Projektowanie systemów EM

Projektowanie systemów EM
dr inż. Michał Michna
Rozwój Maszyn Elektrycznych
2
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Literatura

Dąbrowski M.: Projektowanie maszyn elektrycznych
prądu przemiennego. Warszawa, Wydaw. Nauk. Techn., 1988.

Gieras J.F.: Mitchell Wing, Permanent Magnet Motor
Technology, 2nd ed. Marcel Dekker, Inc, 2002

Gieras J.F: Advancements in Electric Machines.
Springer-Verlag Gmbh 2008

Hanselman D.: Brushless Permanent Magnet Motor
Design, 2nd ed. McGraw-Hill, New York, 1994.

Pyrhönen J., Jokinen T., Hrabovcová V.: Design of
Rotating Electrical Machines Wiley 2008
3
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Rozwój maszyn elektrycznych
Przyczyny rozwoju ME






4
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
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Napięcie stałe (DC)
Prąd stały (DC)
Silnik prądu stałego
3-faz. napięcie przemienne (AC)
3-faz. napięcie przemienne (AC)
Prąd stały (DC)
Silnik asynchroniczny/indukcyjny
Silnik synchroniczny
Napięcie stałe (DC)
Silnik prądu stałego
z magnesami trwałymi
Silnik synchroniczny
z magnesami trwałymi
3-faz. napięcie prostokątne
3-faz. napięcie przemienne (AC)
Silnik bezszczotkowy
prądu stałego
z magnesami trwałymi
i komutatorem elektronicznym
5
3-faz. napięcie przemienne (AC)
Silnik bezszczotkowy
prądu przemiennego
z magnesami trwałymi
i komutatorem elektronicznym
dr inż. Michał Michna
3-faz. napięcie przemienne (AC)
Silnik synchroniczny
reluktancyjny
Kluczowane sekwencyjnie
napięcie stałe (DC)
Silnik o przełączanej reluktancji
z komutatorem elektronicznym
2011-10-24
Silnik indukcyjny klatkowy
Zalety





Prosta konstrukcja,
Niskie koszty produkcji i eksploatacji
Brak komutatora i pierścieni ślizgowych
(silnik bezszczotkowy)
Małe tętnienia momentu
Wady






6
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
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
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




7
Magnesy trwałe są wrażliwe na temperaturę, a tym samym
parametry silnika zależą od temperatury
Droższe niż IM i SRM
Wymagają układu zasilnia i sterowania
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Silnik bezszczotkowy z MT
Silniki z magnesami trwałymi
Komutatorowe silniki
prądu stałego
Silniki bezszczotkowe
Bezszczotkowe silniki
prądu stałego
8
Silniki skokowe
Bezszczotkowe silniki
prądu przemiennego
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Silnik bezszczotkowy z MT
IM
SBMT
Sprawność
Średnia (70-96%)
Wysoka (93-95%)
wsp. mocy
0,7 - 0,86
>0,94
straty mocy
stojan i wirnik
stojan
szczelina
powietrzna
mała, harmoniczne
żłobkowe, hałas
duża
wsp. moc/masa
średni (75W/kg)
duży (160W/kg)
konstrukcja
wirnika
prosta, wytrzymała
prosta lub złożona,
podatność MT na siły
odśrodkowe
cena
niska
wysoka
9
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Silnik bezszczotkowy z MT
Melfi, M.J.; Rogers, S.D.; Evon, S.; Martin, B. Permanent Magnet
Motors for Energy Savings in Industrial Applications. PPIC 2008
10
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
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
11
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Silniki reluktancyjne przełączalne 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


12
hałas akustyczny
tętnienia momentu obrotowego
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Maszyny elektryczne
13
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Moc wewnętrzna
14
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Moc wewnętrzna
Si  ms ERMS I RMS
Rozkład indukcji w szczelnie
 

B(t , x)  Bm sin x  t 
 s

s 
Ds
2p
Strumień sprzężony z uzwojeniem
s
(t )   B(t , x) d t  ls  B(t , x) dx
0
A
Napięcie indukowane
d (t )
e(t )   N s
dt
Współczynniki konstrukcyjne
N s  kws1 N
BAV 2
kB 

BM 
Okład prądowy – liniowa gęstość prądu
ERMS

kU 

E AV
2 2
2 NI RMS
As  ms
Ds
15
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Moc wewnętrzna
Współczynniki konstrukcyjne
Si 

2

Prędkość maszyny

k B kU k ws  AS Bm  Ds2ls m
Okład prądowy
16
Objętość maszyny
Indukcja w szczelnie
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Indukcja w szczelnie
17
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Gęstość liniowa prądu – okład prądowy
18
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Współczynnik wyzyskania maszyny
2Ti
F
Ds
F

A
Ti 
Si
m


2
A  Ds ls

k B kU k ws  AS Bm  Ds2ls

  k B kU kws  AS Bm 
19
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Współczynnik wyzyskania maszyny
20
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały magnetyczne
Materiały magnetyczne stosowane w budowie ME
21
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały



Materiały magnetyczne miękkie
Materiały magnetycznie twarde
Materiały przewodowe
22
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały magnetycznie miękkie
23
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały magnetycznie miękkie

Zastosowanie:


obwód magnetyczny stojana i wirnika
Parametry:


24
Indukcja nasycenia,
stratność
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały magnetycznie miękkie

Cechy





duża indukcja nasycenia
wąska pętla histerezy
duża rezystywność
duża przenikalność magnetyczna
Właściwości



25
skład stopu i jego czystość
technologia produkcji (np.: walcowanie)
obróbka cieplna (np.: wyżarzanie 1100-1300 st. C przez
ok. 1h)
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały magnetycznie miękkie
Materiały
magnetycznie
miękkie
Stopy
nanokrystaliczne
1nm-20nm
Krystaliczne
0,1mm-10mm
Stale krzemowe
Stopy Fe-Ni
permaloj
Stopy Co-Fe
permendur
Amorficzne
0-0,5mm
Fe, Si, B, Nb
Taśmy szkieł
metalicznych
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Anizotropowe,
Izotropowe
Niskokrzemowe,
Wysokokrzemowe
27
Kompozyty
Spieki ferrytowe
Materiały magnetycznie miękkie
Materiał
Stratność
Indukcja
(0,2T 25KHz) nasycenia
W/kg
T
Permaloy
14
0,7-1,5
Ferryt
17
0,6
Taśma amorficzna (30-50um)
5
0,57-,77
Taśma amorficzna (20um)
3
1,25
28
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Stale krzemowe
Zawartość
Si [%]
Nazwa
stal
krzemowa
Bmax [T]
μmax
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)
29
Stratność
W/kg
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
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”



30
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
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Armco DI-MAX nonoriented electrical steels M-27, M-36 and M-43.
31
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
32
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały magnetycznie miękkie
33
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
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
34
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Stale krzemowe - mikrokrystaliczne
35
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Stal elektrotechniczna - wysokie f



Zakres częstotliwości 400Hz –
10kHz
Zmniejszenie grubości blach –
ograniczenie prądów wirowych
Arnold Magnetic Technologies
Corporation

36
ArnonTM 5 ArnonTM 7
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
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
70-79
0,8
120 000
Tak
80 Ni,
4-6 Mo,
reszta Fe
0,82
1 000 000
Tak
Permaloj
Supermaloj
37
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Stopy żelaza z kobaltem

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






38
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Stopy żelaza z kobaltem Co-Fe
Carpenter Hiperco 50
39
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Stopy żelaza z kobaltem Co-Fe
Carpenter Hiperco 50
40
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Stopy żelaza z kobaltem Co-Fe
Carpenter Hiperco 50
41
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Stopy żelaza z kobaltem Co-Fe
42
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
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]
Stratność
p [W/kg]
0,1
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
60 Hz 0,0035 0,010 0,026 0,045 0,070 0,10
1,2
0,14
1,4
0,22
1,6
0,28
50 Hz 0,0028 0,008 0,021 0,036 0,056 0,08
0,11
0,17
0,22
1,6
5,6
8,0
Magnesowalnoś
prąd
ć
stały
H [A/m]
43
0,84
1,00
1,10
1,18
1,26
1,35
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Stale amorficzne
44
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
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)




45
nieorganiczna (fosforan glinu i magnezu)
odporna na olej i freon
odporność temperaturowa 800°C
grubość 1 µm/stronę.
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały kompozytowe
46
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały magnetycznie miękkie
47
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
Metglas (amorfiki)
13,7
1,56
160000
Accucore
(kompozyty)
6,5
1,75
7000
Maszyny
specjalne
do 20kHz
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały magnetycznie trwałe
50
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały magnetycznie trwałe
51
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały magnetycznie trwałe


Alnico
ceramiczne


ferryty baru i strontu
z domieszkami
pierwiastków ziem rzadkich:


52
samorowo-kobaltowe SmCo
neodymowe NdFeB
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały magnetycznie trwałe
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
[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
J Hc
53
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały magnetycznie trwałe
Material
Cost Index
Maximum Energy
Products
(BH)max(MGOe)
Coercivit Maximum
y
Working
Machinability
Hci(KOe) Temperature(°C)
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
54
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały MT
55
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały MT
56
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Materiały magnetycznie trwałe
http://www.arnoldmagnetics.com/
57
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Punkt pracy MT - geometrycznie
58
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Punkt pracy MT - analitycznie
59
dr inż. Michał Michna
2011-10-24
Punkt pracy MT – wpływ temperatury
1.2
1.2
1
0.8


B.mT  H.m 40
B.mT  H.m 60
0.6
B.mT  H.m 80
B.M  H.m 3mm 1mm 
B.mT H.m 20
0.4
0.2
0
0
6
 110
 1000000
60
5
 910
5
 810
5
 710
5
 610
5
 510
5
 410
5
 310
5
 210
H.m
dr inż. Michał Michna
5
 110
0
0
2011-10-24
Punkt pracy MT – wpływ temperatury
B.r
1


B.MT  .0 h.M 40
B.MT  .0 h.M 60
B.MT  .0 h.M 80 0.5
B.MT .0 h.M 20
0
0
3
210
0.5mm
61
3
3
410
610
3
810
h.M
dr inż. Michał Michna
0.01
10mm
2011-10-24
Punkt pracy MT – wpływ temperatury
B.r
1


B.MT  .xh.M0 40
B.MT  .xh.M0 60
B.MT  .xh.M0 80 0.5
B.MT .xh.M0 20
0
0
3
3
110
0.1mm
62
3
210
310
.x
dr inż. Michał Michna
3mm
2011-10-24
Punkt pracy MT – wpływ temperatury
1.25
1.25
1


0.75
B.MT  .0 .0 x40
B.MT  .0 .0 x60
B.MT  .0 .0 x80
0.5
B.MT .0 .0 x20
0.25
0
0
0
0
63
1
2
3
4
5
6
7
8
x
dr inż. Michał Michna
9
10
10
2011-10-24
Punkt pracy MT – wpływ temperatury
0
0
 10


B .m .0 1 t 
B .m .0 2 t 
 20
B .m .0 5 t 
B .m .0 10t 
B .m .0 0.5 t
 30
 40
 40
20
20
64
40
60
80
t
dr inż. Michał Michna
80
2011-10-24