nr R1 26 3 pt. Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi do wysokowydajnych, wysokosprawnych napędów o dwustrefowo regulowanej prędkości obrotowej opracowano algorytmy i metody projektowania oraz opanowano technologię małoseryjnej produkcji silników synchronicznych wzbudzanych magnesami trwałymi, przeznaczonych do zastosowania w nowoczesnych, zaawansowanych technologicznie napędach elektrycznych o szerokim zakresie regulacji prędkości obrotowej. Napędy elektryczne wyposażone w takie silniki charakteryzują się wysoką sprawnością energetyczną, wysoką przeciążalnością momentem, bardzo dobrą dynamiką i precyzją regulacji prędkości w szerokim zakresie. Szeroki zakres regulacji prędkości obrotowej jest w nowoczesnych napędach elektrycznych wyposażonych w silniki synchroniczne z magnesami trwałymi osiągany dzięki tzw. technice osłabiania strumienia magnetycznego w silniku. Regulacja prędkości obrotowej w takich napędach odbywa się dwustrefowo. W strefie pierwszej, w zakresie prędkości obrotowych n od zera do prędkości bazowej n b, silnik pracuje przy stałym stosunku napięcia zasilania do częstotliwości U 1 /f, a moment elektromagnetyczny T el silnika jest liniowo zależny od prądu zasilania I 1. Ponadto w pierwszej strefie regulacji prędkości silnik pracuje przy optymalnym ilorazie T el /I 1. Powyżej prędkości bazowej n b silnik pracuje w drugiej strefie regulacji prędkości, w której zwiększenie prędkości obrotowej jest możliwe dzięki osłabianiu strumienia magnetycznego, tak aby napięcie na jego zaciskach utrzymywane było na wartości maksymalnej U 1max. W drugiej strefie regulacji prędkości, przy założeniu utrzymywania stałej wartości prądu zasilania I 1, strumień magnetyczny w silniku oraz moment elektromagnetyczny T el są proporcjonalne do 1/n, natomiast moc mechaniczna P m jest w przybliżeniu stała. Konstrukcje silników synchronicznych z magnesami trwałymi opracowane w ramach projektu R1 26 3 spełniają wymagania elektromechaniczne stawiane silnikom przeznaczonym do wysokowydajnych napędów elektrycznych o dwustrefowo regulowanej prędkości obrotowej w szerokim zakresie. Przed rozpoczęciem projektu, poza BOBRME Komel, prace badawcze i projektowo-konstrukcyjne zmierzające do wdrożenia do produkcji w kraju podobnych silników synchronicznych z magnesami trwałymi przeznaczonych do pracy z osłabianiem strumienia magnetycznego nie były prowadzone. Opracowane w ramach projektu silniki stanowią nową jakość w krajowej technice napędu elektrycznego, o znacznie wyższym stopniu zaawansowania technologicznego zarówno od strony konstrukcji silnika elektrycznego jak i od strony algorytmów sterowania pracą napędu oraz o znacznie wyższym poziomie uzyskiwanych parametrów eksploatacyjnych. Ponieważ w świecie obserwuje się rosnące zainteresowanie silnikami z magnesami trwałymi celowym jest, aby krajowe fabryki silników elektrycznych rozpoczęły ich produkcję a uzyskane wyniki projektu pozwalają na uruchomienie takiej produkcji. Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi znajdują coraz częściej zastosowanie w napędach elektrycznych trakcji drogowej i szynowej, w napędach taśmociągów, wind, podnośników, pomp, w różnego typu układach automatyki i robotyki oraz w wielu innych zastosowaniach. 2
Zadanie nr 1. Opracowanie założeń teoretycznych, technicznych i konstrukcyjnych silników synchronicznych z magnesami trwałymi do napędów o prędkości regulowanej. Założenia konstrukcyjne i technologiczne dotyczące silników synchronicznych z magnesami trwałymi do napędów o dwustrefowo regulowanej prędkości obrotowej zebrano w dokumentacji BOBRME Komel nr CG4-955. Podstawowe (wybrane) założenia dla w/w silników były następujące: maszyny 3-fazowe; konstrukcja mechaniczna silników w możliwie dużym stopniu bazująca na wykorzystaniu podzespołów produkowanych seryjnie w kraju silników indukcyjnych (kadłuby, tarcze łożyskowe, skrzynki zaciskowe, układy chłodzenia itp.); rdzenie stojanów pakietowane z typowych blach elektrotechnicznych stosowanych w krajowych silnikach indukcyjnych danej wielkości mechanicznej; wykroje blach stojana identyczne jak w krajowych silnikach indukcyjnych danej wielkości mechanicznej; długości pakietów blach jak w odpowiednich krajowych silnikach indukcyjnych tej samej wielkości mechanicznej; schematy uzwojeń silników, stosowane poskoki cewek, liczba warstw uzwojenia, grubości drutów nawojowych, maksymalne ilości drutów równoległych w miarę możliwości takie same lub zbliżone jak w odpowiednich krajowych silnikach indukcyjnych (warunek ewentualnego zastosowania w przyszłości zwojenia automatycznego projektowanych maszyn z magnesami trwałymi na oprzyrządowaniu dostępnym u polskich producentów silników indukcyjnych); w miarę możliwości zastosowanie odpowiedniego skosu pakietu blach stojana w celu ograniczenia tzw. momentu zaczepowego (moment o charakterze pasożytniczym); w wirnikach zastosowanie wysokoenergetycznych magnesów z domieszkami ziem rzadkich, NdFeB, spiekanych; wirniki silników wykonywane jako pakietowane z blach elektrotechnicznych prądnicowych w celu ograniczenia strat dodatkowych. Typ blach prądnicowych zastosowanych w wirniku nie koniecznie musi być taki sam jak dla pakietu stojana ze względów wytrzymałościowych; jako czujniki prędkości obrotowej i aktualnej pozycji wirnika zastosowane powinny być enkodery inkrementalne. Dobrane enkodery muszą charakteryzować się dużą odpornością mechaniczną, odpornością na zakłócające pola elektromagnetyczne wokół silnika. We wszystkich silnikach zastosować należy enkodery inkrementalne o jednakowym interfejsie elektronicznym (np. sygnały zgodne ze standardem TTL, ta sama liczba impulsów na obrót). Zadanie nr 2. Opracowanie modelu matematycznego silnika, opracowanie algorytmu i programu komputerowego do obliczeń charakterystyk elektromechanicznych oraz opracowanie programu do obliczeń wytrzymałościowych. W ramach zadania 2 harmonogramu projektu wykonano m.in. następujące prace: Opracowano algorytm obliczania charakterystyk elektromechanicznych silników synchronicznych z magnesami trwałymi zasilanych z sinusoidalnego źródła prądu, przeznaczonych do pracy w napędach elektrycznych z dwustrefową regulacją prędkości obrotowej. W strefie 1 regulacji, w zakresie prędkości kątowych wirnika ω od do prędkości kątowej bazowej ω b, przy utrzymywaniu stałej w całym zakresie prędkości wartości prądu zasilania I 1 silnik pracuje ze stałym momentem elektromagnetycznym T el i jednocześnie utrzymywany jest optymalny 3
(maksymalny) iloraz T el /I 1. W strefie 2 regulacji, powyżej prędkości kątowej bazowej ω b, przy nadal utrzymywanej stałej wartości prądu I 1 silnik pracuje ze stałą w przybliżeniu mocą mechaniczną na wale silnika P m oraz ze stałą, maksymalną dopuszczalną wartością napięcia U 1max na zaciskach silnika. Algorytm obliczeniowy bazuje na zastosowaniu metody obwodowo-polowej obliczania parametrów skupionych modelu dq silników synchronicznych. - Opracowano oprogramowanie realizujące w/w algorytm. T, P, U, Zakres pracy ze stałym momentem T = const. Zakres pracy ze stałą mocą P m = const. P m P N T ~ I 1 T N T ~ 1/n U 1max U 1 n b Charakterystyki elektromechaniczne napędu elektrycznego o dwustrefowo regulowanej prędkości obrotowej. Opracowane w ramach projektu algorytm i program komputerowy automatyzują proces obliczania tego typu charakterystyk dla zadanej konstrukcji obwodu elektromagnetycznego silnika n max n Opis przyjętego modelu matematycznego silników synchronicznych z magnesami trwałymi, opis schematu blokowego algorytmu obliczeniowego oraz wydruk opracowanego oprogramowania (dla środowiska obliczeniowego GNU Octave) zamieszczono w opracowaniu BOBRME Komel nr CG4-5174. W ramach zadania 2 harmonogramu opracowano także metodykę przeprowadzania mechanicznych obliczeń wytrzymałościowych dla wirników w silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi mocowanymi wewnątrz pakietu blach wirnika. Celem było sprawdzenie wytrzymałości wirników przy wysokich prędkościach obrotowych. Szczegóły dotyczące obliczeń wytrzymałościowych wirników zawarto w opracowaniu nr CG4-5175. Zadanie nr 3. Obliczenia i porównanie charakterystyk elektromechanicznych wariantów konstrukcyjnych silnika synchronicznego z magnesami trwałymi. Zaprojektowanie obwodu elektromagnetycznego stojana i wirnika silnika modelowego. Głównym celem zaprojektowania i wykonania silnika modelowego było sprawdzenie poprawności algorytmu obliczeń elektromagnetycznych i bazującego na nim oprogramowania przed przystąpieniem do projektowania silników prototypowych różnych wielkości mechanicznych. Założenia ogólne przyjęte przy projektowaniu silnika modelowego były następujące: silnik dostosowany do pracy w zakresie prędkości obrotowych 7 obr/min.; wirnik umożliwiający efektywne osłabianie strumienia magnetycznego przy wysokich prędkościach obrotowych efektywna praca silnika w drugiej strefie regulacji prędkości obrotowej; stosunek prędkości maksymalnej silnika do prędkości bazowej 2; maszyna dopasowana do zasilania z przekształtnika energoelektronicznego SKAI 421MD2 ze stopniem mocy wykonanym na tranzystorach MOSFET 2 V. Napięcie stałe zasilania przekształtnika w zakresie 15 14 V. Napięcie maksymalne na zaciskach silnika 64 85 V LL ; 4
w roli czujnika prędkości i pozycji wirnika zastosowanie enkodera inkrementalnego zgodnego z interfejsem przekształtnika SKAI 421MD2; wydajny system chłodzenia silnika w całym zakresie prędkości obrotowych wirnika chłodzenie obce; kadłub silnika oraz blachy elektrotechniczne pakietu stojana wzięte z typowego silnika indukcyjnego produkowanego w kraju; zastosowanie magnesów NdFeB spiekanych jako źródło siły magnetomotorycznej wirnika. Przyjęto, że jako silnik modelowy zaprojektowana zostanie 4-biegunowa maszyna wielkości mechanicznej 132 mm. Obwód elektromagnetyczny stojana oparto na wykroju blachach stosowanym w silnikach serii Sg132 produkowanych w TAMEL S.A. Z pomocą opracowanego w ramach projektu oprogramowania, przeprowadzono obliczenia elektromagnetyczne różnych wariantów konstrukcyjnych stojana i wirnika dla silnika modelowego. Analizowano m.in. wpływ danych nawojowych uzwojenia stojana, długości pakietów blach, wysokość szczeliny powietrznej, wymiarów i sposobu umiejscowienia magnesów w wirniku, parametrów magnetycznych magnesów trwałych na charakterystyki elektromechaniczne silnika. Wybrane wyniki obliczeń elektromagnetycznych dla przyjętego wariantu konstrukcyjnego silnika modelowego zamieszczono na poniższych rysunkach. Moment elektromag., Tel, Tel_mst (N.m) 4 Tel 35 Tel_mst 3 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 n [1/min] Moc szczelinowa, Pei (W) 14 12 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 n [1/min] Napięcia fazowe - szczelinowe Ei, od magnesów E, na zaciskach silnika V1 (V) 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Ei E V1 1 2 3 4 5 6 7 n [1/min] Sprawność, wsp. mocy 1,,9,8,7 cos_fi,6 eta,5,4,3,2,1, 1 2 3 4 5 6 7 n [1/min] Obliczone metodą obwodowo-polową charakterystyki elektromechaniczne silnika modelowego przy założeniu obciążenia prądem I 1 = 12 A w całym zakresie regulacji prędkości obrotowej n (dwie strefy regulacji prędkości) 5
1.9e+ : >2.e+ 1.8e+ : 1.9e+ 1.7e+ : 1.8e+ 1.6e+ : 1.7e+ 1.5e+ : 1.6e+ 1.4e+ : 1.5e+ 1.3e+ : 1.4e+ 1.2e+ : 1.3e+ 1.1e+ : 1.2e+ 1.e+ : 1.1e+ 9.e-1 : 1.e+ 8.e-1 : 9.e-1 7.e-1 : 8.e-1 6.e-1 : 7.e-1 5.e-1 : 6.e-1 4.e-1 : 5.e-1 3.e-1 : 4.e-1 2.e-1 : 3.e-1 1.e-1 : 2.e-1 <.e+ : 1.e-1 Density Plot: B, Tesla Rozkład indukcji i linie ekwipotencjalne pola magnetycznego w silniku modelowym przy obciążeniu prądem I 1 = 15 A (42 N.m) i pracy w pierwszej strefie regulacji prędkości przy optimum momentu do prądu Dla silnika modelowego wykonano dokumentację konstrukcyjną zestawioną częściowo poniżej: CG4-793 Karta uzwojeń silnika; CG4-2315 Blacha magnetyczna wirnika; K2.2394_a Wał (na bazie Tamel Sg132-S); K3.539_b Wał obróbka dodatkowa; S-42 Wirnik kompletny; S-421 Wał obróbka dodatkowa; S-422 Płyta skrajna wirnika; S-423 Trzpień gwintowany; S-424 Pierścień mocujący enkoder; S-425 Tarcza storna przeciwnapędowa obróbka dodatkowa; S-426 Silnik montaż enkodera. Zadanie nr 4. Wykonanie silnika modelowego. Silnik modelowy wielkości mechanicznej 132 mm 6
Silnik modelowy wykonano w wielkości mechanicznej 132 mm. Wykorzystano seryjnie produkowane w TAMEL S.A. elementy: kadłub aluminiowy, tarcze łożyskowe, łożyska, blachy elektrotechniczne pakietu stojana z silników Sg132-S(M)4. W celu kontroli przyrostów temperatury w silniku podczas prób laboratoryjnych w czołach uzwojenia stojana zamocowano półprzewodnikowe, liniowe czujniki temperatury. W silniku modelowym zastosowano chłodzenie wentylatorem obcym z napędem wentylatora mocowanym na zewnątrz osłony przewietrznika. Zastosowanie obcego układu chłodzenia jest konieczne w napędach o prędkości regulowanej w szerokim zakresie, w których przy niskich prędkościach wirnika silnik musi pracować z dużym (nawet maksymalnym) momentem na wale. Zastosowanie typowego wentylatora własnego mocowanego na wale silnika nie zapewnia w takich przypadkach właściwych warunków chłodzenia silnika ze względu na znikomą wydajność wentylatora własnego przy niskich prędkościach wirnika. Jako czujnik prędkości obrotowej i pozycji wirnika zastosowano enkoder inkrementalny firmy Kubler typ 52 (pełne oznaczenie 8.52.8841.124). Enkoder ten jest specjalnie dedykowany do zastosowania w nowoczesnych napędach elektrycznych z silnikami zasilanymi z przekształtników energoelektronicznych. Charakteryzuje się dużą odpornością mechaniczną obudowy, odpornością łożysk na nadmierne obciążenia osiowe, odpornością na zakłócenia związane z polami elektromagnetycznymi w okolicy silnika, szerokim zakresem prędkości obrotowych do 12 obr/min. Specjalna wkładka izolacyjna pomiędzy enkoderem a wałkiem silnika zabezpiecza łożyska enkodera przed ewentualnym przepływem prądów pasożytniczych mogących wystąpić w napędach z falownikami. Sposób mocowania enkodera na silniku gwarantuje poprawną jego pracę w napędach o bardzo dużych przyspieszeniach kątowych wirnika. Enkoder inkrementalny Kubler Sendix 52 Przed złożeniem wirnika silnika modelowego konieczne było opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej i w oparciu o nią wykonanie oprzyrządowania dodatkowego do pakietowania wirnika oraz do osadzania magnesów trwałych w wirniku. Zadanie nr 5. Opracowanie programu i metodyki badań silników synchronicznych z magnesami trwałymi do napędów o prędkości regulowanej. Wykonanie stanowiska do badań laboratoryjnych modelu silnika. Badania silnika modelowego. Program badań dla maszyn synchronicznych z magnesami trwałymi do napędów o prędkości regulowanej zamieszczono w opracowaniu BOBRME Komel nr CG4-9715. Program badań 7
obejmował próby przy pracy prądnicowej i silnikowej maszyn. Istotniejsze z przewidzianych prób dla pracy prądnicowej to: Pomiar rezystancji uzwojenia stojana; Charakterystyka napięcia międzyfazowego biegu jałowego w funkcji prędkości obrotowej U LL() = f(n) dla stanu zimnego; Zawartość harmonicznych (THD) przy biegu jałowym w napięciu międzyfazowym U LL() i fazowym U L() ; Rejestracja przebiegów czasowych napięć U LL() i U L() ; Wyznaczenie sumy strat P Fe + P mech w funkcji prędkości obrotowej. Znając wyniki tego pomiaru dla kilku różnych wirników prototypowych (ten sam stojan, łożyska, układ chłodzenia) można porównać, która konstrukcja wirnika ma najmniejsze straty P Fe. Celem próby jest też oszacowanie charakteru zmian sumy strat P Fe + P mech w funkcji prędkości obrotowej w silnikach z chłodzeniem obcym wentylatorowym lub wodnym; Próba nagrzewania przy 5 Hz i prądzie znamionowym wg karty uzwojeń. Obciążenie przy cosϕ 1. Jeżeli przyrost temperatury uzwojeń wg odczytów z czujników (KTY83 lub PT1) będzie niższy niż 6 K, należy zwiększyć prąd obciążenia tak by utrzymać przyrost temp. nie wyższy niż 1 K. Dla ustalonego punktu pracy zmierzyć wartości skuteczne także 1-ych harmonicznych napięcia i prądu. Dla silników prototypowych wielkości mechanicznej 132 mm (jeden stojan i różne wirniki) chłodzonych wodą ustalić przepływ wody 1 l/min, zarejestrować na koniec próby temperaturę wody na wlocie do i wylocie z kadłuba silnika; Charakterystyka U LL() = f(n) dla stanu gorącego. Ważniejsze próby dla pracy silnikowej maszyn (model i prototypy): Próba nagrzewania przy f = 5 Hz i przy znamionowym prądzie zasilania I 1N wg karty uzwojeń; Próba nagrzewania przy prędkości bazowej n b (granica między strefami regulacji prędkości T = const., P = const.) i przy znamionowym prądzie zasilania I 1N wg karty uzwojeń; Pomiar charakterystyk elektromechanicznych: T = f(n), P 1 = f(n), P 2 = f(n), η = f(n), cosϕ = f(n) przy I 1 = I 1N dla zakresu prędkości n = n max obr/min w dwóch strefach regulacji prękości. Silnik zasilać z przekształtnika SKAI. Napięcie zasilania przekształtnika SKAI 421MD2 U DC = 15 V (ewentualnie inne po uzgodnieniu, np. 13 V). Napięcie zasilania przekształtnika SKAI 41GD6 U DC = 4 V. Elementy stanowiska laboratoryjnego do badań silnika modelowego wielkości mechanicznej 132 mm oraz silników prototypowych wielkości 9 mm i 132 mm, zakupione lub wykonane w ramach projektu: przekształtnik energoelektroniczny (falownik) SKAI 421MD2-145W firmy Semikron; maszyna obciążająca wielkości mechanicznej 18 mm, typ IPMSg18L8-M-v; przetwornik momentu mechanicznego o znamionowym zakresie pomiaru 1 N.m; bateria litowo-jonowa wraz z elektronicznym układem nadzorująco-kontrolnym i układem chłodzenia cieczą (zasilanie falownika SKAI 421MD2); sprzęgła mieszkowe, podstawy i stojaki. Inne ważniejsze elementy stanowiska laboratoryjnego: szerokopasmowy analizator mocy Norma D 6133 firmy LEM; zasilacze dla podzespołów elektronicznych (zasilanie enkoderów, przetworników momentu itp.). Przekształtnik SKAI 421MD2 Przekształtnik SKAI 421MD2 jest nowoczesnym przekształtnikiem energoelektronicznym dedykowanym do zasilania silników prądu przemiennego pracujących w napędach o szeroko regulowanej prędkości obrotowej. Jest on dedykowany zwłaszcza do zastosowania w różnego typu 8
nowoczesnych pojazdach drogowych z napędem elektrycznym. Dzięki zastosowaniu chłodzenia cieczą, ale także dzięki zastosowanym w przekształtniku nowoczesnym technologiom, charakteryzuje się bardzo dobrym stosunkiem masy i objętości do osiąganej mocy napędu. Przekształtnik ten ma wbudowane wiele zabezpieczeń sprzętowych: nadprądowe na każdej z faz, nadnapięciowe na szynie napięcia stałego, termiczne monitorujące temperaturę radiatora oraz inne zabezpieczenia, dzięki czemu jest odpowiedni do zastosowania także w warunkach laboratoryjnych. Przekształtnik SKAI 421MD2 jest wyposażony w procesor sygnałowy firmy Texas Instruments z rodziny TMS32 C2 realizujący obliczenia wg zadanego algorytmu sterowania napędem. Przekształtnik energoelektroniczny SKAI 421MD2-145W firmy Semikron Maszyna obciążająca wm 18 mm, IPMSg18L8-M-v Stanowisko laboratoryjne do badań silnika modelowego oraz silników prototypowych wielkości mechanicznej 9 i 132 mm wyposażono w dedykowaną maszynę obciążającą. Zaplanowano zastosowanie w tym celu maszyny synchronicznej z magnesami trwałymi o wielkości mechanicznej 18 mm, 8-biegunowej. Dla kilku wariantów takiej maszyny przeprowadzono obliczenia projektowe obwodu elektromagnetycznego metodą obwodowo-polową, obliczono charakterystyki obciążeniowe przy pracy prądnicowej. 45 25 4 35 2 Napięcie, VLL (Vrms) 3 25 2 15 1 5 Prąd obciążenia, I1 (Arms) 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Moc wydawana, P2 (kw) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Moc wydawana, P2 (kw) Charakterystyki obciążenia maszyny IPMSg18L8-M-v (dla obciążenia o współczynniku cosϕ = 1) Dla wybranego rozwiązania maszyny wykonano dokumentację konstrukcyjną i technologiczną. Ważniejsze pozycje tej dokumentacji zebrano poniżej: - CG4-796 Karta uzwojeń maszyny IPMSg18L8-M-v; - CG2-124 Zestawienie maszyny; - CG2-249 Zestawienie wirnika; - CG3-2117 Wał obróbka; - CG4-23166 Blacha wirnika; 9
- CG4-23536 Płyta tekstolitowa strona przeciwnapędowa; - CG4-23537 Płyta tekstolitowa strona napędowa; Wykonano także dokumentację oprzyrządowania do pakietowania blach wirnika i osadzania w nim magnesów trwałych. W oparciu o opracowaną dokumentację wykonano maszynę obciążającą wielkości mechanicznej 18 mm. Stojan uzwojony i wprasowany w kadłub wykonały i dostarczyły zakłady CELMA S.A. na podstawie przekazanej karty uzwojeń i określonych w BOBRME Komel wymagań. Pakietowanie blach wirnika, osadzanie magnesów trwałych w wirniku, mocowanie wirnika na wale oraz montaż końcowy maszyny wykonano w BOBRME Komel. Maszynę wyposażono w wentylator obcy w celu zapewnienia prawidłowego chłodzenia maszyny w całym zakresie prędkości obrotowych wirnika, niezależnie od wartości momentu obciążenia na wale. Zdjęcia dokumentujące wykonanie maszyny obciążającej IPMSg18L8-M-v Przetwornik momentu 1 N.m Stanowisko laboratoryjne do badań maszyn wielkości mechanicznej do 132 mm wyposażono w przetwornik momentu Hottinger-Baldwin, typ T2WN, o znamionowym zakresie pomiarowym 1 N.m (moment maksymalny 2 N.m), klasie dokładności.2, znamionowym zakresie prędkości obrotowych do 1 obr/min. Oprócz momentomierza T2WN zakupiono komplet odpowiednich sprzęgieł mieszkowych do sprzęgnięcia momentomierza z projektowanymi maszynami synchronicznymi. 1
Przetwornik momentu Hottinger-Baldwin, typ T2WN (zakres pomiarowy 1 N.m) oraz sprzęgła mieszkowe Bateria litowo-jonowa 13VDC Jako źródło zasilania dla przekształtnika SKAI 421MD2 zastosowano baterię litowo-jonową. Bateria składa się z 72 ogniw litowo-jonowych firmy Kokam, typu SPLB12216216. Znamionowe napięcie baterii wynosi ok. 13 VDC. Bateria wyposażona jest w elektroniczny układ sterujący i nadzorujący procesy ładowania i rozładowania. Bateria, podobnie jak przekształtnik SKAI, jest chłodzona cieczą. Zastosowanie baterii litowo-jonowej jako źródło zasilania dla SKAI 421MD2 jest celowe z tego względu, że elektryczne układy napędowe o szeroko regulowanej prędkości obrotowej, składające się z nowoczesnej baterii, przekształtnika energoelektronicznego i silnika synchronicznego z magnesami trwałymi są obecnie coraz częściej spotykane w ultranowoczesnych, w pełni elektrycznych pojazdach drogowych. Prototyp silnika wielkości 132 mm wykonano także z chłodzeniem cieczą, i planuje się, że cały napęd elektryczny złożony z baterii litowo-jonowej, przekształtnika SKAI i silnika wielkości 132 mm będzie po zakończeniu projektu zaadoptowany do potrzeb elektryfikacji demonstracyjnego pojazdu elektrycznego. 11
Badania laboratoryjne modelowego silnika wielkości 132 mm. Na zdjęciach widać także maszynę obciążającą wielkości 18 Zadanie nr 6. Analiza wyników badań laboratoryjnych silnika modelowego. Korekty modelu matematycznego oraz algorytmu i programu do obliczeń charakterystyk elektromechanicznych. Przeprowadzone na modelowym silniku wielkości mechanicznej 132 mm badania laboratoryjne potwierdziły poprawność opracowanego w ramach projektu algorytmu do obliczania charakterystyk elektromechanicznych silników synchronicznych z magnesami trwałymi pracujących w napędach o dwustrefowo regulowanej prędkości obrotowej. Nie było konieczności wprowadzania zmian w algorytmie i programie obliczeniowym. Wyniki przeprowadzonych obliczeń elektromagnetycznych bazujących na metodzie obwodowo-polowej oraz uzyskane wyniki badań laboratoryjnych silnika modelowego zestawiono w opracowaniu BOBRME Komel nr CG4-5516. Zadanie nr 7. Zaprojektowanie obwodów elektromagnetycznych stojanów i wirników dla trzech silników prototypowych. Wykonanie dokumentacji konstrukcyjnej silników prototypowych. Silnik prototypowy wielkości mechanicznej 9 mm, IPMSEhR9-4L/PO Ważniejsze założenia ogólne przyjęte przy projektowaniu silnika prototypowego wielkości mechanicznej 9 mm: silnik dostosowany do pracy w zakresie prędkości obrotowych 8 obr/min.; wirnik umożliwiający efektywne osłabianie strumienia magnetycznego przy wysokich prędkościach obrotowych efektywna praca silnika w drugiej strefie regulacji prędkości obrotowej; stosunek prędkości maksymalnej silnika do prędkości bazowej 2; maszyna dopasowana do zasilania z przekształtnika energoelektronicznego SKAI 421MD2 ze stopniem mocy wykonanym na tranzystorach MOSFET 2 V. Napięcie stałe zasilania przekształtnika w zakresie 15 14 V. Napięcie maksymalne na zaciskach silnika 64 85 V LL ; w roli czujnika prędkości i pozycji wirnika zastosowanie enkodera inkrementalnego zgodnego z interfejsem przekształtnika SKAI 421MD2; układ chłodzenia silnika z wentylatorem obcym; kadłub silnika, blachy elektrotechniczne pakietu stojana oraz inne drobne wyposażenie wzięte z typowego silnika indukcyjnego produkcji BESEL S.A. (Brzeg); zastosowanie magnesów NdFeB spiekanych w wirniku. 12
Przy uwzględnieniu powyższych założeń, przeprowadzono obliczenia charakterystyk elektromechanicznych dla kilku wariantów rozwiązania obwodu elektromagnetycznego silnika prototypowego wielkości 9 mm. W pierwszej kolejności ustalono dane konstrukcyjne stojana uzwojonego (m.in. długość pakietu blach, dane nawojowe). Następnie zaprojektowano kilka wariantów wirnika, z których do opracowania dokumentacji konstrukcyjnej i technologicznej wybrano ostatecznie 3 warianty. Moment elektromag.,tel (N.m) 18 16 14 12 1 8 6 4 IPMSEhR9-4L - Prototyp 1 IPMSEhR9-4L - Prototyp 2 2 IPMSEhR9-4L - Prototyp 3 1 2 3 4 5 6 7 8 n [1/min] Moc szczelinowa, Pei (W) 1 IPMSEhR9-4L - Prototyp 1 9 IPMSEhR9-4L - Prototyp 2 8 IPMSEhR9-4L - Prototyp 3 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 n [1/min] 6 7 Napięcie fazowe od magnesów, E (V) 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 n [1/min] IPMSEhR9-4L - Prototyp 1 IPMSEhR9-4L - Prototyp 2 IPMSEhR9-4L - Prototyp 3 Napięcie międzyfazowe, VLL (V) 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 n [1/min] IPMSEhR9-4L - Prototyp 1 IPMSEhR9-4L - Prototyp 2 IPMSEhR9-4L - Prototyp 3 Wybrane charakterystyki elektromechaniczne różnych wariantów silnika wielkości 9 mm, obliczone przy założeniu obciążenia prądem I 1 = 6 A w całym zakresie regulacji prędkości obrotowej n Wykaz ważniejszej dokumentacji konstrukcyjnej dla silnika wielkości 9 mm: CG4-7946 Karta uzwojeń prototypu 1; CG4-7947 Karta uzwojeń prototypu 2; CG4-7948 Karta uzwojeń prototypu 3; CG2-12 Zestawienie; CG3-1134 Kadłub - obróbka dodatkowa; CG2-123 Pakiet stojana uzwojony; CG3-129 Stojan uzwojony; -CG2-246 Wirnik zestawienie; CG3-2116 Wał; CG4-8636 Pierścień dociskowy; CG3-3218 Tarcza łożyskowa P obróbka dodatkowa; CG4-23167 Blacha magnetyczna wirnika prototyp 1; CG4-23172 Blacha magnetyczna wirnika prototyp 2; CG4-23178 Blacha magnetyczna wirnika prototyp 3; CG4-23534 Pierścień dociskowy strony ND; CG4-23538 Pierścień dociskowy strony D; CG4-82421 Śruba dwustronna; 13
CG4-8635 Pierścień oporowy; CG4-8627 Tuleja dociskowa; CS4-9813 Czujnik temperatury; CG3-12169 Cewka stojana; CG3-4132 Schemat uzwojenia stojana. Silnik prototypowy wielkości mechanicznej 132 mm Założenia przyjęte przy projektowaniu silnika prototypowego wielkości mechanicznej 132 mm były zasadniczo takie same jak dla silnika modelowego wielkości 132 mm: silnik dostosowany do pracy w zakresie prędkości obrotowych 7 obr/min.; wirnik umożliwiający efektywne osłabianie strumienia magnetycznego przy wysokich prędkościach obrotowych; stosunek prędkości maksymalnej silnika do prędkości bazowej 2; maszyna dopasowana do zasilania z przekształtnika energoelektronicznego SKAI 421MD2. Napięcie maksymalne na zaciskach silnika 64 85 V LL ; w roli czujnika prędkości i pozycji wirnika zastosowanie enkodera inkrementalnego zgodnego z interfejsem przekształtnika SKAI 421MD2; wydajny system chłodzenia silnika w całym zakresie prędkości obrotowych wirnika chłodzenie obce; wykrój blach elektrotechnicznych pakietu stojana oraz długość pakietu wzięte z typowego silnika indukcyjnego produkowanego w kraju założono zastosowanie blach z 4-biegunowego silnika Sg132S4 produkcji TAMEL S.A.; zastosowanie magnesów NdFeB spiekanych jako źródło siły magnetomotorycznej wirnika. Zmieniono natomiast założenia odnośnie wykonania kadłuba zaplanowano zastosowanie kadłuba chłodzonego cieczą. 4 14 35 12 Moment elektromag., Tel (N.m) 3 25 2 15 1 5 Wm 132 - Model Wm 132 - Prototyp 1 Wm 132 - Prototyp 2 Wm 132 - Prototyp 3 Wm 132 - Prototyp 4 1 2 3 4 5 6 7 Moc szczelinowa, Pei (W) 1 8 6 4 2 Wm 132 - Model Wm 132 - Prototyp 1 Wm 132 - Prototyp 2 Wm 132 - Prototyp 3 Wm 132 - Prototyp 4 1 2 3 4 5 6 7 n [1/min] n [1/min].7 1..6.95.9 Strumień w szczelinie (Wb).5.4.3.2.1 Wm 132 - Model Wm 132 - Prototyp 1 Wm 132 - Prototyp 2 Wm 132 - Prototyp 3 Wm 132 - Prototyp 4 Sprawność.85.8.75.7.65.6.55 Wm 132 - Model Wm 132 - Prototyp 1 Wm 132 - Prototyp 2 Wm 132 - Prototyp 3 Wm 132 - Prototyp 4. 1 2 3 4 5 6 7.5 1 2 3 4 5 6 7 n [1/min] n [1/min] Wybrane charakterystyki elektromechaniczne różnych wariantów silnika wielkości 132 mm, obliczone przy założeniu obciążenia prądem I 1 = 12 A w całym zakresie regulacji prędkości obrotowej n 14
Wykaz ważniejszej dokumentacji konstrukcyjnej dla silnika wielkości 132 mm: CG4-794 Karta uzwojeń prototypu 1; CG4-7941 Karta uzwojeń prototypu 2; CG4-7942 Karta uzwojeń prototypu 3; CG4-7943 Karta uzwojeń prototypu 4; CG4-23151 Blacha wirnika prototypu 1; CG4-23152 Blacha wirnika prototypu 2; CG4-23153 Blacha wirnika prototypu 3; CG4-23154 Blacha wirnika prototypu 4; CG2-15 Zestawienie; CG3-11911 Spirala chłodnicza; CS2-11519 Kadłub obróbka; CG3-121 Stojan uzwojony; CG3-429 Schemat uzwojenia stojana; CG2-32129 Tarcza łożyskowa strony D i N odlew; CG2-32132 Tarcza łożyskowa strony D obróbka; CG2-2213 Wirnik z magnesami IPM; CG2-2116 Wał silnika prototypowego; CG3-23512 Pierścień dociskowy; CS2-32188 Tarcza łożyskowa strony N obróbka; Silnik prototypowy wielkości mechanicznej 2 mm, IPMSg2L4-v Ważniejsze założenia ogólne przyjęte przy projektowaniu silnika prototypowego wielkości mechanicznej 2 mm: silnik dostosowany do pracy w zakresie prędkości obrotowych 5 obr/min.; wirnik umożliwiający efektywne osłabianie strumienia magnetycznego przy wysokich prędkościach obrotowych; stosunek prędkości maksymalnej silnika do prędkości bazowej 2; maszyna dopasowana do zasilania z przekształtnika energoelektronicznego SKAI 41GD6 ze stopniem mocy wykonanym na tranzystorach IGBT 6 V. Napięcie stałe zasilania przekształtnika w zakresie 4 V. Napięcie maksymalne na zaciskach silnika 24 V LL ; w roli czujnika prędkości i pozycji wirnika zastosowanie enkodera inkrementalnego zgodnego z interfejsem przekształtnika SKAI 41GD6; układ chłodzenia silnika z wentylatorem obcym; kadłub silnika, blachy elektrotechniczne pakietu stojana oraz inne drobne wyposażenie wzięte z typowego silnika indukcyjnego produkowanego w fabryce CELMA S.A. w Cieszynie; zastosowanie magnesów NdFeB spiekanych jako źródło siły magnetomotorycznej wirnika. Przeprowadzono obliczenia charakterystyk elektromechanicznych dla kilku wariantów rozwiązania obwodu elektromagnetycznego silnika prototypowego wielkości 2 mm. Wpierw ustalono dane konstrukcyjne stojana uzwojonego (m.in. rozkrój blach stojana, długość pakietu blach, dane nawojowe). Następnie zaprojektowano kilka wariantów wirnika, z których do opracowania dokumentacji konstrukcyjnej i technologicznej wybrano 3 warianty. 15
12 35 1 Moc szczelinowa, Pei (W) Moment elektromag., Tel (N.m) 4 3 25 2 15 1 IPMSg2L4-v - Prototyp 1 5 8 6 4 IPMSg2L4-v - Prototyp 1 2 IPMSg2L4-v - Prototyp 2 IPMSg2L4-v - Prototyp 2 1 2 3 4 5 6 1 2 1, 4 5 6 18 Napięcie fazowe od magnesów E i na zaciskach V1rms (V),9,8 Współczynnik mocy 3 n [1/m in] n [1/m in],7,6,5,4,3,2 IPMSg2L4-v - Prototyp 1,1 IPMSg2L4-v - Prototyp 2, 16 14 12 1 8 6 E - Prototyp 1 4 E - Prototyp 2 V1rms - Prototyp 1 2 V1rms - Prototyp 2 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 n [1/m in] n [1/m in] Wybrane charakterystyki elektromechaniczne dwóch wariantów silnika wielkości 2 mm, o zbliżonych konstrukcjach wirników pokazanych poniżej (zmienione wymiary magnesów, gniazd na magnesy, szczeliny powietrznej). Charakterystyki obliczono przy założeniu obciążenia prądem I1 = 25 A w całym zakresie regulacji prędkości obrotowej n 2.9e+ : >2.2e+ 1.98e+ : 2.9e+ 1.87e+ : 1.98e+ 1.76e+ : 1.87e+ 1.65e+ : 1.76e+ 1.54e+ : 1.65e+ 1.43e+ : 1.54e+ 1.32e+ : 1.43e+ 1.21e+ : 1.32e+ 1.1e+ : 1.21e+ 9.9e-1 : 1.1e+ 8.8e-1 : 9.9e-1 7.7e-1 : 8.8e-1 6.6e-1 : 7.7e-1 5.5e-1 : 6.6e-1 4.4e-1 : 5.5e-1 3.3e-1 : 4.4e-1 2.2e-1 : 3.3e-1 1.1e-1 : 2.2e-1 <.e+ : 1.1e-1 Density Plot: B, Tesla 2.9e+ : >2.2e+ 1.98e+ : 2.9e+ 1.87e+ : 1.98e+ 1.76e+ : 1.87e+ 1.65e+ : 1.76e+ 1.54e+ : 1.65e+ 1.43e+ : 1.54e+ 1.32e+ : 1.43e+ 1.21e+ : 1.32e+ 1.1e+ : 1.21e+ 9.9e-1 : 1.1e+ 8.8e-1 : 9.9e-1 7.7e-1 : 8.8e-1 6.6e-1 : 7.7e-1 5.5e-1 : 6.6e-1 4.4e-1 : 5.5e-1 3.3e-1 : 4.4e-1 2.2e-1 : 3.3e-1 1.1e-1 : 2.2e-1 <.e+ : 1.1e-1 Density Plot: B, Tesla 16
Rozkład indukcji i linie ekwipotencjalne pola magnetycznego w dwóch zbliżonych konstrukcyjnie wariantach silnika wielkości 2 mm, przy obciążeniu prądem I 1 = 25 A i pracy w pierwszej strefie regulacji prędkości przy optimum momentu do prądu (od góry pokazano prototyp 1 i prototyp 2) Wykaz ważniejszej dokumentacji konstrukcyjnej dla silnika wielkości 2 mm: CG4-7949 Karta uzwojeń, wirnik 1; CG4-795 Karta uzwojeń, wirnik 2; CG4-7951 Karta uzwojeń, wirnik 3; CG2-122 Zestawienie; CG2-247 Wirnik zestawienie; CG3-2114 Wał obróbka dodatkowa; CG4-23179 Blacha magnetyczna wirnika 1; CG4-23182 Blacha magnetyczna wirnika 2; CG3-23156 Blacha magnetyczna wirnika 3; CG3-23515 Pierścień dociskowy strona napędowa; CG3-23519 Pierścień dociskowy strona przeciwnapędowa; CG4-82422 Śruba dwustronna; CG4-8643 Pierścień oporowy. Zadanie nr 8. Wykonanie trzech silników prototypowych o różnych wielkościach mechanicznych (każdy silnik z trzema wariantami wykonania wirnika). Silniki prototypowe wielkości mechanicznej 9 mm, IPMSEhR9-4L/PO Podzespoły silników prototypowych wielkości mechanicznej 9 mm: kadłuby wraz z tarczami łożyskowymi, pakiety stojana nieuzwojone, wałki oraz zespoły chłodzenia obcego dostarczyła fabryka BESEL S.A. z Brzegu. Zwojenie i wprasowywanie pakietów blach stojanów, pakietowanie blach wirników, osadzanie magnesów trwałych w wirnikach, mocowanie wirników na wałkach, mocowanie enkodera oraz montaż końcowy maszyn wykonano w BOBRME Komel. Dla silnika prototypowego wielkości 9 mm wykonano 3 wirniki o 3 różnych rozkrojach blach. Ze względu na stosunkowo niski koszt kadłuba, pakietu stojana i innych drobnych elementów silnika tej wielkości, wykonano 3 pełne prototypy silnika (3 stojany uzwojone i 3 wirniki). 17
Zdjęcia dokumentujące wykonanie silnika prototypowego wielkości 9 mm Silnik prototypowy wielkości mechanicznej 132 mm Konstrukcję silnika prototypowego wielkości mechanicznej 132 mm oparto na pakiecie stojana 4-biegunowego silnika Sg132S4, produkowanego seryjnie w fabryce TAMEL w Tarnowie. Kadłub chłodzony wodą wraz z tarczami łożyskowymi został opracowany w BOBRME Komel. Dane nawojowe zostały takie same jak w silniku modelowym wielkości 132 mm. Wykonanie silnika z chłodzeniem wodnym było celowe, gdyż takie chłodzenie podsiada również przekształtnik SKAI oraz bateria litowo-jonowa wchodząca w skład stanowiska badawczego. Dla silnika prototypowego wielkości 132 mm wykonano 4 różne wirniki. Pakietowanie blach wirników, osadzanie magnesów trwałych w wirnikach, mocowanie wirników na wałkach, mocowanie enkodera oraz montaż końcowy maszyny wykonano w BOBRME Komel. 18
Zdjęcia dokumentujące wykonanie silnika prototypowego wielkości 132 mm z chłodzeniem cieczą Silnik prototypowy wielkości mechanicznej 2 mm, IPMSg2L4-v Konstrukcję silnika prototypowego wielkości mechanicznej 2 mm oparto na podzespołach silnika 2Sg2L4, produkowanego seryjnie w fabryce CELMA S.A w Cieszynie. Kadłub wraz z tarczami łożyskowymi, uzwojony i wprasowany w kadłub pakiet stojana, częściowo obrobione wałki wirników oraz zespół chłodzenia obcego dostarczyła fabryka CELMA S.A., na podstawie karty uzwojeń i wymagań przekazanych przez BOBRME Komel. Pakietowanie blach wirników, osadzanie magnesów trwałych w wirnikach, mocowanie wirników na wałkach, mocowanie enkodera oraz montaż końcowy maszyny wykonano w BOBRME Komel. Dla silnika prototypowego wielkości 2 mm wykonano 3 wirniki o 3 różnych rozkrojach blach. Ze względu na wysoki koszt stojana uzwojonego dla maszyn wielkości 2 mm, w ramach projektu wykonano tylko jeden stojan uzwojony maszyny IPMSg2L4-v (zgodnie z wnioskiem o projekt). Podczas badań laboratoryjnych wirniki kolejno zamieniano i montowano w tym samym stojanie. W celu kontroli przyrostów temperatury uzwojeń podczas badań laboratoryjnych, w uzwojeniu stojana zamontowano 6 liniowych, półprzewodnikowych czujników temperatury serii KTY83 oraz czujnik PT-1. 19
Zdjęcia dokumentujące wykonanie silnika prototypowego IPMSg2L4-v Jako czujnik prędkości obrotowej i pozycji wirnika w silniku wielkości 2 mm zastosowano enkoder inkrementalny firmy Kubler typ A2H (pełne oznaczenie enkodera 8.A2H.521A.124). Enkoder ten jest przeznaczony do zastosowania w nowoczesnych napędach elektrycznych pracujących w ciężkich warunkach i z dużymi obciążeniami. Górny zakres prędkości obrotowych enkodera wynosi 6 obr/min. W celu zabezpieczenia łożysk enkodera od prądów pasożytniczych zastosowano specjalną wkładkę izolacyjną z tworzywa sztucznego pomiędzy enkoderem a wałkiem silnika. Enkoder inkrementalny Kubler A2H wraz z wkładką izolacyjną chroniącą łożyska enkodera od prądów pasożytniczych Zadanie nr 9. Wykonanie stanowisk do badań laboratoryjnych silników prototypowych o różnych wielkościach mechanicznych. Badania laboratoryjne silników prototypowych przy różnych konfiguracjach układów napędowych o prędkości regulowanej. Elementy stanowiska laboratoryjnego do badań silnika prototypowego wielkości mechanicznej 2 mm, zakupione lub wykonane w ramach projektu: przekształtnik energoelektroniczny (falownik) SKAI 41GD6-145W firmy Semikron wraz z osprzętem i oprogramowaniem do programowania wewnętrznego procesora sygnałowego przekształtnika; maszyna obciążająca wielkości mechanicznej 25 mm; przetwornik momentu mechanicznego o znamionowym zakresie pomiaru 5 N.m; prostownik 3-fazowy na modułach diodowych Semikron SKKD 71/12; sprzęgła mieszkowe, podstawy i stojaki. 2
Inne ważniejsze elementy stanowiska laboratoryjnego: szerokopasmowy analizator mocy Norma D 6133 firmy LEM; zasilacze dla podzespołów elektronicznych (zasilanie enkoderów, przetworników momentu itp.). Przekształtnik SKAI 41GD6 Przekształtnik SKAI 41GD6 jest przeznaczony do zastosowania w nowoczesnych trójfazowych napędach elektrycznych o szeroko regulowanej prędkości obrotowej i o mocy ciągłej do 16 kw. Jest szczególnie polecany do zastosowania w dużych elektrycznych pojazdach trakcji drogowej. Jego stopień mocy jest wykonany na tranzystorach IGBT 6 V. Typowe napięcie zasilania szyny DC przekształtnika wynosi 4 V i wówczas maksymalne napięcie międzyfazowe na silniku przy zastosowaniu techniki PWM modulacji wektora przestrzennego napięcia wynosi ok. 24 V. Prąd wyjściowy znamionowy przekształtnika to 4 A, możliwe jest krótkotrwałe przeciążenie prądem 5 A. Przekształtnik ten jest chłodzony cieczą. Posiada on liczne zabezpieczenia sprzętowe i ma wbudowany procesor sygnałowy z rodziny TMS32 C2. Przekształtnik energoelektroniczny SKAI 41GD6-145W firmy Semikron Przekształtnik SKAI 41GD6-145W dostarczany jest bez oprogramowania sterującego napędem elektrycznym. Odpowiednie oprogramowanie dedykowane do potrzeb konkretnego napędu musi być opracowane i załadowane do pamięci procesora sygnałowego. Do tego celu zakupiono i wykorzystano: zestaw ewaluacyjny MCK2812 Kit C Pro-S (BL) oferowany przez szwajcarską firmę Technosoft zestaw ten został zaprojektowany specjalnie do wspomagania projektowania oprogramowania sterującego nowoczesnymi napędami elektrycznymi w których zastosowano silniki synchroniczne z magnesami trwałymi; dwa emulatory JTAGjet-C2 z izolacją galwaniczną, dedykowane dla procesorów sygnałowych z rodziny TMS32 C2 emulatory te są konieczne do przeprowadzenia procesu programowania procesora DSP zamontowanego na płytce drukowanej przekształtnika SKAI; oprogramowanie Code Composer Studio IDE v3.3 wspomagające tworzenie aplikacji dla procesorów sygnałowy z rodziny TMS32 C2; interfejs USB-CAN z izolacją galwaniczną za jego pomocą stacja robocza lub laptop mogą być sprzęgnięte z przekształtnikiem SKAI w celu sterowania pracą napędu elektrycznego (nastawy prędkości, momentu) oraz w celu kontroli i diagnostyki w czasie rzeczywistym poszczególnych parametrów pracy napędu mierzonych przez zintegrowane w przekształtniku przetworniki i czujniki (kontrola prądów fazowych, napięć, temperatury struktur półprzewodnikowych). Oprogramowanie przekształtnika SKAI zlecono do opracowania w kraju. W chwili obecnej oprogramowanie to umożliwia już optymalne (optimum momentu do prądu) sterowanie silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi zamocowanymi wewnątrz wirnika z w pierwszej strefie 21
regulacji prędkości, w której moment elektromagnetyczny jest proporcjonalny do prądu twornika. Oprogramowanie umożliwia płynne sterowanie prędkością lub momentem w tej strefie regulacji. Sterowanie pracą silnika w drugiej strefie regulacji z osłabianiem strumienia magnetycznego głównego w silniku jest także możliwe, poprzez bezpośrednie zadawanie wartości tzw. prądów podłużnego I d i poprzecznego I q. Obecny stopień zaawansowania oprogramowania dla przekształtnika SKAI jest wystarczający dla potrzeb laboratoryjnych badań silników prototypowych, jednakże kontynuowane będą prace (finansowane już ze środków BOBRME Komel ) w celu jego dalszego dopracowania. Maszyna obciążająca wm 25 mm, IPMSg25M4-v Stanowisko laboratoryjne do badań silnika prototypowego wielkości mechanicznej 2 mm wyposażono w dedykowaną maszynę obciążającą. Zastosowanie w tym celu maszynę synchroniczną z magnesami trwałymi o wielkości mechanicznej 25 mm, 4-biegunową. Dla kilku wariantów takiej maszyny przeprowadzono obliczenia projektowe obwodu elektromagnetycznego metodą obwodowo-polową, obliczono charakterystyki obciążeniowe przy pracy prądnicowej. Przeprowadzono obliczenia wytrzymałościowe dla pakietu wirnika przy wysokich prędkościach obrotowych (6 obr/min.). 35 45 3 4 Napięcie, VLL (Vrms) 25 2 15 1 5 Prąd obciążenia, I1 (Arms) 35 3 25 2 15 1 5 2 4 6 8 1 12 14 Moc wydawana, P2 (kw) 2 4 6 8 1 12 14 Moc wydawana, P2 (kw) Charakterystyki obciążenia maszyny IPMSg25M4-v (dla obciążenia o współczynniku cosϕ = 1) Dla wybranego rozwiązania maszyny wykonano dokumentację konstrukcyjną i technologiczną. Ważniejsze pozycje tej dokumentacji zebrano poniżej: CG4-7959 Karta uzwojeń; CG2-123 Zestawienie maszyny; CG2-248 Wirnik zestawienie; CG3-2115 Wał obróbka dodatkowa; CG4-2318 Blacha magnetyczna wirnika; CG3-23516 Pierścień dociskowy strona napędowa; CG3-2352 Pierścień dociskowy strona przeciwnapędowa; CG4-82424 Śruba dwustronna; CG4-8644 Pierścień oporowy. Wykonano także dokumentację oprzyrządowania do pakietowania blach wirnika i osadzania w nim magnesów trwałych. W oparciu o opracowaną dokumentację wykonano maszynę obciążającą wielkości mechanicznej 25 mm. Stojan uzwojony i wprasowany w kadłub wykonały i dostarczyły zakłady CELMA S.A. na podstawie przekazanej karty uzwojeń i określonych w BOBRME Komel wymagań. Pakietowanie blach wirnika, osadzanie magnesów trwałych w wirniku, mocowanie wirnika na wale oraz montaż końcowy maszyny wykonano w BOBRME Komel. Maszynę wyposażono w wentylator obcy w celu zapewnienia prawidłowego chłodzenia maszyny w całym zakresie prędkości obrotowych wirnika. 22
Zdjęcia dokumentujące wykonanie maszyny obciążającej IPMSg25M4-v Prędkość znamionową maszyny ustalono na 25 obr/min tak jak dla silnika prototypowego wielkości 2 mm. Moc znamionowa maszyny przy pracy prądnicowej wynosi 1 kw (praca S1). Napięcie znamionowe 28 V(Y) zostało dopasowane do wymagań laboratorium BOBRME Komel dopasowanie do układu zwrotu energii do sieci. Podobnie jak silnik prototypowy wielkości 2 mm, maszyna obciążająca wielkości 25 mm charakteryzuje się nietypowym sposobem wyprowadzenia końcówek uzwojeń giętkim kablem ekranowanym 4-żyłowym. W przyjętym oznaczeniu typu maszyny na tabliczce znamionowej IPMSg25M4-v, człon IPM oznacza: maszyna Interior Permanent Magnet. Przetwornik momentu 5 N.m Stanowisko laboratoryjne do badań maszyn wielkości mechanicznej do 2 mm wyposażono w przetwornik momentu Hottinger-Baldwin, typ T22, o znamionowym zakresie pomiarowym 5 N.m (moment maksymalny 1 N.m), klasie dokładności.5, znamionowym zakresie prędkości obrotowych do 9 obr/min. Oprócz momentomierza T22 zakupiono komplet odpowiednich sprzęgieł mieszkowych do sprzęgnięcia momentomierza z projektowanymi maszynami synchronicznymi. 23
Przetwornik momentu Hottinger-Baldwin, typ T22 (zakres pomiarowy 5 N.m) ze sprzęgłami mieszkowymi Prostownik 3-fazowy na modułach Semikron SKKD 71/12 Prostownik 3-fazowy wykonany z modułów diodowych Semikron Semipack 5 SKKD 71/12 został wykorzystany na stanowisku laboratoryjnym do badań silnika prototypowego wielkości mechanicznej 2 mm. Prostownik ten posłużył jako źródło zasilania napięciem stałym dla przekształtnika SKAI 41GD6-145W. Moduły diodowe Semikron SKKD 71/12 z wykonanego na nich prostownika zasilano przekształtnik SKAI 41GD6 Poniżej zamieszczono zdjęcia z badań laboratoryjnych silników prototypowych opracowanych w projekcie. 24
Przygotowane stanowisko do badań silnika wzniosu mechanicznego 2 mm z maszyną obciążającą wzniosu 25 mm i przekształtnikiem SKAI 41GD6 Silnik prototypowy wzniosu mechanicznego 132 mm na stanowisku podczas badań oraz próba zastosowania silnika prototypowego wielkości 132 mm do napędu elektryfikowanego pojazdu Zadanie nr 1. Analiza wyników badań silników prototypowych. Określenie wytycznych konstrukcyjnych do opracowania dokumentacji dla produkcji seryjnej silników synchronicznych z magnesami trwałymi do napędów o prędkości regulowanej. Pełną analizę przeprowadzonych badań laboratoryjnych wykonanych silników prototypowych wielkości mechanicznej 9, 132 i 2 mm oraz porównanie wyników badań z wynikami obliczeń elektromagnetycznych bazujących na metodzie obwodowo-polowej zestawiono w opracowaniu BOBRME Komel nr CG4-5517. Wytyczne konstrukcyjne do projektowania i produkcji silników synchronicznych z magnesami trwałymi do wysokowydajnych, wysokosprawnych napędów o dwustrefowo, szeroko regulowanej prędkości obrotowej zawarto w opracowaniu CG4-536. Opracowania te są dla zainteresowanych podmiotów dostępne do wglądu w siedzibie BOBRME Komel. Podstawowe wnioski wynikające z analizy wyników badań laboratoryjnych prototypowych silników synchronicznych z magnesami trwałymi do napędów o regulowanej prędkości obrotowej są następujące: 1. Zarówno w silniku modelowym jak i silnikach prototypowych użyto standardowych wykrojów blach stojana, stosowanych w produkowanych masowo w Polsce trójfazowych silnikach asynchronicznych. Podyktowane to było jednym z celów projektu umożliwieniem polskim fabrykom silników indukcyjnych możliwie szybkie i tanie wdrożenie do produkcji nowoczesnych silników z magnesami trwałymi. Zastosowanie w silnikach z magnesami trwałymi standartowych rozkrojów blach z silników asynchronicznych pozwala znacznie obniżyć koszty produkcji tych 25
silników, ale takie rozwiązania nie są optymalne pod względem uzyskiwania jak najlepszych parametrów elektrycznych silnika z magnesami trwałymi. 2. Zaprojektowane silniki synchroniczne z magnesami trwałymi posiadają bardzo dobre właściwości regulacyjne i cechują się wysoką sprawnością oraz dużą przeciążalnością momentem. Duża przeciążalność momentem jest jednym z kluczowych parametrów doboru nowoczesnych silników do pracy w elektrycznych napędach trakcyjnych. Zapewnienie napędom trakcyjnym dużej chwilowej przeciążalności pozwala ograniczyć masy oraz moce znamionowe silników stosowanych w tego typu napędach. Dla wszystkich zaprojektowanych i wykonanych w ramach projektu silników synchronicznych z magnesami trwałymi uzyskano chwilową krotność przeciążalności momentem większą od 3. Ograniczenie krotności momentu wynika w przypadku tych silników raczej z ograniczeń prądowych przekształtnika energoelektronicznego. 3. Przy zastosowaniu chłodzenia wentylatorem obcym, silniki synchroniczne z magnesami trwałymi charakteryzują się mocą długotrwałą wyższą o ok. 2 35 % w stosunku do mocy odpowiedniego silnika indukcyjnego (ta sama długość pakietu i prędkość obrotowa). Dokładny przyrost mocy jest uzależniony od przyjętej konstrukcji wirnika. 4. Aby uzyskać jak najlepsze parametry eksploatacyjne napędu elektrycznego z silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi, należy odpowiednio zaprojektować pakiet blach stojana i wirnika. Nie jest możliwe zaprojektowanie silnika uniwersalnego dla wielu aplikacji, który miałby wszystkie parametry eksploatacyjne na bardzo wysokim poziomie. Silniki projektowane do różnego typu aplikacji wymagających szerokiego zakresu regulacji prędkości obrotowej wymagają zastosowania różnorodnych rozwiązań konstrukcyjnych zarówno w obwodzie elektromagnetycznym stojana jak i wirnika. Na dobór rozwiązania konstrukcyjnego silnika do danego napędu mają wpływ m.in.: a. napięcie zasilania szyny stałoprądowej falownika i tym samym maksymalne napięcie dostępne na wyjściu falownika zasilającego silnik; b. zastosowany w falowniku sposób realizacji modulacji fal napięcia lub prądu wyjściowego (najbardziej polecana dla napędów o szeroko regulowanej prędkości obrotowej jest tzw. modulacja metodą wektora przestrzennego napięcia ang. Space Vector PWM); c. wymagany w danym napędzie zakres pracy przy optimum momentu do prądu (wartość tzw. prędkości bazowej, praca w strefie regulacji T = const. przy I 1 = const); d. wymagana prędkość maksymalna napędu oraz iloraz prędkości maksymalnej do bazowej; e. wymagana chwilowa przeciążalność momentem w danym napędzie o prędkości regulowanej; f. ograniczenia prądowe zastosowanego przekształtnika energoelektronicznego oraz ograniczenia prądowe silnika gdy istnieje możliwość rozmagnesowania magnesów trwałych przy zbyt wysokiej wartości podłużnej ujemnej reakcji twornika; g. wiele innych czynników. 5. Obecne projektowane w BOBRME Komel konstrukcje silników z magnesami trwałymi są ściśle dedykowane dla potrzeb konkretnego napędu. Najczęściej parametrem priorytetowym przy projektowaniu silnika do napędu o szeroko regulowanej prędkości obrotowej jest masa silnika lub uzyskiwana gęstość mocy z jednostki jego objętości. Na ile jest to możliwe, wykorzystywane są jednak dostępne w kraju wykroje blach stojana z trójfazowych silników indukcyjnych w celu obniżenia kosztów wdrożenia silnika do produkcji i obniżenia jego ceny jednostkowej. 26