PULSACJE MOMENTU ELEKTROMAGNETYCZNEGO W SILNIKACH SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM

Podobne dokumenty
WPŁYW ROZMIESZCZENIA MAGNESÓW NA WŁAŚCIWOŚCI EKSPOATACYJNE SILNIKA TYPU LSPMSM

WPŁYW OSADZENIA MAGNESU NA PARAMETRY SILNIKA MAGNETOELEKTRYCZNEGO O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

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

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

KSZTAŁTOWANIE POLA MAGNETYCZNEGO W DWUBIEGOWYCH SILNIKACH SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

POLOWO - OBWODOWY MODEL BEZSZCZOTKOWEJ WZBUDNICY GENERATORA SYNCHRONICZNEGO

WPŁYW KSZTAŁTU SZCZELINY POWIETRZNEJ NA WŁAŚCIWOŚCI SILNIKA SYNCHRONICZNEGO WZBUDZANEGO MAGNESAMI TRWAŁYMI

POLOWO-OBWODOWY MODEL DWUBIEGOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO

WYKORZYSTANIE EFEKTU WYPIERANIA PRĄDU W ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM MASZYN WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

ZASTOSOWANIE SKOSU STOJANA W JEDNOFAZOWYM SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

POLOWO OBWODOWY MODEL DWUBIEGOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO WERYFIKACJA POMIAROWA

OBLICZENIOWE BADANIE ZJAWISK WYWOŁANYCH USZKODZENIEM KLATKI WIRNIKA

SILNIK SYNCHRONICZNY ŚREDNIEJ MOCY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ZASILANY Z FALOWNIKA

MOMENT ORAZ SIŁY POCHODZENIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO W DWUBIEGOWYM SILNIKU SYNCHRONICZNYM

WPŁYW KLINÓW MAGNETYCZNYCH NA WŁAŚCIWOŚCI ROZRUCHOWE SILNIKA INDUKCYJNEGO

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

PRZEGLĄD KONSTRUKCJI JEDNOFAZOWYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

ROZRUCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 80/

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

ANALIZA STRUKTUR MAGNETOELEKTRYCZNYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH O ROZRUCHU CZĘSTOTLIWOŚCIOWYM. OBLICZENIA

CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE SILNIKA INDUKCYJNEGO DUŻEJ MOCY Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

ZJAWISKA W OBWODACH TŁUMIĄCYCH PODCZAS ZAKŁÓCEŃ PRACY TURBOGENERATORA

ROZRUCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH DUŻEJ MOCY PRZY CZĘŚCIOWYM ZASILANIU UZWOJENIA STOJANA

DWUKIERUNKOWY JEDNOFAZOWY SILNIK SYNCHRONICZNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

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

DRGANIA ORAZ SIŁY POCHODZENIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO W DWUBIEGOWYCH SILNIKACH SYNCHRONICZNYCH DUŻEJ MOCY

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

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

WPŁYW SZEROKOŚCI OTWARCIA ŻŁOBKÓW NA STATYCZNE I DYNAMICZNE CHARAKTERYSTYKI SILNIKA INDUKCYJNEGO MAŁEJ MOCY

WIELOFAZOWE UZWOJENIA SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

Ćwiczenie: "Silnik indukcyjny"

MODEL POLOWO-OBWODOWY SILNIKA INDUKCYJNEGO ZE ZWARCIAMI ZWOJOWYMI

ANALIZA PORÓWNAWCZA SILNIKÓW LSPMSM TYPU U ORAZ W.

TECHNOLOGICZNE I EKSPLOATACYJNE SKUTKI ZMIAN KSZTAŁTU PRĘTA KLATKI SILNIKA INDUKCYJNEGO DUŻEJ MOCY

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

SYNCHRONIZACJA SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH. WYBÓR CHWILI ZAŁĄCZENIA PRĄDU WZBUDZENIA

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

2. Struktura programu MotorSolve. Paweł Witczak, Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych PŁ

ANALIZA BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA PRĄDU STAŁEGO Z MAGNESAMI NdFeB

SILNIK SYNCHRONICZNY WZBUDZANY MAGNESAMI TRWAŁYMI W NAPĘDZIE MŁYNA KULOWEGO

Silniki synchroniczne

ZASTOSOWANIE METODY ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH DO WYZNACZANIA PARAMETRÓW ELEKTROMAGNETYCZNYCH SILNIKA PMSM

GĘSTOŚĆ PRĄDU W PRĘTACH USZKODZONEJ KLATKI WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO

ŁAGODNA SYNCHRONIZACJA SILNIKA SYNCHRONICZNEGO DUŻEJ MOCY Z PRĘDKOŚCI NADSYNCHRONICZNEJ

NOWA SERIA WYSOKOSPRAWNYCH DWUBIEGUNOWYCH GENERATORÓW SYNCHRONICZNYCH WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

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

WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNE SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH Z ROZRUCHEM ASYNCHRONICZNYM PRZY STEROWANIU CZĘSTOTLIWOŚCIOWYM

Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2019 (122) 111

TRÓJWYMIAROWA ANALIZA POLA MAGNETYCZNEGO W KOMUTATOROWYM SILNIKU PRĄDU STAŁEGO

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

Silniki prądu przemiennego

ENERGOOSZCZĘDNE SILNIKI SYNCHRONICZNE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

Silnik indukcyjny - historia

SILNIK SYNCHRONICZNY WZBUDZANY MAGNESAMI TRWAŁYMI W NAPĘDZIE POMPY DUŻEJ MOCY

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

JEDNOFAZOWY SILNIK SYNCHRONICZNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI. KONSTRUKCJA I PARAMETRY

Wykład 2 Silniki indukcyjne asynchroniczne

ANALIZA WPŁYWU LICZBY I ROZMIESZCZENIA PRĘTÓW UZWOJENIA ROZRUCHOWEGO NA WYBRANE PARAMETRY FUNKCJONALNE SILNIKA SYNCHRONICZNEGO MAGNETOELEKTRYCZNEGO

PRACA RÓWNOLEGŁA PRĄDNIC SYNCHRONICZNYCH WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

Silniki prądu stałego z komutacją bezstykową (elektroniczną)

SILNIK RELUKTANCYJNY PRZEŁĄCZALNY PRZEZNACZONY DO NAPĘDU MAŁEGO MOBILNEGO POJAZDU ELEKTRYCZNEGO

MODELOWANIE SILNIKA KOMUTATOROWEGO O MAGNESACH TRWAŁYCH ZASILANEGO Z PRZEKSZTAŁTNIKA IMPULSOWEGO

LABORATORIUM PRZETWORNIKÓW ELEKTROMECHANICZNYCH

ZWARCIE POMIAROWE JAKO METODA WYKRYWANIA USZKODZEŃ KLATKI WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO

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

SILNIK BEZSZCZOTKOWY O WIRNIKU KUBKOWYM

ANALIZA WPŁYWU WYMIARÓW I KSZTAŁTU MAGNESÓW TRWAŁYCH NA MOMENT ELEKTROMAGNETYCZNY BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA PRĄDU STAŁEGO

WPŁYW PARAMETRÓW UKŁADU NAPĘDOWEGO NA SKUTECZNOŚĆ SYNCHRONIZACJI SILNIKA DWUBIEGOWEGO

ANALIZA WPŁYWU NIESYMETRII OBWODU MAGNETYCZNEGO WIRNIKA NA PARAMETRY ROZRUCHOWE 6-BIEGUNOWEGO SILNIKA MAGNETOELEKTRYCZNEGO SYNCHRONICZNEGO

Prace Naukowe Instytutu Maszyn i Napędów Elektrycznych Nr 44 Politechniki Wrocławskiej Nr 44

PORÓWNANIE JEDNOFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO I JEDNOFAZOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI. BADANIA EKSPERYMENTALNE

BADANIA EKSPERYMENTALNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

PRĄDNICA TRÓJFAZOWA MAŁEJ MOCY WZBUDZANA MAGNESAMI TRWAŁYMI

TECHNOLOGIA MONTAŻU MAGNESÓW TRWAŁYCH W WIRNIKU SILNIKA SYNCHRONICZNEGO DUŻEJ MOCY

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

Projekt silnika bezszczotkowego z magnesami trwałymi

SILNIK SYNCHRONICZNY WZBUDZANY MAGNESAMI TRWAŁYMI W NAPĘDZIE WENTYLATORA DUŻEJ MOCY

Sposób analizy zjawisk i właściwości ruchowych maszyn synchronicznych zależą od dwóch czynników:

WERYFIKACJA METOD OBLICZENIOWYCH SILNIKÓW TARCZOWYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

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

SILNIK ELEKTRYCZNY O WZBUDZENIU HYBRYDOWYM

- kompensator synchroniczny, to właściwie silnik synchroniczny biegnący jałowo (rys.7.41) i odpowiednio wzbudzony;

SAMOCZYNNA SYNCHRONIZACJA SILNIKÓW LSPMSM

SPOSÓB MINIMALIZACJI MOMENTU ZACZEPOWEGO W WIELOBIEGUNOWEJ MASZYNIE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

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

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

Energooszczędny napęd młyna kulowego

WYKORZYSTANIE OPROGRAMOWANIA MAXWELL DO OPTYMALIZACJI KONSTRUKCJI OBWODU ELEKTROMAGNETYCZNEGO SILNIKÓW TARCZOWYCH

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

KOMPENSACJA MOCY BIERNEJ SILNIKIEM SYNCHRONICZNYM, DWUBIEGOWYM, O UŁAMKOWYM STOSUNKU PRĘDKOŚCI

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

MODELOWANIE SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O UZWOJENIACH SKUPIONYCH

ANALIZA PORÓWNAWCZA WYBRANYCH MODELI SILNIKÓW TARCZOWYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

ANALIZA SILNIKA SYNCHRONICZNEGO O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM I MAGNESACH W WIRNIKU ROZŁOŻONYCH W KSZTAŁCIE LITERY U

DWUBIEGOWY SILNIK SYNCHRONICZNY SYNCHRONIZOWANY NAPIĘCIEM ZMIENNYM

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

Oddziaływanie wirnika

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

Transkrypt:

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 63 Politechniki Wrocławskiej Nr 63 Studia i Materiały Nr 29 29 Tomasz ZAWILAK*, Ludwik ANTAL* silnik synchroniczny, magnesy trwałe, rozruch bezpośredni, pulsacje momentu, modelowanie polowo-obwodowe PULSACJE MOMENTU ELEKTROMAGNETYCZNEGO W SILNIKACH SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM Na drodze obliczeń polowo-obwodowych zbadano zagadnienie pulsacji momentu elektromagnetycznego w silnikach synchronicznych o rozruchu bezpośrednim wzbudzanych magnesami trwałymi. Wykazano, że największy wpływ na powstawanie pulsacji momentu mają harmoniczne żłobkowe stojana i wirnika oraz wyższe harmoniczne niskiego rzędu. Zaproponowano nową konstrukcję wirnika z niecałkowitą liczbą prętów klatki rozruchowej na biegun, przez co uzyskano znaczne zmniejszenie amplitudy harmonicznych żłobkowych oraz pulsacji momentu elektromagnetycznego. Porównano charakterystyki momentu zaczepowego oraz momentu elektromagnetycznego dla nowej i konwencjonalnej konstrukcji wirnika badanego silnika. 1. WSTĘP Pulsacje momentu elektromagnetycznego są niekorzystnym zjawiskiem występującym we wszystkich typach maszyn elektrycznych. Ich konsekwencjami są zwiększone drgania oraz hałas. W maszynach zasilanych bezpośrednio z sieci trójfazowej ograniczenie pulsacji momentu może się odbywać tylko przez zmodyfikowanie konstrukcji. Modyfikacje mają zwykle na celu ograniczenie wyższych harmonicznych indukcji, które są głównym źródłem pulsacji momentu elektromagnetycznego. Dla maszyn indukcyjnych największe znaczenie mają harmoniczne żłobkowe. Skutecznym środkiem zmniejszającym harmoniczne żłobkowe jest zastosowanie skośnych żłobków wirnika. W maszynach synchronicznych z magnesami trwałymi przystosowanych do bezpośredniego zasilania z sieci (z ang. LSPMSM) skos żłobków wirnika nie jest stosowany ze względu na trudności przy wytwarzaniu magnesów o skomplikowanych kształtach. * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 5-372 Wrocław ul. Smoluchowskiego 19, tomasz.zawilak@pwr.wroc.pl,, ludwik.antal@pwr.wroc.pl

117 Istnieje możliwość zastosowania skośnych żłobków stojana. Rozwiązanie takie jednak utrudnia proces automatycznego uzwajania stojana. W silnikach typu LSPMSM oprócz harmonicznych żłobkowych również harmoniczne smm niskiego rzędu (głównie piąta i siódma) mają znacznie większe amplitudy w porównaniu do silników indukcyjnych. Wynika to z prostokątnego rozkładu siły magnetomotorycznej wytwarzanej przez magnesy trwałe. Z tego powodu pulsacje momentu elektromagnetycznego w silnikach z magnesami trwałymi są większe niż w silnikach indukcyjnych. Celem niniejszej pracy jest analiza możliwości ograniczania pulsacji momentu elektromagnetycznego w silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi oraz z rozruchem bezpośrednim (LSPMSM) wykonana przy pomocy obliczeń polowoobwodowych. 2. HARMONICZNE MOMENTU TRÓJFAZOWEJ MASZYNY PRĄDU PRZEMIENNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI Moment elektromagnetyczny maszyny synchronicznej wzbudzanej magnesami trwałymi można podzielić na dwie składowe: m = m w + m z (1) gdzie: m z moment zaczepowy, który jest wynikiem współdziałania strumienia magnetycznego wirnika oraz kątowej zmiany reluktancji stojana, m w moment wewnętrzny (wzajemny), który jest wynikiem współdziałania strumienia wirnika oraz siły magnetomotorycznej stojana. Moment wewnętrzny maszyny trójfazowej w funkcji czasu można wyznaczyć za pomocą bilansu energetycznego przez porównanie mocy mechanicznej oraz mocy wewnętrznej maszyny: m w ( t) = 3 j= 1 e ( t) i gdzie: m w, moment elektromagnetyczny, i j prąd fazy j, e j siła elektromotoryczna fazy j, ω prędkość kątowa W maszynie elektrycznej o sinusoidalnych przebiegach indukcji magnetycznej, napięć i prądów, moment elektromagnetyczny jest stały w czasie. Pulsacje momentu elektromagnetycznego wywołują odkształcone od sinusoidy czasowe przebiegi napięcia i prądu. Moment elektromagnetyczny wywołany szeregiem n harmonicznych napięć i k harmonicznych prądów można zapisać w postaci j ω j ( t) (2)

118 1 me ( t) = ω n= 1 E n sin( nωt + ϕ ) n k = 1 I k sin( kωt + ϕ ) Określone harmoniczne napięć i prądów wywołują określone harmoniczne momentu. Wyniki tych oddziaływań zestawiono w tabeli 1. k (3) Tabela 1. Momenty harmoniczne wywołane napięciami rzędu (n) oraz prądami rzędu (k) Table 1. Torque harmonics depanding on back emf (n) and current (k) harmonics k\n 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 1 6 6 12 12 18 18 24 24 3 5 6 12 6 18 12 24 18 3 7 6 12 18 6 24 12 3 18 9 11 12 6 18 24 6 3 12 36 13 12 18 6 24 3 6 36 12 15 17 18 12 24 6 3 36 6 42 19 18 24 12 3 6 36 42 6 21 23 24 18 3 12 36 6 42 48 25 24 3 18 36 12 42 6 48 Analiza wyników zawartych w tabeli 1 pozwala stwierdzić, że: harmoniczne sem oraz harmoniczne prądu takiego samego rzędu n=k wytwarzają moment stały w czasie (harmoniczna rzędu ), pierwsza harmoniczna sem oraz pierwsza harmoniczna prądu wytwarza moment użyteczny dodatni. Wyższe harmoniczne tych samych rzędów generują momenty hamujące, harmoniczne sem podzielne przez 3 nie generują żadnych składowych momentu, harmoniczne n sem i prądu k różnych rzędów (n k) wytwarzają momenty przemienne w czasie, których średnia wartość za okres podstawowej harmonicznej równa jest zeru. Największe pulsacje momentu są wynikiem oddziaływania harmonicznych n napięć oraz k prądów z podstawową harmoniczną odpowiednio prądu lub napięcia.

119 3. PULSACJE MOMENTU SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM 3.1. POLOWO-OBWODOWY MODEL BADANEGO SILNIKA Do analizy wybrano silnik synchroniczny wzbudzany magnesami trwałymi przystosowany do bezpośredniego zasilania z sieci, a obliczenia wykonano za pomocą dwuwymiarowego modelu polowo-obwodowego, w którym wykorzystano komercyjny program Maxwell 2D firmy Ansoft. Fragment siatki dysktretyzacyjnej składającej się z ok. 3 tys. trójkątnych elementów drugiego rzędu przedstawiono na rysunku 1. W części polowej uwzględniono czasową zmienność prądów, nieliniowość magnetowodu oraz ruch wirnika. W każdym kroku czasowym obliczeń obwodowych rozwiązywane są równania z uwzględnieniem napięć indukowanych w uzwojeniach wyznaczonych w rozwiązaniu polowym. Ze względu na zastosowanie modelu dwuwymiarowego parametry połączeń czołowych uzwojenia stojana oraz pierścienia zwierającego klatki wirnika, wyznaczono z zależności konstrukcyjnych [2]. Geometrię części polowej oraz schemat elektryczny części obwodowej pokazano na rysunku 2. Rys. 1. Fragment siatki dyskretyzacyjnej modelu polowego Fig. 1. Finite element mesh Do budowy modelu obliczeniowego wykorzystano geometrię silnika indukcyjnego [1], który w stojanie ma klasyczne trójfazowe uzwojenie umieszczone w 48 żłobkach.

12 Modyfikacja tego silnika polega na wprowadzeniu do wirnika magnesów trwałych (typu NdFeB) oraz nieznacznym zmniejszeniu przekroju dolnej części żłobków. Podstawowe dane znamionowe silnika indukcyjnego oraz silnika zmodyfikowanego z magnesami trwałymi zestawiono w tabeli 2. Tabela 2. Dane znamionowe silnika indukcyjnego oraz zmodernizowanego silnika z magnesami trwałymi Table 2. Ratings of tested LSPMSM and original induction motor silnik indukcyjny synchroniczny. moc P n kw 18,5 2,5 prędkość obr. n n obr/min 145 15 moment obr M n Nm 121 133 napięcie U n V 38 38 prąd. I n A 37 37 wsp. mocy cosϕ n -,91,95 ind. W celu sprawdzenia poprawności opracowanego modelu wykonano obliczenia dla wybranych stanów pracy maszyny. Obliczono rozruch silnika nieobciążonego oraz następujące po nim skokowe załączenie obciążenia o wartości 12 Nm. Wyniki tych symulacji w postaci przebiegów czasowych momentu elektromagnetycznego, prędkości obrotowej oraz prądów fazowych pokazano na rysunku 2. Na rysunku 3 pokazano rozkład linii pola magnetycznego podczas biegu jałowego (a) oraz obciążenia (b) silnika. Wykorzystując opracowany polowo-obwodowy model badanego silnika wykonano obliczenia momentu elektromagnetycznego dla dwóch stanów pracy: bezprądowego oraz obciążenia znamionowego. W stanie bezprądowym wyznaczono moment zaczepowy silnika dobierając krok czasowy w taki sposób, by wartość momentu wyznaczyć w 4 pkt. podziałki żłobkowej. Ze względu na wymaganą dokładność obliczeń momentu elektromagnetycznego w obliczeniach przyjęto krok czasowy równy Δt = 8*1 5 s, co pozwala na wyznaczenie 25 pkt w jednym okresie napięcia zasilającego. W obliczeniach tych założono moment obciążenia Mo = 12 Nm. Analizie poddano dwa modele silników różniące się przyjętą liczbą oraz rozmieszczeniem żłobków wirnika.

121 a) 8 Moment [Nm] 4-4 -8 obciążenie czas [s],5,1,15,2,25,3,35,4 b) Prędkość [obr/min] Prąd [A] 16 12 8 4-4 4 3 2 1-1 -2-3 -4 obciążenie czas [s],5,1,15,2,25,3,35,4 c) obciążenie czas [s],5,1,15,2,25,3,35,4 Rys. 2. Czasowe wykresy momentu (a), prędkości obrotowej (b) oraz prądów stojana (c) w czasie rozruchu oraz skokowego obciążenia silnika. Fig. 2. Transients of torque (a), speed (b) and stator current (c) during start up and step change of motor load

122 a) b) Rys. 3. Rozkład linii pola magnetycznego w stanie biegu jałowego (a) oraz obciążenia (b) badanego silnika. Fig. 3. Flux pattern at no load (a) and full load (b). 3.2. MODEL A 4 ŻŁOBKÓW W WIRNIKU W obliczeniach modelu A silnika przyjęto taką samą jak w silniku indukcyjnym liczbę żłobków wirnika i takie samo ich rozmieszczenie. Ze względu na wymiary magnesów trwałych zmniejszono jedynie nieznacznie wymiar dolnej części żłobków. W strefie przyszczelinowej kształt magnetowodu jest taki sam jak w silniku indukcyjnym. Wyniki obliczeń zależności kątowej momentu zaczepowego, przebiegów czasowych sem, prądu, momentu elektromagnetycznego w stanie obciążenia oraz ich analizę harmoniczną przedstawiono na rysunkach 4, 5 i 6. Moment zaczepowy [Nm] 8 6 4 2-2 -4-6 -8 2 4 6 8 1 12 14 kąt [deg] Rys. 4. Kątowa zależność momentu zaczepowego modelu A Fig. 4. Cogging torque versus rotor positions (model A)

123 a) sem [V 4 3 2 1-1 -2-3 -4 sem prąd 6 4-2 -4 czas [s] -6,5,1,15,2 2 Prąd [A] b) sem [V 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 291 1 3 5 7 9 111315171921232527293133 3537394143 454749 rząd harmonicznej c) 5 45 4 Prąd [A 3 2 1 1 3 5 7 9 1113151719 212325272931333537394143454749 rząd harmonicznej Rys. 5. Czasowe przebiegi sem i prądu (a) oraz ich analiza harmoniczna (b), (c) w stanie obciążenia (model A) Fig. 5. Transients of back EMF and phase current (a) and their harmonics (b) and (c) at full load (model A)

124 a) Moment [N*m 14 12 1 8 6 4 2 czas [s],5,1,15,2 Moment [N*m b) 14 12 1 8 6 4 12 2 2 4 6 8 11214161822224262833234 3638442 4446485 rząd harmonicznej Rys. 6. Czasowy przebieg momentu elektromagnetycznego (a) oraz jego wyższe harmoniczne w stanie obciążenia (b) (model A) Fig. 6. Transient of torque (a) and its harmonics at full load (b) (model A) Jak wynika z obliczeń (rys. 6) największe wartości przyjmują kolejno harmoniczne 24, 18 oraz 6 momentu elektromagnetycznego. Na podstawie zestawienia z tabeli 1 można wskazać harmoniczne sem oraz harmoniczne prądów odpowiedzialne za wytworzenie tych momentów. I tak harmoniczna rzędu 24 jest wynikiem oddziaływania 23. i 25. harmonicznej siły elektromotorycznej z 1. harmoniczną prądu oraz analogicznie 23. oraz 25. harmonicznej prądu z 1 harmoniczną siły elektromotorycznej. Łatwo można pokazać, że 23 i 25 to harmoniczne żłobkowe stojana opisane zależnością:

125 ν ż = Ż / p ± 1 (4) dla Ż = 48, p = 2 Podobnie 18 harmoniczna momentu (tab. 1) może być wynikiem oddziaływania 17 lub 19 harmonicznej sem z 1 harmoniczną prądu oraz 17 lub 19 harmonicznej prądu z 1 harmoniczną sem. Z analizy harmonicznych sem oraz prądu (rys.6.) wynika, że 19 harmoniczna jest znacznie większa od 17, zatem to ona głównie powoduje wytworzenie 18 harmonicznej momentu. 19 harmoniczna to jedna z harmonicznych żłobkowych wirnika (z (4) dla Ż 2 = 4, p = 2 ν ż2 = 19 oraz ν ż2 = 21). Rząd 21 harmonicznej jest podzielny przez 3, więc mimo znacznej amplitudy tej harmonicznej w sem, nie występuje ona w przebiegu prądu (rys. 6c). 6 harmoniczna momentu jest wynikiem oddziaływania 5 i 1 harmonicznej sem odpowiednio z 1 i 5 harmoniczną prądu. 3.3. MODEL B 38 ŻŁOBKÓW W WIRNIKU Głównym źródłem wyższych harmonicznych momentu są harmoniczne żłobkowe stojana oraz wirnika. Podstawową metodą ograniczania harmonicznych żłobkowych jest zastosowanie odpowiedniego skosu żłobków na długości maszyny. W maszynach synchronicznych z magnesami trwałymi praktycznie możliwy jest jedynie skos żłobków stojana, co komplikuje proces automatycznego wykonania uzwojenia. Momenty harmoniczne zmniejszać można również przez zastosowanie zamkniętych żłobków wirnika oraz powiększenie szczeliny powietrznej. Oba sposoby pogarszają właściwości rozruchowe silnika, ponieważ zmniejszają sprzężenie magnetycznie w stanie asynchronicznym. Ponadto powiększanie szczeliny powietrznej wymaga zastosowania magnesów o większej smm, co zwiększa koszty wykonania silnika. W literaturze znane są zalecenia korelacji liczb żłobków stojana i wirnika, przy czym przyjmuje się, że żłobki i magnesy rozmieszczone są równomiernie na obwodzie maszyny [3, 4, 5]. W proponowanym rozwiązaniu liczba żłobków przypadająca na biegun w wirniku jest ułamkowa. Przestrzenie międzybiegunowe zawierają różną liczbę żłobków (2 i 3 na rysunku 7). Dobrana w ten sposób liczba żłobków wywołuje harmoniczne żłobkowe parzyste, dla których współczynnik uzwojenia stojana równy jest zero. Zalecana liczba żłobków wirnika przypadająca na parę biegunów, określona zależnością Ż 2 /p = 2n ± 1 (5) powinna być nieparzysta. Przy zastosowaniu magnesów o jednakowej szerokości konstrukcja ta wymaga nierównomiernego ich rozmieszczenia na obwodzie, co nie stanowi istotnego problemu technologicznego.

126 Przykład silnika z niecałkowitą liczbą żłobków wirnika na biegun pokazano na rysunku 8. W rozwiązaniu tym przestrzenie międzybiegunowe są różnej wielkości. Dla wybranej konstrukcji o 38 żłobkach wirnika harmoniczne żłobkowe wirnika mają odpowiednio rząd ν ż2 = 18 oraz ν ż2 = 2 czyli są parzyste. Wykorzystując model polowo-obwodowy wykonano analogiczne jak dla modelu A obliczenia charakterystyk, które pokazano na rysunkach 8, 9 i 1. Rys. 7. Przekrój poprzeczny silnika z ułamkową liczbą żłobków wirnika na biegun. Fig. 7. Cross-section of motor with fractional rotor slots number per pole Moment zaczepowy [Nm] 4 3 2 1-1 -2-3 -4 2 4 6 8 1 12 14 kąt [deg] Rys. 8. Przebieg momentu zaczepowego w funkcji położenia wirnika modelu B silnika Fig. 8. Cogging torque versus rotor positions (model B)

127 a) sem [V 4 3 2 1-1 -2-3 -4 sem prąd 6 4 2-2 -4 czas [s] -6,5,1,15,2 Prąd [A] b) 1 291 8 sem [V 6 4 2 1 3 5 7 9 1113 15171921 23252729313335 37394143 454749 rząd harmonicznej c) 5 44,83 4 Prad [A 3 2 1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 2325 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 rząd harmonicznej Rys. 9. Czasowy wykres sem i prądu (a) oraz ich analiza harmoniczna (b) i (c) w stanie obciążenia dla modelu B Fig. 9. Transients of back EMF and phase current (a) and their harmonics (b) and (c) at full load (model B)

128 a) Moment [N*m 14 12 1 8 6 4 2 czas [s],5,1,15,2 b) Moment [N*m 14 12 1 8 6 4 2 12 2 4 6 8 11214 16182 22242628 3323436384424446485 rząd harmonicznej Rys. 1. Czasowy wykres momentu elektromagnetycznego (a) oraz jego analiza harmoniczna (b) w stanie obciążenia dla modelu B silnika. Fig. 1. Transient of torque (a) and its harmonics (b) at full load (model B) 3.4. PORÓWNANIE WYNIKÓW OBLICZEŃ BADANYCH SILNIKÓW W tabeli 3 zestawiono wyniki obliczeń amplitud harmonicznych momentów dla modelu A i modelu B badanych silników. Z prezentowanych tam wartości wynika, że w wyniku zastosowania ułamkowej liczby żłobków na biegun, harmoniczne momentu związane z harmonicznymi żłobkowymi pola zostały istotnie zmniejszone tzn. 18 harmoniczna momentu zmalała trzynastokrotnie, a 24 harmoniczna niemal pięciokrotnie.

129 Zmiana liczby żłobków spowodowała zmianę zarówno kształtu jak i amplitudy charakterystyki kątowej momentu zaczepowego (rysunki 4 i 8). Należy zauważyć, że w silnikach z magnesami umieszczonymi wewnątrz wirnika moment zaczepowy jest mniejszy niż w silnikach z magnesami mocowanymi na powierzchni wirnika i nie ma tak dużego wpływu na pulsacje momentu. W silniku typu B harmoniczne prądu mają znacznie mniejsze amplitudy niż w silniku typu A (rysunki 5 i 9). Tabela 3. Zestawienie harmonicznych momentu elektromagnetycznego dla modelu A i B badanych silników Table 3. Ratings of tested LSPMSM and original induction motor Rząd harmonicznej Model A Model B ν m M ν / M ν *1 M ν / M ν *1 % % 1 1 6 5,3 5,25 12,4,6 18 6,2,46 24 8,9 1,9 3,25,37 36,25,33 42,47,39 48,58,66 4. WNIOSKI Zaproponowana konstrukcja wirnika silnika synchronicznego z magnesami trwałymi polegająca na nierównomiernym rozmieszczeniu magnesów oraz przyjęciu w wirniku ułamkowej liczby żłobków przypadających na biegun pozwala na znaczne ograniczenie harmonicznych żłobkowych oraz zmniejszenie pulsacji momentu wywołanych tymi harmonicznymi. LITERATURA [1] CEDRAT, End winding characterisation with Flux3d, July 22, http://www.cedrat.com [2] DUBICKI B., Maszyny Elektryczne III, silniki indukcyjne, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1964.

13 [3] KNIGHT A.M., MCCLAY I.C., The design of high efficiency line start motors. IEEE Trans. Ind. Applicat. Vol. 36, No. 6, 2, pp. 1555 1562. [4] KURIHARA K., RAHMAN M.A., High efficiency Line-start interior permanent magnet synchronous motor. IEEE Trans. Ind. Applicat. Vol. 4, No. 3, 24, pp. 789 796. [5] LIBERT F., SOULARD J., ENGSTROM J., Design of a 4-pole line start permanent magnet synchronous motor, ICEM 22 Proceedings. Brugge, Belgium Aug. 25 28 22, paper No. 153. TORQUE PULSATIONS IN LINE START PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTORS This paper presents some aspects of electromagnetic torque ripples in line start permanent magnet synchronous motor (LSPMSM). Higher harmonics of flux density are usually higher in LSPMSM than in induction motor. It is caused by unskewed rotor slots and rectangular distribution of rotor magnetomotive force. To examine torque ripples in LSPMSM time stepping finite element model was built. There are shown calculation results such as cogging torque and transients of electromagnetic torque, back EMF and current at full load. Torque harmonic analysis (fig. 7.) proves that harmonics of order 24, 18 and 6 have the highest amplitude. According to table 1 and equation (4) harmonics 24 and 18 are caused by stator and rotor slot harmonics. Torque harmonic of order 6 is directly connected with 5 flux density harmonic. An idea based on fractional number of cage bar per rotor pole is presented. Simulation results confirm assumptions that such a solution causes slot harmonics decrease. Torque harmonics of order 18 and 24 are several times lower (table 3.) comparing to the primary model. Unfortunately torque harmonic of 6 order remains high but it can be reduced by using short pitch windings.