Wpływ zmian konstrukcyjnych wirnika hybrydowego silnika
Transkrypt
Wpływ zmian konstrukcyjnych wirnika hybrydowego silnika
XII International PhD Workshop OWD 2010, 23–26 October 2010 Wpływ zmian konstrukcyjnych wirnika hybrydowego silnika krokowego na wartość jego momentu obrotowego The Influence of Changes of Rotor Construction in Hybrid Stepper Motor on its Torque Marcin Karbowiak, Tele and Radio Research Institute Abstract The paper presents influence of changes of a construction in a rotor of a hybrid stepper motor on torque. Three models of motors were made in computer program Opera 3d for simulation of threedimensional distribution of magnetic flux and visualization of a distribution of magnetic induction [1]. The value of torque was calculated for different rotor positions from 0 to 1.8 º. Computer simulations were performed for: serial motor FA15 produced by Mikroma S.A. with an alnico magnet, motor with a Nd-Fe-B bonded magnet, motor with new construction of rotor where magnet is coneshaped Nd-Fe-B bonded magnet. The results of simulations indicated a way to increase the torque in hybrid stepper motor. Streszczenie W niniejszej pracy przedstawiono wpływ zmian w konstrukcji wirnika hybrydowego silnika krokowego na wartość momentu obrotowego. Trzy modele silników sporządzono w programie komputerowym Opera 3d przeznaczonym do symulowania trójwymiarowego rozkładu strumienia magnetycznego i wizualizacji rozkładu indukcji magnetycznej [1]. Wartość momentu wyznaczono dla różnych położeń wirnika w zakresie od 0 do 1,8º. Symulacje przeprowadzono dla: silnika FA15 produkcji Mikroma S.A. z magnesem Alnico , silnika z wiązanym magnesem NdFeB, oraz silnika z wirnikiem o zmienionej konstrukcji w którym zastosowano wiązany magnes Nd-Fe-B z biegunami w kształcie stożka. Wyniki przeprowadzonych symulacji wskazały sposób na zwiększenie wartości momentu obrotowego hybrydowego silnika krokowego. 1. Wprowadzenie Silniki krokowe są zasilane impulsami elektrycznymi co pozwala uzyskać ruch o prędkości obrotowej zależnej od ich częstotliwości. Dokładnie określona ilość impulsów pozwala obrócić wirnik silnika o zadany kąt. Zaletą silników krokowych jest możliwość pracy z małymi prędkościami przy pełnym momencie obrotowym, oraz praca w pętli otwartej gdzie nie jest wymagana informacja o aktualnym położeniu wirnika. Brak szczotek i komutatora wpływa na niezawodność, a trwałość tych silników jest określona jedynie przez trwałość łożysk. Istotną wadą tego typu silników jest niska wartość maksymalnej prędkości obrotowej. Obecnie najczęściej stosowanymi silnikami krokowymi są silniki hybrydowe, które łączą w sobie zalety silnika reluktancyjnego i silnika z magnesami trwałymi, stąd też nazwa „Hybrydowy”. Silnik ten jest droższy od pozostałych typów silników krokowych jednak posiada lepszą rozdzielczość tzn. większą ilość kroków na jeden obrót, większą prędkość obrotową i większy moment. Magnes trwały namagnesowany osiowo i umieszczony między dwoma uzębionymi pierścieniami zwiększa moment silnika [2-3]. W seryjnie produkowanych hybrydowych silnikach krokowych magnes w wirniku ma kształt pierścienia który umieszcza się między dwoma uzębionymi nabiegunnikami. Strukturę wirnika silnika FA 15 produkowanego przez firmę Mikroma S.A. przedstawiono na rys.1. Magnetycznie miękkie uzębione pierścienie Magnes Rys.1. Części składowe wirnika hybrydowego silnika krokowego FA15 produkcji Mikroma S.A. Fig.1. Components of rotor for hybrid stepper motor FA 15 produced by Mikroma S.A. 209 W ramach przeprowadzonych badań wykonano symulację silnika w którym zaproponowano nową konstrukcję wirnika. Magnes w tym przypadku ma stożkowe bieguny i większą objętość niż standardowy magnes w kształcie pierścienia. Uzębione nabiegunniki posiadają odpowiednio dopasowane wgłębienia w których mieszczą się stożkowe bieguny. Wirnik po złożeniu ma takie same wymiary zewnętrzne jak pozostałe analizowane konstrukcje. Strukturę wirnika z magnesem o stożkowych biegunach przedstawiono na rys.2. B=f(H) Alnico 400 NdFeB 1,4 1,2 1 B [T] 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -450000 -400000 -350000 -300000 -250000 -200000 -150000 -100000 -50000 0 H [A/m] Rys.4. Krzywa odmagnesowania dla magnesu alnico oraz dla magnesu wiązanego Nd-Fe-B. Fig.4. Demagnetization curve for alnico magnet and for bonded magnet Nd-Fe-B. Rys.2. Elementy składowe wirnika z magnesem o stożkowych biegunach. Fig.2. Components of rotor with cone-shaped magnet. 2. Symulacja i otrzymane wyniki Moment obrotowy analizowanych silników wyznaczono na podstawie przeprowadzonych symulacji w programie komputerowym Opera 3d do obliczeń metodą elementów skończonych. Charakterystyki magnesowania blachy krzemowej dla pakietu stojana, oraz stali z której wykonano uzębione pierścienie w obwodzie magnetycznym wirnika przedstawiono na rys. 3. Wyniki przeprowadzonej symulacji przedstawiono na rys.5. Moment obrotowy wyznaczono w funkcji kąta obrotu wirnika. Wykres przedstawia zmianę wartości momentu obrotowego w wyniku przełączenia zasilanych uzwojeń, powodując obrót wirnika o kąt 1,8º. Po wykonaniu kroku o wartości 1,8º wirnik znajduje się w położeniu równowagi. B=f(H) Blacha 2,85-E1-0 Stal konstrukcyjna St3 1,8 1,6 1,4 B [T] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 Rys.5. Moment obrotowy w funkcji kąta obrotu wirnika. 0,2 Fig.5. Torque as a function of rotor angle. 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 H [A/m] Rys.3. Charakterystyka magnesowania blachy stojana, oraz stali z której wykonano uzębione pierścienie wirnika. Rozkład indukcji magnetycznej dla kąta obrotu wirnika 0° i magnesu wiązanego ze stożkowymi biegunami wykonanym z proszku Nd-Fe-B przedstawiono na rys.6. Fig.3. Magnetization characteristic of sheet for stator, and steel for toothed rings. Krzywe odmagnesowanie dla magnesu Alnico oraz dla magnesu wiązanego Nd-Fe-B przedstawiono na rys.4. 210 Rys.6. Rozkład indukcji magnetycznej w silniku dla kąta obrotu wirnika 0° i magnesu wiązanego Nd-Fe-B ze stożkowymi biegunami. For.6. Distribution of magnetic induction in motor for angle rotation 0 ° and for bonded magnet Nd-Fe-B with coneshaped pole. Rozkład indukcji magnetycznej w wirniku hybrydowego silnika krokowego z pierścieniowym magnesem wiązanym Nd-Fe-B przedstawiono na Rys.7. Rozkład indukcji magnetycznej w wirniku hybrydowego silnika krokowego z wiązanym magnesem Nd-Fe-B o stożkowych biegunach przedstawiono na Rys.8. Rys.8. Rozkład indukcji magnetycznej w wirniku z wiązanym magnesem Nd-Fe-B o stożkowych biegunach. Rys.7. Rozkład indukcji magnetycznej w wirniku z wiązanym magnesem pierścieniowym wykonanym z proszku Nd-Fe-B Fig.7. Distribution of magnetic induction in the rotor with ring made with bonded magnet Nd-Fe-B Fig.8.Distribution of magnetic induction in the rotor with bonded magnet Nd-Fe-B with cone-shaped poles. 211 Adres służbowy autora: 3. Podsumowanie Przeprowadzone symulacje dla trzech różnych silników wskazują iż zastąpienie standardowego magnesu alnico 400 wiązanym magnesem Nd-Fe-B powoduje wzrost wartości momentu obrotowego. Największą wartość momentu obrotowego otrzymano dla silnika w którym zastosowano wiązany magnes Nd-Fe-B z biegunami w kształcie stożka. Zastosowanie magnesu ze stożkowymi biegunami pozwala zwiększyć objętość materiału magnetycznie twardego w obwodzie magnetycznym wirnika. Standardowy magnes w danym silniku można zastąpić magnesem o stożkowych biegunach, konieczne jest jednak dopasowanie uzębionych pierścieni w wirniku do kształtu powierzchni bocznej nowego magnesu. Im grubsze są uzębione pierścienie w porównaniu z grubością standardowego magnesu tym większy magnes o stożkowych biegunach można zastosować. Największy stosunek grubości uzębionych pierścieni do grubości magnesu występuje w silnikach o długich pakietach, w takim przypadku zastąpienie standardowego magnesu pierścieniowego magnesem o stożkowych biegunach spowoduje największy wzrost ilości materiału magnetycznie twardego w obwodzie magnetycznym wirnika. Nowa konstrukcja wirnika pozwoli zbudować silnik o większym momencie, lub przy tej samej wartości momentu będzie można otrzymać lżejszy silnik o mniejszych wymiarach. Metoda produkcji magnesów z magnetycznych materiałów proszkowych umożliwia otrzymywanie złożonych kształtów w bezodpadowym procesie produkcji. W dalszym etapie badań wykonany zostanie wirnik hybrydowego silnika krokowego z magnesem o stożkowych biegunach i zbadane zostaną parametry mechaniczne silnika. 4. Literatura 1. 2. 3. http://www.vectorfields.com – Opera 3d software producer page Barbara Ślusarek „Dielekromagnesy Nd-Fe-B” Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej Wrocław 2001 Ryszard Sochocki „Mikromaszyny Elektryczne” Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej Warszawa 1996 212 Mgr inż. Marcin Karbowiak Tele- and Radio Research Institute ul. Ratuszowa 11 03-450 Warszawa tel. (+48 22)619 22 41 wew. 265 email:[email protected]