Maszyny Bezszczotkowe z Magnesami Twałymi Systemy Elektomaszynowe d inż. Michał MICHNA
Plan pezentacji Rozwój maszyn elektycznych z MT Zastosowanie maszyn bezszczotkowych z MT Mateiały magnetycznie twałe Budowa i zasada działania maszyn z MT Model obwodowy i paamety maszyn z MT Pzykłady analizy 2 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Rozwój maszyn elektycznych z magnesami twałymi 3 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Ewolucja maszyn elektycznych Napięcie stałe (DC) Pąd stały (DC) 3-faz. napięcie pzemienne (AC) 3-faz. napięcie pzemienne (AC) Silnik pądu stałego Napięcie stałe (DC) Silnik synchoniczny Pąd stały (DC) 3-faz. napięcie pzemienne (AC) Silnik asynchoniczny/indukcyjny 3-faz. napięcie pzemienne (AC) Silnik pądu stałego z magnesami twałymi 3-faz. napięcie postokątne Silnik synchoniczny z magnesami twałymi 3-faz. napięcie pzemienne (AC) Silnik synchoniczny eluktancyjny Kluczowane sekwencyjnie napięcie stałe (DC) Silnik bezszczotkowy pądu stałego z magnesami twałymi i komutatoem elektonicznym Silnik bezszczotkowy pądu pzemiennego z magnesami twałymi i komutatoem elektonicznym Silnik o pzełączanej eluktancji z komutatoem elektonicznym 4 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Maszyny bezszczotkowe z MT Silniki z magnesami twałymi Komutatoowe silniki pądu stałego Silniki bezszczotkowe Silniki skokowe Bezszczotkowe silniki pądu stałego Bezszczotkowe silniki pądu pzemiennego 5 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Maszyny bezszczotkowe z MT Bezszczotkowe silniki pądu stałego BLDCM silniki z tapezoidalnym pzebiegiem napięcia indukowanego otacji silniki zasilane pądem o pzebiegu postokątnym Bezszczotkowe silniki pądu pzemiennego PMSM silniki z sinusoidalnym pzebiegiem napięcia indukowanego otacji silniki zasilane pądem o pzebiegu sinusoidalnym 6 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Maszyn bezszczotkowe z MT wysoki stosunek mocy do masy wysoka spawność mały moment bezwładności winika mała awayjność (bak komutatoa) dobe ozpaszanie ciepła wysoka cena możliwość ozmagnesowania złożona konstukcja winika (w stosunku do IM) moment zaczepowy 7 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Maszyn bezszczotkowe z MT IM SBMT Spawność Śednia (70-96%) Wysoka (93-95%) wsp. mocy 0,7-0,86 >0,94 staty mocy stojan i winik stojan szczelina powietzna mała, hamoniczne żłobkowe, hałas duża wsp. moc/masa śedni (75W/kg) duży (160W/kg) konstukcja winika posta, wytzymała cena niska wysoka posta lub złożona, podatność MT na siły odśodkowe 8 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Maszyn bezszczotkowe z MT Melfi, M.J.; Roges, S.D.; Evon, S.; Matin, B. Pemanent Magnet Motos fo Enegy Savings in Industial Applications. PPIC 2008 9 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Zastosowanie maszyn z MT 10 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Maszyny z magnesami twałymi 40% światowej podukcji MT pzeznaczone jest do wzbudzania maszyn elektycznych 70% z nich stosowane w pojazdach mechanicznych (samochody) oczna światowa podukcja samochodów wynosi około 70 mln sztuk współczesny samochód wyposażony jest pzeciętnie w 35 silników elektycznych 2 miliady maszyn ocznie 11 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Samochody elektyczne i hybydowe 47 kw pemanent magnet electic moto 12 http://www.mitsubishi-motos.com/special/ev/ d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Napędy pomocnicze w samochodach 13 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Maszyny z magnesami twałymi spzęt gospodastwa domowego silniki komutatoowe z MT pzemysł komputeowy ocznie podukuje się ok.300 mln sztuk dysków twadych 14 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
ABB pemanent magnet geneato 3.6 MW fom a 500 mm fame 15 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Canopy Technologies output powe speed Voltage Efficiency 4.0 to 32.0 MW 0 to 6200 pm 4,160 to 15 kv >98% 16 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
AGV Maximum pm 4500 Taction powe 720kW Continuous powe 720kW Electic netwok 3000V dc Polaity 12 poles Efficiency (RC) 97% Fame size 650mm Fame length 650mm Total weight 730kg 17 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Mateiały magnetycznie twade 18 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Mateiały magnetycznie twałe http://www.anoldmagnetics.com/ 19 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Mateiały magnetycznie twałe Alnico ceamiczne feyty bau i stontu z domieszkami piewiastków ziem zadkich: samoowo-kobaltowe SmCo neodymowe NdFeB 20 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Mateiały magnetycznie twałe SmCo 5 NdFeB feyt AlNiCo B [T] 0.85 1 1 1.41 0.3 0.45 1.25 (BH) max [kj/m 3 ] 145 200 200 420 20 40 50 JH c [ka/m] >1600 1040-3000 240 320 55 T max [ºC] 250 80 200 150 300 450-500 cena 120 /kg 50 /kg 15-20 /kg 21 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Mateiały magnetycznie twałe Mateial Cost Index Maximum Enegy Poducts (BH)max(MGOe) Coecivit y Hci(KOe) Maximum Woking Tempeatue( C) Machinability Nd-Fe-B(sinteed) 65% Up to 45 Up to 30 180 Fai Nd-Fe-B (bonded) 50% Up to 10 Up to 11 150 Good Sm-Co (sinteed) 100% Up to 30 Up to 25 350 Difficult Sm-Co (bonded) 85% Up to 12 Up to 10 150 Fai Alnico 30% Up to 10 Up to 2 550 Difficult Had Feite 5% Up to 4 Up to 3 300 Fai Flexible 2% Up to 2 Up to 3 100 Excellent www.stanfodmagnets.com 22 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Mateiały magnetycznie twałe 23 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Budowa 24 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Maszyny bezszczotkowe z MT B =1,2T, H c =850kA/m, (BH) max =270kJ/m 3 25 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Maszyny bezszczotkowe z MT 26 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Maszyny taczowe z MT 27 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Segmented ElectoMagnetic Aay 28 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Zasada działania 29 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Pole wzbudzenia maszyny z MT 30 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Maszyny bezszczotkowe z MT a) b) c) d) e) f) sinusoidalne tapezoidalne 31 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Pezentacja filmu Silniki bezszczotkowe z magnesami twałymi 32 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Modelowanie 33 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Schemat układu napędowego SBMT ZE PE UEM MR n US CPW Zadawanie UEM układ elektomechaniczny silnika, ŹE źódło enegii elektycznej, PE - pzekształtnik enegoelektoniczny, US układ steowania, CPW czujnik położenia winika, MR maszyna obocza (obciążenie) 34 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Silnik DC z MT z uzwojeniem dwupasmowym dzielonym a) b) S N S N Paca silnika ma chaakte cykliczny - jeden cykl pacy odpowiada jednemu obotowi winika. W jednym cyklu pacy występują cztey takty - w każdym takcie zasilana jest tylko jedna połówka uzwojenia. c) d) e) f) g) 35 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Model fizyczny silnika w układzie osi natualnych stojana as bs i winika qd w układzie osi qd winika F s S F s S N N ' fd F f f 36 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Model silnika napięcia na zaciskach poszczególnych pasm uzwojenia stojana zawieają tylko piewszą hamoniczną: u u as bs 2U 2U s s cos sin esu esu t esu ( ) d 0 esu (0) Relacje między zmiennymi zaciskowymi w układzie osi stojana as bs i układzie osi winika qd opisują ównania u u qs ds cos sin sin u cos u as bs i i as bs cos sin sin i cos i qs ds 37 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Model silnika Modele spzężeń tansfomatoowych uzwojeń stojana i winika w osiach qd qs stumień spzężony z uzwojeniem stojana jakby uchomym w osi q; ds stumień spzężony z uzwojeniem stojana jakby uchomym w osi d; L mq indukcyjność magnesowania modelująca wpływ stumienia głównego (magnesującego) w osi q na właściwości silnika; qs ds ls qs ls ds mq qs L i L i L i L ( i I ) L i L i md ds f ls ds md ds L md indukcyjność magnesowania modelująca wpływ stumienia głównego (magnesującego) w osi d na właściwości silnika; L ls indukcyjności ozposzenia uzwojenia stojana modelująca wpływ stumienia ozposzenia na właściwości silnika fd 38 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Model silnika SEM otacji eds qs eds qs Moment elektomagnetyczny T eq i qs ds T ed i ds qs T P e iqs λds ids λqs 2 T e P 2 L md I i f qs L md L mq i qs i ds 39 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Dynamiczny model obwodowy silnika Obwód całkowania pędkości 40 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Silnik bezszczotkowy o magnesach twałych: uzwojenie 3-pasmowe Falownik tójfazowy mostkowy i as Stojan/twonik T1 D1 T3 D3 T5 D5 as Winik/magneśnica u d C T2 D2 T4 D4 T6 D6 i bs bs i s u cs N u as u bs cs N B f S ω CP Maszyna obocza i cs Te is B f T j B e s f u s ST Układ silnika bezszczotkowego o magnesach twałych z uzwojeniem 3-pasmowym (CP - czujnik położenia kątowego winika, ST - układ steowania) 41 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Model silnika napięcia fazowe na zaciskach uzwojenia stojana zawieają tylko piewszą hamoniczną: u u u as bs cs 2U 2U 2U s s s cos cos cos esu esu esu 2 3 2 3 steowane są kątem położenia winika t esu ( ) d 0 esu (0) 42 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Model silnika d inż. Michał Michna 43 Relacje między zmiennymi zaciskowymi w układzie osi stojana as bs cs i w układzie osi winika qd opisują ównania cs bs as s ds qs u u u u u u 2 1 2 1 2 1 3 2 3 2 3 2 3 2 0 sin sin sin cos cos cos 3 2 s dc qs cs bs as i i i i i i 0 3 2 3 2 3 2 3 2 1 sin cos 1 sin cos 1 sin cos (0) ) ( 0 t d Gdańsk 2011
Model silnika ównanie momentu elektomagnetycznego silnika ma postać T e 3 2 P 2 i qs ds i ds i qs Powyższe ównanie óżni się od ównania modelu dwupasmowego współczynnikiem 3/2, któy wynika z konieczności zapewnienia niezmienniczości (kowaiantności) mocy pzy pzejściu z układu osi as bs cs do układu osi qd. 44 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
abc/qd Dynamiczny model obwodowy silnika c Dynamiczny model obwodowy silnika bezszczotkowego o magnesach twałych z uzwojeniem 3- pasmowym w układzie osi as bs cs/qd c c Obwód całkowania pędkości 3 Model obwodowy silnika z uzwojeniem 3- pasmowym u układzie osi qd - analogiczny do modelu fizycznego silnika z uzwojeniem 2- pasmowym 45 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Pzykłady analizy 46 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Pzykłady analizy: SBMT 2-pasmowy BEZSZCZOTKOWY SILNIK PRADU STALEGO:CHARAKT. STATYCZNE Date/Time un: 01/12/98 20:28:05 Tempeatue: 27.0 1.5 Te [Nm] 1.0 t0 = 0 0.5 t0 = -pi/6 W [ad/s] 0 0 t0 = +pi/6-0.5-300a -200A -100A 0A 100A 200A 300A V(Te) IW Wyniki analizy.dc silnika bezszczotkowego o magnesach twałych: statyczna chaakteystyka mechaniczna T e = T e (W ) pzy esu (0)=0 oaz (0)=0; = - /6; = + /6 47 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Pzykłady analizy: SBMT 2-pasmowy napięcia pasmowe stojana BEZSZCZOTKOWY SILNIK PRADU STALEGO:CHARAKT. DYNAMICZNE Date/Time un: 01/12/98 20:13:07 Tempeatue: 27.0 20V BEZSZCZOTKOWY SILNIK PRADU STALEGO:CHARAKT. DYNAMICZNE Date/Time un: 01/12/98 20:19:13 Tempeatue: 27.0 800m 200 1 2 [Nm] [ad/s] W Te 0V 600m 150-20V 20V V(as) 400m 100 0V -20V 0s 100ms 200ms 300ms 400ms 500ms 600ms V(bs) Time 200m 50 pądy pasmowe stojana BEZSZCZOTKOWY SILNIK PRADU STALEGO:CHARAKT. DYNAMICZNE Date/Time un: 01/12/98 20:13:07 Tempeatue: 27.0 5.0A 0A -5.0A I(G_Ias) 4.0A 0 >> 0 0s 100ms 200ms 300ms 400ms 500ms 600ms 1 V(Te) 2 I(V_W) Time T e - moment elektomagnetyczny; w - (W) elektyczna pędkość kątowa silnika 0A -4.0A 0s 100ms 200ms 300ms 400ms 500ms 600ms I(G_Ibs) Time 48 Rozuch silnika esu (0) = 0; (0) = 0 oaz T L = 0 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Pzykłady analizy: SBMT 3-pasmowy 1 2.4KA 2 300V T e (179.818m,2.0148K) 2.0KA 200V 1.6KA 1.2KA 100V m (179.818m,25.365) 0V 0.8KA 0.4KA 0A -100V T e - moment elektomagnetyczny; w m - pędkość kątowa mechaniczna silnika >> -200V 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms 160ms 180ms 200ms 1 I(V_W)/4*30/pi 2 V(Te) Time zasilanie napięciem sinusoidalnym: ozuch U dn = 300V esu (0) = 0.1858ad; (0) = 0; T L = k TL w m ; k TL = 0.12 Nms/ad 49 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Pzykłady analizy: SBMT 3-pasmowy 400V 0V -400V 50A V(as) napięcie u as 0A SEL>> -50A 280ms 285ms 290ms 295ms 300ms I(G_Ias) Time pąd i a pasmowy stojana zasilanie napięciem odkształconym (falownikowe): stan ustalony U dn = 300V esu (0) = 0.1858ad; (0) = 0; T L = k TL w m ; k TL = 0.12 Nms/ad 50 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Pzykłady analizy: SBMT 3-pasmowy 2.00KA 1.75KA SEL>> 1.50KA 30V I(V_W)*30/pi/4 pędkość kątowa mechaniczna w m 25V moment elektomagnetyczny Te 20V 280ms 285ms 290ms 295ms 300ms V(Te) Time zasilanie napięciem odkształconym (falownikowe): stan ustalony U dn = 300V esu (0) = 0.1858ad; (0) = 0; T L = k TL w m ; k TL = 0.12 Nms/ad 51 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011
Dziękuję za uwagę 52 d inż. Michał Michna Gdańsk 2011