ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(93)/2013 Jaub Lorenc 1, Stansław Radows 2 SILNIKI RELUKTANCYJNE (SRM) W ZASTOSOWANIU DO NAPĘDÓW POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH, HYBRYDOWYCH I SPECJALNYCH 3 1. Wstęp Podczas wzrostu popularnośc samochodów eletrycznych hybrydowych oprócz szuana coraz nowocześnejszych źródeł energ (tzn. z węszą wartoścą mocy energ właścwej, ja batere (aumulatory) ltowe, nanorur, superondensatory, ognwa palwowe czy wodór), poszuuje sę taże nowszych rozwązań w slnach eletrycznych. Nastąpł tu ostatnm dwudzestu laty pewen postęp zwązany z zastosowanem magnesów neodymowych (z zem rzadch) o dużej wartośc nducj magnetycznej, wobec czego sln z tym magnesam (BLDC Brushless DC Motors) zaczęły powol osłabać pozycję najpopularnejszych slnów nducyjnych czy omutatorowych prądu stałego. Jedna magnesy mmo swoch welu zalet posadają wele wad. Magnesy z zem rzadch są droge, co jednocześne zwęsza oszt slna; Duże magnesy są nebezpeczne ze względu na możlwość przycągana metalowych obetów; Magnesy mogą być rozmagnesowane przez slne przecwne sły magnetomotoryczne wysoe temperatury; Strefa pracy przy stałej mocy slna BLDC jest ogranczona. Jest ona stotna do osągana wysoej sprawnośc w pojeźdze; Aware falowna, ja zwarce, mogą wystąpć w napędach BLDC. Z powyższych wad wyna, że tam gdze wymaga sę ja najwęszej bezawaryjnośc odpornośc na czynn zewnętrzne (np. w eletrownach czy w zastosowanach wojsowych) stosowane slnów z tam magnesam wąże sę z dużym ryzyem. Ryzyo to jest znaczne mnejsze w przypadu stosowana slnów relutancyjnych przełączalnych (Swtched Reluctance Motors - SRM), tóre mmo mnejszej posadanej energ właścwej (zwłaszcza przy małych gabarytach) ne posadają ww. wad, gdyż wyonane są z żelaza. 2. Sln relutancyjne 2.1. Budowa zasada dzałana Sln SRM może być atracyjnym napędem z regulowaną prędoścą obrotową za sprawą nsego osztu, mocnej budowy, nezawodnego uład przeształtna mocy, wysoej sprawność przy dużym zarese prędośc prostego sterowana. Napędy z 1 Mgr nż. Jaub Lorenc, uczestn studów dotorancch, Wydzału Samochodów Maszyn Roboczych, Poltechna Warszawsa 2 prof. dr hab. nż. Stansław Radows, Dzean Wydzału Samochodów Maszyn Roboczych, Poltechna Warszawsa 3 Test napsany na podstawe monograf [1] 79
tym slnam mogą być napędam tracyjnym samochodów eletrycznych hybrydowych, pracować jao rozruszn lub prądnca w samolotach, napędzać urządzena w górnctwe, pral, słown w drzwach nne. Sln SRM ma prostą, trwałą nedrogą budowę. Ne posada on magnesów an uzwojena na wrnu. To zmnejsza oszt producj slna a taże umożlwa jego pracę przy wysoch obrotach. W przecweństwe do slnów nducyjnych czy z magnesam trwałym, sln SRM jest w stane osągać wysoe prędośc bez ryzya uszodzena mechancznego wynającego z wysoej sły odśrodowej. Do nego taże stosuje sę trwały przeształtn energoeletronczny mocy. Uzwojena stojana połączone są szeregowo z górnym dolnym łącznam na przeształtnu. Ten uład jest odporny na zjawso przestrzelena tóre może wystąpć w falownach dla slna nducyjnego czy z magnesam stałym. To w połączenu z wysoą sprawnoścą napędu przy szerom zarese prędośc obrotowej prostym sterowanu jest dużą zaletą SRMa. Typowy napęd SRM słada sę z samego slna, przeształtna mocy, czujnów prądu, napęca położena oraz obwodu sterowana, czyl sterowna DSP (Dgtal Sgnal Processor Cyfrowy Procesor Sygnałowy) oraz jego urządzeń peryferyjnych poazanych na rysunu 1. Przeształtn SRMa jest połączony do zaslacza DC poprzez aumulator albo prostown dodowy. Uzwojene fazowe SRMa jest podłączone do przeształtna ja na rysunu 2. Obwód sterujący dostarcza sygnał bramujący do luczy przeształtna zgodne ze szczególną strategą sterowana sygnałam od poszczególnych czujnów. Rys. 1. Uład napędu SRM Sln SRM ma beguny wydatne zarówno na stojane ja wrnu. Na stojane występują uzwojena supone natomast na wrnu ne ma żadnych uzwojeń an magnesów. Istneje la onfguracj SRMa w zależnośc od stosunu lośc begunów stojana do wrna. Najbardzej popularne są to 8/6 6/4, poazane na rysunu 3. Ze względu na struturę z podwójną wydatnoścą, relutancja drog strumena magnetycznego uzwojena fazowego zmena sę wraz z położenem wrna. Poneważ SRM jest zwyle zaprojetowany do wysoego nasycena przy dużych prądach fazowych, to relutancja drog strumena magnetycznego zmena sę wraz z prądem 80
fazowym. Wyna z tego, że strumeń sprzężony, nducyjność fazowa przyrostowa zmenają sę wraz z położenem wrna prądu fazowego. Rys. 2. SRM jego zaslane Rys. 3. Przerój poprzeczny typowych uładów SRMa: (a) 6/4 SRM (b) 8/6 SRM. Równane napęca fazowego SRMa (rys.2) wynos V j R j d m 1 j (1) gdze m to lość faz, V j to napęce dostarczone do fazy j, j to prąd fazy j, R to oporność uzwojena fazy, φ j to strumeń sprzężony fazy j poprzez prąd fazy oraz t to czas. Strumeń sprzężony faz φ j jest oreślony jao φ j = L j (,θ, θ), (2) 81
gdze L j to nducyjność wzajemna pomędzy fazą fazą j. Jest ona zwyle bardzo mała w porównanu do nducyjnośc całowtej jest pomjana w równanach. Relutancja drog strumena zmnejsza sę gdy przy stałej wartośc prądu fazowego wrn przesuwa sę z pozycj ne wyrównanej do wyrównanej (z begunem stojana) wsute zmnejszena szczelny powetrznej. W wynu tego nducyjność fazowa strumeń sprzężony zwęszają sę wraz z przesunęcem wrna. Przy stałej pozycj wrna prąd fazowy zwęsza sę a droga strumena staję coraz bardzej nasycona. W zwązu z tym relutancja drog strumena zmnejsza sę podczas wzrostu prądu fazowego, co powoduje spade nducyjnośc całowtej. Ale strumeń sprzężony nadal wzrasta wsute poprawy nasycena. Zmany nducyjnośc całowtej strumena sprzężonego w funcj prądu fazowego pozycj wrna dla SRMa 8/6 są poazane na rysunach 4 5. Na tych rysunach, θ = -30º θ = 0º oznaczają ne wyrównaną wyrównaną pozycję wrna SRMa. Rys. 4. Zmana strumena sprzężonego fazy wraz z położenem wrna prądem fazowym Odejmując równane 2 od równana 1 otrzymujemy: V j R R j j R j m m 1 1 d L m j j m j j 1 1 R ( Lj ) d L ( L d j ) j d L j j d (3) Trzec sładn z wyrażena z ostatnego przeształcena to sła eletromotoryczna (przecweletromotoryczna). 82
Kedy strumeń magnetyczny ne jest nasycony to strumeń sprzężony zmena sę lnowo z prądem fazowym. Inducyjność przyrostowa równa sę wtedy nducyjnośc całowtej. Jedna jeśl maszyna jest nasycana szczególnym prądem fazowym przy onretnym położenu wrna, to przyrostowa nducyjność fazowa ne jest już równa nducyjnośc całowtej. Rys. 5. Zmana całowtej nducyjnośc fazowej z położenem wrna prądem fazowym 2.2. Wytwarzane momentu obrotowego Moment obrotowy w SRMe jest wytwarzany dzę tendencj wrna do ustawena go w położenu współlnowym z nasyconym begunem stojana. Wyrażene analtyczne momentu może być uzysane z pochodnej oenerg w stosunu do pozycj wrna przy danym prądze. Dla cew fazowej z prądem sprzęgającym strumeń φ, energa nagromadzona pola W f oenerga W f są przedstawone jao zaresowane strefy na rysunu 6. Koenergę można zapsać jao całę oznaczoną: W f ' d (4) Moment wytwarzany przez jedną cewę fazową w dowolnym położenu: 0 T ' W f cons tan s (5) 83
Rys. 6. Energa nagromadzona pola oenerga W przypadu, gdy strumeń jest lnowy z prądem, na przyład w nenasyconym polu, rzywa magnesowana z rysunu będze prostą lną oenerga będze równa energ nagromadzonej. Moment chwlowy wynos wtedy T 1 dl( ) 2 (6) 2 d gdze L to nenasycona nducyjność całowta. W przypadu nasyconej fazy, moment ne może być oblczony jao proste równane algebraczne T 0 L(, ) d (7) Z równań wyna, że w celu wytworzena momentu dodatnego (momentu napędzającego) w SRMe, faza mus być nasycona podczas wzrostu całowtej nducyjnośc fazowej wraz z obrotem wrna. Można taże zaobserwować z równań (6) (7), że prąd fazowy jest jednoerunowy do wytwarzana momentu napędowego. Stąd, tan nezawodny przeształtn może być użyty do napędu SRMa. Rysune 7 przedstawa dealną nducyjność fazową, prąd, moment w SRMe. Dodatn (napędzający) moment jest wytwarzany, jeśl faza jest nasycana podczas wzrostu nducyjnośc fazowej ruchu wrna. Ujemny moment jest wytwarzany w czase nasycana fazy zmnejszana nducyjnośc fazowej podczas ruchu wrna. Wyna stąd, że nformacja o położenu jest wymagana do sterowana SRMem. 84
Rys. 7. Idealna nducyjność, prąd moment w SRMe Moment wyjścowy SRMa jest sumą momentów ze wszystch faz: T m N 1 T (, ) (8) gdze T m N to moment wyjścowy lczba faz slna. Zależność pomędzy momentem slna a mechancznym obcążenem jest zapsywana jao d Tm Tl J B (9) gdze J, B T l to moment bezwładnośc, tarce lepoścowe moment obcążena. Zależność pomędzy położenem a prędoścą wynos d (10) Wytwarzany moment obrotowy w slnu może być sterowany zmenając ampltudę czas mpulsów prądowych synchronczne z pozycją wrna. W celu sterowana ampltudą szerooścą mpulsu prądowego należy użyć odpowednego przeształtna. Wejścem SRMa jest napęce stałe, tóre zwyle dostarczane jest za pomocą prostowna dodowego lub aumulatorów. W przecweństwe do pozostałych slnów AC, prądy w SRMe mogą być jednoerunowe. Najpopularnejszy przeształtn to tzw. półmoste poazany na rysunu 8. Najwęsza zaleta tego półmosta jest taa, że wszyste jego fazy można sterować nezależne, co jest zasadncze przy dużych prędoścach gdze występuje znaczne nachodzene na sebe sąsednch prądów fazowych. 85
Rys. 8. Klasyczny półmoste do SRMa Charaterystya mechanczna poazana jest na rysunu 9. Rys. 9. Charaterystya momentu w funcj prędośc obrotowej (mechanczna) 2.3. Wbracja szum austyczny w SRMe Mmo śwetnych właścwośc, napędy SRM wyazują wyso pozom tętnena momentu hałasu. W przypadu zastosowań wrażlwych na hałas ja produty gospodarstwa domowego, problem hałasu wbracj jest poważny. Hałas w SRMe powstaje wsute zmenających sę sł magnetycznych pomędzy begunam stojana wrna, ja poazano na rysunach 10 11. Styczne promenste sładn gęstośc sły eletromagnetycznej w szczelne powetrznej wynoszą F F r 0 0 B B d 2 r ( B r 2 B ) d (11) (12) gdze ν 0, B θ, B r θ oznaczają relutywność powetrza, styczny promensty sładn nducj magnetycznej położena wrna. Zmana sł magnetycznych, szczególne sły promenstej, powoduje deformację stojana wobec tego, promenste drgana stojana hałas. 86
Badana struturalne poazują, że właścwośc paetów blach żelaza są najstotnejsze w parametrach dynamcznej deformacj stojana. Zwęszając długość blach zwęsza sę częstotlwośc zmnejsza deformacje, co reduuje możlwość rezonansu mechancznego nawet przy wysoch prędoścach. Rys. 10. Statyczny profl promenstego omponentu sły Rys. 11. Rozład sł promenstych (F r ) stycznych (F θ ) Zwęszając długość szczelny powetrznej można zmnejszyć sły promenste. Jedna pogarsza to osąg SRMa. Promenste drgana stojana dośwadczają dużego przyspeszena podczas procesu wyłączana. Dzeje sę to z powodu dużej wartośc sł przycągana mędzy nm ch szybch zman. Złagodzene sły promenstej podczas procesu wyłączana jest najbardzej bezpośredną metodą zmnejszena wbracj. Algorytm proflowana prądu może zapewnć, że ne będze generowany żaden moment ujemny. To znaczy, że prąd fazowy ma być całowce usunęty przy albo przed położenem współlnowym. Trzeba też zauważyć, że duża lość roów przy sterowanu prądem ońcowym zwęsza straty na przełączanu. Co węcej, newymuszony spade wbracj spowodowany tą metodą popsuje osąg maszyny. 87
2.4. Projet SRMa Z powodu strutury o podwójnej wydatnośc, stale zmenającej sę nducyjnośc slnemu nasycenu ońcówe begunów oraz efetow rawędzowemu beguna żłobów, projetowane za pomocą obwodu magnetycznego jest nezwyle trudne. W węszośc przypadów używa sę eletromagnetycznej metody elementów sończonych w celu wyznaczena parametrów slna osągów. Typowy rozład pola magnetycznego SRMa 8/6 poazany jest na rysunu 12. Nemnej, stneje la podstawowych ryterów do zapoczątowana procesu projetowana SRMa dla samochodów eletrycznych hybrydowych. Rys. 12. Typowy rozład pola eletromagnetycznego SRMa 8/6: a) w pozycj wyrównanej b) ne wyrównanej 2.4.1 Lczba begunów stojana wrna W celu cągłego obrotu, beguny stojana wrna pownny spełnać szczególne warun, to jest, muszą być rozłożone równomerne na obwodach. Beguny te taże muszą spełnać następujące zależnośc N s = 2mq (13) N r = 2(mq±1) (14) gdze N s N r to lczby begunów stojana wrna, q to lczba faz, a m jest równe 1 lub 2. W celu zmnejszena częstotlwośc przełączana mnmalnej nducyjnośc, lczba begunów wrna jest mnejsza nż stojana, dlatego w równanu 14 jest użyty zna mnus. Najbardzej typowe ombnacje wartośc q,m, N s N r są poazane w tabel 1. Czterofazowy 8/6 trójfazowy 6/4 to najpopularnejsze onfguracje SRMa. Trójfazowa onfguracja 6/4 ma zaletę węszej przestrzen przy wcześnejszym załączanu faz przy zastosowanu dużych prędośc. W porównanu do onfguracj 8/6, są tu zmnmalzowane efety wzajemnego sprzężena faz. Jedna występuje tu węsza pulsacja momentu z powodu jego charaterysty momentu do ąta obrotu, gdze występują duże strefy martwe. Taże moment rozruchowy może być problemem w tej onfguracj. Konfguracja 8/6 może być użyta zatem do zmnejszena pulsacj momentu polepszena momentu rozruchowego. Jedna są tu węsze wydat na rzem. Zwęszając lość begunów na fazę (onfguracje 12/8 16/12), można zmnejszyć wady slna 6/4 zachowując ten sam oszt rzemu. 88
Tabela 1. Typowe zestawene q, N s N r Rys. 13. Prosta stratega projetowana 2.4.2 Przewdywane osągów Zwyle węszość wymagań osągów jest zwązana z dynamcznym charaterystyam pracy napędu stąd występuje zapotrzebowane na całoścowe zamodelowane napędu z uwzględnenem energoeletron sterowana. Jedna w celu przewdywana osągów dynamcznych slna, charaterysty statyczne maszyny 89
(rzywe nducyjnośc fazowej momentu do ąta obrotu) pownny być dostępne wcześnej. Ulepszona metoda zastępczego obwodu magnetycznego (IMEC) jest szybszym sposobem dającym przyblżene parametrów pracy ustalonej SRMa. Zastępując wszyste źródła magnetomotoryczne (amperozwoje) przez źródła napęca oraz poszczególne częśc strutury magnetycznej przez ch odpowedne relutancje, można przeprowadzć analzę magnetyczną. Dzeląc beguny stojana wrna na mnejsze częśc, doładność metody można arbtralne zwęszyć. Zwyła analza metodą elementów sończonych SRMa jest procesem bardzo długm, toteż metoda IMEC jest bardzej wsazana przy wyznaczana perwszych szców projetowych. Rysune 13 poazuje generalną strategę projetowana napędu SRM. 3. Podsumowane Sln relutancyjne mogą być z powodzenem stosowane w napędach pojazdów eletrycznych z welu powodów. Posadają szero zares regulacj prędośc obrotowej, oraz co najważnejsze: dzę onstrucj z żelaza są nezwyle odporne na wszelego rodzaju załócena uszodzena. Pommo tego, że żelazo wprawdze ne posada taej wartośc energ właścwej ja magnesy z zem rzadch to jedna dzę tanej producj wyżej wymenonym zaletom mogą być z powodzenem stosowane do napędów pojazdów, szczególne pojazdów o węszych gabarytach oraz w tach zastosowanach, gdze lczy sę nezawodność ja najrzadsze serwsowane. Sln te są taże przystosowane do wysoch prędośc obrotowych (powyżej 10 000 obr/mn). Poprzez wzrost cen magnesów zem rzadch coraz trudnejszemu dostępow do nch, następuje powrót do stosowana slnów relutancyjnych, szczególne w samochodach hybrydowych. Lteratura: [1] Modern Electrc, Hybrd Electrc, and Fuel Cell Vehcles: Fundamentals, Theory, and Desgn, Second Eon (Power Electroncs and Applcatons Seres), CRC Press 2009, Streszczene Sln relutancyjne przełączalne mogą tworzyć tan nezawodny napęd do zastosowań specjalnych, ja wojsowy, czy strategczny, gdze ja najmnejsza awaryjność bezobsługowość są ważnejsze nż cena zaupu. Mają bardzo prostą budowę: zarówno stojan ja wrn sładają sę ze specjalnych, paetowanych blach eletrotechncznych z charaterystycznym begunam wydatnym. Wrn jest berny, wyonany z żelaza, co wpływa na nezawodność slna. Może on pracować nawet przy wyłączonej lub uszodzonej faze. Ne potrzeba stosowana magnesów, przez co ne pocąga to za sobą zagrożeń wad stosowana ch, oraz ne uzależna budowy taego slna od państw, tóre posadają złoża metalów zem rzadch. Sln ten może być z powodzenem stosowany w samochodach hybrydowych bądź eletrycznych, zwłaszcza że jest bardzej odporny na grzane od slna spalnowego w przypadu pracy hybrydowej. Słowa luczowe: SRM, sln eletryczny, samochód eletryczny 90
SWITCHED RELUCTANCE MOTORS (SRM) IN APPLICATION TO ELECTRIC, HYBRID ELECTRIC AND SPECIAL VEHICLES DRIVE Abstract The Swtched Reluctance Motors could create an nexpensve and relable drve for specal applcatons,.e. mltary or strategc, where the falure frequency and mantenance-free operaton are more mportant than purchase cost. They have a very smple structure: both stator and rotor consst of lamnated electrotechncal sheets wth characterstc salent poles. Rotor s passve and made of ron, what mproves the relablty of the motor. The SRM drve can functon even wth a phase beng damaged or swtched off. There s no need of magnets and thus, faults from ther explotaton do not exst. There s no need as well to depend upon countres that have resources of rareearth materals whch are used for magnets. It can be successfully used n hybrd or electrc cars, especally snce t s more resstant to heat from the nternal combuston engne durng hybrd operaton. Key words: SRM, electrc motor, electrc car 91