Projektowanie systemów EM - Politechnika Gdańska · Literatura Dąbrowski M.: Projektowanie...

Projektowanie systemów EM

dr inż. Michał Michna

Rozwój Maszyn Elektrycznych

2012-10-18 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


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


Rozwój maszyn elektrycznych

2012-10-18 dr inż. Michał Michna 5

Maszyny

wysokoobrotowe

Napięcie stałe (DC) 3-faz. napięcie przemienne (AC)

Silnik synchronicznySilnik asynchroniczny/indukcyjny

Silnik prądu stałego

z magnesami trwałymi

Silnik prądu stałego

Silnik bezszczotkowy

prądu stałego


i komutatorem elektronicznym

Kluczowane sekwencyjnie

napięcie stałe (DC)

Silnik o przełączanej reluktancji

z komutatorem elektronicznym

3-faz. napięcie prostokątne

Silnik synchroniczny


Prąd stały (DC)

Prąd stały (DC) 3-faz. napięcie przemienne (AC)

3-faz. napięcie przemienne (AC)Napięcie stałe (DC)

Silnik bezszczotkowy

prądu przemiennego


i komutatorem elektronicznym

3-faz. napięcie przemienne (AC)

3-faz. napięcie przemienne (AC)

Silnik synchroniczny

reluktancyjny


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


Silnik bezszczotkowy z MT

Zalety

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

Wady

Magnesy trwałe są wrażliwe na temperaturę, a tym samym parametry silnika zależą od temperatury

Droższe niż IM i SRM

Wymagają układu zasilnia i sterowania



Zalety

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

Wady

Magnesy trwałe są wrażliwe na temperaturę, a tym samym parametry silnika zależą od temperatury

Droższe niż IM i SRM

Wymagają układu zasilnia i sterowania



Silniki z magnesami trwałymi

Komutatorowe silniki prądu stałego

Silniki bezszczotkowe

Bezszczotkowe silniki prądu stałego

Bezszczotkowe silniki prądu przemiennego

Silniki skokowe

11 dr inż. Michał Michna 2012-10-18



4

3

6

2

43

1

5

6

7

45

17

5

37

17

30

17

57

12

0

57

57

12

0

12

0

R 40R 40R 40

5 5



mocowanie powierzchniowe MT mocowanie zagłębione MT

indukcja w szczelinie mniejsza niż indukcja

remanencji

indukcja w szczelinie może być większa od

indukcji remanencji

prosta konstrukcja silnika konstrukcja stosunkowo złożona

mała moc obwodów twornika duża moc obwodów twornika, droższy

przekształtnik

magnesy nie są zabezpieczone przed

odmagnesowaniem

magnesy są zabezpieczone przed

odmagnesowaniem

mała odporność na działanie sił

odśrodkowych

odporność na działanie sił odśrodkowych

prądy wirowe w magnesach trwałych brak prądów wirowych w magnesach

trwałych

ograniczone możliwości pracy w stanie

odwzbudzenia

możliwość pracy przy osłabionym polu

wzbudzenia

stosunkowo prosta możliwość

kształtowania rozkładu pola w szczelinie

roboczej


dr inż. Michał Michna 15

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 prosta lub złożona,

podatność MT na siły

odśrodkowe

cena niska wysoka

2012-10-18



Melfi, M.J.; Rogers, S.D.; Evon, S.; Martin, B. Permanent Magnet

Motors for Energy Savings in Industrial Applications. PPIC 2008

2012-10-18

A

A’ B

C

B’

C’

A

B

C

D

A’

B’

C’

D’

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


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


Maszyny elektryczne


Moc wewnętrzna



txBxtB

s

m

sin),(

xxtBltxtBts

s

A

0d),(d),()(

p

Dss

2

T

mmPss IEKmdttiteT

mP0

)()(1

Moc czynna

Rozkład indukcji w szczelnie

Strumień sprzężony z uzwojeniem

Współczynnik kształtu mocy

T

mm

P dtI

ti

E

te

TK

0

)()(1

2

M

AVB

B

BkWspółczynniki kształtu pola


mpsiBm BlK )(

swsNkN Współczynnik uzwojenia

t

tNte

d

)(d)(

Napięcie indukowane

Amplituda strumienia

)( psismwsBm lNBKKE Amplituda napięcia

msiswsBm Bp

fNlDKKE ))((2

msisEm Bp

fNlDKE )(

)sin()(

tKE

teE

m


s

rmss

D

NImA

2Okład prądowy – liniowa gęstość prądu

)1( rssrsrs KAAKAAAA

T

m

rms

mI

dttiT

I

I

IK

0

2)(1

ss

s

r

IrmsIm

mN

AD

K

KIKI

21

Okład prądowy stojana i wirnika

Moc wewnętrzna

Współczynniki konstrukcyjne

p

flDABKKK

KP ssmEPI

r

2

1

1

2

Okład prądowy Indukcja w szczelnie

Objętość maszyny Prędkość maszyny


Indukcja w szczelnie


Gęstość liniowa prądu – okład prądowy


Współczynnik wyzyskania maszyny


A

F

mEPI

r

ABKKKK

1

1

ssmEPI

rm

ii lDABKKK

K

ST 2

1

1

2

s

i

D

TF

2

sslDA

Współczynnik wyzyskania maszyny


Materiały magnetyczne

Materiały magnetyczne stosowane w budowie ME


Materiały

Materiały magnetyczne miękkie

Materiały magnetycznie twarde

Materiały przewodowe


http://www.gedcmotorparts.info/ge-ac-motor-wiring

Materiały magnetycznie miękkie



Zastosowanie:

obwód magnetyczny stojana i wirnika

Parametry:

Indukcja nasycenia,

stratność



Cechy

duża indukcja nasycenia

wąska pętla histerezy

duża rezystywność

duża przenikalność magnetyczna

Właściwości

skład stopu i jego czystość

technologia produkcji (np.: walcowanie)

obróbka cieplna (np.: wyżarzanie 1100-1300 st. C przez

ok. 1h)


Pakiet stojana z blach okrągłych

spawany

www.donako.com.pl


Materiały magnetycznie

miękkie

Krystaliczne

0,1mm-10mm

Stale krzemowe

Anizotropowe, Izotropowe

Nisko-krzemowe, Wysokokrzemow

e

Stopy Fe-Ni

permaloj

Stopy Co-Fe

permendur

Stopy nanokrystaliczne

1nm-20nm

Fe, Si, B, Nb

Amorficzne

0-0,5mm

Taśmy szkieł metalicznych

Kompozyty Spieki ferrytowe


Pakiet wirnika zapiekany www.donako.com.pl

amorficzna 0 – 0,5nm

nanokrystaliczna 1nm – 20nm

mikrokrystaliczna 0,1 – 10 mm

krystaliczna (niezorientowana i

zorientowana)


Materiał Stratność

(0,2T 25KHz)

[W/kg]

Indukcja

nasycenia

[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


Materiały

magnetycznie

miękkie

Wpływ usprawnień

technologicznych na

straty całkowite na

jednostkę masy blach

elektrotechnicznych


Stale krzemowe


Zawartość Si

[%]

Bmax

[T]

μmax

[-]

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)

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



Armco DI-MAX nonoriented electrical steels M-27, M-36 and M-43.



Właściwości blach o ziarnie zorientowanym produkcji Stalprodukt S.A.



Właściwości blach izotropowych krzemowych produkcji Stalprodukt S.A.

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

p [W/kg]

60 Hz 0,0035 0,010 0,026 0,045 0,070 0,10 0,14 0,22 0,28

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

Stale amorficzne


Stale krzemowe - nanokrystaliczne

krystalizacja blach amorficznych

mała koercja <1A/m

duża przenikalność magnetyczna

indukcja 1,2T

Vitroperm, Finemet,


Stale krzemowe - nanokrystaliczne


Straty całkowite

stopu nanokrystalicznego Nanoperm (Fe85,6Nb3,3Zr3,3B6,8Cu1)

stopów amorficznych Fe78Si9B13 i Co70,5Fe4,5Si10B15

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


Stale krzemowe - mikrokrystaliczne


Stopy żelaza z niklem Fe-Ni


Nazwa Zawartość

Ni [%] Bmax [T] μmax 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

Stopy żelaza z niklem Fe-Ni


W chwili obecnej materiał

wypierany jest powoli przez

rdzenie z taśmy amorficznej i

nanokrystalicznej

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


zmiany indukcji magnetycznej

w funkcji temperatury przenikalności od natężenia

pola magnetycznego


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



Rodzaj materiału ρ [µΩm] Bmax [T] µ dla

50Hz

Zastoso

wanie

Stal krzemowa 0,5 2,1 3000 -

5000

Maszyny

50 – 60

Hz

Stopy Fe-Ni 0,4 1,5 4000 -

5500

Maszyny

specjalne

do 400

Hz

Nanokrystaliczne 11,5 1,2 80000 Maszyny

specjalne

do 20kHz Metglas (amorfiki) 13,7 1,56 160000

Accucore

(kompozyty)

6,5 1,75 7000

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.

Materiały magnetycznie trwałe




Alnico

ceramiczne

ferryty baru i strontu

z domieszkami

pierwiastków ziem rzadkich:

samorowo-kobaltowe SmCo

neodymowe NdFeB

2012-10-18



SmCo5 NdFeB ferryt AlNiCo

Br [T] 0.85 – 1 1 – 1.41 0.3 – 0.45 1.25

(BH)max [kJ/m3] 145 – 200 200 – 420 20 – 40 50

JHc [kA/m] >1600 1040 - 3000 240 – 320 55

Tmax [ºC] 250 80 – 200 150 – 300 450 - 500

cena 120 €/kg 50 €/kg 15-20 €/kg

2012-10-18



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

2012-10-18

Materiały MT


Materiały MT

dr inż. Michał Michna 70 2012-10-18



http://www.arnoldmagnetics.com/

2012-10-18



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 www.shinetsu-rare-earth-magnet.jp



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



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



www.shinetsu-rare-earth-magnet.jp

Parametry magnesów NdFeB prostopadłościennych magnesowanych

prostopadle



www.shinetsu-rare-earth-magnet.jp

Parametry magnesów NdFeB prostopadłościennych magnesowanych

równolegle


2012-10-18 dr inż. Michał Michna 78 www.shinetsu-rare-earth-magnet.jp

Parametry magnesów magnesów w kształcie pierścienia


dr inż. Michał Michna 79 2012-10-18

Do

puszczaln

e w

ym

iary

magnesó

w

trw

ały

ch w

yko

nyw

an

ych w

kszta

łcie

pie

rście

nia

Punkt pracy MT - geometrycznie


Punkt pracy MT - analitycznie


Punkt pracy MT – wpływ temperatury

1 106

9 105

8 105

7 105

6 105

5 105

4 105

3 105

2 105

1 105

0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.2

0

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

01000000 H.m



2 103

4 103

6 103

8 103

0.01

0

0.5

1

B.r

0

B.MT .0 h.M 20

B.MT .0 h.M 40

B.MT .0 h.M 60

B.MT .0 h.M 80

10mm0.5mm h.M



1 103

2 103

3 103

0

0.5

1

B.r

0

B.MT .x h.M0 20

B.MT .x h.M0 40

B.MT .x h.M0 60

B.MT .x h.M0 80

3mm0.1mm .x



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.25

0

B.MT .0 .0 x 20

B.MT .0 .0 x 40

B.MT .0 .0 x 60

B.MT .0 .0 x 80

100 x



20 40 60 8040

30

20

10

0

0

40

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 t

8020 t


Projektowanie systemów EM - Politechnika Gdańska · Literatura Dąbrowski M.: Projektowanie...

Documents

Transcript of Projektowanie systemów EM - Politechnika Gdańska · Literatura Dąbrowski M.: Projektowanie...