WPŁYW ZMIANY LICZBY BIEGUNÓW STOJANA NA WYBRANE PARAMETRY FUNKCJONALNE W BEZŻŁOBKOWYM GENERATORZE TARCZOWYM

Podobne dokumenty
ANALIZA BEZŻŁOBKOWEGO 3-FAZOWEGO GENERATORA TARCZOWEGO DLA MAŁEJ PRZYDOMOWEJ ELEKTROWNI WIATROWEJ

ANALIZA WYBRANYCH PARAMETRÓW CAŁKOWYCH BEZŻŁOBKOWEGO 3-FAZOWEGO GENERATORA TARCZOWEGO Z PODWÓJNYM WIRNIKIEM

BEZŻŁOBKOWY 1-FAZOWY GENERATOR MAŁEJ MOCY O STRUMIENIU OSIOWYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

ANALIZA PARAMETRÓW FUNKCJONALNYCH W JEDNOFAZOWYM BEZŻŁOBKOWYM GENERATORZE WIATROWYM O STRUMIENIU OSIOWYM

POLOWO - OBWODOWY MODEL BEZSZCZOTKOWEJ WZBUDNICY GENERATORA SYNCHRONICZNEGO

Bezrdzeniowy silnik tarczowy wzbudzany magnesami trwałymi w układzie Halbacha

ANALIZA PORÓWNAWCZA WYBRANYCH MODELI SILNIKÓW TARCZOWYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Ćwiczenie: "Silnik indukcyjny"

WERYFIKACJA METOD OBLICZENIOWYCH SILNIKÓW TARCZOWYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

NOWA SERIA WYSOKOSPRAWNYCH DWUBIEGUNOWYCH GENERATORÓW SYNCHRONICZNYCH WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

PL B1. INSTYTUT NAPĘDÓW I MASZYN ELEKTRYCZNYCH KOMEL, Katowice, PL BUP 17/18

WYKORZYSTANIE OPROGRAMOWANIA MAXWELL DO OPTYMALIZACJI KONSTRUKCJI OBWODU ELEKTROMAGNETYCZNEGO SILNIKÓW TARCZOWYCH

PRĄDNICA TARCZOWA Z POPRZECZNYM STRUMIENIEM

SILNIK ELEKTRYCZNY O WZBUDZENIU HYBRYDOWYM

WPŁYW EKSCENTRYCZNOŚCI STATYCZNEJ WIRNIKA I NIEJEDNAKOWEGO NAMAGNESOWANIA MAGNESÓW NA POSTAĆ DEFORMACJI STOJANA W SILNIKU BLDC

Silnik tarczowy z wirnikiem wewnętrznym

Z powyższej zależności wynikają prędkości synchroniczne n 0 podane niżej dla kilku wybranych wartości liczby par biegunów:

WPŁYW SKOSU STOJANA NA REDUKCJĘ PULSACJI MOMENTU ELEKTROMAGNETYCZNEGO W BEZSZCZOTKOWYM SILNIKU PRĄDU STAŁEGO

METODY OGRANICZANIA PULSACJI MOMENTU ELEKTROMAGNETYCZNEGO PRĄDNICY TARCZOWEJ WZBUDZANEJ MAGNESAMI TRWAŁYMI

ZASTOSOWANIE SKOSU STOJANA W JEDNOFAZOWYM SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

APLIKACJA NAPISANA W ŚRODOWISKU LABVIEW SŁUŻĄCA DO WYZNACZANIA WSPÓŁCZYNNIKA UZWOJENIA MASZYNY INDUKCYJNEJ

SILNIK SYNCHRONICZNY ŚREDNIEJ MOCY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ZASILANY Z FALOWNIKA

PRZEGLĄD KONSTRUKCJI JEDNOFAZOWYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

SILNIK TARCZOWY Z WIRNIKIEM WEWNĘTRZNYM - OBLICZENIA OBWODU ELEKTROMAGNETYCZNEGO

Oddziaływanie wirnika

Silniki prądu stałego z komutacją bezstykową (elektroniczną)

Mikrosilniki prądu stałego cz. 1

SILNIK TARCZOWY TYPU TORUS S-NS - OBLICZENIA OBWODU ELEKTROMAGNETYCZNEGO

SILNIK BEZSZCZOTKOWY O WIRNIKU KUBKOWYM

PL B1. INSTYTUT NAPĘDÓW I MASZYN ELEKTRYCZNYCH KOMEL, Katowice, PL BUP 15/16

PROJEKT SILNIKA TARCZOWEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

SILNIKI TARCZOWE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI JAKO NAPĘD POJAZDÓW WOLNOBIEŻNYCH - PRZEGLĄD ROZWIĄZAŃ KONSTRUKCYJNYCH

Maszyny elektryczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

LABORATORIUM PRZETWORNIKÓW ELEKTROMECHANICZNYCH

Maszyny elektryczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.

PRĄDNICE SYNCHRONICZNE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O MAŁEJ ZMIENNOŚCI NAPIĘCIA WYJŚCIOWEGO

Generator z Magnesami trwałymi niesymetryczny reżim pracy jako źródło drgań w maszynie

Wykład 2 Silniki indukcyjne asynchroniczne

Silnik indukcyjny - historia

ZASTOSOWANIE MONOLITYCZNYCH NADPRZEWODNIKÓW WYSOKOTEMPERATUROWYCH W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH

SILNIK MAGNETOELEKTRYCZNY TARCZOWY Z TWORNIKIEM BEZ RDZENIA FERROMAGNETYCZNEGO

Temat: ŹRÓDŁA ENERGII ELEKTRYCZNEJ PRĄDU PRZEMIENNEGO

Obliczenia polowe silnika przełączalnego reluktancyjnego (SRM) w celu jego optymalizacji

PRĄDNICE I SILNIKI. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

ZJAWISKA W OBWODACH TŁUMIĄCYCH PODCZAS ZAKŁÓCEŃ PRACY TURBOGENERATORA

BUDOWA MODELU PRĄDNICY TARCZOWEJ

ZASTOSOWANIE MAGNESÓW TRWAŁYCH W SILNIKU RELUKTANCYJNYM ZE STRUMIENIEM POPRZECZNYM

Alternator. Elektrotechnika w środkach transportu 125

Projekt silnika bezszczotkowego z magnesami trwałymi

POLOWO OBWODOWY MODEL DWUBIEGOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO WERYFIKACJA POMIAROWA

ANALIZA PRACY PRZEKŁADNI MAGNETYCZNEJ

TRÓJFAZOWY GENERATOR SYNCHRONICZNY WZBUDZANY MAGNESAMI TRWAŁYMI, JAKO ŹRÓDŁO ENERGII ELEKTRYCZNEJ W AGREGACIE PRĄDOTWÓRCZYM

Projekt silnika bezszczotkowego prądu przemiennego. 1. Wstęp. 1.1 Dane wejściowe. 1.2 Obliczenia pomocnicze

Katedra Elektroniki ZSTi. Lekcja 12. Rodzaje mierników elektrycznych. Pomiary napięći prądów

WYSOKOSPRAWNY JEDNOFAZOWY SILNIK LSPMSM O LICZBIE BIEGUNÓW 2p = 4 BADANIA EKSPERYMENTALNE

WPŁYW OSADZENIA MAGNESU NA PARAMETRY SILNIKA MAGNETOELEKTRYCZNEGO O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

MOMENT I SIŁA ELEKTROMOTORYCZNA W NOWYM SYNCHRONICZNYM SILNIKU TARCZOWYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O WYDATNYCH BIEGUNACH STOJANA

ANALIZA DYNAMICZNYCH I STACJONARNYCH STANÓW PRACY ROZRUSZNIKA SAMOCHODOWEGO WZBUDZANEGO MAGNESAMI TRWAŁYMI

Jeżeli zwój znajdujący się w polu magnetycznym o indukcji B obracamy z prędkością v, to w jego bokach o długości l indukuje się sem o wartości:

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 77/

Silniki indukcyjne. Ze względu na budowę wirnika maszyny indukcyjne dzieli się na: -Maszyny indukcyjne pierścieniowe. -Maszyny indukcyjne klatkowe.

bieguny główne z uzwojeniem wzbudzającym (3), bieguny pomocnicze (komutacyjne) (5), tarcze łożyskowe, trzymadła szczotkowe.

Detekcja asymetrii szczeliny powietrznej w generatorze ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, bazująca na analizie częstotliwościowej prądu

ANALIZA BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA PRĄDU STAŁEGO Z MAGNESAMI NdFeB

MASZYNY INDUKCYJNE SPECJALNE

ZWARTE PRĘTY ROZRUCHOWE W SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

SPOSÓB MINIMALIZACJI MOMENTU ZACZEPOWEGO W WIELOBIEGUNOWEJ MASZYNIE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

ANALIZA WPŁYWU SPOSOBU NAMAGNESOWANIA MAGNESÓW NA PARAMETRY SILNIKA KOMUTATOROWEGO O MAGNESACH TRWAŁYCH

Charakterystyka rozruchowa silnika repulsyjnego

OPTYMALIZACJA MASZYNY TARCZOWEJ Z MAGNESAMI TRWAŁYMI Z WYKORZYSTANIEM METOD POLOWYCH

BADANIE SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO (SRM) CZĘŚĆ 1 POMIARY MOMENTU STATYCZNEGO

BADANIA SYMULACYJNE SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH PRZEŁĄCZALNYCH PRZEZNACZONYCH DO NAPĘDU WYSOKOOBROTOWEGO

ANALIZA CHARAKTERYSTYK TARCZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO WYKORZYSTUJĄCEGO RÓŻNE MATERIAŁY MAGNETYCZNE RDZENI STOJANA I WIRNIKA

Studia i Materiały Nr WSTĘP

Mikrosilniki prądu stałego cz. 1

Przegląd koncepcji maszyn wzbudzanych hybrydowo do zastosowania w napędzie samochodów

UZWOJENIE SYNCHRONICZNEGO SILNIKA LINIOWEGO

BADANIE JEDNOFAZOWEGO SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO Strona 1/5

PRACA RÓWNOLEGŁA PRĄDNIC SYNCHRONICZNYCH WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

ROZRUCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Rdzeń stojana umieszcza się w kadłubie maszyny, natomiast rdzeń wirnika w maszynach małej mocy bezpośrednio na wale, a w dużych na piaście.

PORÓWNANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO ORAZ SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM - BADANIA EKSPERYMENTALNE

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

WOLNOOBROTOWY, BEZRDZENIOWY GENERATOR TARCZOWY O MOCY 2 kw

SILNIK RELUKTANCYJNY PRZEŁĄCZALNY PRZEZNACZONY DO NAPĘDU MAŁEGO MOBILNEGO POJAZDU ELEKTRYCZNEGO

OBLICZENIA POLOWE SILNIKA PRZEŁĄCZALNEGO RELUKTANCYJNEGO (SRM) W CELU JEGO OPTYMALIZACJI

Silnik tarczowy do zabudowy w kole pojazdu z twornikiem z biegunami wydatnymi

CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

KSZTAŁTOWANIE POLA MAGNETYCZNEGO W DWUBIEGOWYCH SILNIKACH SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Wykład 4. Strumień magnetyczny w maszynie synchroniczne magnes trwały, elektromagnes. Magneśnica wirnik z biegunami magnetycznymi. pn 60.

WPŁYW ROZMIESZCZENIA MAGNESÓW NA WŁAŚCIWOŚCI EKSPOATACYJNE SILNIKA TYPU LSPMSM

Badanie transformatora

ANALIZA PARAMETRÓW SILNIKA Z MAGNESAMI UMIESZCZONYMI W RDZENIU WIRNIKA I Z UZWOJENIEM SKUPIONYM DO NAPĘDU POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH

Porównanie współczynnika gęstości momentu silnika tarczowego oraz silnika cylindrycznego z magnesami trwałymi

PL B1. Turbogenerator tarczowy z elementami magnetycznymi w wirniku, zwłaszcza do elektrowni małej mocy, w tym wodnych i wiatrowych

BADANIE SILNIKA WYKONAWCZEGO PRĄDU STAŁEGO

Maszyny synchroniczne - budowa

SPOSOBY OGRANICZANIA PULSACJI MOMENTU ELEKTROMAGNETYCZNEGO W SILNIKACH PRĄDU STAŁEGO WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

Maszyny elektryczne Electrical machines. Energetyka I stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólnoakademicki / praktyczny)

WPŁYW KLINÓW MAGNETYCZNYCH NA PARAMETRY MASZYNY ELEKTRYCZNEJ Z MAGNESAMI I REGULACJĄ STRUMIENIA

Transkrypt:

Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne r 1/213 cz. I 169 Adrian Młot Marian Łukaniszyn Politechnika Opolska WPŁYW ZMIAY LICZBY BIEGUÓW TOJAA A WYBRAE PARAMETRY FUKCJOALE W BEZŻŁOBKOWYM GEERATORZE TARCZOWYM IFLUECE OF CHAGIG A UMBER OF TATOR POLE O THE ITEGRAL PARAMETER I THE LOTLE AXIAL FLUX GEERATOR Abstract: Design of axial-flux generators with magnets is a part of an on-going energy storage research project for wind energy applications. In this paper axial flux one-phase small power prototype of a generator with magnets is analysed. The prototype is modified to three-phase models and the number of stator poles are changed as well. The presented machines consist of slotless stator cores which are made of lamination. Electromagnetic requirements for axial-flux electric machines are achieved by doing three-dimensional finite element analyses. A three-dimensional analysis is necessary due to the nature of arrangement coils such as endwinding effect. The main goal of the electromagnetic field investigation is the achieved high induced rectifier DC voltage from the three phase winding and high efficiency. treszczenie: W artykule przedstawiono analizę wybranych parametrów funkcjonalnych prototypu jednofazowego generatora o strumieniu osiowym, przeznaczonego do zastosowania w bardzo małej elektrowni wiatrowej. W generatorze zastosowano stosunek liczby biegunów stojana do wirnika równy 8/8. Celem pracy było sprawdzenie parametrów elektromechanicznych generatora i wygenerowanie wystarczającej wartości napięcia w uzwojeniu stojana, zdolnej do naładowania baterii połączonych szeregowo akumulatorów. W tym celu opracowano trójwymiarowy model obliczeniowy oparty na metodzie elementów skończonych (ME) a następnie zweryfikowano pomiarowo wyniki obliczeń. Model obliczeniowy posłużył do wykonania modyfikacji generatora, która polegała na zwiększeniu stosunku liczby biegunów stojana do liczby biegunów wirnika do 9/8, 12/8 i 24/8. We wszystkich zmodyfikowanych wersjach generatora zwiększono liczbę faz do trzech. Dla każdej opracowanej wersji generatora wykonano analizę mocy, sprawności oraz momentu elektromagnetycznego. łowa kluczowe: generator turbiny wiatrowej, generator tarczowy, stojan bezżłobkowy Keywords: wind power generator, axial flux generator, slotless stator 1. Wstęp W trakcie projektowania maszyn elektrycznych ważne jest poprawne zbudowanie obwodu magnetycznego oraz określenie rozmiarów poszczególnych elementów w zależności od pożądanej wartości momentu i mocy maszyny elektrycznej [1-9]. Właściwe rozmieszczenie uzwojeń oraz wybór odpowiedniego rodzaju obwodu magnetycznego maszyny elektrycznej ze strumieniem osiowym i magnesami trwałymi pozwala na uzyskanie lepszych własności eksploatacyjnych, tj. wyższego stosunku momentu do objętości. W artykule przedstawiono prototyp jednofazowego generatora małej mocy o stosunku liczby biegunów stojana do wirnika równym 8/8. W prototypie tym zastosowano trapezoidalny kształt cewek i magnesów. Wykonano pomiary momentu elektromagnetycznego, napięcia indukowanego w uzwojeniu (napięcie rotacji) oraz mocy wyjściowej generatora. Pomiary porównano z obliczeniami wykonanymi przy wykorzystaniu modelu trójwymiarowego bazującego na metodzie elementów skończonych [11]. Uzyskana zgodność wyników pomiarów z obliczeniami pozwoliła na przeprowadzenie dalszych badań, tzn. wykonanie modyfikacji prototypu celem uzyskania wyższego napięcia rotacji oraz zwiększenia sprawności. Głównym założeniem przeprowadzonych badań było sprawdzenie, jaki wpływ na parametry funkcjonalne ma zmiana uzwojenia 1-fazowego na trójfazowe o różnej liczbie biegunów, a także, czy uzwojenia fazowe będą generować odpowiednio duże napięcie rotacji, wystarczające do ładowania baterii złożonej z kilku połączonych szeregowo akumulatorów (każdy akumulator o napięciu ładowania 14V). Założono, że akumulatory ładowane będą bezpośrednio

17 Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne r 1/213 cz. I z mostka prostowniczego. Ponadto założono, że napięcie indukowane w uzwojeniu stojana powinno zawierać się w przedziale 7V 84V. Przedstawiony prototyp generatora może być zastosowany do zasilania systemu elektrycznego o niewielkiej mocy, np. oświetlenia [1]. 2. Konstrukcje generatorów tarczowych 2.1. Prototyp 1-fazowego generatora Prezentowany generator tarczowy nie wymaga zaawansowanej technologii i może być zbudowany w warsztacie elektrycznym. Brak przekładni sprawia, że koszty budowy generatora tarczowego są znacznie mniejsze, niż generatorów innych typów. a rys. 1 pokazano stanowisko pomiarowe i prototyp generatora. Generator został połączony mechanicznie z maszyną prądu stałego. Pomiędzy maszynami umieszczono momentomierz tensometryczny o zakresie pomiarowym m. Tarcza wirnika wykonana została z litej stali, a na jej wewnętrznej powierzchni zamocowane zostały magnesy ferrytowe w kształcie trapezoidalnym, wytwarzające strumień magnetyczny w kierunku osiowym. Z uwagi na użycie magnesów ferrytowych o niewielkiej wartości indukcji magnetycznej ograniczony został efekt nadmiernego nasycania się rdzenia stojana i wirnika. Generator mm 1mm Momentomierz ilnik pradu stalego Rys.1. Prototyp 1-fazowego generatora o strumieniu osiowym oraz stanowisko pomiarowe W celu ograniczenia prądów wirowych, stojan generatora wykonano ze stali krzemowej (ang. silicon-iron steel) w postaci zwiniętego z taśmy dysku. a obwodzie stojana umieszczone zostało uzwojenie jednofazowe z cewkami połączonymi szeregowo. Zastosowane uzwojenia skupione zapewniają krótkie połączenia czołowe w kierunku promieniowym a tym samym zmniejszone zostały straty w miedzi, zwiększając w ten sposób sprawność generatora. W aplikacjach generatorów wiatrowych z pośredniczącym obwodem napięcia stałego ważne jest, aby przebieg momentu elektromagnetycznego charakteryzował się jak najmniejszymi pulsacjami. Mały poziom pulsacji momentu zapewnia lepsze właściwości generatora przy małych prędkościach wiatru, a także redukuje szkodliwe wibracje. Zastosowanie struktury bezżłobkowej rdzenia generatora pozwoliło ograniczyć pulsacje w rozkładzie przestrzennym indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej. Przekrój osiowy modelu generatora pokazano na rysunku 2. Całkowita szczelina powietrzna pomiędzy rdzeniem stojana a wirnikiem, tj. do powierzchni magnesu wynosi,mm ( +d c ). zczelina ta zapewnia przestrzeń do ulokowania uzwojeń stojana, których wielkość i liczba zwojów zależą od żądanej wartości napięcia indukowanego w uzwojeniu. Rdzen a w m R Rout d r R Rin d m Magnes d c d s Rdzen stojana R in R out os generatora Rys.2. Przekrój osiowy badanego modelu generatora Przy projektowaniu maszyny elektrycznej z magnesami trwałymi należy dokładnie przeanalizować rozkład i wielkość strat, ze względu na fakt, że mogą one znacząco obniżyć sprawność generatora, a w skrajnych przypadkach rozmagnesować magnesy w wyniku niekontrolowanego wzrostu temperatury wewnątrz generatora. Ze względu na brak użłobkowanego rdzenia stojana i wystarczająco duży dystans pomiędzy rdzeniem wirnika i stojana w prezentowanych obliczeniach polowych nie uwzględniono strat w magnesach oraz w żelazie. Ponadto, z uwagi na niskie częstotliwości pracy generatora, a także zastosowanie magnesów ferrytowych (nisko-energetycznych), prądy wirowe indukowane w jednorodnym dysku wirnika oraz prądy wirowe generowane w magnesach trwałych, będące wynikiem zawartości wyższych harmonicznych w napięciu indukowanym w uzwojeniach stojana, nie są znaczące. W tabeli 1 zestawiono ważniejsze parametry prototypu generatora tarczowego. d c

Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne r 1/213 cz. I 171 Tabela 1. Parametry prototypu generatora Rodzaj magnesu ferryt Grubość magnesu (d m) mm Wysokość magnesu (w m) 29,mm Rozpiętość kątowa magnesu ( ) 3 Indukcja remanentu magnesu (B r),66t Promień zewnętrzny wirnika (R Rout) 69,2mm Promień wewnętrzny wirnika (R Rin) 17,2mm Grubość tarczy wirnika (d r) 3mm Promień zewnętrzny stojana (R out) 8mm Promień wewnętrzny stojana (R in) 34mm Grubość tarczy stojana (d s) 7mm Liczba zwojów w jednej cewce ( t) 124 Liczba biegunów wirnika i stojana 8/8 Grubość cewki (d c ) 4mm Grubość szczeliny powietrznej ( ) 1,mm Rezystancja fazy (połączenie szeregowe) 26,9Ω 2.2. Modele obliczeniowe generatorów Przeprowadzenie dokładnych obliczeń numerycznych z zastosowaniem modeli generatorów ze strumieniem osiowym wymaga stosowania programu do obliczeń metodą elementów skończonych 3D [11]. a rysunku 3 pokazano trójwymiarowy model generatora z zaznaczonymi cewkami, magnesem, wirnikiem i stojanem. Zasadniczą wadą konstrukcji generatora z rysunku 3 jest zbyt duża cewka w stosunku do długości pierścienia rdzenia stojana (R out R in ) oraz umiejscowienie znacznej części magnesu ponad rdzeniem stojana. Te wady konstrukcyjne mogą być przyczyną znacznego rozproszenia strumienia, a tym samym obniżenia sprawności generatora. Rys.3. Model przestrzenny 1-fazowego prototypu generatora przed modyfikacją. Przestrzeń obliczeniowa ograniczona została do jednego bieguna wirnika a rysunku 4 przedstawiono zmodyfikowane wersje konstrukcji generatora 1-fazowego z rysunku 3. Zmiana liczby biegunów stojana oraz zastąpienie uzwojenia 1-fazowego uzwojeniem trójfazowym ma istotny wpływ m.in. na wartość pulsacji pola magnetycznego w szczelinie powietrznej, napięcia rotacji oraz sprawność generatora. Ponadto, aby zapewnić lepszy przepływ strumienia magnetycznego przez rdzeń stojana i wirnika, we wszystkich modyfikacjach prototypu, obniżono magnesy do rdzenia stojana. astępnie zmniejszono promień zewnętrzny wirnika tak, aby był równy promieniowi zewnętrznemu magnesu oraz przesunięto cewki w kierunku osi badanego generatora tak, aby były usytuowane centralnie na powierzchni rdzenia stojana. Efektem modyfikacji było usytuowanie połączeń czołowych cewek poza zewnętrznym promieniem stojana. Wymiar rdzenia stojana oraz jego grubość (7mm - wymiar wzdłuż osi generator są identyczne we wszystkich badanych modelach obliczeniowych generatora. C+ C- A+ Magnes A+ C+ C+ A- Magnes A+ C+ A+ C+ A+ B- Tarcze wirnika Magnes Cewka A- C- Magnes A+ B- C+ A- C- Kontur magnesu Rys.4. Przestrzenne modele 3-fazowego generatora tarczowego o 9 biegunach stojana (, o 12 biegunach stojana ( oraz o 24 biegunach stojana z podwójnym wirnikiem ( Wersja pierwsza wykonanej modyfikacji to generator o dziewięciu biegunach stojana i ośmiu biegunach wirnika - generator 9/8 ( t =124). Druga wersja generatora posiada zwiększoną liczbę biegunów stojana do dwunastu generator 12/8 ( t =124). W trzecim modelu generatora uwzględniono dodatkowy wirnik złożony z dwóch stalowych tarcz, do których przymocowane zostały magnesy w taki sposób, aby pokrywały całą podziałkę biegunową (osiem magnesów na każdą z tarcz wirnik. Liczbę biegunów stojana zwiększono do 24, nawijając cewki na tarczy stojana. Ze względu na zasto-

172 Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne r 1/213 cz. I sowany rodzaj uzwojenia oraz dwie tarcze wirnika, magnesy umieszczono w ten sposób, aby wektory magnetyzacji magnesów leżących naprzeciw siebie były skierowane osiowo w tym samym kierunku. trumień magnetyczny wytworzony przez magnes o polaryzacji z jednej tarczy wirnika wpływa do rdzenia stojana, a następnie do drugiej tarczy wirnika (rys.). Rdzen stojana Przestrzen powietrzna ulokowania cewek Rys.. Rozpływ strumienia magnetycznego w generatorze z podwójnym wirnikiem Model generatora z podwójnym wirnikiem w dalszej części oznaczono jako generator 24/8 ( t =62). Ze względu na brak sumowania się strumieni w rdzeniu, nie jest wymagana zmiana grubości tarczy rdzenia stojana. awet w przypadku zmiany polaryzacji magnesów w taki sposób, że strumienie w rdzeniu stojana sumują się, ze względu na zastosowanie magnesów o małej indukcji remanentu (magnesy niskoenergetyczne) grubość tarczy rdzenia stojana nie wymaga zwiększenia. W przypadku zastosowania magnesów wysoko-energetycznych (dfeb) należałoby użyć tarcz stojana o około dwa razy większej grubości w celu zmniejszenia ryzyka nasycania się rdzenia. Ze względu na symetrię pola magnetycznego, przestrzeń obliczeniową dla prototypu z rysunku 3 i dla generatora z podwójnym wirnikiem (rys. 4 ograniczono do jednej podziałki biegunowej. W przypadku generatora o 12 biegunach stojana (rys. 4 przestrzeń tą ograniczono do jednej pary biegunów wirnika, natomiast dla generatora o 9 biegunach stojana zbudowano pełny model obliczeniowy generatora (rys. 4. W celu wyprostowania napięcia indukowanego w uzwojeniach, w badanych generatorach zastosowano mostek diodowy obciążony rezystancyjnie. Wyprowadzenia cewek zostały połączone szeregowo tworząc jedną fazę, lub trzy fazy uzwojenia połączone w gwiazdę. Jako prostownik zastosowano mostek typu GBPC14 822C. Podstawowe parametry geometryczne prototypu generatora i jego zmodyfikowanych wersji zestawiono w tabeli 2. W prezentowanych modelach polowoobwodowych uwzględniono rezystancję wszystkich uzwojeń fazowych stojana. Przy zwiększeniu liczby biegunów stojana zmianie ulegają rozmiary cewek, a tym samym ich rezystancja. Oszacowane wartości rezystancji dla każdej z faz wyniosły odpowiednio: 9, Ω dla generatora 9/8; 11,37 Ω dla generatora 12/8 oraz 2,96 Ω dla generatora 24/8 z dwoma wirnikami. Tabela 2. Parametry badanych generatorów Badany generator Prototyp 8/8 Wersja 9/8 Wersja 12/8 Wersja 24/8 Parametr [mm] R in R out R R in R R out R M in R M 34 8 17,2 69,2 3,8 6,2 34 8 17,2 6,7 31,3 6,7 3. Wybrane wyniki badań a rysunkach 6-8 przedstawiono charakterystyki elektromechaniczne prototypu generatora i modeli obliczeniowych po zmianie liczby par biegunów na 9/8 ( t =124), 12/8 ( t =124) oraz 24/8 ( t =62) z podwójnym wirnikiem. W przypadku generatora z podwójnym wirnikiem (24/8) o liczbie zwojów t =124 w stanie jałowym dla prędkości 1 obr/min, w uzwojeniach generuje się średnie napięcie równe 162V. W celu ograniczenia napięcia do pożądanej wartości, nieprzekraczającej 84V, oszacowano liczbę zwojów zmniejszając ją do t =62. Badane maszyny elektryczne mogą pracować nie tylko przy zmiennych prędkościach, ale również przy zmiennych obciążeniach, zależnie od potrzeb potencjalnych klientów. W związku z tym zbadano wpływ zmiany prędkości obrotowej oraz obciążenia na wybrane parametry funkcjonalne generatora. Pomiary i obliczenia wykonano dla różnych prędkości obrotowych i wartości obciążenia. Średni moment elektromagnetyczny w funkcji prądu obciążenia (od stanu jałowego do stanu zwarci pokazano na rysunku 6. Moc wyjściową generatora P out = U DC na obciążeniu rezystancyjnym, w funkcji prądu obciążenia dla różnych prędkości obrotowych przedstawiono na rysunku 7. Rysunek 8 ilustruje zmienność amplitudy napięcia U DC w funkcji prądu w obciążeniu rezystancyjnym. out

Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne r 1/213 cz. I 173 1.9 Obliczenia Pomiary 2 Obliczenia Pomiary.8 2.7 1 [obr/min] T av [m].6..4 P out [W] 1 1 7 [obr/min].3.2 [obr/min].1.2.4.6.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 1 2 [obr/min].2.4.6.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2.9 1 obr/min.8 2.7 T av [m].6..4 P out [W] 1 1 7 obr/min.3.2 obr/min.1. 1 1. 2 2. 1. 1 1. 2 2. 2 2 obr/min.9.8 2 1[obr/min].7 T av [m].6..4 P out [W] 1 1 7[obr/min].3.2 [obr/min] d).1. 1 1. 2 2. 1 d) 2[obr/min]. 1 1. 2 2. 3 9 8 2 1[obr/min] T av [m] 7 6 4 3 2 1 2 4 6 8 1 12 14 P out [W] 2 1 7[obr/min] 1 [obr/min] 2[obr/min] 2 4 6 8 1 12 14 Rys.6. Charakterystyki średniej wartości momentu elektromagnetycznego w funkcji prądu na obciążeniu dla 1obr/min. Prototyp generatora 8/8 (, generator 9/8 (, generator 12/8 ( oraz generator 24/8 (d) Kolejny rysunek 9 przedstawia wyznaczoną sprawność generatora (z uwzględnieniem mostka prostowniczego) w funkcji prądu obciążenia, dla kilku prędkości obrotowych. Rys.7. Charakterystyki mocy wyjściowej generatora w funkcji prądu na obciążeniu rezystancyjnym, dla różnych prędkości obrotowych. Prototyp generatora 8/8 ( generator 9/8 (, generator 12/8 ( oraz generator z podwójnym wirnikiem 24/8 (d) Z pośród omawianych konstrukcji generator z podwójnym wirnikiem jako jedyny wytwarza napięcie rotacji (8V) zdolne do ładowania

174 Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne r 1/213 cz. I baterii złożonej z założonej liczby akumulatorów. 4 4 Obliczenia Pomiary Rys.8. Charakterystyki napięcia w funkcji prądu na obciążeniu rezystancyjnym, dla różnych prędkości obrotowych. Prototyp generatora 8/8 (, generator 9/8 (, generator 12/8 ( oraz generator 24/8 z podwójnym wirnikiem (d) Dla generatorów z pojedynczymi wirnikami mimo zwiększenia liczby biegunów i połączenia cewek w układ 3-fazowy, napięcie rotacji utrzymuje się na poziomie około 4V zbliżonym do prototypu generatora 7 6 [V] 3 3 2 U D C 2 1 [obr/min] [%] 4 3 1 [obr/min] 1 7 [obr/min] 2 7 [obr/min] 1 4 [obr/min] 2 [obr/min].2.4.6.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 I D C 1 [obr/min] 2 [obr/min].2.4.6.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 9 4 8 3 7 1 obr/min 3 1 [obr/min] 6 U DC [V] 2 2 7 [obr/min] [%] 4 7 obr/min 1 1 [obr/min] 3 2 obr/min 2 [obr/min] 1 2obr/min. 1 1. 2 2.. 1 1. 2 2. 8 4 7 U DC [V] 4 3 3 2 2 1[obr/min] [%] 6 4 3 1 7[obr/min] 2 1 [obr/min] d) 1 2[obr/min] [obr/min]. 1 1. 2 2. 9 d) 1 7 [obr/min] [obr/min] 2 [obr/min]. 1 1. 2 2. 9 8 8 7 7 U DC [V] 6 4 3 1[obr/min] 7[obr/min] [%] 6 4 2 1 [obr/min] 2[obr/min] 3 2 1 [obr/min] 2 4 6 8 1 12 14 1 2 [obr/min] [obr/min] 7 [obr/min] 2 4 6 8 1 12 14 Rys.9. prawność generatora tarczowego z uwzględnieniem strat na mostku prostowniczym w funkcji prądu obciążenia rezystancyjnego dla różnych prędkości wirnika. Prototyp generatora 8/8 (, generator 9/8 (, generator 12/8 ( oraz generator 24/8 z podwójnym wirnikiem (d)

Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne r 1/213 cz. I 17 prawność generatora zależy głównie od wielkości strat w uzwojeniu stojana, w mniejszym stopniu od strat w rdzeniu stojana i wirnika oraz od strat mechanicznych. prawność generatora wyznaczono jako stosunek mocy wyjściowej generatora w obciążeniu P out do mocy wejściowej P in na wale. Moc wejściową P in obliczono jako sumę mocy mechanicznej (wyrażoną jako iloczyn momentu elektromagnetycznego i prędkości kątowej) oraz mocy strat mechanicznych, zależnych od prędkości obrotowej. W obliczeniach sprawności generatora uwzględniono straty w miedzi oraz w mostku prostowniczym, natomiast pominięto straty w żelazie. Uzyskane sprawności generatorów nie są duże ze względu na niewielką moc maszyn. Maksymalna sprawność badanych generatorów wynosi odpowiednio: η=61% dla generatora prototypowego 8/8, η=71% dla generatora 9/8, η=7,1% dla generatora 12/8 i η=88,4% dla generatora 24/8. prawności te obliczono dla prędkości 1 obr/min, przy założeniu temperatury pracy 2 C. Obniżając prędkość obrotową wirnika w generatorach 3-fazowych w zakresie poniżej obr/min sprawność maksymalna generatorów zmniejsza się poniżej η=6% (rys. 9b-d). 4. Wnioski W artykule przedstawiono wyniki badań prototypu jednofazowego generatora tarczowego z magnesami ferrytowymi w zastosowaniu do elektrowni wiatrowej małej mocy. Wykonano obliczenia numeryczne głównych parametrów funkcjonalnych, które porównano z wynikami pomiarów uzyskując zadawalającą zbieżność. Prototyp generatora został zmodyfikowany w celu wyindukowania odpowiednio wysokiej wartości napięcia rotacji, wystarczającej do naładowania baterii złożonej z kilku połączonych szeregowo akumulatorów oraz uzyskania wyższej mocy wyjściowej i sprawności. Modyfikacja dotyczyła zmiany uzwojenia jednofazowego na trójfazowe ze zwiększoną liczbą biegunów stojana z 8 do 9, 12 i 24. Wykonane obliczenia wykazały, że sprawność generatora 3-fazowego o jednej tarczy wirnika w zakresie prędkości 7 obr/min 1 obr/min wzrosła o 16% w porównaniu z generatorem jednofazowym. W przypadku generatora 24/8 o dwóch wirnikach sprawność wzrosła o 44% w porównaniu z generatorem jednofazowym. Wartość napięcia rotacji we wszystkich badanych generatorach z pojedynczym wirnikiem była zbliżona do uzyskiwanej w generatorze prototypowym, natomiast dla generatora 24/8 z podwójnym wirnikiem uzyskano wartość około dwa razy wyższą.. Literatura [1] Gerlando A., Foglia G., Iacchetti M., Perini R.: Axial flux PM machines with concentrated armature windings: Design analysis and test validation of wind energy generators. IEEE Tran. on Ind. Electr., Vol. 8, o. 9, eptember 211, pp. 379-38. [2] Andriollo M., Bertoli M., Martinelli G., Morini A., Torella A.: Permanent magnet axial flux disc generator for small wind turbines. Electrical Machines, ICEM, IEEE, eptember 28, pp. 1-6. [3] Javadi., Mirsalim M.: Design and analysis of 42-V coreless axial-flux permanent magnet generators for automotive applications. IEEE Trans on Mag., Vol. 46, o. 4, April 21, pp. 11-123. [4] Mendrela E., Moch J., Paduch P.: Właściwości elektromechaniczne bezszczotkowego silnika tarczowego prądu stałego. Prace aukowe Instytutu Maszyn, apędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, r, tudia i Materiały r 22, 2, s.189-198. [] Glinka T., Tomaszkiewicz W.: ilniki tarczowe. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, r 8, 28, s.232-237. [6] Glinka T., Jakubiec M.: Rozwiązania silników tarczowych. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, r 77, 27, s.243-249. [7] Glinka T., Król E., Wolnik T.: Model polowy bezrdzeniowej maszyny tarczowej. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, r 86, 21, s.187-19. [8] Glinka T., Król E., Białas A., Wolnik T.: ilniki tarczowe z magnesami trwałymi. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektr., r 87, 21, s.63-68. [9] Giangrande P., Cupertino F., Pellegrino G., Ronchetto D., Gerada C., umner M.: Analysis of twopart rotor, axial flux permanent magnet machines. Energy Conv. Cong. and Exp. (ECCE), IEEE, 17-22 ep. 211, pp.176-181. [1] Louie H.: Experiences in the construction of open source low technology off-grid wind turbines, Power and En. oci. Gen. Meet., IEEE, July 211, pp. 1-7. [11] Flux 1.3 Documentation, 29, Cedrat Group. Autorzy dr inż. Adrian Młot, (77)44988, a.mlot@po.opole.pl Prof. dr hab. inż. Marian Łukaniszyn, Politechnika Opolska, ul. Prószkowska 76, 4-78 Opole, (77)4498676, m.lukaniszyn@po.opole.pl Recenzent Prof. dr hab. inż. Ignacy Dudzikowski

176 Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne r 1/213 cz. I