PDF version - Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny

ELEKTRYKA
Zeszyt 2-3 (230-231)
2014
Rok LX
Romuald GRZENIK
Politechnika Śląska w Gliwicach
SILNIK ELEKTRYCZNY O WZBUDZENIU HYBRYDOWYM
Streszczenie. W artykule przedstawiono koncepcję bezszczotkowego silnika
o wzbudzeniu hybrydowym, o biegunach wzbudzanych magnesami trwałymi i elektromagnetycznie. Wykonano obliczenia polowe silnika o trzech parach biegunów – dwie
pary biegunów są wzbudzane magnesami trwałymi i jedna para wzbudzana elektromagnetycznie. Obliczenia wykonano dla obciążenia znamionowego i dwukrotnego
przeciążenia. Z obliczeń wynika, że silnik może uzyskać w drugiej strefie regulacji
dwukrotną zmianę prędkości obrotowej.
Słowa kluczowe: silnik o wzbudzeniu hybrydowym, silnik BLDC
ELECTRIC MOTOR WITH HIBRID EXCITATION
Summary. Conception of brushless motor with hybrid excitation has been presented
in the paper. The poles are excited with permanent magnets and electromagnetically.
Field calculations for motor with 3 pole pairs have been conducted (two pairs excited
with permanent magnets and one pair excited electromagnetically). The calculations have
been carried out for rated load and for overload conditions (load equal to twice its rated
value). The calculations show that in the second control zone motor may achieve twofold
change in rotational speed
Keywords: motor with hybrid excitation , motror BLDC
1. WSTĘP
Silniki wzbudzane magnesami trwałymi (o napięciu indukowanym zarówno
sinusoidalnym, jak i trapezowym) zyskują coraz większą popularność. Główną ich cechą jest
brak komutatora mechanicznego, który został zastąpiony kluczami energoelektronicznymi.
Umożliwia to komutację prądów wielokrotnie przekraczających prąd znamionowy, a tym
samym można uzyskać moment wielokrotnie przekraczający moment znamionowy. Stosując
metodę modulacji szerokości impulsów, można obniżyć średnią wartość napięcia zasilania
silnika, a tym samym zmniejszyć jego prędkość obrotową. Tą metodą nie można jednak
zwiększyć prędkości obrotowej silnika ponad prędkość biegu jałowego. O maksymalnej
118
R. Grzenik
prędkości wirowania decyduje napięcie indukowane w tworniku, które jest proporcjonalne do
iloczynu strumienia i prędkości kątowej:
E= Ψ ω
(1)
gdzie:
E – napięcie indukowane w uzwojeniu twornika,
 – strumień sprzężony z uzwojeniem twornika,
ω – prędkość kątowa wirnika.
Osłabiając pole, zmniejszamy strumień, a tym samym zmniejszamy napięcie indukowane
w tworniku, co powoduje zwiększenie prędkości do takiej wartości, by przywrócić napięcie
indukowane w tworniku do poprzedniej wartości. Zmieniając strumień, zmieniamy również
moment, który jest równy iloczynowi strumienia skojarzonego i prądu twornika
Przy zmianach strumienia iloczyn momentu i prędkości kątowej jest stały – mamy stałą
moc na wale. Wzbudzanie silnymi magnesami trwałymi powoduje trudności w uzyskaniu
prędkości obrotowej większej od prędkości znamionowej, czyli pracę w drugiej strefie
regulacji. Uzyskanie prędkości powyżej prędkości znamionowej (druga strefa regulacji przy
stałej mocy) jest możliwe przy podniesieniu napięcia zasilania [1] bądź osłabieniu pola [2].
Druga metoda jest wykorzystywana w silnikach o rozkładzie pola sinusoidalnym z magnesami zagłębionymi w wirniku. Osłabienie pola jest uzyskane kosztem dużych prądów twornika i powoduje duże obniżenie sprawności silnika [2]. Traci się przez to jedną z podstawowych zalet tych silników – dużą sprawność. Osłabianie pola tym sposobem powoduje
dodatkowe potencjalne problemy. W przypadku zakłócenia pracy falownika następuje
przepływ dużych prądów mogących spowodować poważną awarię układu napędowego.
W literaturze [3, 4] można spotkać inne sposoby uzyskania drugiej strefy regulacji,
polegające między innymi na zmianie liczby zwojów twornika lub zwiększeniu napięcia
zasilania. Powoduje to komplikację układu energoelektronicznego zasilającego silnik.
Na rys.1 przedstawiono koncepcję silnika o wzbudzeniu hybrydowym. W wirniku tego
silnika oprócz biegunów wzbudzanych magnesami trwałymi znajdują się bieguny wzbudzane
elektromagnetycznie. Wszystkie zezwoje danej fazy twornika są połączone szeregowo. Prąd
w uzwojeniu biegunów może być zmieniany od wartości maksymalnej w jednym kierunku do
wartości maksymalnej w drugim kierunku.
Uzwojenie twornika przenika zarówno strumień pochodzący od biegunów z magnesami
trwałymi, jak i biegunów wzbudzanych elektromagnetycznie. Zmiana prądu w uzwojeniu
wzbudzenia powoduje zmianę całkowitego strumienia przenikającego uzwojenie twornika,
a tym samym zmienia prędkość obrotową silnika, przy stałej mocy na wale. Umożliwia to
uzyskanie w prosty sposób drugiej strefy regulacji.
Silnik elektryczny o wzbudzeniu...
119
Rys. 1. Obwód magnetyczny silnika o wzbudzeniu hybrydowym: 1 – wirnik, 2 – magnesy trwałe,
3 – stojan, 4 – bieguny wzbudzane elektromagnetycznie, 5 – uzwojenie wzbudzenia, 6 –
uzwojenie twornika
Fig. 1. Magnetic circuit of hybrid excitation motor: 1 – rotor, 2 – permanent magnets, 3 – stator,
4 – poles excited electromagnetically, 5 – excitation winding, 6 – armature winding
2. OBLICZENIA POLOWE MASZYNY O WZBUDZENIU HYBRYDOWYM
Analizy polowe przeprowadzono przy użyciu programu FEMM 4.2 dla przykładowej
maszyny modelowej, której obwód magnetyczny przedstawiono na rys. 1. W obliczeniach
założono liniowość charakterystyk żelaza oraz magnesów trwałych. Do badań wybrano model
silnika o trzech parach biegunów. Wymiary obwodu magnetycznego i parametry uzwojenia
przyjęto takie jak w silniku wzbudzanym magnesami trwałymi typu PMSG-80-C2. W modelu
przyjęto dwie pary biegunów wzbudzanych magnesami trwałymi neodymowymi, a jedna para
jest wzbudzana elektromagnetycznie.
Obwód magnetyczny, będący przedmiotem obliczeń polowych przy użyciu programu
FEMM 4.2, przedstawiono na rys. 2. Obliczenia przeprowadzono dla prądu twornika It = In
i dla It = 2In. Dla każdej wartości prądu twornika przeprowadzono obliczenia dla dodatniej,
zerowej i ujemnej wartości prądu wzbudzenia. Dodatnia wartość prądu wzbudzenia oznacza,
że bieguny wzbudzane elektromagnetycznie mają prawidłową biegunowość i ich strumień
sumuje się ze strumieniem magnesów trwałych. Dla ujemnej wartości prądu wzbudzenia
(czyli przeciwnego kierunku przepływu prądu) występuje osłabianie strumienia. Obliczenia
120
R. Grzenik
przeprowadzono dla maksymalnej wartości prądu wzbudzenia w kierunku dodatnim
i ujemnym. Przy czym za wartość maksymalną prądu wzbudzenia przyjęto wartość, przy
której następuje nasycenie obwodu magnetycznego.
Air
1.6mm
[t1:-20]
Air
1.6mm
[t1:-20]
Air
Air
1.6mm
[t1:-20]
0.4mm
[wz1:1500]
1.6mm
[t1:-20]
Pure Iron
1.6mm
[t1:20]
1.6mm
[t1:20]
1.6mm
[t1:20]
NdFeB 37 MGOe
1.6mm
[t1:20]
Air
Air
Pure Iron
Air
Air
0.4mm
[wz1:-1500]
1.6mm
[t1:-20]
1.6mm
[t1:20]
1.6mm
[t1:20]
1.6mm
[t1:-20]
NdFeB 37 MGOe
NdFeB 37 MGOe
1.6mm
[t1:-20]
1.6mm
[t1:20]
1.6mm
[t1:20]
1.6mm
[t1:-20]
0.4mm
[wz1:1500]
Air
Air
Air
Air
1.6mm
[t1:-20]
1.6mm
[t1:-20]
NdFeB 37 MGOe
0.4mm
[wz1:-1500]
1.6mm
[t1:20]
1.6mm
[t1:-20]
1.6mm
[t1:-20]
Air
Air
1.6mm
[t1:20]
1.6mm
1.6mm [t1:20]
[t1:20]
Rys. 2. Obwód magnetyczny wykorzystany do obliczeń polowych
Fig. 2. Magnetic circuit used to field calculations
Na rys. 3 przedstawiono wyniki obliczeń dla prądu twornika równego prądowi
znamionowemu i trzech wartości prądu wzbudzenia. I tak kolejno, na rys. 3a zamieszczono
rozpływ strumieni magnetycznego dla maksymalnej dodatniej wartości prądu wzbudzenia, na
rys. 3b dla zerowej wartości prądu wzbudzenia i na rys. 3c dla maksymalnej ujemnej wartości
prądu wzbudzenia.
Silnik elektryczny o wzbudzeniu...
a)
121
b)
c)
Rys. 3. Rozpływ strumienia magnetycznego w maszynie o wzbudzeniu hybrydowym dla prądu
twornika równego prądowi znamionowemu
Fig. 3. Magnetic field lines image for hybrid excitation machine, armature current equal to rated
current
Przeprowadzono również obliczenia dla dwukrotnego przeciążenia silnika. Wyniki
obliczeń przedstawiono na rys. 4. Podobnie jak poprzednio rys. 4a ilustruje obraz gęstości
linii strumienia magnetycznego dla maksymalnej dodatniej wartości prądu wzbudzenia, rys.
4b dla zerowej wartości prądu wzbudzenia i rys. 4c dla maksymalnej ujemnej wartości prądu
wzbudzenia. Wyniki obliczeń zestawiono w tab. 1. Strumień jest sumą wartości pod
biegunami twornika, w których płynie prąd twornika (we wszystkich przypadkach tymi
samymi), z uwzględnieniem właściwej biegunowości. Moment jest wyznaczony dla jednego
położenia wirnika.
122
R. Grzenik
a)
b)
c)
Rys. 4. Rozpływ strumienia pola magnetycznego w maszynie o wzbudzeniu hybrydowym dla prądu
twornika równego podwójnej wartości prądowi znamionowemu
Fig. 4. Magnetic field lines image for hybrid excitation machine, armature current equal to twice the
rated current
Tabela 1
Wyniki obliczeń strumienia i momentu elektromagnetycznego
przeprowadzonych przy użyciu programu FEMM 4.2
prąd uzwojenia
wzbudzenia
Dla prądu twornika
It = In
Dla prądu twornika
It = 2In
strumień
moment
strumień
moment
Wb
Nm
Wb
Nm
dodatni
0,00592
10,5
0,00562
21,1
zero
0,00471
8,8
0,00451
17,6
ujemny
0,00330
6,7
0,00338
13,8
Silnik elektryczny o wzbudzeniu...
123
3. PODSUMOWANIE
Z analizy przeprowadzonych obliczeń wynika, że maksymalny strumień przenikający
uzwojenie twornika występuje przy dodatniej wartości prądu wzbudzenia. Strumień przy
zerowym prądzie wzbudzenia to niecałe 80% wartości strumienia maksymalnego. Dalsze
osłabienie strumienia jest możliwe przy zmianie kierunku prądu wzbudzenia. Dla maksymalnej wartości prądu wzbudzenia płynącego w kierunku przeciwnym strumień ma wartość
około 55% wartości maksymalnej. Uzyskano możliwość prawie dwukrotnej zmiany prędkości
obrotowej w drugiej strefie regulacji, kosztem nieco mniejszego momentu maksymalnego
w porównaniu z silnikiem typu BLDC o tych samych wymiarach.
Inną kwestią jest sposób zasilania uzwojenia wzbudzenia. Najprostszym sposobem jest
dodanie pierścieni ślizgowych i szczotek, podobnie jak w tradycyjnych maszynach
synchronicznych. Możliwe jest również zasilanie z dodatkowej wzbudnicy poprzez wirujący
układ energoelektroniczny, który umożliwi zmianę kierunku prądu w uzwojeniu wzbudzenia.
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
4.
Krykowski K.: Silnik PM BLDC w napędzie elektrycznym. Analiza, właściwości,
modelowanie. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2011.
Rossa R., Król E.: Dwustrefowa regulacja prędkości obrotowej w nowoczesnych
napędach elektrycznych opartych na silnikach synchronicznych. Zeszyty Problemowe
BOBRME Komel „Maszyny Elektryczne” 2009, Nr 81, s. 125-129.
Goryca Z.: Metody sterowania silników BLCD. Prace Naukowe Instytutu Maszyn,
Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej „Studia i Materiały”
nr 32. „Zagadnienia maszyn napędów i pomiarów elektrycznych” Nr 66, Wrocław 2012,
s. 32-47.
Fręchowicz A., Dualski P, Białas A.: Projekt napędu samochodu elektrycznego
z dwustrefowym układem sterowania współpracującym z silnikiem PMBLDC. Zeszyty
Problemowe BOBRME Komel „Maszyny Elektryczne” 2012, Nr 3(96), s. 115-120.
Dr inż. Romuald GRZENIK
Politechnika Śląska
Wydział Elektryczny
Instytut Elektrotechniki i Informatyki
ul. Akademicka 10a
44-100 Gliwice
e-mail: [email protected]