Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 109 Piotr Paplicki Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie MASZYNA ECPMSM - WYBRANE WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH I PRAC PROJEKTOWYCH ECPM SYNCHRONOUS MACHINE SELECTED SIMULATIONS AND DESIGNING RESULTS Streszczenie: Artykuł przedstawia model MES 3D, właściwości oraz wybrane wyniki badań symulacyjnych i prac projektowych bezszczotkowej maszyny ECPMSM z magnesami mocowanymi powierzchniowo i regulacją wzbudzenia prądem stałym. Głównym celem badań symulacyjnych była analiza wpływu rozmieszczenia magnesów w wirniku na moment elektromagnetyczny i właściwości regulacyjne projektowanej maszyny. Ponadto przedstawiono projekt i wykonanie wirnika. Abstract: The paper presents a 3D FEM model, features and selected simulations and designing results of a brushless DC field-controlled surface-mounted magnet ECPMSM machine. The main purpose of the study is to analyze the influence of the arrangement of magnets in the rotor on the electromagnetic torque and control properties of the proposed machine. Moreover, the design and construction of the rotor are described. Słowa kluczowe: maszyna elektryczna, magnes trwały, regulacja wzbudzenia, analiza polowa, optymalizacja Keywords: electrical machine, permanent magnet, magnetic field-control, finite-element analysis, optimization 1. Wstęp Współczesne napędy samochodów elektrycznych, w zasadniczej części wykorzystują maszyny indukcyjne klatkowe oraz maszyny bezszczotkowe z magnesami trwałymi (ang. PM Permanent Magnet). Ze względu na wysoką sprawność oraz stosunkowo dużą gęstość mocy maszyny z PM zagnieżdżanymi w pakiet wirnika (ang. IMP Interior Permanent Magnet) jak i magnesami mocowanymi powierzchniowo na wirniku (ang. SPM Surface Permanent Magnet) należą do grupy maszyn szczególnie rozwijanej na potrzeby przemysłu samochodowego. Jeden kierunek rozwoju związany jest z poszukiwaniem nowych, wysokoobrotowych, zwartych konstrukcji wirników IMP dla maszyn PM, które w połączeniu ze strategią sterowania prądem w osi podłużnej d, skuteczne osłabiają strumień magnetyczny maszyny. Celem tego działania jest osiągnięcie szerokiego zakresu regulacji i dużej prędkości obrotowej silnika, przy stałej mocy maszyny i ograniczonym napięciu zasilania jednostki napędowej. To gwarantuje pojazdom elektrycznym jazdę z dużą prędkością, niestety kosztem powiększonych strat mocy w torze przetwarzania i przesyłu energii elektrycznej, czyli kosztem sprawności układu napędowego. Dla maszyn z wirnikami SPM zauważalny jest trend rozwojowy w kierunku budowy zwartych pakietów stojana o stosunkowo małych wymiarach osiowych, z uzwojeniami skupionymi. Tu wiele uwagi koncentruje się wokół technologii mocowania magnesów oraz metod i sposobów ich skosowania. Działania takie mają na celu zapewnienie bezpiecznej pracy magnesów przy dużej prędkości obrotowej wirnika, dochodzącej do kilkunastu tys. obr/min, oraz akceptowalnego poziomu pulsacji momentu, wibracji i hałasu maszyny. Należy dodać, że ze względu na inną strukturę wirnika SPM, którą cechuje mała różnica indukcyjności w osiach d i poprzecznej q, zdolność do osłabiania pola prądem w osi d jest mniejsza w porównaniu do IMP. Równolegle prowadzony jest drugi obszar badań nad maszynami hybrydowymi, które łącząc darmowe pole od magnesów z polem od dodatkowych, elektrycznie sterowanych obwodów wzbudzenia umożliwiają skuteczną regulację charakterystyk maszyny [1-11]. W artykule skupiono się na przedstawieniu wybranych wyników badań symulacyjnych nietypowej maszyny z magnesami trwałymi do napędów samochodowych elektrycznych opracowanej w Katedrze Elektroenergetyki i Napędów Elektrycznych w Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie w ramach projektu badawczego NCBiR.
110 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) Rys. 1. Projekt konstrukcji mechanicznej (a) oraz fragment magnetowodu w rzucie bocznym (b) maszyny ECPMSM Na rys. 1 przedstawiono zasadnicze części konstrukcyjne opracowanej i wykonanej w późniejszym etapie pracy maszyny ECPMSM (ang. Electric Controlled Permanent Magnet Synchronous Machine). Cechą charakterystyczną tej konstrukcji jest wykonanie wirnika z masy proszkowej (Somaloy 500) w połączeniu z żywicą epoksydową, która ukształtowała, na każdej z dwóch części wirnika, po sześć biegunów żelaznych i pozostałą część jego magnetowodu. Pomiędzy biegunami żelaznymi umocowane zostały grupy magnesów płaskich typu NdFeB, które utworzyły, na jednej części wirnika, bieguny o jednej polaryzacji. Druga część wirnika posiada bieguny o przeciwnej polaryzacji w stosunku do biegunów strony pierwszej. Budowa bieguna z ośmioma magnesami, o małych wymiarach w układzie dwurzędowym, po 4 w rzędzie, wynikała głównie z dwóch powodów. Pierwszy i ważniejszy związany był z minimalizacją strat wiroprądowych w magnesach, które powodują ich nagrzewanie. Istniała uzasadniona obawa obniżenia lub utraty parametrów magnesów przy dużej prędkości obrotowej wirnika, dochodzącej w przypadku tej maszyny do 5000 obr/min. Drugi powód związany był z procesem technologicznym wykonania komponentu wirnika. Doświadczenia zdobyte w ramach wcześniejszych prac nad prototypem maszyny ECPMSM o mocy 1 KW [12,13] wskazały skuteczną, nisko kosztową i prostą, z technologicznego punktu widzenia, obróbkę mechaniczną części wirnika, gwarantującą właściwe rozmieszczenie, na obwodzie bieguna, magnesów o małych szerokościach. Z tych powodów, na etapie projektowania i symulacji założono, że konstrukcja bieguna będzie zawierała typowe, neodymowe magnesy płaskie o wymiarach 3x7x40 mm (wys. x szer. x dł.) typu N38SH o parametrach: B r =1,22 T; H cb(min.) = 911 ka/m; ρ=144 µω cm; T max =150 C. Budowa stojana maszyny łączy ze sobą dwa 80 mm pakiety blach grubości 0,5 mm o charakterystyce B=f(H) jak na rys. 2 oznaczonej przez 3GZF i maksymalnej stratności 6W/kg (przy B=1,5 T i f=50 Hz) o średnicy wewnętrznej d 1 =165 mm oraz zewnętrznej d 2 =287 mm (zgodnie z rys. 1b). Każdy pakiet zawiera 36 żłobków półzamkniętych z otwarciem 3,6 mm, w których ułożono uzwojenia w układzie 3-fazowym. Pakiety blach rozdziela dodatkowa cewka DC odpowiedzialna za regulację pola wzbudzenia maszyny prądem stałym. Stojany oraz cewkę DC wprasowano do wnętrza tulei z masy jak dla wirnika o charakterystyce B=f(H) wyznaczonej eksperymentalnie i przedstawionej na rys. 2, oznaczonej przez SMC. Końce uzwojeń fazowych i cewki DC wyprowadzono na tablicę zaciskową z możliwością dowolnego kojarzenia i łączenia uzwojeń dwóch stojanów. 2. Badania symulacyjne Rys. 2. Krzywe B=f(H) 2.1. Model Ze względu na złożoną konstrukcję, nietypowy i zmieniający się, w zależności od wartości i kierunku prądu cewki DC, rozkład pola magnetycznego oraz brak adekwatnego opisu matematycznego maszyny, do jej analizy i częściowej optymalizacji użyto metody elementów skończonych (MES). Dodatkowo, z uwagi na fakt występowania w modelu maszyny zarówno obszarów o dużej konduktywności jak i słabo przewodzących oraz liniowych i nieliniowych charakterystykach magnesowania, i wielu źródeł wzbudzenia pola, w połączeniu z wielokierunkowym przepływem strumieni magnetycznych, konieczne było wykorzystanie metody trójwymiarowej MES 3D.
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 111 Na rys. 3 przedstawiono opracowany w programie Flux3-D v.10.4.2 model polowy maszyny ECPMSM z rozkładem indukcji magnetycznej w obszarach przewodzących. W celu pełniejszego obrazowania rozkładu pola w obszarach przyszczelinowych maszyny, celowo ukryto uzwojenia fazowe oraz cewkę DC. Model maszyny został opracowany w sposób umożliwiający kształtowanie dowolnej geometrii obwodu stojana i wirnika, w szerokim zakresie, do celów projektowych i optymalizacji maszyny. Jednak, z uwagi na ograniczenia technologiczne, przyjęte założenia upraszczające oraz fakt wykorzystania w projekcie gotowych, seryjnie wytwarzanych pakietów stojana, możliwości modelu zostały wykorzystane w niewielkim zakresie. 2.2. Cel badań Jednym z etapów prac projektowych maszyny była optymalizacja konstrukcji wirnika, która pozwoli na osiągnięcie założonych wartości parametrów maszyny tj.: moment elektromagnetyczny M nie mniejszy niż 40 Nm, przy braku dowzbudzenia prądem dodatkowej cewki I DC =0A i znamionowym prądzie fazowym silnika o wartości skutecznej I Nf =30A; zmiana momentu M 3 wyznaczona jako stosunek momentu M przy prądzie cewki I DC = ±2,5A (3250 amperozwojów) i znamionowym prądzie stojana. Rys. 3. Rozkład pola w modelu maszyny ECPMSM Z uwagi na fakt, iż w proponowanej konstrukcji maszyny oś podłużna d związana z magnesami posiada inne parametry niż związana z biegunami żelaznymi, uzyskanie regulacji strumieni biegunów wirnika, gwarantujących uzyskanie M na założonym poziomie, jest zadaniem złożonym. Wymaga bowiem szerokiej analizy wpływu zmian reluktancji w obszarze przyszczelinowym maszyny na indukcyjność zarówno w osiach d jak i q. Od ich stosunku zależy również zakres i skuteczność osłabiania strumienia maszyny prądem w osi d, co może być istotne dla analizy możliwości i skuteczności działania hybrydowych systemów kontroli strumieni wzbudzenia maszyn ECPMSM. Celem badań symulacyjnych jest zatem poznanie wpływu zagłębienia magnesu w stosunku do bieguna żelaznego δ m = d bż -d m, (zgodnie z rys. 1b) na szerokość regulacji pola wzbudzenia, rozkład pola oraz moment elektromagnetyczny maszyny. Analiza wyników tych symulacji pozwoli, we właściwy sposób, określić optymalne położenie magnesów, sporządzić projekt konstrukcji i wykonać wirnik o optymalnej strukturze. Należy dodać, że ze względu na ograniczenia technologiczne, przyjęto dodatkowe założenia projektowe tj.: szerokość szczeliny powietrznej δ 1 = 1mm oraz średnica zewnętrzna bieguna żelaznego jest wartością stałą i wynosi d bż =d 1 -δ 1 =164 mm.
112 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 2.3. Wyniki badań Na rys. 4 przedstawiono wybrane charakterystyki średnich wartości momentu elektromagnetycznego M śr wytwarzanego przy prądzie znamionowym stojana, w funkcji prądu cewki DC dla trzech wybranych wartości δ m = 0,2,4 badanych w zakresie 0-5 mm z krokiem co 1 mm. Przebiegi te wskazują na silny związek szerokości szczeliny powietrznej nad magnesami na zakres regulacji strumienia maszyny. Fig. 4. Charakterystyka momentu elektromagnetycznego w funkcji prądu cewki DC dla różnych δ m Potwierdzeniem tego jest wykres funkcji względnej zmiany momentu M jako stosunek M DC=2,5 przy dowzbudzaniu maszyny prądem I DC = 2,5 A do M DC=-2,5 (odwzbudzaniu prądem I DC =- 2,5 A), w zależności od δ m. Wykresy pokazują, że wzrost wartości reluktancji w szczelinie powietrznej nad magnesami skutecznie powiększa zakres regulacji wzbudzenia, lecz także będzie powodował obniżenie gęstości mocy maszyny. Ponadto, z zależności pokazanych na rys. 4 wynika fakt występowania niesymetrii w obwodzie magnetycznym maszyny, związanej z dodatkowym układem wzbudzenia. Stan magnetyczny w stanie bezprądowym maszyny, wynika z oddziaływania magnesów na jej obwód magnetyczny. Określony kierunek i zwrot indukcji pola magnetycznego wewnątrz wału i zewnętrznych elementów stojana narzuca polaryzacja magnesów. To sprawia, że przeciwdziałanie polu od magnesów w momencie dowzbudzania maszyny prądem DC jest mniej skuteczne niż jej odwzbudzanie prądem DC o takiej samej wartości lecz przeciwnym zwrocie. Należy również podkreślić, że w procesie tym, duże znaczenie odgrywa stan nasycenia elementów czynnych maszyny który w szczególny sposób wpływa na jej pole rozproszenia, co zostało również zauważone w późniejszych badaniach eksperymentalnych. Wyniki pokazują również, że przy dowzbudzaniu prądem cewki DC powyżej wartości 5A, część obwodu magnetycznego jest w nasyceniu i regulacja wzbudzenia maszyny przestaje być skuteczna. Fig. 6. Przebiegi momentów elektromagnetycznych dla trzech prądów cewki DC Fig. 5. Charakterystyka zmian momentu w funkcji δ m Na rysunku 6 przedstawiono przebiegi momentu elektromagnetycznego dla trzech prądów cewki DC wyznaczonego dla 60 el. przy znamionowym prądzie stojana wymuszonym przebiegiem sinusoidalnym. Przebiegi te wykazują skuteczną około dwukrotną zmianę wartości średniej momentów zarówno przy dowzbudzaniu i odwzbudzaniu prądem DC równym ±5A w stosunku do stanu bezprądowego cewki DC. Niestety, przebiegi te pokazują również zmianę pulsacji momentu elektromagnetycznego, zwiększającej się proporcjonalnie do wartości prądu cewki DC, która w dużej mierze wynika
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 113 ze zmian wartości i przebiegu momentu zaczepowego. Dlatego, ważne jest, aby na etapie projektowania i optymalizacji maszyny takiego lub podobnego typu analizować i ograniczać jej moment zaczepowy, przy użyciu znanych [14] lub zaproponowanych w autorskich publikacjach [15-19] metod jego minimalizacji. Na podstawie analizy wyników badań symulacyjnych ostatecznie dokonano wyboru δ m =2 mm (co odpowiada 3 mm całkowitej szczelinie powietrznej, mierzonej w kierunku promieniowym od łuku, wyznaczonego z wierzchołków magnesów, do wewnętrznego promienia pakietów stojana), przy której zgodnie z rys. 5 spodziewana jest zmiana M na poziomie 3. Fig. 7. Widok wirnika i ułożenia jednej grupy ośmiu magnesów na biegunie 3. Podsumowanie W pracy przedstawiono wybrane wyniki prac badawczych, projektowych i konstrukcyjnych maszyny ECPMSM. Na podstawie analiz prezentowanych wyników badań symulacyjnych, których głównym celem było poszukiwanie optymalnego rozmieszczenia magnesów w wirniku dla uzyskania szerokiego zakresu regulacji pola wzbudzenia maszyny, udało się skutecznie opracować projekt konstrukcji oraz technologię wykonania wirnika. Efektem tych prac było wykonanie wirnika (rys. 7) z masy SMC uformowanej na stalowym wale, która utworzyła bieguny żelazne oraz pozostałą część magnetowodu. Na tak przygotowany wirnik zostały później naklejone i zalane żywicą epoksydową magnesy trwałe. 4. Literatura [1]. Ki-Chan K., A Novel Magnetic Flux Weakening Method of Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Vehicles, IEEE Transactions on Magn., vol. 48, no. 11, 2012, pp. 4042-4045 [2]. May H., Palka R., Paplicki P., Szkolny S., Canders W.-R., Modified concept of permanent magnet excited synchronous machines with improved highspeed features, Archives of Electrical Engineering, 4/2011, pp. 531-540 [3]. Lipo T. A., Aydin M., Field weakening of permanent magnet machines-design approaches, Proc. EPE-PEMC, Riga, Latvia, Sep. 2004 [4]. Chaithongsuk S., Nahid-Mobarakeh B., Caron J., Takorabet N., Meibody-Tabar F., Optimal Design of Permanent Magnet Motors to Improve Field-Weakening Performances in Variable Speed Drives, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 59, no. 6, June 2012, pp. 2484-2494 [5]. Paplicki P., Silniki magnetoelektryczne do hybrydowych napędów samochodowych, Electrical Review, R. 86, no. 6/2010, pp. 101-103 [6]. Nedjar B., Hlioui S., Lecrivain M., Amara Y., Vido L., Gabsi M., Study of a new hybrid excitation synchronous machine, International Conference on Electrical Machines ICEM 2012, pp. 2927-2932 [7]. Soong W.L., Han S., Jahns T.M., Design of Interior PM Machines for Field-Weakening Applications, Proc. International Conference on Electrical Machines and Systems, oct. 2007, Seoul, Korea [8]. May H., Palka R., Paplicki P., Szkolny S., Wardach M., Comparative research of different structures of a permanent-magnet excited synchronous machine for electric vehicles, Electrical Review, R. 88 NR 12a/2012, pp. 53-55 [9]. Di Barba P., Mognaschi M. E., Palka R., Paplicki P., Szkolny S., Design optimization of a permanent-magnet excited synchronous machine for electrical automobiles, International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, IOS Press, vol. 39, nr 1-4/2012, pp. 889-895 [10]. Wardach M., Paplicki P., Palka R., Cierzniewski P., Wpływ konstrukcji wirnika na parametry maszyny elektrycznej z magnesami trwałymi, Przegląd Elektrotechniczny, R. 87 nr 11/2011, str. 131-134, 2011, ISSN 0033-2097 [11]. Paplicki P., Field Controlled Axial-Flux Permanent-Magnet Machine, Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne, 100/2013, s.127-130 [12]. Pałka R., Paplicki P, Piotuch R., Wardach M., Maszyna z magnesami o regulowanym wzbudzeniu wybrane wyniki prac projektowych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, vol. 32/2012, str. 128-133 [13]. Bonisławski M., Pałka R., Paplicki P., Wardach M., Analiza pracy maszyny elektrycznej z magnesami trwałymi o regulowanym wzbudzeniu, Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne, 100/2013, s.155-160 [14]. Wardach M., Cogging torque reducing in electric machine by poling modification of magnetic circuit, Electrical Review, nr 2/2009, pp. 131-133 [15]. Putek P., Slodička M., Paplicki P., Pałka R.,
114 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) Minimization of cogging torque in permanent magnet machines using the topological gradient and adjoint sensitivity in multi-objective design, International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics Vol. 39, nr 1-4 (2012), pp. 933-940 [16]. Putek P., Paplicki P., Slodička M., Pałka R., Van Keer R., Application of topological gradient and continuum sensitivity analysis to the multiobjective design optimization of a permanentmagnet excited synchronous machine, Electrical Review, R.88, nr 7a (2012), pp. 256-260 [17]. P. Putek, P. Paplicki, R. Palka, Low cogging torque design of Permanent-Magnet machine using modified multi-level set method with total variation regularization, IEEE Trans. Magn. vol. 50, no. 2, Feb. 2014, article no. 7016204 [18]. Putek P., Paplicki P., Palka R., Topology Optimization of rotor poles in a Permanent Magnet machine using Level Set method and Continuum Design Sensitivity Analysis, The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering (COMPEL), vol. 33, no. 3, 2014 [19]. Caramia R., Piotuch R., Pałka R., Multiobjective FEM based optimization of BLDC motor using Matlab and Maxwell scripting capabilities, Archives of Electrical Eng., vol. 63(1), pp. 115-124 (2014) Autor dr inż. Piotr Paplicki, Katedra Elektroenergetyki i Napędów Elektrycznych, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, ul. Sikorskiego 37, 70-313 Szczecin, e-mail: piotr.paplicki@zut.edu.pl. Informacje dodatkowe Badania finansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBiR), projekt nr N510 508040 (2011-2013).