Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi - Strona główna silnika z... · Opis budowy silników...
of 50
/50
Embed Size (px)
Transcript of Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi - Strona główna silnika z... · Opis budowy silników...
POLITECHNIKA GDASKA
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
Projekt silnika bezszczotkowego z magnesami trwaymi
dr in. Micha Michna
2011-10-19
Opis budowy silnikw z magnesami trwaymi. Przykady oblicze projektowych silnika be szczotkowego z magnesami trwaymi.
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
2
1 Spis treci 1 Spis treci ........................................................................................................................................ 2
2 Silniki bezszczotkowe z magnesami trwaymi ................................................................................ 4
2.1 Budowa silnikw bezszczotkowych z magnesami trwaymi .................................................... 7
2.2 Ksztatowania rozkadu pola wzbudzonego magnesami trwaymi ......................................... 8
3 Materiay....................................................................................................................................... 12
3.1 Materiay magnetyczne mikkie ........................................................................................... 12
3.2 Materiay przewodowe ......................................................................................................... 13
3.3 Materiay magnetyczne twarde ............................................................................................ 14
3.4 Punkt pracy magnesw trwaych .......................................................................................... 17
4 Projektowanie maszyn elektrycznych wiadomoci oglne ........................................................ 24
4.1 Procedura projektowania silnikw ........................................................................................ 24
4.2 Parametry wejciowe ............................................................................................................ 26
4.3 Moc wewntrzna maszyny .................................................................................................... 27
4.4 Struktura ................................................................................................................................ 29
5 Projekt sinika z magnesami trwaymi nowa konstrukcja ........................................................... 30
5.1 Dane wejciowe ..................................................................................................................... 30
5.2 Dobr wymiarw gwnych silnika ....................................................................................... 30
5.3 Dobr wysokoci szczeliny powietrznej ................................................................................ 32
5.4 Dobr wysokoci magnesw trwaych .................................................................................. 32
6 Projekt silnika z magnesami trwaymi - adaptacja ....................................................................... 33
6.1 Dane wejciowe do oblicze ................................................................................................. 33
6.2 Parametry magnesw trwaych............................................................................................. 34
6.3 Szczelina powietrzna ............................................................................................................. 34
6.4 Wysoko magnesw trwaych ............................................................................................. 35
6.5 Wysoko jarzma wirnika ...................................................................................................... 36
6.6 Sprawdzenie .......................................................................................................................... 37
7 Projekt uzwojenia twornika .......................................................................................................... 38
7.1 Rodzaje uzwoje silnikw prdu przemiennego ................................................................... 38
7.2 Podstawowe zaoenia dotyczce budowy uzwojenia twornika .......................................... 38
7.2.1 Liczba faz........................................................................................................................ 39
7.2.2 Liczba obkw i biegunw ............................................................................................ 39
7.3 Wspczynnik uzwojenia ....................................................................................................... 40
7.3.1 Wspczynnik skrtu cewki ........................................................................................... 40
7.3.2 Wspczynnik grupy cewki ............................................................................................ 41
7.3.3 Wspczynnik uzwojenia ............................................................................................... 41
7.4 Liczba zwojw szeregowych .................................................................................................. 41
7.5 Drut nawojowy ...................................................................................................................... 41
8 Wymiary obwodu magnetycznego stojana .................................................................................. 44
8.1 Wysoko jarzma stojana ...................................................................................................... 44
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
3
8.2 Szeroko zba stojana .......................................................................................................... 44
8.3 Wymiary obka stojana ........................................................................................................ 44
8.4 rednica zewntrzna stojana ................................................................................................. 46
9 Model geometryczny silnika w programie Inventor ..................................................................... 47
10 Parametry silnika bezszczotkowego z magnesami trwaymi ........................................................ 48
11 Literatura ...................................................................................................................................... 49
12 Zaczniki....................................................................................................................................... 50
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
4
2 Silniki bezszczotkowe z magnesami trwaymi Rozwj maszyn elektrycznych jest cile zwizany z rozwojem inynierii materiaowej jak rwnie
przyrzdw pprzewodnikowych mocy (MOSFET, IGBT) i mikroprocesorw stanowicych
podstawowe elementy wspczesnych ukadw energoelektronicznych do przetwarzania i sterowania
mocy elektrycznej. Zastosowanie magnesw trwaych (MT) o duych gstociach energii pozwala
budowa maszyny elektryczne, ktre charakteryzuj si lepszymi parametrami eksploatacyjnymi np.
wikszym momentem, wysz sprawnoci. Rnorodno parametrw magnetycznych i
mechanicznych magnesw wpywa na wielk rnorodno konstrukcji wytwarzanych obecnie
maszyn elektrycznych z MT. Pene wykorzystanie moliwoci rozwojowych maszyn bezszczotkowych
wzbudzanych MT o duych gstociach energii, wymaga bada w obszarze obejmujcym: analiz
zachodzcych zjawisk w procesie przetwarzania energii elektromechanicznej; metody modelowania i
symulacji; projektowanie; optymalizacj; identyfikacj parametrw i diagnostyk.
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
5
Rys. 2.1 Podstawowy podzia maszyn elektrycznych.
Pod pojciem silnika bezszczotkowego z magnesami trwaymi (SBMT) rozumie si wszystkie silniki
wzbudzane magnesami trwaymi (magnetoelektrycznie), ktre mog by zasilane ze rda energii
elektrycznej poprzez przeksztatnik energoelektroniczny. Funkcj przeksztatnika jest realizacja
transformacji energii rda zasilania wedug okrelonego algorytmu sterowania. Naley podkreli,
e istotn cech algorytmu sterowania jest zasada sterowania wewntrznego (z ptl pooeniow)*,
tzn. nadrzdnym sygnaem sterowania jest sygna okrelony pooeniem ktowym wirnika SBMT. Tak
okrelony algorytm sterowania powoduje, e SBMT ma waciwoci ruchowe (charakterystyki
mechaniczne) analogiczne do waciwoci ruchowych silnika prdu staego z komutatorem
SILNIKI PRDU STAEGO
bezszczotkowe z magnesami
trwaymi
szczotkowe (komutatorowe)
szeregowe
bocznikowe
szeregowo-bocznikowe
z magnesami trwaymi
SILNIKI PRDU PRZEMIENNEGO
uniwersalne
synchroniczne
cylindryczne
wydatnobiegunowe
indukcyjne
klatkowe
piecienioweBezszczotkowe
silniki prdu przemiennego
PRZECZALNE SILNIKI
RELUKTANCYJNE
SRM synchroniczne
SILNIKI SKOKOWE
o zmiennej reluktancji
z magnesami trwaymi
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
6
elektromechanicznym. Std czsto spotykana nazwa to: silnik bezszczotkowy prdu staego (ang.
brushless dc motor).
E PE
US
Zadawanie
UEM
n
Ptla poo eniowa
MR
CPW
SBMT
Rys. 2.2. Schemat ukadu napdowego z silnikiem bezszczotkowym z magnesami trwaymi (SBMT): UEM ukad elektromechaniczny silnika, E rdo energii elektrycznej, PE - przeksztatnik energoelektroniczny, US ukad sterowania, CPW czujnik pooenia wirnika, MR maszyna robocza (obcienie)
W literaturze dotyczcej silnikw bezszczotkowych uywa si jeszcze okrele PMSM, BLDC. Silnik
PMSM / silnik synchroniczny w ktrym czstotliwo
It is the authors opinion that the difference between trap and sine [brushless motors] is surrounded
by more misunderstanding and confusion than any other subject in the field of brushless motor
control. [James Mevey]
Napdy wykorzystujce SBMT ciesz si obecnie du popularnoci [11]. Opanowuj one coraz
szerszy obszar zastosowa: od silnikw maej mocy wykorzystywanych w napdach dyskw
komputerowych, czy te licznych urzdzeniach AGD, poprzez silniki w ukadach napdowych
samochodw hybrydowych i elektrycznych oraz duych jednostek morskich skoczywszy [4, 3, 8].
Popularno MBMT wynika z ich doskonaych waciwoci regulacyjnych, ktre predysponuj je do
zastosowa w systemach napdowych realizujcych wysokiej jakoci regulacj prdkoci obrotowej
lub pooenia [3, 8].
SBMT, w porwnaniu z maszynami indukcyjnymi i maszynami komutatorowymi prdu staego,
wyrniaj si:
wyszym stosunkiem momentu obrotowego do momentu bezwadnoci, wyszym stosunkiem mocy do masy, wysz sprawnoci, mniejsz awaryjnoci.
Ponadto SBMT charakteryzuj si dobrym rozpraszaniem ciepa (straty energii wystpuj praktycznie
w stojanie, skd ciepo moe by atwo odprowadzane poprzez kadub, a w przypadku silnikw o
wikszych mocach moe by zastosowany ukad chodzenia wodnego), ma bezwadnoci wirnika
oraz moliwoci pracy w bardzo szerokim zakresie prdkoci obrotowej.
Zastosowanie magnesw trwaych o duych gstociach energii stwarza nowe problemy zarwno w
budowie samych SBMT, jaki i w projektowaniu zintegrowanych z nimi komutatorw (ukadw)
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
energoelektronicznych oraz ukadw sterujcych. Jednym z waniejszych problemw do rozwizania
to odpowiednie ksztatowanie rozkadu pola magnetycznego w
obwodw magnetycznych. Rozkad pola magnetycznego ma decydujcy wpyw na parametry
cakowe i waciwoci eksploatacyjne
2.1 Budowa silnikw bezszczotkowych z magnesami trwaymiSBMT budowane s w rnorodnych rozwizaniach konstrukcyjnych, rnicych si przede wszystkim
konstrukcj twornika i obwodu wzbudzenia. Zasadniczy podzia SBMT wynika z ich struktury
elektromagnetycznej, buduje si silniki o strukturze:
walcowej, tarczowej.
Rys. 2.3 Konstrukcje SBMT
Drugi zasadniczy podzia SBMT wynika z rozkadu indukcji w jego szczelinie Z
stowarzyszony jest przebieg napicia indukowanego (SEM) rotacji. Wg kryterium przebiegu napic
indukowanego wyrnia si:
silniki z trapezoidalnym przebiegiem napicia indukowanego rotacji, zasilane prdem o przebiegu prostoktnym (w przyblieniu)
klasycznych silnikw prdu staego (silniki komutatorowe)
silniki z sinusoidalnym przebiegiem napicia indukowanego rotacji, zasilane prdem o przebiegu sinusoidalnym
prdu przemiennego (silniki synchroniczne).
Od przebiegu napicia indukowanego
SBMT.
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
energoelektronicznych oraz ukadw sterujcych. Jednym z waniejszych problemw do rozwizania
e rozkadu pola magnetycznego w SBMT, poprzez dobr struktury ich
obwodw magnetycznych. Rozkad pola magnetycznego ma decydujcy wpyw na parametry
cakowe i waciwoci eksploatacyjne SBMT
Budowa silnikw bezszczotkowych z magnesami trwaymie s w rnorodnych rozwizaniach konstrukcyjnych, rnicych si przede wszystkim
konstrukcj twornika i obwodu wzbudzenia. Zasadniczy podzia SBMT wynika z ich struktury
elektromagnetycznej, buduje si silniki o strukturze:
Drugi zasadniczy podzia SBMT wynika z rozkadu indukcji w jego szczelinie Z
stowarzyszony jest przebieg napicia indukowanego (SEM) rotacji. Wg kryterium przebiegu napic
silniki z trapezoidalnym przebiegiem napicia indukowanego rotacji, zasilane prdem
przebiegu prostoktnym (w przyblieniu) przebiegi analogiczne do prdu w cewkach
klasycznych silnikw prdu staego (silniki komutatorowe),
silniki z sinusoidalnym przebiegiem napicia indukowanego rotacji, zasilane prdem
przebiegu sinusoidalnym przebiegi analogiczne do prdu w cewkach klasycznych silnikw
prdu przemiennego (silniki synchroniczne).
Od przebiegu napicia indukowanego rotacji zaley metoda okrelania pooenia ktowego wirnika
7
energoelektronicznych oraz ukadw sterujcych. Jednym z waniejszych problemw do rozwizania
BMT, poprzez dobr struktury ich
obwodw magnetycznych. Rozkad pola magnetycznego ma decydujcy wpyw na parametry
Budowa silnikw bezszczotkowych z magnesami trwaymi e s w rnorodnych rozwizaniach konstrukcyjnych, rnicych si przede wszystkim
konstrukcj twornika i obwodu wzbudzenia. Zasadniczy podzia SBMT wynika z ich struktury
Drugi zasadniczy podzia SBMT wynika z rozkadu indukcji w jego szczelinie Z rozkadem indukcji
stowarzyszony jest przebieg napicia indukowanego (SEM) rotacji. Wg kryterium przebiegu napicia
silniki z trapezoidalnym przebiegiem napicia indukowanego rotacji, zasilane prdem
przebiegi analogiczne do prdu w cewkach
silniki z sinusoidalnym przebiegiem napicia indukowanego rotacji, zasilane prdem
przebiegi analogiczne do prdu w cewkach klasycznych silnikw
rotacji zaley metoda okrelania pooenia ktowego wirnika
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
8
Rys. 2.4. Podzia silnikw z magnesami trwaymi
2.2 Ksztatowania rozkadu pola wzbudzonego magnesami trwaymi Najczciej projektuje si silniki o strukturze walcowej, z magnesami spolaryzowanymi radialnie
do osi wirnika. Najczciej stosowane konstrukcje wirnikw silnikw cylindrycznych przedstawiono
schematycznie na rys. . Rni si one przede wszystkim ksztatem magnesw i sposobem ich
mocowania. Mona wyrni nastpujce konstrukcje wirnika:
magnesy mocowane (klejone) na powierzchni rdzenia wirnika (ang. surface mounted magnets),
magnesy umieszczone w rdzeniu tu pod powierzchni wirnika mocowane za pomoc tulei lub bandaa (ang. inset mounted magnets),
magnesy zagbione w rdzeniu wirnika (ang. buried, interior magnets), magnesy uoone promieniowo z koncentracj strumienia (ang. flux concentration).
Rys. 2.5. Wybrane struktury wirnikw walcowych SBMT: a) magnesy mocowane (klejone) na powierzchni wirnika, b) magnesy umieszczone tu pod powierzchni wirnika, c) magnesy zagbione w wirniku, d) magnesy uoone promieniowo z koncentracj strumienia
Ksztat pola w szczelinie determinuje sposb zasilania silnika. W celu uzyskania przebiegu momentu
bez pulsacji dla silnika o sinusoidalnym rozkadzie indukcji wymagane jest zasilanie prdem
sinusoidalnym, a dla silnikw o trapezoidalnym rozkadzie pola wymagany jest trapezoidalny przebieg
prdw zasilania
Silniki z magnesami trwaymi
Komutatorowe silniki prdu staego
Silniki bezszczotkowe
Bezszczotkowe silniki prdu staego
Bezszczotkowe silniki prdu przemiennego
Silniki skokowe
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
9
a) b) c) d) e) f)
sinusoidalne trapezoidalne
Rys. 2.6. Moliwoci ksztatowania rozkadu pola w szczelinie roboczej silnikw z magnesami trwaymi mocowanymi powierzchniowo: a) macierz Hallbacha, b) rozmagnesowanie kracw magnesu, c) ksztatowanie szczeliny roboczej, d) magnesowanie rwnolege, e) magnesowanie promieniowe, f) domagnesowanie kracw magnesu 7
Mocowanie powierzchniowe MT
Najpowszechniej stosowanym sposobem mocowania magnesw trwaych jest mocowanie
powierzchniowe przy zastosowaniu magnesw w ksztacie wycinka piercienia. Wwczas, w celu
waciwego uksztatowania pola w szczelinie roboczej, naley dobra odpowiedni kierunek
magnesowania magnesw trwaych (rys. 2.6). Jest to stosunkowo proste i tanie rozwizanie w
przypadku, gdy chcemy uzyska trapezoidalny rozkad indukcji stosujc magnesy izotropowe
namagnesowane promieniowo (rys. 2.6e). Rozkad bardziej trapezoidalny uzyskamy stosujc
magnesy o wikszej gstoci energii przy brzegach (rys. 2.6f), co przeciwdziaa efektowi rozproszenia.
W celu uzyskania rozkadu sinusoidalnego przy mocowaniu powierzchniowym naley stosowa
bardziej skomplikowane metody magnesowania lub specjalne ukady magnesw trwaych. Wpywa
to na wzrost kosztw oraz powoduje komplikacje w procesie produkcji. Rozkad sinusoidalny
uzyskamy stosujc:
specjalny ukad magnesw o rnym kierunku magnesowania, zwanych macierz Halbacha 12,
ukady zwikszajce efekt rozproszenia na kracach magnesw, ksztatujc odpowiednio szczelin robocz np. poprzez zastosowanie nabiegunnikw.
Rys. 2.7. Wirnik z mocowaniem powierzchniowym magnesw trwaych
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
10
Do wad montau powierzchniowego naley zaliczy konieczno zabezpieczenia magnesw przed
wpywem si odrodkowych przy duych prdkociach oraz przed rozmagnesowaniem. W celu
poprawienia pewnoci mocowania magnesw stosuje si bandaowanie jednak powoduje to
zwikszenie szczeliny roboczej. W przypadku mocowania powierzchniowego istniej ograniczone
moliwoci pracy w stanie odwzbudzenia szczeglnie istotnego w przypadku napdw trakcyjnych.
Mocowanie zagbione MT
Gwn zalet stosowania silnikw z magnesami trwaymi zagbionymi jest stosunkowo prosta
moliwo ksztatowania rozkadu pola w szczelinie roboczej przy zastosowaniu
prostopadociennych magnesw trwaych (rys. 2.5 c,d). Dodatkowo, konstrukcje te cechuje dua
odporno na rozmagnesowanie, dziaanie si odrodkowych i moliwo pracy przy osabionym polu
wzbudzenia 1.
Do silnikw z magnesami trwaymi zagbionymi zaliczamy:
silniki z magnesami wewntrznymi (rys. 2.5 c), silniki z magnesami mocowanymi przy pomocy nabiegunnikw, silniki z magnesami zagbionymi (koncentracj pola) rozoone symetrycznie (rys. 2.5 d),
Jedn z metod ksztatowania rozkadu indukcji w szczelinie roboczej silnikw z zagbionymi
magnesami trwaymi jest zastosowanie odpowiednio uksztatowanego nabiegunnika. Metod t
stosuje si rwnie w klasycznych maszynach synchronicznych w celu uzyskania sinusoidalnego
rozkadu indukcji. Jej zalety prosta w peni rozczna konstrukcja, atwy sposb wymiany magnesw
oraz zmiany geometrii szczeliny roboczej powoduj, e ma ona szczeglnie due znaczenie w
przypadku bada dowiadczalnych na silnikach z magnesami trwaymi 9.
Rys. 2.8. Silnik z mocowaniem zagbionym MT
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
11
Tabela 2.1 Porwnanie cech silnikw z mocowaniem powierzchniowym i zagbionym MT
mocowanie powierzchniowe MT mocowanie zagbione MT
indukcja w szczelinie mniejsza ni indukcja remanencji
indukcja w szczelinie moe by wiksza od indukcji remanencji
prosta konstrukcja silnika konstrukcja stosunkowo zoona
maa moc obwodw twornika dua moc obwodw twornika, droszy przeksztatnik
magnesy nie s zabezpieczone przed odmagnesowaniem
magnesy s zabezpieczone przed odmagnesowaniem
maa odporno na dziaanie si odrodkowych odporno na dziaanie si odrodkowych
prdy wirowe w magnesach trwaych brak prdw wirowych w magnesach trwaych
ograniczone moliwoci pracy w stanie odwzbudzenia
moliwo pracy przy osabionym polu wzbudzenia
stosunkowo prosta moliwo ksztatowania rozkadu pola w szczelinie roboczej
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
12
3 Materiay Rozwj inynierii materiaowej jest w coraz wikszym stopniu motorem/podstaw rozwoju innych
dziedzin gospodarki. Dynamiczny rozwj w zakresie materiaw magnetycznych (mikkich oraz
twardych) stwarza nowe moliwoci budowy maszyn elektrycznych, poszerza zakres ich zastosowa
(maszyny ultra i wysokoobrotowe). Analiz waciwoci i podzia materiaw magnetycznych naley
przeprowadzi biorc pod uwag stopie uporzdkowania atomw [Sosiski]
amorficzna 0 0,5nm nanokrystaliczna 1nm 20nm mikrokrystaliczna 0,1 10 mm krystaliczna (niezorientowana i zorientowana)
3.1 Materiay magnetyczne mikkie Materiay magnetycznie mikkie stosuje si do budowy obwodu magnetycznego stojana i wirnika.
Podstawowymi parametrami charakteryzujcymi te materiay s i decydujcymi o ich zastosowaniu
s indukcja nasycenia oraz stratno.[SME2010 Tomczuk]. Ferromagnetyki mikkie powinny
charakteryzowa si:
du indukcj nasycenia, wsk ptl histerezy, du rezystywnoci, du przenikalnoci magnetyczn.
Wrd materiaw magnetycznie mikkich stosowanych do budowy obwodw magnetycznych
urzdze o zmiennym polu magnetycznym moemy wymieni:
stale bezkrzemowe, stale krzemowe, stopy niklowo-elazowe (permaloj, ang. permmaloy), stale kobaltowo-elazowe (permendur) , inne [KOMEL 2010, Krl Rossa].
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
13
Zestawienie parametrw ferromagnetykw mikkich przedstawiono w tabeli
Materia Stratno (0,2T 25KHz) Indukcja nasycenia
W/kg T
Permaloy 14 0,7-1,5
Ferryt 17 0,6
Tama amorficzna (30-50um) 5 0,57-,77
Tama amorficzna (20um) 3 1,25
Dane blach elektrotechnicznych
http://www.sura.se/Sura/hp_main.nsf/startupFrameset?ReadForm
3.2 Materiay przewodowe
Materiay magnetycznie
mikkie
Obwody o staym strumieniu
eliwo, stale niskowglowe
elazo armco
stale krzemowe
Obwody o strumieniu zmiennym
Stale krzemowe
anizotropowe
izotropowe
Stale bezkrzemowe Stopy Fe-Ni Stopy Fe-Co inne
szka metaliczne
ferryty
materiay nanokrystaliczne
magnetodielektryki
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
14
3.3 Materiay magnetyczne twarde Stosowane najczciej w maszynach elektrycznych magnesy trwae mona podzieli na kilka
podstawowych grup w zalenoci od rodzaju zastosowanego materiau magnetycznie trwaego oraz
technologii ich wykonania (odlewanie, spiekanie, spajanie tworzywem). Wrd materiaw
wykorzystywanych do budowy magnesw mona wyrni:
magnesy ceramiczne: ferryty baru (BaFe12O19) oraz ferryty strontu (SrFe12O19), magnesy z domieszkami pierwiastkw ziem rzadkich: samorowo-kobaltowe (SmCo2) oraz
neodymowe (Nd2Fe14B).
Rys. 3.1. Podzia magnesw trwaych w zalenoci od rodzaju zastosowanego materiau oraz od technologii wykonania
Podstawowe waciwoci fizyczne magnesu, takie jak indukcja remanencji (Br) czy natenie pola
koercji (Hc) mona odczyta z czci ptli histerezy B=f(H) lecej w drugiej wiartce nazywanej
charakterystyk odmagnesowania (rys. 3.2).
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
B(T)
0.20.40.60.81.01.2 H(MA/m)
Alnico
NdFeB
SmCo
Ferryt
Rys. 3.2 Charakterystyki odmagnesowania magnesw trwaych
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
15
Warto gstoci energii pola magnetycznego wzbudzanej magnesami trwaymi przedstawia iloczyn w katalogach podawana jest warto maksymalna energii na jednostk objtoci (tabela 3.1).
Rys. 3.3 Gstoci energii magnesw trwaych [www.arnoldmagnetics.com]
Parametry magnesw trwaych zale od zastosowanego materiau, technologii ich wykonania,
ksztatu, kierunku magnesowania. Magnesy wykonuje si jako pytki prostopadocienne (bloczki,
sztabki), walce lub piercienie. Magnesy prostopadocienne mog by magnesowane w kierunku
prostopadym lub rwnolegym do kierunku walcowania. W przypadku magnesw w ksztacie
piercienia stosuje si magnesowanie promieniowe lub rwnolege (rys). Producenci magnesw
trwaych dopuszczaj moliwo wykonania magnesw o innych ksztatach lub innym kierunku
magnesowania po uprzednim uzgodnieniu potrzeb i moliwoci technologicznych. Moliwoci
obrbki mechanicznej gotowych magnesw s ograniczone np. moliwe jest wiercenie otworw,
wgbie czy rowkw tylko i wycznie w osi prasowania.
Rys. 3.4 Parametry magnesw NdFeB a) prostopadociennych magnesowanych prostopadle, b) prostopadociennych magnesowanych rwnolegle oraz c) magnesw w ksztacie piercienia [www.shinetsu-rare-earth-magnet.jp]
Ksztat magnesw, sposb ich umocowania w wirniku oraz kierunek magnesowania ma wpyw na
rozkad indukcji w szczelnie silnikw.
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
16
Rys. 3.5
Podstawowe etapy procesu produkcji magnesw trwaych z domieszkami ziem rzadkich [shinetsu]
1. Tlenki ziem rzadkich s poddawane procesowi rozdrabniania i rafinacji (oczyszczania). 2. Przygotowywane s kompozyty z odpowiednich porcji materiaw bazowych (metali ziem
rzadkich, elaza, kobaltu) topionych w piecach indukcyjnych w rodowisku prni.
3. Bloki (wlewki) kompozytu s rozdrabnianie (szlifowanie lub cieranie) w atmosferze gazw osonowych (azotu i argonu) w celu uzyskania proszkw o wielkoci rzdu kilku mikronw.
4. Formowanie magnesw w procesie prasowania w polu magnetycznym proszek magnetyczny umieszczany jest w formach w ktrych jest prasowany i poddawany
oddziaywaniu pola magnetycznego; stosuje si dwie metody prasowania rwnolegle i
prostopade w zalenoci od kierunku prasowania i dziaania pola magnetycznego; magnesy
w ksztacie piercienia s prasowane rwnolegle; magnesy wytwarzane metod prostopad
charakteryzuj si lepszymi waciwociami magnetycznymi.
5. Spiekanie przeprowadzanie w prni lub w atmosferze gazw osonowych, w rnych temperaturach w zalenoci od typu magnesu. W tym procesie zwiksza si gsto
magnesw i zmniejsza ich objto (okoo 50%).
6. Wyarzanie - starzenie magnesw w celu poprawienia waciwoci magnetycznych i stabilnoci parametrw.
7. Kontrola jakoci i parametrw magnesw 8. Obrbka mechaniczna przez szlifowanie magnesw diament 9. Platerowanie
Tabela 3.1 Waciwoci materiaw magnetycznych stosowanych do budowy magnesw trwaych
SmCo5 NdFeB ferryt AlNiCo
Indukcja remanencji Br [T] 0.85 1 1 1.41 0.3 0.45 1.25
Gsto energii (BH)max [kJ/m3] 145 200 200 420 20 40 50
Natenie koercji BHc [kA/m] >1600 1040 - 3000 240 320 55
Dopuszczalna temp. Tmax [C] 250 80 200 150 200 450 - 500
Cena - [/kg] 120 50 /kg 15-20 /kg
Z punktu widzenia projektowania maszyn elektrycznych najbardziej interesujcymi parametrami
charakteryzuj si magnesy wykonane z domieszkami pierwiastkw z ziem rzadkich. Posiadaj one
najwiksz warto gstoci energii (BHmax) co oznacza, e stosujc takie magnesy mona zasadniczo
zmniejszy rozmiar magnenicy, a wic i gabaryty maszyny. Due wartoci natenia pola koercji
zapewniaj odpowiedni wytrzymao w przypadku oddziaywania odmagnesowujcego (zwarcia).
Warto indukcji w szczelnie wyznacza punkt przecicia charakterystyki odmagnesowania i prostej
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
17
szczeliny (rys. 1). Wartoci indukcji w szczelnie MBMT mog osign wartoci rzdu 0,8-1T i
ograniczone s maksymalnymi wartociami indukcji w zbach stojana. W przypadku magnesw
neodymowych ograniczony jest zakres dopuszczalnych temperatur pracy naley wic zapewni
warunki pracy magnesu w pobliu temperatury T.
Magnesy neodymowe musz by zabezpieczane za pomoc powok antykorozyjnych (nikiel,mied)
Zastosowanie magnesw trwaych o duych gstociach energii zwizane jest z okrelonymi
trudnociami technologicznymi. Magnesy wykonane z pierwiastkw ziem rzadkich s stosunkowo
kruche, co w praktyce wyklucza moliwo obrbki mechanicznej. Powtarzalno wymiarw
magnesw jest maa co powoduje konieczno wyboru takich struktur wirnikw, w ktrych magnesy
nie uczestnicz w acuchach pasowa istotnych dla niezawodnego dziaania.
Dopuszczalne wymiary magnesw trwaych wykonywanych w ksztacie piercienia.
Rys. 3.6
Innym problemem zwizanym z zastosowaniem magnesw trwaych jest rozprzestrzenianie si pola
magnetycznego w zakadzie pracy. Moe to doprowadzi do trwaego namagnesowania stalowych
czci narzdzi, obrabiarek, przyrzdw pomiarowych, i innych. Wpywa to negatywnie na
bezpieczestwo pracy i jako wykonywanych produktw. [Sosiski]
3.4 Punkt pracy magnesw trwaych W celu wyznaczenia punktu pracy magnesu trwaego przyjto nastpujce zaoenia upraszczajce:
jarzmo stojana i jarzmo wirnika posiadaj nieskoczenie wielk przenikalno wzgldn, szczelina robocza ma sta dugo na caej szerokoci magnesu, prostoktny przebieg indukcji w szczelinie,
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
18
jednorodny rozkad indukcji w magnesie. Charakterystyk odmagnesowania magnesw trwaych mona aproksymowa prost o rwnaniu:
= 1 + (3.1) gdzie: , indukcja i natenia pola w punkcie pracy MT, indukcja remanencji, - natenie pola koercji.
Rys. 3.7 Graficzne wyznaczanie punktu pracy magnesu trwaego
Rwnanie przepywu dla uproszczonego modelu szczelina-magnes w stanie bezprdowym (bieg
jaowy):
+ = 0 (3.2) gdzie: - wysoko magnesu, - wysoko szczeliny powietrznej. Uwzgldniajc zaleno na indukcj w szczelinie
= (3.3) oraz zakadajc stao strumienia przenikajcego magnes i szczelin mona wyznaczy zalenoci
opisujce punkt pracy magnesu trwaego:
= (3.4) = ! (3.5) Gdzie: "# - wspczynnik rozproszenia strumienia magnesw trwaych. Punkt pracy magnesu trwaego zaley od stosunku wysokoci szczeliny powietrznej do wysokoci
magnesu trwaego (rys. 3.8)
B(H) = Br(H/H0+1)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400
B [mT]
-H [kA/m]
B r
HcH0
BA
(BH)max(BH)max(BH)max(BH)max(BH)max
(BH) [kJ/m 3]
(BH)max(BH)max(BH)max(BH)max(BH)max(BH)max(BH)max(BH)max(BH)max(BH)maxHA (BH)max
B(H)=-h m0H/
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
19
Rys. 3.8 Wpyw wysokoci magnesu trwaego i szczeliny powietrznej na punkt pracy magnesu trwaego
Uwzgldnienie rozmagnesowujcego oddziaywania twornika
Uwzgldnienie temperaturowych wspczynnikw remanencji oraz koercji.
Wpyw temperatury na punkt pracy magnesw trwaych mona uwzgldni przez definicj
temperaturowych wspczynnikw remanencji oraz koercji wyraone w [%/C].
$% = &&% 100 (3.6) $%' = ( &&% 100 (3.7) Przykadowe wartoci wspczynnikw temperaturowych dla magnesw neodymowych to $% = 0,09 0,15, oraz $%' = 0,4 0,8.
6 105 5 105 4 105 3 105 2 105 1 105 00
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2B.r
0
B.m H.m( )B.M H.m 3mm, 1mm, ( )B.M H.m 5mm, 1mm, ( )B.M H.m 3mm, 1.5mm, ( )
0H.0 H.m
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
20
Rys. 3.9 Krzywa odmagnesowania magnesw trwaych typu NdFeB N35 [Arnold Magnetics]
Obliczony punkt pracy jest korygowany z uwzgldnieniem przewidywanej temperatury magnesu
trwaego zgodnie z zalenociami:
/ = 01[1 + $% /30111 ] (3.8) '/ = '01[1 + $%' /30111 ] (3.9)
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
21
Rys. 3.10 Wpyw zmiany temperatury na wyznaczenie punktu pracy magnesu trwaego
Warto indukcji w szczelinie, z uwzgldnieniem wpywu temperatury, mona zapisa rwnaniem:
= 56789:;?9:;[email protected](;
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
22
Wpyw zmiany temperatury i wysokoci szczeliny powietrznej na warto indukcji w szczelinie:
Rys. 3.12 Indukcja w szczelnie powietrznej w funkcji wysokoci szczeliny powietrznej dla rnych wartoci temperatur oraz staej wysokoci magnesu trwaego
Wprowadzajc wspczynnik okrelajcy stosunek wysokoci magnesu trwaego do wysokoci
szczeliny powietrznej AB C otrzymujemy
Im wyszy magnes w stosunku do szczeliny powietrznej tym wiksza warto indukcji w szczelnie.
1 103 2 10 3 3 10 3
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
1.251.25
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
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
23
Wpyw wzrostu temperatury na zmniejszenie wartoci indukcji w szczelnie mona oceni obliczajc wzgldn zmian indukcji w szczelnie silnika, zdefiniowan jako: c = ; 35656 (3.11) Przy wzrocie temperatury magnesw trwaych do 60C mona oczekiwa, a 15% spadku wartoci
indukcji w szczelnie (dla stosunku /hm=1/6) (tabela). T [C] 20 40 60 80 BMT [T] 1,016 0,971 0,921 0,861 Bm [%] 0 -4,408 -9,378 -15,25 Przy porwnywalnych wartociach wysokoci magnesu trwaego i szczeliny powietrznej wpyw zmian temperatury na warto indukcji w szczelnie jest duy. Im wyszy magnes w stosunku do szczeliny tym wpyw temperatury na warto indukcji jest mniejszy (rys).
Rys. 3.13 Wpyw zmiany temperatury na warto indukcji w szczelinie powietrznej silnika z magnesami trwaymi dla
szczeliny powietrznej 1mm oraz rnych stosunkw /hm
20 40 60 8040
30
20
10
00
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
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
24
4 Projektowanie maszyn elektrycznych wiadomoci oglne
4.1 Procedura projektowania silnikw Na kadym etapie procesu projektowania maszyn elektrycznych wykorzystuje si oprogramowanie
typu CAD. Jednym z podej jest zastosowanie specjalnych programw dedykowanych do
projektowania konkretnych typw maszyn elektrycznych [Dbrowski, Miller, Nagorny]. Programy te
dziaaj w oparciu o szereg zalenoci analitycznych wicych wielkoci wyjciowe (wymiary) z
postulowanymi wartociami parametrw eksploatacyjnych. Cig oblicze analitycznych moe by
zamknity w ptli optymalizacyjnej i przy odpowiednim sformuowaniu funkcji celu otrzymujemy
optymalne wymiary maszyny. Obliczenia analityczne oparte s o zalenoci uproszczone,
wspczynnik empiryczne [Dbrowski]. W przypadku projektowania maszyn o zoonych strukturach
obwodw magnetycznych (w tym silnikw z magnesami trwaymi) lub maszyn o niestandardowych
warunkach zasilania i pracy (wysokie prdkoci obrotowe, dua czstotliwo) naley wykorzysta
numeryczne metody analizy pola magnetycznego w celu weryfikacji poprawnoci oblicze. Zestaw
programw CAD wykorzystywanych w procesie projektowania maszyn elektrycznych moe
obejmowa:
programowanie oblicze matematycznych: Matlab, Mathcad, Macsyma, Mathematica; przygotowanie wirtualnych dwu- lub trjwymiarowych modeli geometrycznych: AutoCAD,
Inventor;
numeryczn analiz pl magnetycznych (Flux, Opera, Maxwell, FEMM), pl cieplnych (Flux, Opera), pl napre mechanicznych (Autodesk Inventor, Ansys, Catia) lub pl sprzonych;
modelowanie i analiz systemw napdowych, mechatronicznych w oparciu o modele obwodowe (Synopsys SABER, Spice, Matlab Simulink) lub polowo-obwodowe (Cedrat Flux,
Opera);
przygotowanie dokumentacji technicznej: AutoCAD, Inventor; wizualizacj struktury i budowy maszyn elektrycznych, procesw technologicznych w postaci
animacji lub fotorealistycznych obrazw (Autodesk Inventor, 3D StudioMax).
Cz z tych programw moe by wykorzystywana w kilku etapach projektowania. Wikszo z nich
posiada moliwoci projektowania parametrycznego wynikajce z zasady dziaania programu
(Mathcad, Inventor, AutoCAD) lub w oparciu o wewntrzne interpretatory jzykw programowania
(AutoCAD VisualLisp, Saber Mast, Tcl/Tk, Flux Python), bd wsparcie dla jzyka VBA (Visual
Basic for Application).
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
25
Rys. 4.1Oglna procedura projektowania maszyn elektrycznych z wykorzystaniem programw CAD [Nagorny, Dbrowski]
Oglny algorytm projektowania maszyn elektrycznych obejmuje nastpujce zagadnienia ():
ustalenie wymaga, parametrw eksploatacyjnych (prdko obrotowa, napicie zasilania); obliczenia wstpne (moment obrotowy, prd, moc wewntrzna); wybr struktury silnika (cylindryczna, osiowa) oraz topologii wirnika (mocowanie magnesw
trwaych);
wybr materiaw magnetycznych oraz elektrycznych; obliczenia wymiarw gwnych obwodu magnetycznego z uwzgldnieniem punktu pracy
magnesu trwaego;
obliczenia i projekt uzwojenia twornika (rodzaj uzwojenia, liczba zwojw, rednica drutu nawojowego);
obliczenia cieplne (straty mocy); obliczenia parametrw schematu zastpczego; analiza numeryczna pola magnetycznego (przygotowanie modelu geometrycznego itd); przygotowanie dokumentacji technicznej.
Decyzje w procesie projektowania podejmuje si w oparciu o wczeniejsze dowiadczenia, wiedz o
dostpnych technologiach oraz waciwociach materiaw uytych do budowy maszyny. Wpyw
podstawowych decyzji dotyczcych budowy silnika na jego parametry uytkowe zobrazowano na rys.
[16].
Ustalenie wymaga
Obliczenia wstpne
Wybr struktury silnika
struktura cylindryczna, osiowa
topologia wirnika (mocowanie magnesw)
Wybr materiaw
Obliczenie wymiarw gwnych
Optymailzacja geometrii
Analiza numeryczna pola magnetycznego (np. metod MES)
Przygotowanie dokumentacji technicznej
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
26
Rys. 4.2. Zaleno [16]
Istotn wad silnikw z magnesami trwaymi jest wystpowanie momentu zaczepowego.
Ograniczenie maksymalnej wartoci momentu zaczepowego oraz uzyskanie przebiegu napicia
indukowanego rotacji z ma zawartoci wyszych harmonicznych jest moliwe przez ograniczenie
wyszych harmonicznych w rozkadzie mmf. Mona uzyska to przez [Nagorny]:
4.2 Parametry wejciowe Wrd parametrw wejciowych do procesu projektowania i optymalizacji wyrni mona
nastpujce grupy []:
parametry funkcjonalne maszyny: liczba faz (ms), moc (Pn), napicie (Un), wspczynnik mocy (cos), prdko obrotowa (ns), czstotliwo (f);
parametry materiaowe: maksymalne wartoci indukcji w poszczeglnych czciach maszyny, gsto prdu (js), okad prdowy (As), indukcja remanencji (Br), natenie koercji (Hc),
stratno blach (dpfe);
parametry konstrukcyjne: wspczynnik wyzyskania maszyny (), wspczynnik smukoci (), wspczynnik wypenienia podziaki biegunowej wirnika (p), niektre wymiary np. szeroko magnesu (bm).
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
27
4.3 Moc wewntrzna maszyny Moc wyjciowa maszyny zaley od jej wymiarw, cech konstrukcyjnych, parametrw wyzyskania
materiaw oraz prdkoci obrotowej. W trakcie rozwoju metod projektowania maszyn elektrycznych
zaproponowano kilka zalenoci analitycznych wicych te wielkoci, wyraone oglnie jako:
r = st, u, v (4.1) gdzie: P postulowana moc, D rednica rdzenia wirnika, l dugo dzenia wirnika; n prdko
obrotowa 2.
Podstaw do okrelenia zalenoci pomidzy wymiarami zewntrznymi oraz moc wyjciow jest
zaleno na moc pozorn wewntrzn maszyny Si (przy obcieniu znamionowym) oraz zwizany z
ni elektromagnetyczny wewntrzny moment obrotowy .
wx = yz{z|z (4.2) }x = ~ (4.3) Zamy, e rozkad pola magnetycznego w szczelnie maszyny jest sinusoidalny i opisany wzorem:
, c = sin + c (4.4) gdzie: Bm warto maksymalna indukcji, z = 0 - podziaka biegunowa stojana, Ds rednica wewntrzna stojana, p liczba par biegunw
Strumie sprzony z uzwojeniem znajdujcym si na jednym biegunie:
(c) = ux (, c)d = 0 uxzcos(t)1 (4.5) Wprowadmy wspczynnik ksztatu pola wzbudzenia okrelony jako stosunek wartoci redniej do
wartoci maksymalnej indukcji magnetycznej:
$ = (4.6) Zauwamy, e dla przebiegu sinusoidalnego:
$ = 0 (4.7) Warto wspczynnika ksztatu pola zaley od ksztatu rozkadu indukcji magnetycznej w szczelnie
wzbudzonej przez magnesy trwae. Dla silnikw z mocowaniem powierzchniowym ksztat rozkadu
pola w szczelnie nie jest sinusoidalny (np. trapezoidalny, prostoktny). Warto wsp ksztatu mona
uzyska przez scakowanie (obliczenie wartoci redniej) przebiegu.
Dla silnika z magnesami trwaymi mocowanymi powierzchniowo i magnesowanymi promieniowo
otrzymujemy prostoktny rozkad indukcji w szczelnie, opisany rwnaniem:
() = s0 < z0sz < z
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
28
Warto rednia tego przebiegu wynosi:
= 1z ()d =
1
gdzie: rozpito magnesu trwaego (w stosunku do podziaki biegunowej). Wspczynnik ksztatu pola dla przebiegu prostoktnego wynosi:
$ = = Naley zauway, e rozpito magnesu trwaego przyjmuje si z zakresu 0,60,8 a dla przebiegu
sinusoidalnego $ = 0 = 0,637 Warto maksymalna strumienia sprzonego z uzwojeniem wynosi:
= $uxz (4.8) Strumie wzbudzenia indukuje napicie w cewce:
(c) = z &&/(c) = $uxzv(c) (4.9) gdzie warto maksymalna napicia:
{ = $uxz (4.10) Pulsacja napicia wyraona jest wzorem = 2s, warto skuteczna napicia: {z = 0 =
00 $suxz (4.11)
Wprowadmy wspczynnik ksztatu napicia indukowanego, wyraony jako stosunek wartoci
skutecznej oraz redniej (dla przebiegu sinusoidalnego):
$ = =
0 =
00 (4.12)
{z = 4$$suxz (4.13) W przypadku niesinusoidalnie rozoonego uzwojenia naley wyznaczy liczb zwojw zastpczego
sinusoidalnego uzwojenia (Ns) przez zastosowanie wspczynnika uzwojenia (kws):
= $zz (4.14) {z = 4$z$$zsuxz (4.15) Okad prdowy (liniowa gsto prdu) wyraona jest wzorem:
z = ; (4.16)
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
29
/z = tzz Czyli prd twornika:
|z = 0 (4.17) Moc pozorna wewntrzna maszyny:
wx = yzz|z = 0 $$$zztz0ux (4.18) Elektromagnetyczny moment wewntrzny maszyny:
}x = ~ = 0 $$$zztz0ux (4.19) gdzie = - prdko ktowa mechaniczna (wirnika). Staa Arnolda wyraa stosunek objtoci maszyny do elektromagnetycznego momentu
wewntrznego:
= 5#% = 08:88 (4.20) Staa CA ma warto w przyblieniu sta dla zbioru geometrycznie podobnych maszyn tego samego
rodzaju, o takiej samej indukcji maksymalnej w szczelnie oraz takim samym prdowym obcieniu
liniowym powierzchni twornika. Jej warto daje pogld na objto materiaw czynnych maszyny
przypadajcych na jednostk elektromagnetycznego momentu obrotowego.
Wspczynnik wyzyskania maszyny okrela stosunek siy obwodowej dziaajcej na jednostk
przyszczelinowej powierzchni twornika.
}x = 0 (4.21) = 0% = 0~ (4.22) Powierzchnia przyszczelinowa twornika:
= tzux (4.23) Wspczynnik wyzyskania maszyny:
" = = 0~5# = $$$zz (4.24) Moc wewntrzn maszyny mona wyrazi przy uyciu wyprowadzonych staych:
wx = 5# (4.25) wx = 0 "tz0ux (4.26) Oglnie mona zauway, e objto maszyny wyraona jest zalenoci:
tz0ux = ~8:88 = ~ (4.27) Zmniejszenie objtoci maszyny jest moliwe zwikszajc maksymaln warto indukcji w
szczelnie, zwikszajc okad prdowy twornika lub zwikszajc prdko obrotow (czstotliwo).
4.4 Struktura
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
30
5 Projekt sinika z magnesami trwaymi nowa konstrukcja
5.1 Dane wejciowe Zbir wymaga jakie powinna spenia projektowana maszyna:
Moc czynna r 2,2kW Prdko obrotowa v 1500obr/min Napicie znamionowe 400V Liczba faz yz 3 Czstotliwo zasilania s 50Hz sprawno 0,85 Wspczynnik mocy cos 0,8 Z danych wynikaj
Prdko ktowa:
= 01 v (5.1) Prdko synchroniczna:
z = 2s (5.2) Liczba par biegunw:
= (5.3)
5.2 Dobr wymiarw gwnych silnika Wymiary gwne silnika zostan wyznaczone w oparciu o zaleno na moc wewntrzn maszyny:
wx = 0 $$$z(z)(tz0ux) (5.4) Zaleno pomidzy dugoci obliczeniow a rednic wewntrzn stojana wyraa tzw wspczynnik
smukoci:
= # =#5
= 0 # (5.5) Po przeksztaceniach otrzymamy zaleno na rednic wewntrzn stojana:
tz = ~5
(5.6)
Oraz dugo obliczeniow:
ux = 0 (5.7) Dobr wspczynnikw konstrukcyjnych i materiaowych:
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
31
Wspczynnik ksztatu pola $ sinusoidalny rozkad pola 2 prostoktny rozkad pola o wsp. zapenienia
2 sin A2C
2
silniki o mocy < 1.5 1.09 silniki o mocy > 1.5 0.715 Wspczynnik ksztatu napicia
napicie sinusoidalne 22
Silniki o mocy < 1.5 1.09 Silniki o mocy > 1.5 1.1 Wspczynnik uzwojenia
Uzwojenie jednowarstwowe 0,96
Uzwojenie dwuwarstwowe 0,92
Maksymalna indukcja w szczelnie
Warto maksymalna indukcji w szczelinie w przypadku maszyn z magnesami trwaymi zaley gwnie
od materiau, z ktrego wykonany jest magnes trway. W przypadku wykorzystania magnesw
neodymowych moliwe jest osignicie wartoci maksymalnej indukcji w szczelnie rzdu 1T.
Przyjto = 0,8T Okad prdowy
Zakres wartoci okadu prdowego mieci si w szerokich granicach od 100 A/m dla maszyn o mocy
0,1kW do 150kA/m w turbogeneratorach. Zaley on gwnie od odpornoci cieplnej izolacji oraz od
przewidywanego sposobu chodzenia maszyny.
Znajcy dane znamionowe oraz wymiary silnika okad prdowy mona obliczy z zalenoci (dla
SG100L4A):
z = 0 =00,0 = 24,7 (5.8)
Przyjto z = 27 Wspczynnik wyzyskania maszyny:
" = $$$z(z) = 0,24 (5.9)
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
32
Warto wspczynnika dobierana jest z zakresu 0,1 0,5 w zalenoci od mocy Si i liczby par biegunw p 2.
Obliczenie oczekiwanej mocy wewntrznej maszyny (dla silnika):
wx = z = 3,2kW (5.10) rednica wewntrzna stojana obliczona ze wzoru (5.6)
tz = 94mm Dugo obliczeniowa wzr (5.7)
ux = 100mm 5.3 Dobr wysokoci szczeliny powietrznej Dla maszyn synchronicznych szczelin powietrzn mona szacowa ze wzoru:
= 3103 = 0,75mm (5.11) W praktyce szczeliny o wartoci do 0.5mm stopniuje sie co 0.05mm, o wartoci do 2.5mm co 0.1mm,
wiksze co 0.5mm.
5.4 Dobr wysokoci magnesw trwaych W oparciu o dobr rednicy wewntrznej stojana oraz szczeliny powietrznej mona obliczy wymiary
wirnika. rednica zewntrznego uku magnesw trwaych:
t = tz 2 = 94 20,75 = 92,5mm Podziaka biegunowa na wysokoci magnesw trwaych:
= t2
Magnesy trwae mocowane powierzchniowo zajmuj okoo 60-80% szerokoci podziaki biegunowej.
Wspczynnik zapenienia podziaki biegunowej:
= 0,7 Wspczynnik rozproszenia strumienia magnesw trwaych:
"# = 0,95 Zaoono, e rozkad indukcji pola w szczelinie silnika ma przebieg sinusoidalny, wwczas oczekiwana
warto maksymalna indukcji jest rwna amplitudzie pierwszej harmonicznej przebiegu:
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
33
6 Projekt silnika z magnesami trwaymi - adaptacja Projekt silnika z magnesami trwaymi wykonano odpowiednio modyfikujc silnik indukcyjny.
Zaoono, e stojan silnika indukcyjnego wraz z uzwojeniami pozostawiony zostanie bez zmian.
Gwna modyfikacja konstrukcji silnika bdzie polegaa na wymianie wirnika klatkowego na wirnik z
powierzchniowo zamocowanymi magnesami trwaymi. Zastosowano wysokoenergetyczne
(neodymoe NdBFe, lub samarowo-kobaltowe SmCo) magnesy trwae w ksztacie wycinkw
piercienia. Magnesy zostan przyklejone do powierzchni wirnika i w razie koniecznoci
zabezpieczone piercieniem lub bandaem przed dziaaniem si odrodkowych.
Podstawowym zadaniem jest zaprojektowanie silnika z magnesami trwaymi o parametrach
eksploatacyjnych nie gorszych ni silnika indukcyjnego. W zwizku z tym dobr struktury obwodu
magnetycznego wirnika ma na celu uzyskanie wartoci amplitudy pierwszej harmonicznej rozkadu
indukcji w szczelnie powietrznej na poziomie indukcji uzyskanej w silniku indukcyjnym.
6.1 Dane wejciowe do oblicze Punktem wyjcia do oblicze silnika z magnesami trwaymi s dane katalogowe, konstrukcyjne oraz
materiaowe silnika indukcyjnego TAMEL SG100L4A (tabela 6.1).
Tabela 6.1 Dane katalogowe silnika TAMEL SG100L4A
Typ silnika Sg100L-4A
Czstotliwo (Hz) 50
Liczba faz 3
Moc (kW) 2.20
Prdko obrotowa 1420
Prd (A) przy 380V 5.00
Sprawno 81.00
Wspczynnik mocy 0.82
Krotno momentu rozruchowego 2.20
Krotno prdu rozruchowego 5.50
Stosunek mocy maks. do min. 2.60
Ilo biegunw 4
Moment bezwadnociowy (kgm2) 0.00670
Wymiary stojana pozostay takie same jak w przypadku projektu silnika indukcyjnego (Rys. 6.1).
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
34
Rys. 6.1 Oznaczenie wymiarw obka stojana oraz wymiarw wirnika silnika z magnesami trwaymi
Przyjto nastpujce dane wejciowe do oblicze:
Wielko Symbol Warto Jednostka
Moc znamionowa Pn 2,2 kW
Napicie fazowe U1n 380 V
Czstotliwo fn
50 Hz
Liczba faz ms
3 -
Prdko synchroniczna ns
1500 1/min
Liczba par biegunw p 2 - rednica zewntrzna stojana Dse 153 mm
rednica wewntrzna stojana Ds 94 mm
rednica wewntrzna wirnika Dri 33 mm
Dugo stojana ls 96 mm
Liczba obkw stojana Qs 36 -
Szeroko otwarcia obka bs1 2,2 mm
Szeroko obka bs2 3,9 mm
Wysoko otwarcia obka hs1 2,0 mm
6.2 Parametry magnesw trwaych Do oblicze przyjto parametry magnesu samarowo-kobaltowego SmCo o oznaczeniu S18 10
Tabela 6.2 Parametry magnesw trwaych
LP Wielko Symbol Wyraenie Warto Jednostka
1 Dobrano magnes trway SmCo S18
2 Indukcja remanencji Br 0,95 T
3 Natenie koercji Hc 670 kA/m
4 Przenikalno magnetyczna wzgldna r /1 ) 1,13 - 6.3 Szczelina powietrzna Dobr wysokoci szczeliny powietrznej i wysokoci magnesu trwaego jest ze sob zwizany w
procesie wyznaczania punktu pracy magnesu trwaego. Przenikalno magnetyczna magnesw
trwaych (neodymowych) jest w przyblieniu rwna przenikalnoci powietrza co oznacza, e
wysoko magnesu trwaego powiksza efektywn szczelin powietrzn. Wiksza szczelina
powietrzna oznacza konieczno zastosowania wyszych magnesw trwaych w celu uzyskania
oczekiwanej wartoci amplitudy pierwszej harmonicznej indukcji w szczelnie. Oznacz to zarwno
zwikszenie cakowitych kosztw maszyny jak i zmniejszenie indukcyjnoci magnesowania. Z drugiej
strony zwikszenie szczeliny powietrznej skutkuje bardziej sinusoidalnym rozkadem indukcji
w szczelnie i zmniejszeniem strat z uwagi na prdy wirowe oraz ograniczeniem momentu
zaczepowego.
Rzeczywista szczelina powietrzna w maszynach z magnesami trwaymi wynosi od 1 do 3 mm
(z uwzgldnieniem piercienia lub bandaa mocujcego).
Przyjto wysoko szczeliny powietrznej
Tabela 6.3 Wysoko szczeliny powietrznej
LP Wielko Symbol Wyraenie Warto Jednostka
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
35
5 Wysoko szczeliny powietrznej - 1,0 mm W dalszych obliczeniach uwzgldnia si uobkowanie stojana przez wprowadzenie wspczynnika
Cartera, o ktry powiksza si szczelin powietrzn.
Tabela 6.4 Obliczenia wspczynnik Cartera i zastpczej szczeliny powietrznej
LP Wielko Symbol Wyraenie Warto Jednostka
6 Podziaka obkowa s t/z 8,2 mm 7 Wsp. otwarcia obka kopen z/z0 0,56 - 8 s z0$/2 1,1 - 9 4 Az atanz ln A1 + z0CC 0,66 - 10 Wsp. Cartera kCarter z/z 1,1 - 11 Szczelina zastpcza e $/ 1,1 mm 6.4 Wysoko magnesw trwaych Proces doboru wysokoci magnesw trwaych pokazano poniej (tabela 6.5).
Tabela 6.5 Dobr wysokoci magnesu trwaego
LP Wielko Symbol Wyraenie Warto Jednostka
12 rednica zewntrzna magnesw trwaych Dm tz 2 92 mm 13 Podziaka biegunowa magnesw m t2 72,3 mm 14 Wsp. zapenienia podziaki biegunowej m 0,6 - 15 Szeroko magnesu trwaego wm 43,4 mm 16 Wsp. rozproszenia magnesw trwaych lm 0,95 - 17 Amplituda 1 harmonicznej indukcji B1 0,76 T 18 Wysoko magnesu trwaego hm "#4 "# sin2 1
5,2 mm
19 Dobrano wysoko magnesu trwaego hm 5 mm
20 Punkt pracy magnesu trwaego warto indukcji w magnesie
Bm 1 + "#
0,78T T
21 Strumie wzbudzony przez magnes m uz 3,23e-3 Wb
Wysoko magnesu trwaego zaley od zaoonej wartoci (amplitudy pierwszej harmonicznej)
indukcji magnetycznej w szczelnie powietrznej (wzr 18, rys.).
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
36
Rys. 6.2 Zaleno pomidzy wysokoci magnesu trwaego i wartoci amplitudy pierwszej harmonicznej indukcji w szczelnie
Zwikszajc szeroko magnesu trwaego, tak by zajmowa ca podziak biegunow (m=1) uzyskamy jedynie 24% wzrost amplitudy pierwszej harmonicznej rozkadu indukcji (rys. 6.3).
Jednoczenie cakowita objto magnesw trwaych jak i ich cena wzrosn o 67% (1/m).
Rys. 6.3 Wpyw szerokoci magnesu trwaego na warto amplitudy pierwszej harmonicznej indukcji w szczelnie
6.5 Wysoko jarzma wirnika Minimalna wysoko jarzma wirnika zostaa wyznaczona przy zaoeniu, e strumienia wzbudzony
przez magnes trway zamknie si przez jarzmo wirnika.
0 0.2 0.4 0.6 0.80
0.01
0.02
0.03
0
h.M B.1( )
.lM B.r0 B.1
0 0.2 0.4 0.6 0.80
0.2
0.4
0.6
0.8
10.932
0
B.x ( )
10
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
37
Tabela 6.6 Wysoko jarzma wirnika
LP Wielko Symbol Wyraenie Warto Jednostka
22 Wspczynnik zapenienia pakietu wirnika kfe 0,95 -
23 Dugo obliczeniowa pakietu wirnika lfe $uz 91 mm 24 Maksymalna warto strumienia w jarzmie wirnika yr 2 1,6e-3 Wb 25 Maksymalna warto indukcji w jarzmie wirnika Byr 1,3 T
26 Minimalna wysoko jarzma wirnika hyr u 14 mm 6.6 Sprawdzenie Z zaoe projektu wynika, e wymiary wirnika ograniczone s przez rednice wewntrzna stojana
(Ds) oraz rednic waka (Dri). W przestrzeni tej powinny znale si szczelina powietrzna, magnes
trway oraz jarzmo wirnika czyli powinna by speniona nierwno:
30 + + (6)
Sprawdzenie nierwnoci:
tz tx2 =
94 332 = 31yy
+ + = 1 + 5 + 14 = 20mm Nierwno (6) jest speniona.
Wniosek: Wirnik silnika indukcyjnego skada si z uzwoje klatki oraz jarzma wirnika i zajmowa
znacznie wicej miejsca ni wzbudzenie silnika z magnesami trwaymi. W konsekwencji znaczna cz
wirnika jest nie wykorzystana.
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
7 Projekt uzwojenia twornika
7.1 Rodzaje uzwoje silnikw prdu przemiennegoUzwojenia silnikw prdu przemiennego projektuje si tak by uzyska sinusoidalny rozkad uzwoje
lub bardziej oglnie sinusoidalny przebieg
przyjtego kryterium uzwojenia moemy podzieli na:
ksztat uzwojenia: ptlicowe i faliste, rozpito zezwoju: rednicowe i skrcone (ciciwowe), liczb obkw przypadajcych na biegun i faz: cakowite i u liczb bokw cewek lecych w jednym obku: jedno lub dwuwarstwowe, sposb wykonania pocze czoowych: wzornikowe i pitrowe.
Rys. 7.1 Rodzaje uzwoje silnikw prdu przemiennego
Poszczeglne cewki uzwojenia umieszczone s w obkach. W zalenoci od ksztatu przekroju drutu
nawojowego stosuje si odpowiednie obki dla drutw okrgych i drutw profilowych.
Rys. 7.2 Ksztat obkw stojana
7.2 Podstawowe zaoenia dotyczce budowy uzwojenia twornikaPodstawowe parametry uzwojenia to:
Pitrowe
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
twornika
Rodzaje uzwoje silnikw prdu przemiennego Uzwojenia silnikw prdu przemiennego projektuje si tak by uzyska sinusoidalny rozkad uzwoje
sinusoidalny przebieg napicia indukowanego rotacji. W zalenoci od
przyjtego kryterium uzwojenia moemy podzieli na:
ksztat uzwojenia: ptlicowe i faliste,
rozpito zezwoju: rednicowe i skrcone (ciciwowe),
liczb obkw przypadajcych na biegun i faz: cakowite i uamkowe,
liczb bokw cewek lecych w jednym obku: jedno lub dwuwarstwowe,
sposb wykonania pocze czoowych: wzornikowe i pitrowe.
Rodzaje uzwoje silnikw prdu przemiennego
uzwojenia umieszczone s w obkach. W zalenoci od ksztatu przekroju drutu
nawojowego stosuje si odpowiednie obki dla drutw okrgych i drutw profilowych.
Podstawowe zaoenia dotyczce budowy uzwojenia twornikaPodstawowe parametry uzwojenia to:
Uzwojenia stojanw
Jednowarstwowe
Pitrowe
dwupitrowe
dwupitrowe z grup aman
trzypitrowe
Wzornikowe
grupowe
wzornikowe
koszykowe
Dwuwarstwowe
Ptlicowe
Faliste
38
Uzwojenia silnikw prdu przemiennego projektuje si tak by uzyska sinusoidalny rozkad uzwoje
napicia indukowanego rotacji. W zalenoci od
liczb bokw cewek lecych w jednym obku: jedno lub dwuwarstwowe,
uzwojenia umieszczone s w obkach. W zalenoci od ksztatu przekroju drutu
nawojowego stosuje si odpowiednie obki dla drutw okrgych i drutw profilowych.
Podstawowe zaoenia dotyczce budowy uzwojenia twornika
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
39
Liczba faz yz Liczba zwojw szeregowych z Liczba gazi rwnolegych Liczba cewek Liczba par biegunw Liczba obkw na biegun i faz
Liczba cewek wynika z liczby obkw oraz rodzaju uzwojenia:
- uzwojenie jednowarstwowe = 0 - uzwojenie dwuwarstwowe = z 7.2.1 Liczba faz Silniki mog by budowano jako jedno lub wielofazowe (najczciej trjfazowe). Dokonujc wyboru
liczby faz silnika mona kierowa si wspczynnikiem wykorzystaniu uzwojenia twornika, konieczn
topologi ukadu zasilania, ksztatem przebiegu momentu na wale (Tabela 7.1).
Tabela 7.1 Porwnanie wybranych cech silnikw bezszczotkowych o rnej liczbie faz
Liczba faz m Wykorzystanie uzwojenia %
Liczba kluczy energoelektronicznych
Pulsacja momentu %
1 50 2 100
2 50 4 lub 8 30
3 67 6 lub 3 15
4 75 8 10
6 83 12 7
12 92 24 3
7.2.2 Liczba obkw i biegunw Liczba par biegunw silnika wynika z prdkoci obrotowej i koniecznoci ograniczenia czstotliwoci
komutacji kluczy energoelektronicznych i ograniczania strat mocy w elazie.
= 1 (7.1) Dla silnikw o duych prdkociach obrotowych naley wybiera silniki o liczbie par biegunw nie
wikszej ni 2.
Przy zwikszaniu liczby par biegunw proporcjonalne zmniejsza si wymagana wysoko jarzma
stojana. Dlatego w celu zmniejszenia rednicy zewntrznej silnika mona zwikszy liczb par
biegunw. Zwikszenie liczby par biegunw zmniejsza rwnie warto amperozwoi na biegun i w
konsekwencji zmniejsza reaktancje synchroniczn silnika.
Zwikszenie liczby biegunw sinika wymaga zastosowania odpowiedniego ukadu magnesw w
wirniku. Wirnik, w ktrym magnes wykonany jest w postaci piercienia (silnika do napdach
optycznych), mona namagnesowa tak by uzyska dowoln liczb par biegunw. W silnikach, w
ktrych stosuje si magnesy o ksztacie prostopadocianu lub wycinka piercienia, magnesy naley
odpowiednio uoy. W takich konstrukcjach zwikszeni liczby biegunw znacznie zwiksza koszt
wykonania silnika.
Najczciej stosuje si silniki o liczbie par biegunw od 1 do 4.
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
40
Dopuszczalne kombinacje liczby obkw przypadajcych na faz oraz liczby biegunw zestawiono
w tabeli
Tabela 7.2 Dopuszczalne kombinacje liczby obkw (Q) i biegunw (2p) dla silnika 3-fazowego
Liczba obkw na faz 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48
Licz
ba
bie
gun
w
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
6 8 10 6 8 8 6 8 8 6 8 8 6 8
8 10 8 14 10 8 10 10 8 10 10 8 10
12 18 12 16 16 10 20 14 10 14 14 10 14
14 20 12 22 20 12 16 16 12 16
16 18 26 22 14 26 26 14 20
20 26 16 28 28 16 32
22 28 22 32 32 20 34
24 24 34 34 28 38
26 30 40
28 32
30 34
32 38
40
Z powyszej tabeli wynikaj moliwe wartoci liczby obkw na biegun i faz.
liczba par biegunw p Liczba obkw na biegun i faz q do 1kW do 10kW do 100kW 1 2...3 2...4 3...6 2 2...3 2...4 3..5 3 1,5...2 2...3 2,5...4 4 1,5...2 2...3 2,5...4 5 2...3 2,5...4 6 2...4 8 2...4 Przyjto, dla silnika 4-biegunowego liczb obkw na biegun i faz rwn 3.
= 3 (7.2) Wynika z tego liczba obkw stojana:
z = 2yz = 36 (7.3) 7.3 Wspczynnik uzwojenia Dobr odpowiedniego skrtu pozwala wyeliminowa niektre wysze harmoniczne w napiciu
indukowanym rotacji,
7.3.1 Wspczynnik skrtu cewki
$z = sin A 0 z;/;C (7.4) Gdzie:
wspczynnik skrtu cewki oblicza si ze wzoru:
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
41
gdzie: rzd harmonicznej, / rozpito cewki w liczona w liczbie obkw, c/z podziaka biegunowa liczona w liczbie obkw wedug zalenoci:
c/z = 0 (7.5) Przyjmujc rozpito cewki / = c/z otrzymamy wspczynnik skrtu cewki dla pierwszej harmonicznej rwny $z = 1 7.3.2 Wspczynnik grupy cewki Wspczynnik grupy cewki uwzgldnia przesunicie fazowe sem indukowanych w szeregowo
poczonych cewkach. Dla uzwojenia jednowarstwowego oblicza si go ze wzoru:
$z = A 5C A 5C (7.6) Wspczynnik grupy cewki dla pierwszej harmonicznej
$z = 0,96 7.3.3 Wspczynnik uzwojenia Wspczynnik uzwojenia wyraony jest jako iloczyn:
$z = $z$z (7.7) 7.4 Liczba zwojw szeregowych Przyjmujc, e napicie indukowane wyraone jest zalenoci (4.13) to liczb zwojw szeregowych
obliczamy ze wzoru:
z = 888:# (7.8) Dla danych silnika obliczono: z = 456,3 Liczba zwojw w cewce powinna by liczb cakowit:
z = zz2 7.5 Drut nawojowy Gsto prdu w uzwojeniu stojana zaley od mocy silnika, przyjtego rodzaju chodzenia, rodzaju
uzwojenia, klasy izolacji. Dopuszczalne gstoci prdu zestawiono w tabeli.
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
42
Tabela 7.3
Dla projektowanego silnika dobrano gsto prdu uzwoje stojana:
z = 7.5 yy0 Prd fazowy silnika wynika z wymaganej mocy oraz zaoonych wartoci sprawnoci i wspczynnik
mocy:
|z = (7.9) Znajc warto prdu fazowego oraz dopuszczaln gsto prdu mona obliczy pole powierzchni
przekroju przewodu:
wz = ' (7.10)
wz = 0,66yy0 Uzwojenia silnikw elektrycznych wykonuje si z:
drutu nawojowego miedzianego, okrgego w izolacji emaliowanej (o dwch stopniach gruboci),
drutu miedzianego, okrgego, o izolacji z tworzyw termoplastycznych (polipropylenowa) stosowane do silnikw pomp gbinowych (DNE 155 U),
drutu profilowanego miedzianego o podwjnym oprzdzie z wkna szklanego, nasyconego lakierem poliestrowym (DNp2Ss).
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
43
rednice dostpnych drutw nawojowych o przekroju okrgym zawieraj si w zakresie od 0,02 mm
do 4,00 mm. Najmniejsze, dostpne w sprzeday, druty profilowane (o przekroju prostoktnym) maj
wymiar 1,3mmx3mm (3,9mm2).
Dla pola powierzchni przewodu mniejszego ni 10mm2 uzwojenia wykonuje si z drutu o przekroju
okrgym. Wybrano przewd emaliowany o przekroju okrgym, o rednicy:
z = 2w (7.11) Na podstawie obliczonej rednicy z = 0,91mm przyjto z katalogu drut o rednicy:
bez izolacji z = 0,92 mm, z izolacj xz = 0,982 mm.
Pole powierzchni miedzi w obku wynosi:
z A0 C0 = 25.93mm2
Wspczynnik zapenienia obka przewodami o przekroju okrgym w izolacji emaliowanej wynosi
0,65-0,7, przy czym:
wspczynnik uwzgldniajcy izolacj przewodw $ = 0,75, wspczynnik uwzgldniajcy ksztat przewodu $0 = 0,7, wspczynnik uwzgldniajcy przestrze zajmowan przez izolacj gwn, przekadki
izolacyjne oraz klin zamykajcy obek $ = 0,7. Rzeczywiste pole powierzchni obka:
wz = 8858 z A0 C
0 = 75,2mm2 (7.12)
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
44
8 Wymiary obwodu magnetycznego stojana Rozdzia ten jest kontynuacj projektu silnika bezszczotkowego z magnesami trwaymi wykonanego
jako adaptacja konstrukcji silnika indukcyjnego (rozdziay: 6, 7).
8.1 Wysoko jarzma stojana Wysoko jarzma stojana wynika z przyjtej wartoci maksymalnej indukcji w tej czci silnika oraz
wartoci strumienia w silniku. Przyjto maksymaln warto indukcji w jarzmie stojana: z = 1,31 T. Warto strumienia w jarzmie stojana wyraa rwnanie:
z = 0 = zzu (8.1) Std wysoko jarzma stojana:
z = 0# (8.2) Minimalna wysoko jarzma stojana wynosi z = 13,6 mm. 8.2 Szeroko zba stojana Zaoono, e cay strumie wzbudzony przez magnes trway przepywa tylko przez zby stojana oraz,
e warto maksymalna indukcji w zbie stojana wynosi /z = 1,32 T. Podziaka obkowa:
c/z = (8.3) Minimalna szeroko zba stojana okrela zaleno:
/z = /;8; (8.4) Przyjto szeroko zba stojana /z = 4,8 mm. 8.3 Wymiary obka stojana Dla przewodw okrgych przyjto ksztat obka jak na rys
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
45
Rys. 8.1 Ksztat i oznaczenie wymiarw obka stojana
Szeroko rozwarcia obka naley przyj o 1-2mm wiksz ni rednica drutu nawojowego z
izolacj.
z = xz + 1. .2 (8.5) Przyjto szeroko rozwarcia obka z = 2,6mm. Wysoko rozwarcia obka przyjto z = 0,7mm. Kt zbienoci cianek bocznych dobiera si tak, eby zb mia cianki rwnolege.
z = 0 (8.6) Kt zbienoci z = 10 deg. Kt zbienoci klina oraz jego wysoko dobiera si ze wzgldu na jego wytrzymao. Kt zbienoci
z zakresu od 45 do 60 stopni, przy czym mniejsza warto dla wikszych rednic wewntrznych
stojana.
Przyjto:
kt zbienoci klina: = 65 deg, wysoko klina: z0 = 0,2 mm
Znajc wymiary klina wyznacza si szeroko obka bliej szczeliny powietrznej ze wzoru:
z0 = tan A0 C(tz + 2z + 2z0) ;A5 C (8.7) Przyjto szeroko obka z0 = 3,6 mm. Pozostae wymiary obka stojana zale od jego pola powierzchni. Przyjmujc, e pole powierzchni
obka przedstawionego na rys. wyraa wzr:
wz#/ = 50 z + z0 (8.8) oraz
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
46
z = z0 + 2z tan A0 C (8.9) Mona wyznaczy szeroko obka bliej powierzchni zewntrznej silnika:
z = 255 ~ A5 C A5 C0 (8.10) Wysoko czci trapezowej obka:
z = 350 A5 C (8.11) Przyjto:
szeroko obka: z = 5,9 mm, wysoko czci trapezowej obka: z = 13,1 mm.
Cakowita wysoko obka stojana:
z = z + z0 + z + 0 (8.12) wynosi: z = 16,95mm. 8.4 rednica zewntrzna stojana W oparciu o wyliczone wczeniej wymiary silnika mona obliczy rednice zewntrzn stojana:
tz = tz + 2z + z (8.13) rednica zewntrzna stojana wynosi: tz = 155,1 mm.
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
47
9 Model geometryczny silnika w programie Inventor Wyniki oblicze projektowych silnika zostay wykorzystane do budowy parametrycznego modelu
geometrycznego w programie Autodesk Inventor. Program ten umoliwia opracowanie
trjwymiarowego modelu wirtualnego silnika, wykonanie dokumentacji technicznej, przygotowanie
multimedialnych prezentacji w postaci animacji (np. procesu wykonania) lub fotorealistycznych
obrazw. Dziki moliwoci przyporzdkowania materiaw o okrelonych waciwociach fizycznych
do poszczeglnych czci silnika mona obliczy np. moment bezwadnoci wirnika. Program Inventor
w wersji Professional wyposaony jest w modu oblicze polowych, ktry mona wykorzysta
do oblicze rozkadu napre mechanicznych. Program wyposaony jest w gotowe biblioteki czsto
wykorzystywanych elementw (oyska, ruby) oraz generatory np. wakw.
Proces opracowywania modelu geometrycznego wymaga okrelenia parametrw geometrycznych
oraz zalenoci pomidzy nimi, wykonania szkicw 2D poszczeglnych czci i ich zwymiarowanie
z wykorzystaniem parametrw, modelowanie 3D, zoenie czci w jeden zesp.
Model
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
48
10 Parametry silnika bezszczotkowego z magnesami trwaymi Obliczenia analityczne parametrw uytkowych oraz parametrw modelu obwodowego
zaprojektowanego silnika bezszczotkowego z magnesami trwaymi.
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
49
11 Literatura 1. Chalmers B.J., Akmese L., Musaba L.: Validation of Procedure for Prediction of Field-
Weakening Performance of Brushless Synchronous Machine. International Conference on Electrical Machines 2-4 September 1998, Istanbul, Turkey, p. 320-323
2. Dbrowski M.: Projektowanie maszyn elektrycznych prdu przemiennego. Warszawa, Wydaw. Nauk. -Techn., 1988.
3. Gieras J.F., Bianchi N.: Electric Motors for Light Traction. 10th International Power Electronics and Motion Control Conference. EPE-PEMC 2002. 9-11 September 2002, Cavtat & Dubrovnik, Croatia. Proc. CD-ROM, p. 1-11
4. Gieras J.F.: Mitchell Wing, Permanent Magnet Motor Technology, 2nd ed. Marcel Dekker, Inc, 2002
5. Hanselman D.: Brushless Permanent Magnet Motor Design, 2nd ed. McGraw-Hill, New York, 1994.
6. Hendershot J.R., Miller T.J.E. : Design of brushless permanent-magnet motors. Hillsboro, OH:Magna Pysics Pub. ; Oxford : Clarendon Press, 1994
7. Jahns T.M., Soong W.L.: Pulsating Torque Minimization Techniques for Permanent Magnet AC Motor Drives-A Review. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 43, no. 2, April 1996, p. 321 330
8. Kaczmarek T., Zawirski K.: Ukady napdowe z silnikiem synchronicznym. Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, Pozna 2000
9. Michna M., Ronkowski M, Wilk A., Kostro G., Dobrowolski P.: Adaptacja silnika indukcyjnego do budowy maszyny synchronicznej z magnesami trwaymi. XXIX Midzynarodowe Sympozjum Maszyn Elektrycznych. Gdask-Jurata, 9-11 czerwiec 2003
10. MMC Magnetics Mateirals and Components www.mmcmagnetics.com 11. Orowska-Kowalska T.: Stan obecny i tendencje rozwojowe napdu elektrycznego. Przegl.
Elektrotechniczny R. 80, nr 3, 2004, str. 185-197 12. Zhu Z.Q., Xia Z.P., Howe D.: Comparison of Halbach magnetized brushless machines based on
discrete magnet segments or a single ring magnet. IEEE Transactions on Magnetics, vol. 38, no. 5, Sept. 2002, p. 2997 2999
13. Eurodrut www.eurodrut.com.pl 14. Polprodukt hurtowania drutw nawojowych www.poldrut.pl 15. EL-drut hurtowania elektrotechniczna www.el-drut.com.pl 16. Puranen J. : Induction Motor Versus Permanent Magnet Synchronous Motor In Motion
Control Applications: A Comparative Study. Lappeenranta University of Technology 2006. 17. Sosiski M. Materiay magnetyczne w technice. Centralny Orodek Szkolenia i Wydawnictw
SEP. Warszawa. 18. Nagorny A.S., Dravid N.V., Jansen R.H, Kenny B.H.:Design Aspects Of A High Speed Permanent
Magnet synchronous motor / generator for flywheel applications. IEEE Conference, 2005 19. Ecomotors http://www.ecomotors.org/ 20. A tutorial on electrical machine
http://st.com/stonline/products/support/motor/tutorial/motor.swf
Silnik bezszczotkowy z magnesami trwaymi
19 padziernika 2011
50
12 Zaczniki Ksztat rozkadu pola w szczelnie maszyn z magnesami trwaymi.
Rozkad sinusoidalny
