Tytuł projektu : Nowatorskie rozwiązanie napędu pojazdu elektrycznego z dwustrefowym silnikiem BLDC Umowa Nr NR01 0059 10 /2011 Czas realizacji : 2011-2013 Idea napędu z silnikami BLDC z przełączalną liczbą zwojów. Obecnie stosowane rozwiązania napędów samochodów elektrycznych tak w Polsce jak i na świecie bazują na koncepcji silników synchronicznych wzbudzanych magnesami trwałymi, w których praca w II zakresie regulacji jest uzyskiwana w efekcie odwzbudzania. W maszynach synchronicznych z magnesami trwałymi pole jest osłabiane przez przeciwstawne oddziaływanie stojana. Osiąga się to za pomocą ujemnego prądu, który wytwarza w kierunku osi d strumień przeciwstawiający się strumieniowi magnesów. Wraz z powiększeniem wielkości I d (składowa prądu odwzbudzająca) należy zmniejszać I q (składowa czynna generująca moment obrotowy) w celu ograniczenia wartości skutecznej prądu do wartości znamionowej. Powoduje to, że w tym zakresie regulacji nie uzyskuje się typowego dla silnika obcowzbudnego prądu stałego zakresu stałej mocy, ale (w zależności od wielkości szczeliny powietrznej) szybszy lub wolniejszy spadek mocy wraz ze wzrostem prędkości obrotowej. Ilustruje to znany z literatury przebieg mocy i momentu w funkcji prędkości. Zamiast przebiegów stałej mocy i hiperbolicznego zmniejszania się momentu, które uzyskuje się w drugim zakresie regulacji prędkości silników ze wzbudzeniem elektromagnetycznym (rys. 1a), otrzymuje się przebiegi pokazane na rys. 1b. Drugim problemem, który występuje w maszynach synchronicznych, jest konieczność stosowania dokładnego czujnika położenia wału. W tych rozwiązaniach wymagany jest czujnik położenia o wysokiej rozdzielczości, na przykład resolwer lub koder Gray a. Ze znanego kąta położenia wirnika są obliczone wartości chwilowe szerokości impulsów PWM, które powinny zagwarantować sinusoidalny kształt prądów. Czujniki położenia montowane na wale wirnika generują dodatkowe koszty związane z instalowaniem, doprowadzaniem przewodów, konserwacją, a ponadto są to urządzenia bardzo delikatne i zawodne. W zastosowaniach trakcyjnych właśnie te czujniki są głównymi przyczynami awarii.
Rys. 1. Krzywe mocy i momentu: a) w obcowzbudnym silniku prądu stałego, b) w odwzbudzanym silniku synchronicznym z magnesem trwałym W projekcie napędu elektrycznego będzie wykorzystany pomysł układu regulacyjnego prędkości obrotowej przeznaczonego dla silników bezszczotkowych z magnesami trwałymi. Schemat ideowy układu regulacyjnego opracowany przez Politechnikę Śląską został przedstawiony na rysunku 2. Bezszczotkowy silnik prądu stałego, który będzie częścią tego układu, posiada 3 pasma uzwojeń twornika, przy czym każde pasmo podzielone jest na dwie części. W każdym paśmie wyróżnić można trzy zaciski: początek pasma (na rysunku: P1, P2, P3), środek pasma (S1, S2, S3) i koniec pasma (K1, K2, K3). Początki pasm uzwojenia silnika zasilane są klasycznie z falownika (na rysunku falownik oznaczono linią przerywaną), ale dodatkowo napęd jest wyposażony w dwa układy elektronicznych kluczy sterowanych, z których jeden zwiera środki, a drugi końce pasm (cewek) twornika. W zależności od tego, który układ kluczy jest zwarty, gwiazda twornika składa się bądź z większej, bądź z mniejszej liczby zwojów. Podczas rozruchu i przy małej prędkości wirowania, na stałe zwarte są końce pasm, a rozwarte ich środki. Autorzy projektu znajdują w swoim rozwiązaniu następujące korzyści względem napędów z zastosowanymi silnikami synchronicznymi wzbudzanymi magnesami: 1) Według przedstawionej koncepcji problem zmniejszania się mocy silnika nie będzie istniał, ponieważ regulacja prędkości będzie się odbywała poprzez zmianę konfiguracji uzwojeń, a nie przez zmianę pola głównego maszyny. 2) W maszynach BLDC można wykorzystać znacznie prostsze, hallotronowe czujniki położenia wirnika, ponieważ jedyne stany które muszą być wykryte to chwile, w których prądy są przełączanie na następną fazę. Te układy są pewne, tanie i dobrze sprawdzają się w każdych warunkach.
Rys. 2. Schemat układu regulacji prędkości silnika bezszczotkowego. Założenia projektowe napędu samochodu. W ramach współpracy nad projektem rozwojowym Politechnika Śląska wraz z BOBRME Komel opracowuje układ napędowy samochodu elektrycznego napędzanego bezszczotkowym silnikiem prądu stałego BLDC pracującego w dwóch zakresach regulacji (stałego momentu i stałej mocy), spełniający następujące założenia: napęd samochodu ma się składać z falownika z wbudowanym dodatkowo zespołem kluczy elektrycznych przedstawionego w poprzednim rozdziale, z baterii zasilającej oraz z silnika BLDC z magnesami trwałymi, samochód ma osiągać prędkość ok. 40 km/godz. podczas pracy ze stałym momentem (I zakres regulacji) natomiast po przejściu do pracy w II zakresie regulacji (stałej mocy) powinien osiągać prędkość dwukrotnie większą równą ok. 80 km/godz., napęd zostanie zabudowany w samochodzie Twingo (klasa mini), silnik będzie zasilany z baterii o następujących parametrach: U nominalne = 250 V DC U minimalne = 215 V DC U maksymalne = ok. 300 V DC w projektowanym silniku założone zostało chłodzenie cieczą, dedykowana do napędu przekładnia o przełożeniu 8,75 oraz dopuszczalnej mocy ciągłej 25 kw.
Etapy projektu Prace prowadzone w projekcie zostały podzielone na następujące etapy: 1. Opracowanie modeli matematycznych silników z magnesami trwałymi oraz układów zasilania i sterowania. 2. Budowa poszczególnych elementów modelowego układu napędowego. 3. Badania laboratoryjne modeli oraz analiza wyników badań. 4. Budowa mobilnego stanowiska pomiarowego modelowego układu napędowego oraz przeprowadzenie badań eksperymantalnych. 5. Analiza wyników badań, podsumowanie oraz wnioski końcowe. Wyniki dotychczasowych prac: 1. Opracowano modele matematyczne silnika BLDC o następujących parametrach: Tab.1. Obliczone parametry silnika BLDC.. Maksymalna liczba zwojów silnika Prędkość napędu 40 km/h Moc znamionowa Pn 25 kw Napięcie znamionowe Un 250 V DC Prąd znamionowy IRMSn 160 A Moment znamionowy 71 Nm Znamionowa prędkość obrotowa nn 3320 obr./min. Sprawność 92 % Liczba zwojów zmniejszona o połowę Prędkość napędu 82 km/h Moc znamionowa Pn 25 kw Napięcie znamionowe Un 250 V DC Prąd znamionowy IRMSn 160 A Moment znamionowy 36 Nm Znamionowa prędkość obrotowa nn 6690 obr./min. Sprawność 86 %
Obliczony rozkład indukcji pola magnetycznego od wzbudzenia magnesami trwałymi. 2. Wykonano dokumentację silnika, na podstawie której został zbudowany silnika prototypowy w dwóch wersjach: a) silnik przeznaczony do badań laboratoryjnych b) silnik przeznaczony do zabudowania w napędzie samochodu Model 3D silnika PMBLDC. Kadłub składa się z płaszcza zewnętrznego (1) oraz płaszcza wewnętrznego (2), pomiędzy którymi przepływa czynnik chłodzący kadłuba podczas pracy silnika. Środek ten doprowadzony oraz odprowadzony jest przez złączki wodne (5) zamontowane na płaszczu zewnętrznym kadłuba. Silnik zaprojektowany został tak, aby po zmontowaniu go z przekładnią pojazdu zachowany był stopień ochrony silnika IP55.
3. Wykonano silniki prototypowe napędu. Wykonany silnik BLDC połączony z przekładnią mechaniczną.. 4.dokonano zamontowania głównych podzespołów napędu oraz części w samochodzie. Samochód Twingo przygotowany do elektryfikacji.
Układ napędowy samochodu - silnik Układ napędowy samochodu - przekładnia W samochodzie została zamontowana bateria litowo - jonowa o następujących parametrach: Tab.2. Szacowane parametry baterii litowo polimerowej przeznaczonej do rozpatrywanego napędu Parametry baterii litowo polimerowej Pojemność baterii 14,11 kwh 266,4 VDC Unominalne 216 VDC Uminimalne Ok. 302,4 VDC Umaksymalne Zakres temperatury pracy Od -20º do + 40 º
Zdjęcie baterii przed zamontowaniem w samochodzie. 5. Wykonano falownik przeznaczony do badań laboratoryjnych napędu Falownik zaprojektowany na Politechnice Śląskiej w wersji laboratoryjnej 6. Obecnie prowadzone są badanianapędu na stanowisku laboratoryjnym.