Projektowanie systemów EM. dr inż. Michał Michna

Projektowanie systemów EM dr inż. Michał Michna

Rozwój Maszyn Elektrycznych 2 dr inż. Michał Michna

Literatura Dąbrowski M.: Projektowanie maszyn elektrycznych prądu przemiennego. Warszawa, Wydaw. Nauk. - Techn., 1988. Gieras J.F.: Mitchell Wing, Permanent Magnet Motor Technology, 2nd ed. Marcel Dekker, Inc, 2002 Gieras J.F: Advancements in Electric Machines. Springer-Verlag Gmbh 2008 Hanselman D.: Brushless Permanent Magnet Motor Design, 2nd ed. McGraw-Hill, New York, 1994. Pyrhönen J., Jokinen T., Hrabovcová V.: Design of Rotating Electrical Machines Wiley 2008 3 dr inż. Michał Michna

Rozwój maszyn elektrycznych Przyczyny rozwoju ME Inżynieria materiałowa Nowe zastosowania Energoelektroniki i metody sterowania Wymagania środowiskowe/polityczne ochrona środowiska, oszczędzanie energii Duże projekty naukowe MEA, HEV/EV, ogniwa paliwowe, budynki inteligentne, bioinżynieria 4 dr inż. Michał Michna

Rozwój maszyn elektrycznych Maszyny wysokoobrotowe 5 dr inż. Michał Michna

Napięcie stałe (DC) Prąd stały (DC) 3-faz. napięcie przemienne (AC) 3-faz. napięcie przemienne (AC) Silnik prądu stałego Napięcie stałe (DC) Silnik synchroniczny Prąd stały (DC) 3-faz. napięcie przemienne (AC) Silnik asynchroniczny/indukcyjny 3-faz. napięcie przemienne (AC) Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi 3-faz. napięcie prostokątne Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi 3-faz. napięcie przemienne (AC) Silnik synchroniczny reluktancyjny Kluczowane sekwencyjnie napięcie stałe (DC) Silnik bezszczotkowy prądu stałego z magnesami trwałymi i komutatorem elektronicznym Silnik bezszczotkowy prądu przemiennego z magnesami trwałymi i komutatorem elektronicznym Silnik o przełączanej reluktancji z komutatorem elektronicznym 6 dr inż. Michał Michna

Silnik indukcyjny klatkowy Zalety Prosta konstrukcja, Niskie koszty produkcji i eksploatacji Brak komutatora i pierścieni ślizgowych (silnik bezszczotkowy) Małe tętnienia momentu Wady Mała szczelina powietrzna niski współczynnik mocy Niska wydajność przy małych prędkościach Moment proporcjonalny do kwadratu napięcia zasilania Możliwość pękania prętów wirnika Niska sprawność, mały współczynnik mocy 7 dr inż. Michał Michna

Silnik indukcyjny klatkowy Zalety Prosta konstrukcja, Niskie koszty produkcji i eksploatacji Brak komutatora i pierścieni ślizgowych (silnik bezszczotkowy) Małe tętnienia momentu Wady Mała szczelina powietrzna niski współczynnik mocy Niska wydajność przy małych prędkościach Moment proporcjonalny do kwadratu napięcia zasilania Możliwość pękania prętów wirnika Niska sprawność, mały współczynnik mocy 8 dr inż. Michał Michna

Silnik bezszczotkowy z MT Zalety Wady Brak szczotek (bezszczotkowa) Dobre przenoszenie ciepła i łatwe chłodzenie - źródłem ciepła stojan Większa szczelina niż w IM i SRM Brak strat wzbudzenia - wysoka sprawność Wysoka gęstość mocy Współczynnik mocy bliski cosf=1 Bardzo dobre parametry dynamiczne Magnesy trwałe są wrażliwe na temperaturę, a tym samym parametry silnika zależą od temperatury Droższe niż IM i SRM Wymagają układu zasilnia i sterowania 9 dr inż. Michał Michna

Silnik bezszczotkowy z MT Zalety Wady Brak szczotek (bezszczotkowa) Dobre przenoszenie ciepła i łatwe chłodzenie - źródłem ciepła stojan Większa szczelina niż w IM i SRM Brak strat wzbudzenia - wysoka sprawność Wysoka gęstość mocy Współczynnik mocy bliski cosf=1 Bardzo dobre parametry dynamiczne Magnesy trwałe są wrażliwe na temperaturę, a tym samym parametry silnika zależą od temperatury Droższe niż IM i SRM Wymagają układu zasilnia i sterowania 10 dr inż. Michał Michna

Silnik bezszczotkowy z MT Silniki z magnesami trwałymi Komutatorowe silniki prądu stałego Silniki bezszczotkowe Silniki skokowe Bezszczotkowe silniki prądu stałego Bezszczotkowe silniki prądu przemiennego 11 dr inż. Michał Michna

Silnik bezszczotkowy z MT 12 dr inż. Michał Michna

120 120 120 57 57 57 Silnik bezszczotkowy z MT 7 4 3 45 17 37 17 30 17 4 1 5 5 5 3 6 2 6 5 R 40 R 40 R 40 13 dr inż. Michał Michna

Silnik bezszczotkowy z MT mocowanie powierzchniowe MT mocowanie zagłębione MT indukcja w szczelinie mniejsza niż indukcja remanencji prosta konstrukcja silnika mała moc obwodów twornika magnesy nie są zabezpieczone przed odmagnesowaniem mała odporność na działanie sił odśrodkowych prądy wirowe w magnesach trwałych ograniczone możliwości pracy w stanie odwzbudzenia 14 indukcja w szczelinie może być większa od indukcji remanencji konstrukcja stosunkowo złożona duża moc obwodów twornika, droższy przekształtnik magnesy są zabezpieczone przed odmagnesowaniem odporność na działanie sił odśrodkowych brak prądów wirowych w magnesach trwałych możliwość pracy przy osłabionym polu wzbudzenia stosunkowo prosta możliwość kształtowania rozkładu pola w szczelinie dr inż. Michał Michna roboczej

Silnik bezszczotkowy z MT IM SBMT Sprawność Średnia (70-96%) Wysoka (93-95%) wsp. mocy 0,7-0,86 >0,94 straty mocy stojan i wirnik stojan szczelina powietrzna mała, harmoniczne żłobkowe, hałas duża wsp. moc/masa średni (75W/kg) duży (160W/kg) konstrukcja wirnika prosta, wytrzymała cena niska wysoka prosta lub złożona, podatność MT na siły odśrodkowe 15 dr inż. Michał Michna

Silnik bezszczotkowy z MT Melfi, M.J.; Rogers, S.D.; Evon, S.; Martin, B. Permanent Magnet Motors for Energy Savings in Industrial Applications. PPIC 2008 16 dr inż. Michał Michna

Silnik reluktancyjny przełączalny SRM Kolejne pasma silnika SRM zasilane są ze źródła napięcia stałego w funkcji położenia wirnika Wymaga zastosowania bardzo szybkich kluczy energoelektronicznych (MOSFET, IGBT) Moment jest wytwarzany przez magnetyczne przyciąganie wirnika do elektromagnesów stojana C C B A B D A A A B D B C C 17 dr inż. Michał Michna

Silnik reluktancyjny przełączalny SRM Zalety duża niezawodność niski koszt produkcji prosta budowa brak magnesów, brak uzwojeń mały moment bezwładności wirnika wyższa sprawność w porównaniu np. z silnikami indukcyjnymi dokładna regulacja prędkości obrotowej, uzyskiwana tanim kosztem przez zastosowanie układów bezczujnikowych Wady hałas akustyczny tętnienia momentu obrotowego 18 dr inż. Michał Michna

Maszyny elektryczne 19 dr inż. Michał Michna

Moc wewnętrzna 20 dr inż. Michał Michna

dr inż. Michał Michna 21 t x B x t B s m sin ), ( x x t B l t x t B t s s A 0 )d, ( )d, ( ) ( p D s s 2 T m m P s s I E m K dt t i t e T m P 0 ) ( ) ( 1 Moc czynna Rozkład indukcji w szczelnie Strumień sprzężony z uzwojeniem Współczynnik kształtu mocy T m m P dt I t i E t e T K 0 ) ( ) ( 1 2 M AV B B B k Współczynniki kształtu pola

Amplituda strumienia m K ( l ) B B i ps m Napięcie indukowane e( t) N d ( t) dt Współczynnik uzwojenia N k ws N s Amplituda napięcia E m K B K ws B m N s( li ps) 2 E ( K K )( D l ) N m m E B s i ws E K ( D l ) N s f p s i B m s f p B m e( t) E m K E sin( t) 22 dr inż. Michał Michna

dr inż. Michał Michna 23 s rms s D NI m A 2 Okład prądowy liniowa gęstość prądu ) 1 ( r s s r s r s K A A K A A A A T m rms m I dt t i T I I I K 0 2 ) ( 1 s s s r I rms I m m N AD K K I K I 2 1 Okład prądowy stojana i wirnika

Moc wewnętrzna Współczynniki konstrukcyjne Objętość maszyny Prędkość maszyny P 1 2 1 K r K I K P K E 2 f AB D l p m s s Okład prądowy Indukcja w szczelnie 24 dr inż. Michał Michna

Indukcja w szczelnie 25 dr inż. Michał Michna

Gęstość liniowa prądu okład prądowy 26 dr inż. Michał Michna

Współczynnik wyzyskania maszyny F A F 2T D i s A D l s s T i Si m 1 2 1 K r K I K P K E 2 AB D l m s s 1 1 K r K I K P K E AB m 27 dr inż. Michał Michna

Współczynnik wyzyskania maszyny 28 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetyczne Materiały magnetyczne stosowane w budowie ME 29 dr inż. Michał Michna

Materiały Materiały magnetyczne miękkie Materiały magnetycznie twarde Materiały przewodowe 30 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie miękkie 31 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie miękkie Zastosowanie: obwód magnetyczny stojana i wirnika Parametry: Indukcja nasycenia, stratność 32 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie miękkie Cechy duża indukcja nasycenia wąska pętla histerezy duża rezystywność duża przenikalność magnetyczna Właściwości skład stopu i jego czystość technologia produkcji (np.: walcowanie) Pakiet stojana z blach okrągłych spawany www.donako.com.pl obróbka cieplna (np.: wyżarzanie 1100-1300 st. C przez ok. 1h) 33 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie miękkie Materiały magnetycznie miękkie Krystaliczne 0,1mm-10mm Stopy nanokrystaliczne 1nm-20nm Amorficzne 0-0,5mm Kompozyty Spieki ferrytowe Stale krzemowe Stopy Fe-Ni permaloj Stopy Co-Fe permendur Fe, Si, B, Nb Taśmy szkieł metalicznych Anizotropowe, Izotropowe Nisko-krzemowe, Wysokokrzemow e amorficzna 0 0,5nm nanokrystaliczna 1nm 20nm mikrokrystaliczna 0,1 10 mm krystaliczna (niezorientowana i zorientowana) Pakiet wirnika zapiekany www.donako.com.pl 35 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie miękkie Materiał Stratność (0,2T 25KHz) Indukcja nasycenia [W/kg] [T] Permaloy (Fe-Ni) 14 0,7-1,5 Ferryt 17 0,6 Taśma amorficzna (30-50um) 5 0,57-,77 Taśma amorficzna (20um) 3 1,25 36 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie miękkie Wpływ usprawnień technologicznych na straty całkowite na jednostkę masy blach elektrotechnicznych 37 dr inż. Michał Michna

Stale krzemowe Zawartość Si [%] B max [T] μ max [-] Stratność [W/kg] 1 2,1 14 000 3 3 2,0 9 000 2,3 4,5 1,96 7 000 1,7 Stopy żelaza z krzemem (0,4-4,2 % Si) 38 dr inż. Michał Michna

Stale krzemowe blachy o ziarnie zorientowanym anizotropowe, transformatorowe stal niskowęglowa, 3 % Si niewielka grubość: 0,27 mm, 0,30 mm, 0,35 mm blachy o ziarnie niezorientowanym blachy izotropowe, tzw.: prądnicowe wysokostopowe (3 % Si i do 1 % Al.) - niska stratność niskostopowe (1-2% Si)- wyższa stratność grubość: 0,35 mm, 0,50 mm i 0,65 mm 39 dr inż. Michał Michna

Armco DI-MAX nonoriented electrical steels M-27, M-36 and M-43. 40 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie miękkie Właściwości blach o ziarnie zorientowanym produkcji Stalprodukt S.A. 41 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie miękkie Właściwości blach izotropowych krzemowych produkcji Stalprodukt S.A. 42 dr inż. Michał Michna

43 dr inż. Michał Michna

Stale amorficzne Starty 0,125-0,28 W/kg 1T 50Hz Silnik indukcyjny małej mocy 550W blacha krzemowa straty 137W sprawność 74% blacha amorficzna straty 88W sprawność 84% Kruche Cięcie laserem i EDM niszczy strukturę B [T] 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Stratność 60 Hz 0,0035 0,010 0,026 0,045 0,070 0,10 0,14 0,22 0,28 p [W/kg] 50 Hz 0,0028 0,008 0,021 0,036 0,056 0,08 0,11 0,17 0,22 Magnesowalnoś ć H [A/m] prąd stały 0,84 1,00 1,10 1,18 1,26 1,35 1,6 5,6 8,0 45 dr inż. Michał Michna

Stale amorficzne 46 dr inż. Michał Michna

Stale krzemowe - nanokrystaliczne krystalizacja blach amorficznych mała koercja <1A/m duża przenikalność magnetyczna indukcja 1,2T Vitroperm, Finemet, 47 dr inż. Michał Michna

Stale krzemowe - nanokrystaliczne Straty całkowite stopu nanokrystalicznego Nanoperm (Fe85,6Nb3,3Zr3,3B6,8Cu1) stopów amorficznych Fe78Si9B13 i Co70,5Fe4,5Si10B15 48 dr inż. Michał Michna

Stale krzemowe - mikrokrystaliczne Wielkość ziarna 0,1-10 um Zawartość krzemu Si 6,5% Mniejsza indukcja nascyenia 1,8-2,03 T Grubości 0,05 0,1 0,2 0,3 mm 49 dr inż. Michał Michna

Stale krzemowe - mikrokrystaliczne 50 dr inż. Michał Michna

Stopy żelaza z niklem Fe-Ni Nazwa Zawartość Ni [%] B max [T] μ max anizotropia Hyperm 36 1,3 14 000 Nie Hyperm 50 1,5 28 000 Nie Permaloj 70-79 0,8 120 000 Tak Supermaloj 80 Ni, 4-6 Mo, reszta Fe 0,82 1 000 000 Tak W chwili obecnej materiał wypierany jest powoli przez rdzenie z taśmy amorficznej i nanokrystalicznej 51 dr inż. Michał Michna

Stopy żelaza z niklem Fe-Ni W chwili obecnej materiał wypierany jest powoli przez rdzenie z taśmy amorficznej i nanokrystalicznej 52 dr inż. Michał Michna

Stopy żelaza z kobaltem Co-Fe stop kobaltu i żelaza z niewielkimi dodatkami wanadu, tantalu i niobu Carpenter Hiperco 50 49% Fe, 48.75% Co, 1.9% V, 0.05% Mn, 0.05% Nb 0.05% Si Vanadium Permendur Wysoka indukcja nasycenia 2,4T Wysoka temperatura pracy, temp. Curie 940C Stratność 6 W/kg dla 2T, 400 Hz Grubość 0.15 to 0.36 mm Wysoka cena 53 dr inż. Michał Michna

Stopy żelaza z kobaltem Co-Fe Carpenter Hiperco 50 54 dr inż. Michał Michna

Stopy żelaza z kobaltem Co-Fe zmiany indukcji magnetycznej w funkcji temperatury przenikalności od natężenia pola magnetycznego 55 dr inż. Michał Michna

Stopy żelaza z kobaltem Co-Fe 58 dr inż. Michał Michna

Materiały kompozytowe mielenie amorficznych taśmy szkła metalicznego wiązanie materiałem polimerowym, termo lub chemoutwardzalnym formowanie kształtu Wielkość cząstek proszku dobiera się z uwagi na zakres częstotliwości pracy, wartość przenikalności 59 dr inż. Michał Michna

Materiały kompozytowe 60 dr inż. Michał Michna

Materiały kompozytowe 61 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie miękkie Rodzaj materiału ρ [µωm] Bmax [T] µ dla 50Hz Stal krzemowa 0,5 2,1 3000-5000 Stopy Fe-Ni 0,4 1,5 4000-5500 Zastoso wanie Maszyny 50 60 Hz Maszyny specjalne do 400 Hz Nanokrystaliczne 11,5 1,2 80000 Maszyny Metglas (amorfiki) 13,7 1,56 160000 specjalne do 20kHz Accucore 6,5 1,75 7000 (kompozyty) 62 dr inż. Michał Michna

Powłoki elektroizolacyjne Powłoka C3 (AISI) organiczna odporna na działanie oleju i freonu polepsza wykrawalność blachy odporność temperaturowa 180 C grubość 1,5 µm/stronę. Powłoka typu C4 (AISI) nieorganiczna (fosforan glinu i magnezu) odporna na olej i freon odporność temperaturowa 800 C grubość 1 µm/stronę. 63 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie trwałe 64 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie trwałe Alnico ceramiczne ferryty baru i strontu z domieszkami pierwiastków ziem rzadkich: samorowo-kobaltowe SmCo neodymowe NdFeB 66 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie trwałe SmCo 5 NdFeB ferryt AlNiCo B r [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 67 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie trwałe Material Cost Index Maximum Energy Products (BH)max(MGOe) Coercivit y Hci(KOe) Maximum Working Temperature( C) Machinability Nd-Fe-B(sintered) 65% Up to 45 Up to 30 180 Fair Nd-Fe-B (bonded) 50% Up to 10 Up to 11 150 Good Sm-Co (sintered) 100% Up to 30 Up to 25 350 Difficult Sm-Co (bonded) 85% Up to 12 Up to 10 150 Fair Alnico 30% Up to 10 Up to 2 550 Difficult Hard Ferrite 5% Up to 4 Up to 3 300 Fair Flexible 2% Up to 2 Up to 3 100 Excellent www.stanfordmagnets.com 68 dr inż. Michał Michna

Materiały MT 69 dr inż. Michał Michna

Materiały MT 70 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie trwałe http://www.arnoldmagnetics.com/ 71 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie trwałe Tlenki ziem rzadkich są poddawane procesowi rozdrabniania i rafinacji (oczyszczania) Przygotowywane są kompozyty z materiałów bazowych (metali ziem rzadkich, żelaza, kobaltu) topionych w piecach indukcyjnych w środowisku próżni Bloki (wlewki) kompozytu są rozdrabnianie (szlifowanie lub ścieranie) w atmosferze gazów osłonowych (azotu i argonu) w celu uzyskania proszków o wielkości rzędu kilku mikronów 72 www.shinetsu-rare-earth-magnet.jp dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie trwałe Formowanie magnesów w procesie prasowania w polu magnetycznym Spiekanie przeprowadzanie w próżni lub w atmosferze gazów osłonowych, w różnych temperaturach w zależności od typu magnesu. W tym procesie zwiększa się gęstość magnesów i zmniejsza ich objętość (około 50%) Wyżarzanie - starzenie magnesów w celu poprawienia właściwości magnetycznych i stabilności parametrów Kontrola jakości i parametrów magnesów 73 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie trwałe Obróbka mechaniczna przez szlifowanie magnesów diament Platerowanie Nd-Fe-B magnets are generally susceptible to rust so they are surface treated with nickel or paint. Sm-Co magnets have a high resistance to corrosion so they are not usually plated. Kontrola jakości, pomiary Magnesowanie Pakowanie, wysyłka 74 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie trwałe Parametry magnesów NdFeB prostopadłościennych magnesowanych prostopadle www.shinetsu-rare-earth-magnet.jp 76 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie trwałe Parametry magnesów NdFeB prostopadłościennych magnesowanych równolegle www.shinetsu-rare-earth-magnet.jp 77 dr inż. Michał Michna

Materiały magnetycznie trwałe Parametry magnesów magnesów w kształcie pierścienia 78 www.shinetsu-rare-earth-magnet.jp dr inż. Michał Michna

Dopuszczalne wymiary magnesów trwałych wykonywanych w kształcie pierścienia Materiały magnetycznie trwałe 79 dr inż. Michał Michna

Punkt pracy MT - geometrycznie 80 dr inż. Michał Michna

Punkt pracy MT - analitycznie 81 dr inż. Michał Michna

Punkt pracy MT wpływ temperatury 1.2 1.2 1 B.mT H.m 20 B.mT H.m 40 B.mT H.m 60 B.mT H.m 80 B.M H.m 3mm 1mm 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 110 910 810 710 610 510 410 310 210 110 0 1000000 H.m 0 82 dr inż. Michał Michna

Punkt pracy MT wpływ temperatury B.r 1 B.MT.0 h.m 20 B.MT.0 h.m 40 B.MT.0 h.m 60 B 0.5.MT.0 h.m 80 0 0 210 3 410 3 610 3 810 3 0.01 0.5mm h.m 10mm 83 dr inż. Michał Michna

Punkt pracy MT wpływ temperatury B.r 1 B.MT.x h.m0 20 B.MT.x h.m0 40 B.MT.x h.m0 60 B 0.5.MT.x h.m0 80 0 0 0.1mm.x 110 3 210 3 310 3 3mm 84 dr inż. Michał Michna

Punkt pracy MT wpływ temperatury 1.25 1.25 1 B.MT.0.0 x20 0.75 B.MT.0.0 x40 B.MT.0.0 x60 B.MT.0.0 x80 0.5 0.25 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 x 10 85 dr inż. Michał Michna

Punkt pracy MT wpływ temperatury 0 0 t B.m.0 0.5 t B.m.0 1 t B.m.0 2 t B.m.0 5 t B.m.0 10 10 20 30 40 40 20 40 60 80 20 t 80 86 dr inż. Michał Michna