SILNIK TARCZOWY TYPU TORUS S-NS - OBLICZENIA OBWODU ELEKTROMAGNETYCZNEGO

Podobne dokumenty
PROJEKT SILNIKA TARCZOWEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

SILNIK TARCZOWY Z WIRNIKIEM WEWNĘTRZNYM - OBLICZENIA OBWODU ELEKTROMAGNETYCZNEGO

Silnik tarczowy z wirnikiem wewnętrznym

ANALIZA PORÓWNAWCZA WYBRANYCH MODELI SILNIKÓW TARCZOWYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

WERYFIKACJA METOD OBLICZENIOWYCH SILNIKÓW TARCZOWYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

WYKORZYSTANIE OPROGRAMOWANIA MAXWELL DO OPTYMALIZACJI KONSTRUKCJI OBWODU ELEKTROMAGNETYCZNEGO SILNIKÓW TARCZOWYCH

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

WOLNOOBROTOWY, BEZRDZENIOWY GENERATOR TARCZOWY O MOCY 2 kw

SILNIKI TARCZOWE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

TRÓJFAZOWY GENERATOR Z MAGNESAMI TRWAŁYMI W REśIMIE PRACY JEDNOFAZOWEJ

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

Bezrdzeniowy silnik tarczowy wzbudzany magnesami trwałymi w układzie Halbacha

POLOWO - OBWODOWY MODEL BEZSZCZOTKOWEJ WZBUDNICY GENERATORA SYNCHRONICZNEGO

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

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

POLOWO OBWODOWY MODEL DWUBIEGOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO WERYFIKACJA POMIAROWA

Rys. 1. Krzywe mocy i momentu: a) w obcowzbudnym silniku prądu stałego, b) w odwzbudzanym silniku synchronicznym z magnesem trwałym

WPŁYW ROZMIESZCZENIA MAGNESÓW NA WŁAŚCIWOŚCI EKSPOATACYJNE SILNIKA TYPU LSPMSM

SILNIK ELEKTRYCZNY O WZBUDZENIU HYBRYDOWYM

PRĄDNICE SYNCHRONICZNE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O MAŁEJ ZMIENNOŚCI NAPIĘCIA WYJŚCIOWEGO

Asymetria obwodowa szczeliny powietrznej w tarczowym silniku indukcyjnym

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

NOWA SERIA WYSOKOSPRAWNYCH DWUBIEGUNOWYCH GENERATORÓW SYNCHRONICZNYCH WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

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

MODELOWANIE SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O UZWOJENIACH SKUPIONYCH

ANALIZA STRUKTUR MAGNETOELEKTRYCZNYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH O ROZRUCHU CZĘSTOTLIWOŚCIOWYM. OBLICZENIA

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

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

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

Właściwości silnika bezszczotkowego prądu stałego z magnesami trwałymi o różnych rozpiętościach uzwojeń stojana

Projekt silnika bezszczotkowego z magnesami trwałymi

SILNIK SYNCHRONICZNY ŚREDNIEJ MOCY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ZASILANY Z FALOWNIKA

ZASTOSOWANIE SKOSU STOJANA W JEDNOFAZOWYM SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

WPŁYW KSZTAŁTU SZCZELINY POWIETRZNEJ NA WŁAŚCIWOŚCI SILNIKA SYNCHRONICZNEGO WZBUDZANEGO MAGNESAMI TRWAŁYMI

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

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

WPŁYW ALGORYTMU STEROWANIA PRZEKSZTAŁTNIKA NA WŁAŚCIWOŚCI NAPĘDU Z SILNIKIEM BEZSZCZOTKOWYM

MEW Z WYSOKOSPRAWNYM GENERATOREM SYNCHRONICZNYM WZBUDZANYM MAGNESAMI TRWAŁYMI

Ćwiczenie: "Silnik indukcyjny"

MAGNETOELEKTRYCZNY SILNIK MAŁEJ MOCY Z KOMPAKTOWYM WIRNIKIEM HYBRYDOWYM I Z ROZRUCHEM SYNCHRONICZNYM

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

Temat: ŹRÓDŁA ENERGII ELEKTRYCZNEJ PRĄDU PRZEMIENNEGO

PRZEGLĄD KONSTRUKCJI JEDNOFAZOWYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

SILNIK BEZSZCZOTKOWY O WIRNIKU KUBKOWYM

SILNIK RELUKTANCYJNY PRZEŁĄCZALNY PRZEZNACZONY DO NAPĘDU MAŁEGO MOBILNEGO POJAZDU ELEKTRYCZNEGO

ANALIZA WPŁYWU SPOSOBU NAMAGNESOWANIA MAGNESÓW NA PRZEBIEGI CZASOWE WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH I MECHANICZNYCH W SILNIKU BEZSZCZOTKOWYM

PRĄDNICA TARCZOWA Z POPRZECZNYM STRUMIENIEM

WPŁYW OSADZENIA MAGNESU NA PARAMETRY SILNIKA MAGNETOELEKTRYCZNEGO O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

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

PRĄDNICA TRÓJFAZOWA MAŁEJ MOCY WZBUDZANA MAGNESAMI TRWAŁYMI

ANALIZA PORÓWNAWCZA SILNIKÓW LSPMSM TYPU U ORAZ W.

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 77/

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

Agregat prądotwórczy z wysokosprawnym generatorem synchronicznym wzbudzanym magnesami trwałymi

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

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

MOMENT ORAZ SIŁY POCHODZENIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO W DWUBIEGOWYM SILNIKU SYNCHRONICZNYM

Mała elektrownia wodna z wysokosprawnym generatorem synchronicznym wzbudzanym magnesami trwałymi

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

ANALIZA BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA PRĄDU STAŁEGO Z MAGNESAMI NdFeB

SILNIK PMSM MAŁEJ MOCY PRZEZNACZONY DO ROZRUCHU SYNCHRONICZNEGO

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

Wykaz ważniejszych oznaczeń Podstawowe informacje o napędzie z silnikami bezszczotkowymi... 13

GENERATOR Z MAGNESAMI TRWAŁYMI DO PRACY W AGREGACIE PRĄDOTWÓRCZYM

WPŁYW PARAMETRÓW UKŁADU NAPĘDOWEGO NA SKUTECZNOŚĆ SYNCHRONIZACJI SILNIKA DWUBIEGOWEGO

SPIS TREŚCI PRZEDMOWA WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ 1. PODSTAWOWE INFORMACJE O NAPĘDZIE Z SILNIKAMI BEZSZCZOTKOWYMI 1.1. Zasada działania i

TRÓJWYMIAROWA ANALIZA POLA MAGNETYCZNEGO W KOMUTATOROWYM SILNIKU PRĄDU STAŁEGO

Przegląd koncepcji maszyn wzbudzanych hybrydowo do zastosowania w napędzie samochodów

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

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

LABORATORIUM PRZETWORNIKÓW ELEKTROMECHANICZNYCH

ANALIZA WPŁYWU NIESYMETRII NAPIĘCIA SIECI NA OBCIĄŻALNOŚĆ TRÓJFAZOWYCH SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

PORÓWNANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z SILNIKIEM SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM

ZJAWISKA W OBWODACH TŁUMIĄCYCH PODCZAS ZAKŁÓCEŃ PRACY TURBOGENERATORA

BADANIE WPŁYWU GRUBOŚCI SZCZELINY POWIETRZNEJ NA WŁAŚCIWOŚCI SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH PRZEŁĄCZALNYCH W OPARCIU O OBLICZENIA POLOWE

OPTYMALIZACJA MASZYNY TARCZOWEJ Z MAGNESAMI TRWAŁYMI Z WYKORZYSTANIEM METOD POLOWYCH

MODELOWANIE POLOWE SILNIKÓW JEDNOFAZOWYCH Z KONDENSATOREM ROBOCZYM O PRZEŁĄCZALNYCH UZWOJENIACH

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

OPRACOWANIE MODELU POLOWEGO LINIOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO

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

GENERATOR Z MAGNESAMI TRWAŁYMI DO PRACY W AGREGACIE PRĄDOTWÓRCZYM

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 93/ Piotr Cierzniewski, Ryszard Pałka, Piotr Paplicki, Marcin Wardach Katedra Elektroenergetyki i Na

Badanie trójfazowych maszyn indukcyjnych: silnik klatkowy, silnik pierścieniowy

KSZTAŁTOWANIE POLA MAGNETYCZNEGO W DWUBIEGOWYCH SILNIKACH SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Opis wyników projektu

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

Badania symulacyjne silników elektrycznych z magnesami trwałymi do trolejbusów

ROZRUCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH DUŻEJ MOCY PRZY CZĘŚCIOWYM ZASILANIU UZWOJENIA STOJANA

CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

MINIMALIZACJA STRAT MOCY W TRÓJFAZOWYM SYNCHRONICZNYM SILNIKU RELUKTANCYJNYM POWER LOSS MINIMIZATION IN A THREE-PHASE SYNCHRONOUS RELUCTANCE MOTOR

OBLICZENIA I POMIARY PRZEBIEGÓW PRĄDÓW I NAPIĘĆ W ALTERNATORZE KŁOWYM W STANIE OBCIĄśENIA

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

BADANIA SYMULACYJNE SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH PRZEŁĄCZALNYCH PRZEZNACZONYCH DO NAPĘDU WYSOKOOBROTOWEGO

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

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

SILNIK MAGNETOELEKTRYCZNY TARCZOWY Z TWORNIKIEM BEZ RDZENIA FERROMAGNETYCZNEGO

ZJAWISKA CIEPLNE W MODELU MASZYNY SYNCHRONICZNEJ Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Ćwiczenie: "Silnik prądu stałego"

BADANIE JEDNOFAZOWEGO SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO Strona 1/5

ANALIZA DYNAMICZNYCH I STACJONARNYCH STANÓW PRACY ROZRUSZNIKA SAMOCHODOWEGO WZBUDZANEGO MAGNESAMI TRWAŁYMI

Transkrypt:

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 91/2011 81 Tadeusz Glinka, Tomasz Wolnik, Emil Król BOBRME Komel, Katowice SILNIK TARCZOWY TYPU TORUS S-NS - OBLICZENIA OBWODU ELEKTROMAGNETYCZNEGO AXIAL FLUX MOTOR TORUS S-NS - CALCULATION OF ELECTROMAGNETIC CIRCUIT Abstract: This article presents a model and calculations of electromagnetic circuit axial flux permanent magnet motor TORUS S-NS. The part S in name of motor mean that stator is slotted and part NS mean facing each other are different polarity magnets. This construction of axial flux motor characterized a high efficient and high ratio of power density and torque density. Presented and compared results of analytical calculation and result of three-dimensional MES calculation. 1. Wprowadzenie Silnik typu TORUS S-NS naleŝy do grupy silników tarczowych, które stanowią alternatywne rozwiązanie do klasycznych i powszechnie stosowanych silników cylindrycznych. Szczególną zaletą tego typu maszyn jest ich kompaktowa budowa oraz niewielki wymiar w kierunku osiowym, co dla wielu zastosowań ma znaczenie szczególne. Ze względu na to, Ŝe są to konstrukcje o duŝym promieniu, na którym wytwarzany jest moment, cechują się one równieŝ wysokimi wartościami współczynników moment/masa, moc/masa oraz wysoką sprawnością. Stosunek średnicy wewnętrznej do średnicy zewnętrznej obwodu elektromagnetycznego określany współczynnikiem k D, jest jedną z podstawowych danych silnika tarczowego, mającą znaczący wpływ na wartość wytwarzanego momentu elektromagnetycznego. Bazując na równaniu 1, na rysunku 1 przedstawiono krzywą obrazującą wartość wytworzonego momentu elektromagnetycznego M em przy załoŝeniu stałej maksymalnej indukcji w szczelinie B m, stałego okładu prądowego A w, stałym promieniu zewnętrznym r z i zmiennym współczynniku k D [5]. M em ( k D 3 w z D 2 D ) = 2 π B A r k (1 k ) (1) m Okazuje się, Ŝe maksymalny moment uzyskuje się wówczas gdy współczynnik ten wynosi k 0.58. D W niniejszym artykule zaprezentowano model obliczeniowy obwodu elektromagnetycznego silnika tarczowego TORUS S-NS. Przedstawiono wyniki wielowariantowych obliczeń, celem których było zaprojektowanie obwodu elektromagnetycznego silnika o jak największym współczynniku gęstości momentu dla danej średnicy zewnętrznej maszyny. Rys. 1. ZaleŜność momentu elektromagnetycznego silnika w funkcji współczynnika k D Wnioski i spostrzeŝenia do otrzymanych wyników obliczeń przedstawiono w podsumowaniu. 2. Model obwodu elektromagnetycznego Przed przystąpieniem do projektowania obwodu elektromagnetycznego silnika załoŝono następujące dane znamionowe: Moc znamionowa: P n = 10 kw Prędkość obrotowa: n n = 2000 obr/min Moment znamionowy M n = 47.8 Nm Liczba biegunów 2p = 8 Silnik tarczowy typu TORUS S-NS jest odwróconą konstrukcją silnika tarczowego z wirnikiem wewnętrznym tzn. składa się z dwóch zewnętrznych tarcz wirnika z magnesami trwałymi oraz wewnętrznego, uŝłobkowanego rdzenia stojana.

82 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 91/2011 Rdzeń stojana (rys.3) wykonany jest z warstwowo nawiniętego paska blachy, w którym wykonane są Ŝłobki. W przedstawionym na rysunku 2 modelu silnika, kształt Ŝłobka zaprojektowano z myślą o technicznych moŝliwościach wykonania. Wykonanie uŝłobkowanego rdzenia silnika tarczowego na dzień dzisiejszy jest duŝo bardziej skomplikowane i kosztowne niŝ w przypadku silników cylindrycznych. Dla modelu omawianego silnika, średnica wewnętrzna rdzenia została dobrana ze względu na minimalną moŝliwą ilość Ŝłobków (przy zało- Ŝeniu 2p=8, m=3, q=1) oraz wartość indukcji w dolnej części zęba. Średnica zewnętrzna zgodnie z wytycznymi dotyczącymi współczynnika k D jest wielkością wynikową. Po wykonaniu wielowariantowych trójwymiarowych obliczeń MES zaprojektowano kształt magnesów trwałych tak aby moment zaczepowy, który moŝe stanowić znaczny udział w pulsacjach momentu elektromagnetycznego miał wartość minimalną. W celu zmniejszenia pulsacji momentu oraz poprawy rozkładu indukcji magnetycznej w szczelinie do zamknięcia rozwarcia Ŝłobka przewidziano zastosowanie klinów magnetycznych. Trójfazowe uzwojenie stojana składa się z dwóch odrębnych uzwojeń umieszczonych w rdzeniu. Dla przedstawionego modelu kaŝde z uzwojeń wykonane jest jako dwuwarstwowe. W modelu fizycznym silnika przewidziano wyprowadzenie początków i końców faz kaŝdego z uzwojeń co pozwoli na przeprowadzenie badań dla róŝnego sposobu połączeń. Podstawowe wymiary zaprojektowanego obwodu elekromagnetycznego to: Średnica zewnętrzna rdzenia - D z = 200 mm Średnica wewnętrzna rdzenia - D w = 120 mm Grubość rdzenia stojana - L s = 60 mm Dla tak dobranych wymiarów masa obwodu elektromagnetycznego silnika wynosi ok. 14.5 kg. Rys. 2. Model w przekroju obwodu magnetycznego silnika tarczowego typu TORUS S-NS Rys. 3. Model rdzenia stojana silnika tarczowego typu TORUS S-NS 3. Obliczenia analityczne Obliczenia analityczne wykonano przy pomocy algorytmu do obliczeń silników tarczowych typu TORUS S-NS opracowanego w BOBRME Komel w ramach projektu badawczego. Z uwagi na rozpływ strumienia magnetycznego silniki tarczowe powinno rozpatrywać się na modelu trójwymiarowym, jednakŝe do wstępnego określenia gabarytów oraz danych nawojowych moŝna posłuŝyć się obliczeniami analitycznymi. Obliczenia optymalizacyjne przeprowadzono przy wykorzystaniu metody elementów skończonych. analitycznych dla modelu silnika przedstawionego w punkcie 2 dla róŝnych wartości prądów, maksymalnego napięcia baterii U bmax =130 V oraz kąta β=90 0 przedstawiono na rysunkach 4-6.

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 91/2011 83 Rys. 4. Moment na wale silnika w funkcji prędkości obrotowej dla róŝnych wartości prądów fazowych Rys. 7. Rozkład indukcji magnetycznej od magnesów trwałych w szczelinie powietrznej na promieniu średnim Rys. 5. Moc mechaniczna silnika w funkcji prędkości obrotowej dla róŝnych wartości prądów fazowych Rys. 8. Amplitudy poszczególnych harmonicznych indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej na promieniu średnim Amp1 = 0,874 T - amplituda pierwszej harmonicznej indukcji magnetycznej w szczelinie THD = 112% - współczynnik zawartości wyŝszych harmonicznych Rys. 6. Sprawność silnika w funkcji prędkości obrotowej dla róŝnych wartości prądów fazowych 4. Obliczenia magnetostatyczne MES 3d W celu wyznaczenia rozkładu indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej oraz w poszczególnych elementach obwodu elektromagnetycznego przeprowadzono obliczenia magnetostatyczne. Dla otrzymanego rozkładu indukcji wyznaczono poszczególne wartości wyŝszych harmonicznych (rys.8), a takŝe obliczono współczynnik zawartości wyŝszych harmonicznych THD. Rys. 9. Rozkład indukcji magnetycznej w rdzeniu stojana silnika tarczowego TORUS S-NS Kształt oraz wymiary magnesu trwałego zaprojektowano tak aby moment zaczepowy silnika był minimalny. Na rysunku 10 przedstawiono przebieg momentu zaczepowego w zakresie jednej podziałki Ŝłobkowej dla modelu silnika przedstawionego w punkcie 2. Maksymalny moment zaczepowy wynosi 0,8 Nm, co stanowi 1,6 % momentu znamionowego.

84 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 91/2011 Rys. 10. Charakterystyka momentu zaczepowego w funkcji kąta obrotu wirnika dla modelu silnika tarczowego przedstawionego w pkt 2 5. Obliczenia MES 3d-praca prądnicowa W celu doboru odpowiedniej liczby zwojów przeprowadzono obliczenia dla pracy prądnicowej omawianego silnika tarczowego. Obliczenia wykonano dla prędkości obrotowej wirnika n = 2000 obr/min. Wynikami obliczeń są przebiegi napięć fazowych (rys.11) oraz międzyfazowych. Na podstawie powyŝszych wyników moŝna ocenić czy dla danego źródła zasilania dobrano odpowiednią liczbę zwojów. Po zamodelowaniu uzwojenia oraz zdefiniowaniu właściwości materiałowych modelu silnika, w programie Maxwell 3D przeprowadzono obliczenia dla pracy silnikowej. Obliczenia wykonano dla stałej prędkości obrotowej wirnika n=2000 obr/min. Wymuszenia zadano poprzez zewnętrzny obwód zasilający symulujący zasadę działania falownika. Obliczenia przeprowadzono dla trzech wartości prądów fazowych I=120, I=175 oraz I=235 A, podobnie jak obliczenia analityczne. Wymuszenia prądowe zadano w ten sposób, Ŝe dla chwili czasowej równej 0 przepływ pola stojana w osi fazy A jest maksymalny tzn. I a =max, I b =I c =0.5I a. Następnie przed przystąpieniem do obliczeń wirnik modelu silnika ustawiono odpowiednio względem nieruchomego uzwojenia stojana zgodnie z zakładanym kątem β. ZałoŜony przez nas kąt β powinien wynosić 90 0, a zatem dla zadanych przebiegów prądów fazowych oś magnesów trwałych (oś d) powinna być przesunięta o 90 0 elektrycznych względem osi fazy A (oś q) uzwojenia (rys.12). Dla zadanej stałej prędkości obrotowej wirnika oraz sinusoidalnych wymuszeń prądowych, kąt pomiędzy osią przepływu stojana a wirnika jest stały. Rys. 12. Ustawienie połoŝenia wirnika względem uzwojenia stojana dla zadanych wymuszeń prądowych Rys. 11. Przebiegi indukowanych napięć fazowych dla prędkości n=2000 obr/min 6. Obliczenia MES 3d-praca silnikowa Wynikami obliczeń trójwymiarowych są między innymi moment elektromagnetyczny, straty w Ŝelazie i straty w uzwojeniu. Na podstawie tych wyników obliczyć moŝna moc silnika i sprawność dla zadanej wartości prędkości obrotowej i załoŝonych strat mechanicznych. Ponadto dla kaŝdej chwili czasowej moŝna przedstawić rozkład pola magnetycznego w elementach obwodu elektromagnetycznego silnika. Wybrane wyniki obliczeń przedstawiono na rysunkach 13-15.

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 91/2011 85 Tabela 1. Porównanie wyników obliczeń analitycznych oraz wyników obliczeń MES 3D Parametr analitycznych MES 3D Prąd [A] 120 120 Prędkość obrotowa [obr/min] 2000 2000 Napięcie zasilania [V] 57,9 56,5 Moc dostarczana do silnika [W] 11087 11277 Moc na wale silnika [W] 10289 10438 Moment na wale [Nm] 49,1 49,8 Sprawność [%] 92,8 92,6 Pulsacje momentu [%] - 13,3 Rys. 13. Rozkład indukcji magnetycznej w rdzeniu stojana w chwili maksymalnego przepływu strumienia pola stojana dla prądu I=120 A Straty w miedzi [W] 688,7 690 Straty w Ŝelazie [W] 32,8 56,5 Parametr analitycznych MES 3D Prąd [A] 175 175 Prędkość obrotowa [obr/min] 2000 2000 Napięcie zasilania [V] 64,2 56,7 Moc dostarczana do silnika [W] 16613 16734 Moc na wale silnika [W] 15012 15082 Moment na wale [Nm] 71,7 72,0 Sprawność [%] 90,4 90,1 Pulsacje momentu [%] - 13,84 Straty w miedzi [W] 1464,8 1465 Straty w Ŝelazie [W] 32,8 65,8 Parametr analitycznych MES 3D Prąd [A] 235 235 Prędkość obrotowa [obr/min] 2000 2000 Rys. 14. Rozkład indukcji magnetycznej w tarczach wirnika w chwili maksymalnego przepływu strumienia pola stojana dla prądu I=120 A Rys.15. Przebieg momentu elektromagnetycznego dla prądu fazowego I=120 A 7. Porównanie wyników W tabeli 1 przedstawiono porównanie wyników obliczeń analitycznych oraz trójwymiarowych obliczeń MES. MoŜna stwierdzić, Ŝe wyniki te są zbieŝne i nie zauwaŝono znaczących róŝnic. Napięcie zasilania [V] 72,2 62,2 Moc dostarczana do silnika [W] 22972 22826 Moc na wale silnika [W] 20163 19954 Moment na wale [Nm] 96,3 95,2 Sprawność [%] 87,8 87,4 Pulsacje momentu [%] - 13,98 Straty w miedzi [W] 2641,3 2648 Straty w Ŝelazie [W] 32,8 72,5 8. Podsumowanie W artykule przedstawiono obliczenia modelu silnika tarczowego typu TORUS S-NS. Zało- Ŝona moc znamionowa silnika wynosi 10 kw przy 2000 obr/min. Silnik zaprojektowano tak, Ŝe dla znamionowego obciąŝenia fazowy prąd zasilania wynosi I=120 A. Wówczas współczynnik gęstości mocy uwzględniając jedynie masę obwodu elektromagnetycznego silnika (14.5 kg) jest równy 0,69 kw/kg, a współczynnik gęstości momentu 3,3 Nm/kg. PoniewaŜ nie wykonano obliczeń cieplnych analizowanego modelu silnika, na podstawie wartości gęstości prądu w uzwojeniu przyjęto, Ŝe temperatura uzwojenia nie przekroczy wartości dopuszczalnych. NaleŜy mieć więc na uwadze, Ŝe po wy-

86 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 91/2011 konaniu badań laboratoryjnych i sprawdzeniu rzeczywistych przyrostów temperatur współczynniki te mogą ulec zmianie. Odpowiednio zaprojektowany kształt magnesów pozwolił na ograniczenie maksymalnej wartość momentu zaczepowego do 0.8 Nm, co stanowi 1,6% wartości momentu znamionowego. 9. Literatura [1]. Glinka T., Król E., Białas A., Wolnik T.: Silniki tarczowe z magnesami trwałymi. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne nr.87 2010 [2]. Glinka T., Król E., Wolnik T.: Model Polowy bezrdzeniowej maszyny tarczowej. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne nr.86 2010 [3]. Gieras J., Wang R, Kamper M.: Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines. Academic Publishers, Dordrecht / Boston / London, 2004. [4]. Łukaniszyn M., Wróbel R., Jagieła M.: Komputerowe modelowanie bezszczotkowych silników tarczowych wzbudzanych magnesami trwałymi. Studia i monografie, Politechnika Opolska, 2002. [5]. Parviainen A.: Design of Axial-Flux Permanent Magnet low-speed machines and performance comparison between radial flux and axial flux machines. Lappeenrannen teknillinen yliopisto, Digipaino 2005. [6]. Rossa R., Król E.: Dwustrefowa regulacja prędkości obrotowej w nowoczesnych napędach eletrycznych opartych na silnikach synchronicznych z magnesami trwalymi. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne nr. 81 2009. [7]. Wolnik T.: Modelowanie polowe silnika bezszczotkowego tarczowego do napędu pojazdów samochodowych. Praca dyplomowa magisterska, Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny, Zakład Maszyn i InŜynierii Elektrycznej w Transporcie, Gliwice 2009. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2009-2011 jako projekt badawczy N N510 224737 Autorzy Prof. dr hab. inŝ. Tadeusz Glinka E-mail: info@komel.katowice.pl Mgr inŝ. Tomasz Wolnik E-mail t.wolnik@komel.katowice.pl Mgr inŝ. Emil Król E-mail: e.krol@komel.katowice.pl BranŜowy Ośrodek Badawczo Rozwojowy Maszyn Elektrycznych KOMEL 40-203 Katowice, Al. Roździeńskiego 188.