PDF version - Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny

ELEKTRYKA
Zeszyt 4 (220)
2011
Rok LVII
Zbigniew GORYCA
Instytut Automatyki i Telematyki, Politechnika Radomska
Mariusz MALINOWSKI
Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Politechnika Warszawska
Artur PAKOSZ
Zespół Szkół Elektronicznych, Radom
SPOSÓB MINIMALIZACJI MOMENTU ZACZEPOWEGO
W WIELOBIEGUNOWEJ MASZYNIE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI
Streszczenie. W pracy przedstawiono unikalny, opatentowany [1] sposób
minimalizacji momentu zaczepowego w wielobiegunowej maszynie z magnesami
trwałymi. Sposób ten polega na odpowiednim doborze liczby biegunów wirnika i liczby
żłobków stojana. Podano wyniki obliczeń przeprowadzonych w programie Comsol
Multiphisics [7] oraz wyniki pomiarów przeprowadzonych na trzech prototypach maszyn.
Wyniki badań wskazują wyraźnie, że jest to najlepszy z dotychczasowych sposobów
minimalizacji momentu zaczepowego.
Słowa kluczowe: moment zaczepowy, maszyna wielobiegunowa
MINIMALIZATION OF COGGING TORQUE IN THE MULTIPOLE
MACHINE WITH PERMANENT MAGNET
Summary. The paper presents the manner of minimization of cogging torque
of multi-pole permanent magnets motor. This method has been patented by the author.
This method consists in the right choice of the number of rotor's poles and the number
of stator's grooves. Simulation results performed in Comsol Multiphisics and measuring
results performed in three prototypes have been presented. Obtained results clearly show,
that proposed method is the best among all known methods basing on minimization
of cogging torque.
Keywords: cogging torque, multipole machine
1. WPROWADZENIE
Maszyny z magnesami trwałymi charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami w
porównaniu z innymi typami maszyn elektrycznych [2], [3]. Jedynym ich mankamentem jest
moment zaczepowy, będący wynikiem zmiennej przewodności magnetycznej obwodu
116
Z. Goryca, M. Malinowski, A. Pakosz
magnetycznego maszyny [4]. Moment ten wywołuje drgania i jest źródłem hałasu. Wartość
momentu zaczepowego zależy od liczby biegunów maszyny, od indukcji w szczelinie
i od geometrii obwodu magnetycznego. W maszynach wielobiegunowych zmniejszanie tego
momentu jest szczególnie istotne [5]. Najbardziej popularnym sposobem zmniejszenia
momentu zaczepowego jest stosowanie skosu żłobków stojana o jedną podziałkę żłobkową.
Sposób ten powoduje jednak zmniejszenie użytecznej powierzchni żłobka i utrudnienia
w uzwajaniu maszyny [3]. W przypadku maszyny wielobiegunowej, przy zastosowaniu skosu
żłobków, występuje wielokrotnie strumień poosiowy, zwiększający moment zaczepowy.
Do bardziej znanych sposobów zmniejszania tego momentu należą także: stosowanie pseudoskosu magnesów oraz zmiany wypełnienia magnesem podziałki biegunowej wirnika [6].
W poniższym referacie przedstawiono niezwykle efektywny sposób zmniejszenia
momentu zaczepowego w wielobiegunowych maszynach. Sposób ten polega na odpowiednim
doborze liczby biegunów magnetycznych stojana i wirnika.
2. KONSTRUKCJA BADANEJ MASZYNY
Przedmiotem rozważań było zmniejszenie momentu zaczepowego w wolnoobrotowej
prądnicy przeznaczonej do małej, bezprzekładniowej elektrowni wiatrowej [9]. Z uwagi
na niewielką prędkość obrotową prądnica ta ma 36 biegunów magnetycznych (magnesów)
na wirniku. W celu zmniejszenia momentu zaczepowego zastosowano w niej 39 zębów
stojana, będących jego biegunami magnetycznymi. Zatem największą wspólną
wielokrotnością liczby biegunów wirnika i stojana jest liczba 3 i liczba ta decyduje o wartości
momentu zaczepowego. Rysunek 1 pokazuje obwód magnetyczny rozważanej konstrukcji.
Pierwszym etapem badań było przeprowadzenie obliczeń polowych obrazujących rozkład
indukcji w obwodzie magnetycznym prądnicy i obliczenie momentu zaczepowego.
Obliczenia te przeprowadzono w programie Comsol Multiphisics [7], a ich wynik pokazuje
rysunek 2.
Wartość maksymalna momentu zaczepowego obliczona zgodnie z zależnością (1)
wynosiła 1,15 Nm.
T
r2
0
2π
 B B d
n
t
0
gdzie: T – moment zaczepowy,
r – promień środka szczeliny,
µ0 – przenikalność magnetyczna próżni,
Bn – składowa normalna indukcji magnetycznej,
Bt – składowa styczna indukcji magnetycznej.
(1)
Sposób minimalizacji moment zaczepowego…
Rys. 1. Obwód magnetyczny wielobiegunowej prądnicy
Fig. 1. Multipolar magnetic circuit
generator
117
Rys. 2. Rozkład indukcji w obwodzie magnetycznym prądnicy
Fig. 2. Distribution of the magnetic circuit
of the induction generator
Następnym etapem badań była budowa trzech prototypów prądnic. Rysunki 3, 4 i 5
pokazują zdjęcia elementów prototypów oraz efekt końcowy budowy.
Rys. 3. Widok uzwojonego stojana
Fig. 3. View of spiral stator
Rys. 5. Widok prototypu prądnicy
Fig. 5. View of generator prototype
Rys. 4. Widok wirnika
Fig. 4. View of rotor
118
Z. Goryca, M. Malinowski, A. Pakosz
3. WYNIKI BADAŃ LABORATORYJNYCH
Badania laboratoryjne przeprowadzone na trzech wykonanych prototypach pokazały,
że maksymalna wartość momentu zaczepowego wynosi 1,5 Nm. Pomiary przeprowadzono
w dwóch etapach: w pierwszym zmierzono moment tarcia w łożyskach, w drugim sumę
momentu tarcia i momentu zaczepowego maszyny. Pomiary maksymalnej wartości momentu
tarcia w łożyskach wykonano następująco: wirniki prądnic (z naklejonymi magnesami)
o numerach 2, 3 i 4 zaopatrzono w łożyska i umieszczano w obudowie pozbawionej pakietu
blach stojana. Przy braku stojana nie występuje moment zaczepowy, a opory występujące
przy obracaniu wirnika są związane wyłącznie z tarciem w łożyskach. Do wału prądnicy
przyczepiono zrównoważone ramię i w określonej odległości od środka wału – 450 mm
zawieszono szalkę, którą stopniowo obciążano odważnikami. Przy określonym obciążeniu
wał prądnicy zaczynał się poruszać. Wyniki przeprowadzonych pomiarów są zawarte
w tabeli 1.
Tabela1
Momenty tarcia w łożyskach badanych prądnic
Nr prądnicy
2
3
4
Wartość obciążenia [G]
260
360
410
Moment tarcia [Nm]
1,15
1,59
1,81
Następnie włożono do obudów pakiety blach stojanów, zmontowano prądnice (włożono
wirniki) i powtórzono pomiary. W tym przypadku momenty tarcia występujące w łożyskach
sumują się z momentami zaczepowymi. Wyniki tych pomiarów są zawarte w tabeli 2.
Tabela 2
Suma momentu tarcia i momentu zaczepowego badanych prądnic
Nr prądnicy
2
3
4
Wartość
obciążenia
[G]
602
672
732
Suma: momentu tarcia
i momentu zaczepowego
[Nm]
2,66
2,97
3,23
Moment
zaczepowy
[Nm]
1,51
1,38
1,42
Kolejnym krokiem był pomiar napięcia wytwarzanego przez prądnicę. W tym celu
połączono ją z zespołem napędowym zasilanym z falownika. Przebieg napięcia w stanie
jałowym zarejestrowany przy użyciu oscyloskopu cyfrowego prezentuje rysunek 6.
Sposób minimalizacji moment zaczepowego…
119
Rys. 6. Przebieg napięcia fazowego prądnicy w stanie jałowym
Fig. 6. Phase waveform generator at idle
4. WNIOSKI
Przeprowadzone obliczenia i pomiary wykazały, że minimalizacja momentu zaczepowego przedstawionym sposobem jest bardzo skuteczna. Dotychczas najlepszym światowym
rezultatem w
poziomie 1%
uzyskano ten
rozwojowego
i Rozwoju.
maszynach wielobiegunowych było uzyskanie momentu zaczepowego na
w wyrobach francuskiej firmy ALXION [8]. W opracowanych prototypach
moment na poziomie 0,4%. Praca została wykonana w ramach projektu
nr N R01 0015 06/2009 finansowanego przez Narodowe Centrum Badań
BIBLIOGRAFIA
1. Goryca Z., Malinowski M., Pakosz A.: Wielobiegunowa maszyna z magnesami trwałymi
o zredukowanym momencie zaczepowym. Zgłoszenie patentowe nr P-395663 z dnia
15.07.2011.
2. Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi. Wydawnictwo
Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002.
3. Gajewski M.: Analiza pulsacji momentu w silnikach bezszczotkowych z magnesami
trwałymi. Rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska. Warszawa 2007.
120
Z. Goryca, M. Malinowski, A. Pakosz
4. Łukaniszyn M., Młot A.: Analiza momentu elektromagnetycznego i składowych pulsacji w
bezszczotkowym silniku prądu stałego wzbudzanym magnesami trwałymi. „Przegląd
Elektrotechniczny” 2005, nr 10, s. 21-25.
5. Goryca Z., Ziółek M.: Moment zaczepowy wielobiegunowej maszyny z magnesami
trwałymi. XLVI Sympozjum Maszyn Elektrycznych, Ustroń 2010.
6. Goryca Z., Ziółek M.: Wpływ wymiarów magnesu na parametry generatora. VII
Konferencja Postępy w Elektrotechnice Stosowanej, Kościelisko 2009.
7. COMSOL Multiphysics wersja 3.3 licencja nr 1027828
8. ww.alxion.com
9. Goryca Z., Malinowski M.: Prądnica do małej bezprzekładniowej elektrowni wiatrowej,
XVIII Konferencja „Problemy Eksploatacji Maszyn i Napędów Elektrycznych”. Rytro 2628 maja 2010.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Tadeusz Glinka
Wpłynęło do Redakcji dnia 10 grudnia 2011 r.
_______________________________________
Dr hab. inż. Zbigniew GORYCA, prof. nadzw. UTH Rad.
Politechnika Radomska, Wydział Transportu i Elektrotechniki,
Instytut Automatyki i Telematyki
ul. Malczewskiego 29, 26-600 RADOM
tel.: (048) 3617726; e-mail: [email protected], [email protected]
Dr hab. inż. Mariusz MALINOWSKI
Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny
Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej
ul. Koszykowa 75, 00-662 WARSZAWA
tel. (022) 234-51-24; e-mail: [email protected], [email protected]
Artur PAKOSZ
Zespół Szkół Elektronicznych, Radom
ul. Sadkowska 19; 26-600 RADOM
tel.: (048) 344 81 16