Maszyny Bezszczotkowe z Magnesami Trwałymi

Maszyny Bezszczotkowe
z Magnesami Trwałymi
Systemy Elektromaszynowe
dr inż. Michał MICHNA
Plan prezentacji
Rozwój maszyn elektrycznych z MT
Zastosowanie maszyn bezszczotkowych z MT
Materiały magnetycznie trwałe
Budowa i zasada działania maszyn z MT
Model obwodowy i parametry maszyn z MT
Przykłady analizy






2
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Rozwój maszyn elektrycznych
z magnesami trwałymi
3
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Ewolucja maszyn elektrycznych
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
4
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
Gdańsk 2011
Maszyny bezszczotkowe z MT
Silniki z magnesami trwałymi
Komutatorowe silniki
prądu stałego
Silniki bezszczotkowe
Bezszczotkowe silniki
prądu stałego
5
Silniki skokowe
Bezszczotkowe silniki
prądu przemiennego
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Maszyny bezszczotkowe z MT
Bezszczotkowe silniki prądu stałego BLDCM



silniki z trapezoidalnym przebiegiem napięcia
indukowanego rotacji
silniki zasilane prądem o przebiegu prostokątnym
Bezszczotkowe silniki prądu przemiennego PMSM



6
silniki z sinusoidalnym przebiegiem napięcia
indukowanego rotacji
silniki zasilane prądem o przebiegu sinusoidalnym
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Maszyn bezszczotkowe z MT
wysoki stosunek mocy
do masy
wysoka sprawność
mały moment
bezwładności wirnika
mała awaryjność (brak
komutatora)
dobre rozpraszanie
ciepła





7




wysoka cena
możliwość
rozmagnesowania
złożona konstrukcja
wirnika (w stosunku do
IM)
moment zaczepowy
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Maszyn bezszczotkowe 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
8
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Maszyn bezszczotkowe z MT
Melfi, M.J.; Rogers, S.D.; Evon, S.; Martin, B. Permanent Magnet
Motors for Energy Savings in Industrial Applications. PPIC 2008
9
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Zastosowanie maszyn z MT
10
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Maszyny z magnesami trwałymi





40% światowej produkcji MT przeznaczone jest do
wzbudzania maszyn elektrycznych
70% z nich stosowane w pojazdach mechanicznych
(samochody)
roczna światowa produkcja samochodów wynosi
około 70 mln sztuk
współczesny samochód wyposażony jest przeciętnie
w 35 silników elektrycznych
2 miliardy maszyn rocznie
11
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Samochody elektryczne i hybrydowe
47 kW permanent magnet electric motor
12
http://www.mitsubishi-motors.com/special/ev/
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Napędy pomocnicze w samochodach
13
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Maszyny z magnesami trwałymi

sprzęt gospodarstwa domowego


silniki komutatorowe z MT
przemysł komputerowy

14
rocznie produkuje się ok.300 mln sztuk dysków twardych
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
ABB permanent magnet generator
3.6 MW from a 500 mm frame
15
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Canopy
Technologies
output power
4.0 to 32.0 MW
speed
0 to 6200 rpm
Voltage
4,160 to 15 kV
Efficiency
>98%
16
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
AGV
Maximum rpm
Traction power
Continuous power
Electric network
Polarity
Efficiency (RC)
Frame size
Frame length
Total weight
17
4500
720kW
720kW
3000V dc
12 poles
97%
650mm
650mm
730kg
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Materiały magnetycznie twarde
18
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Materiały magnetycznie trwałe
http://www.arnoldmagnetics.com/
19
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Materiały magnetycznie trwałe


Alnico
ceramiczne


ferryty baru i strontu
z domieszkami
pierwiastków ziem rzadkich:


20
samorowo-kobaltowe SmCo
neodymowe NdFeB
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
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
21
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
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
22
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Materiały magnetycznie trwałe
23
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Budowa
24
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Maszyny bezszczotkowe z MT
Br=1,2T, Hc=850kA/m, (BH)max=270kJ/m3
25
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Maszyny bezszczotkowe z MT
26
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Maszyny tarczowe z MT
27
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Segmented ElectroMagnetic Array
28
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Zasada działania
29
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Pole wzbudzenia maszyny z MT
30
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Maszyny bezszczotkowe z MT
a)
b)
c)
d)
sinusoidalne
31
e)
f)
trapezoidalne
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Prezentacja filmu
Silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi
32
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Modelowanie
33
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Schemat układu napędowego
SBMT
ZE
PE
UEM
MR
n
US
CPW
Zadawanie
UEM – układ elektromechaniczny silnika, ŹE – źródło energii
elektrycznej, PE - przekształtnik energoelektroniczny, US – układ
sterowania, CPW – czujnik położenia wirnika, MR – maszyna robocza
(obciążenie)
34
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Silnik DC z MT
z uzwojeniem dwupasmowym dzielonym
a)
b)
Praca silnika ma charakter
cykliczny - jeden cykl pracy
odpowiada jednemu obrotowi
wirnika. W jednym cyklu pracy
występują cztery takty - w
każdym takcie zasilana jest
tylko jedna połówka uzwojenia.
S
S
N
N
d)
c)
e)
f)
g)
35
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Model fizyczny silnika
w układzie osi naturalnych
stojana as bs i wirnika qd r
w układzie osi qd r wirnika
Fs
Fs
S
S
N
 'rfd
N
Ff
36
f
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Model silnika

napięcia na zaciskach poszczególnych pasm
uzwojenia stojana zawierają tylko pierwszą
harmoniczną:
uas  2U s cos esu
ubs  2U s sin esu
t
esu   r ( )d  esu (0)
0
Relacje między zmiennymi zaciskowymi w układzie
osi stojana as bs i układzie osi wirnika qd r opisują
równania
r
uqs
 cos  r sin  r  uas  ias  cos  r sin  r  iqsr 

 r 




 r 

i
u
sin


cos

sin


cos

r
r  ids 
r
r   bs 
 bs  
uds  

37
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Model silnika

Modele sprzężeń transformatorowych uzwojeń
stojana i wirnika w osiach qdr
r
r
r
qs
 Llsiqs
 Lmqiqs
r
r
r
r
r
ds
 Lls ids
 Lmd ( ids
 I fr )  Lls ids
 Lmd ids
  fd
r

rqs strumień sprzężony z uzwojeniem stojana „jakby ruchomym” w osi q;
rds strumień sprzężony z uzwojeniem stojana „jakby ruchomym” w osi d;

Lmq indukcyjność magnesowania modelująca wpływ strumienia głównego

(magnesującego) w osi q na właściwości silnika;
 Lmd indukcyjność magnesowania modelująca wpływ strumienia głównego
(magnesującego) w osi d na właściwości silnika;
 Lls indukcyjności rozproszenia uzwojenia stojana modelująca wpływ
strumienia rozproszenia na właściwości silnika
38
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Model silnika

SEM rotacji
r
eds
 r rqs

r
eds
 r rqs
Moment elektromagnetyczny
Teq  iqsr rds
 
Ted  idsr rqs
Te  P iqsr λdsr  idsr λqsr
2


P
Te    Lmd I f iqsr  Lmd  Lmq iqsr idsr
2
39

dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Dynamiczny model obwodowy silnika
Obwód całkowania prędkości
40
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Silnik bezszczotkowy o magnesach trwałych:
uzwojenie 3-pasmowe
Falownik trójfazowy mostkowy
T1
D1
T3
D3
Stojan/twornik
ias
T5
D5
as
ibs
C
uas
is
ud
D2
T4
D4
T6
D6
bs
ucs
CP
N
Bf
N
T2
Wirnik/magneśnica
ubs
ics
Maszyna
robocza
S
cs
ωr
Te  i s  B f
Te  js  B f
r
us
ST
Układ silnika bezszczotkowego o magnesach trwałych z uzwojeniem
3-pasmowym (CP - czujnik położenia kątowego wirnika,
ST - układ sterowania)
41
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Model silnika

napięcia fazowe na zaciskach uzwojenia stojana
zawierają tylko pierwszą harmoniczną:
uas  2U s cos  esu 
2 

ubs  2U s cos esu   
3 

2 

ucs  2U s cos esu   
3 


sterowane są kątem położenia wirnika
t
 esu   r ( )d   esu (0)
0
42
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Model silnika

Relacje między zmiennymi zaciskowymi w układzie
osi stojana as bs cs i w układzie osi wirnika qd r
opisują równania
r
u qs

cos  r
 r  2
u ds   3  sin  r
1
u 0 s 

 2
 
cos r  23   cos r  23   u as 
sin  r  23   sin  r  23   ubs 
1
1
 u cs 
2
2
sin  r
1 iqsr 
ias   cos  r
i   cos  2   sin   2   1 i r 
r
r
3
3
  dc 
 bs  
ics  cos r  23   sin  r  23   1 i0 s 
t
 r   r ( )d   r (0)
43
dr inż. Michał Michna
0
Gdańsk 2011
Model silnika

równanie momentu elektromagnetycznego silnika
ma postać

 3  P 
Te     iqsr rds  idsr iqsr
 2  2 


Powyższe równanie różni się od równania modelu
dwupasmowego współczynnikiem 3/2, który wynika z
konieczności zapewnienia niezmienniczości
(kowariantności) mocy przy przejściu z układu osi
as bs cs do układu osi qd r.
44
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
abc/qd
Dynamiczny model
obwodowy silnika
Dynamiczny model
obwodowy silnika
bezszczotkowego o
magnesach trwałych z
uzwojeniem 3pasmowym w układzie
osi as bs cs/qd r
c
c
Model obwodowy silnika
z uzwojeniem 3pasmowym u układzie osi
qd r - analogiczny do
modelu fizycznego silnika
z uzwojeniem 2pasmowym
c
Obwód całkowania prędkości
3
45
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Przykłady analizy
46
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Przykłady analizy: SBMT 2-pasmowy
BEZSZCZOTKOWY SILNIK PRADU STALEGO:CHARAKT. STATYCZNE
Date/Time run: 01/12/98 20:28:05
Temperature: 27.0
1.5
Te [Nm]
1.0
tr0 = 0
0.5
tr0 = -pi/6
Wr [rad/s]
0
0
tr0 = +pi/6
-0.5
-300A
-200A
V(Te)
-100A
0A
100A
200A
300A
IWr
Wyniki analizy .DC silnika bezszczotkowego o magnesach trwałych:
statyczna charakterystyka mechaniczna Te = Te(Wr)
przy esu(0)=0 oraz r(0)=0; = - /6; = + /6
47
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Przykłady analizy: SBMT 2-pasmowy
napięcia pasmowe stojana
BEZSZCZOTKOWY SILNIK PRADU STALEGO:CHARAKT. DYNAMICZNE
Date/Time run: 01/12/98 20:13:07
Temperature: 27.0
20V
BEZSZCZOTKOWY SILNIK PRADU STALEGO:CHARAKT. DYNAMICZNE
Date/Time run: 01/12/98 20:19:13
Temperature: 27.0
800m
200
1
2
[Nm] [rad/s]
Wr
Te
0V
-20V
600m
150
400m
100
200m
50
V(as)
20V
0V
-20V
0s
V(bs)
100ms
200ms
300ms
400ms
500ms
600ms
Time
prądy pasmowe stojana
BEZSZCZOTKOWY SILNIK PRADU STALEGO:CHARAKT. DYNAMICZNE
Date/Time run: 01/12/98 20:13:07
Temperature: 27.0
5.0A
0
>>
0
0s
1
100ms
V(Te)
2
200ms
I(V_Wr)
300ms
400ms
500ms
600ms
Time
0A
-5.0A
Te - moment elektromagnetyczny;
wr - (Wr) elektryczna prędkość kątowa silnika
I(G_Ias)
4.0A
0A
-4.0A
0s
I(G_Ibs)
48
100ms
200ms
300ms
400ms
500ms
600ms
Rozruch silnika
esu(0) = 0; r(0) = 0 oraz TL = 0
Time
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Przykłady analizy: SBMT 3-pasmowy
1 2.4KA
2
300V
(179.818m,2.0148K)
Te
2.0KA
200V
1.6KA
100V
 rm
1.2KA
(179.818m,25.365)
0V
0.8KA
Te - moment elektromagnetyczny;
wrm - prędkość kątowa mechaniczna
silnika
-100V
0.4KA
0A
>>
-200V
0s
1
20ms
I(V_Wr)/4*30/pi
2
40ms
V(Te)
60ms
80ms
100ms
120ms
140ms
160ms
180ms
200ms
Time
zasilanie napięciem sinusoidalnym: rozruch
Udn = 300V esu(0) = 0.1858rad; r(0) = 0; TL = kTLwrm; kTL = 0.12 Nms/rad
49
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Przykłady analizy: SBMT 3-pasmowy
400V
0V
-400V
50A
napięcie uas
V(as)
0A
SEL>>
-50A
280ms
I(G_Ias)
285ms
290ms
Time
295ms
300ms
prąd ia pasmowy stojana
zasilanie napięciem odkształconym (falownikowe): stan ustalony
Udn = 300V esu(0) = 0.1858rad; r(0) = 0; TL = kTLwrm; kTL = 0.12 Nms/rad
50
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Przykłady analizy: SBMT 3-pasmowy
2.00KA
1.75KA
SEL>>
1.50KA
30V
prędkość kątowa mechaniczna wrm
I(V_Wr)*30/pi/4
25V
moment elektromagnetyczny Te
20V
280ms
V(Te)
285ms
290ms
295ms
300ms
Time
zasilanie napięciem odkształconym (falownikowe): stan ustalony
Udn = 300V esu(0) = 0.1858rad; r(0) = 0; TL = kTLwrm; kTL = 0.12 Nms/rad
51
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011
Dziękuję za uwagę
52
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011