Badanie strat w uzwojeniach bezrdzeniowych silników BLDC

Wyznaczanie strat w uzwojeniu bezrdzeniowych
maszyn elektrycznych
Zakres ćwiczenia
1) Pomiar napięć indukowanych.
2) Pomiar ustalonej temperatury czół zezwojów.
3) Badania obciążeniowe.
Badania należy przeprowadzić na grupie zezwojów wykonanych w taki sposób, aby metodą
porównawczą można było oszacować wpływ struktury gałęzi równoległych na wielkość strat
wywołanych prądami wirowymi. W tym celu przygotowane zostały wzorcowe zezwoje
wykonane z miedzi o tych samych gabarytach i zbliżonym przekroju poprzecznym (4.1x3.4
mm) lecz o innej budowie.
Zezwoje różniące się ilością (i jednocześnie przekrojem poprzecznym) gałęzi
równoległych zwartych ze sobą na obu końcach:
1) Zezwój wykonany z czterech równoległych nieizolowanych prętów o wymiarach
3,9x0,8 mm, będący odpowiednikiem zezwoju litego.
2) Zezwól wykonany z trzech izolowanych prętów o wymiarach 4,1x1,1 mm.
3) Zezwój wykonany z 10 izolowanych drutów o średnicy 1,1 mm.
4) Zezwój wykonany z 40 izolowanych drutów o średnicy 0,5 mm
Zestaw ten umożliwia zbadanie udziału lokalnych prądów wirowych w całkowitych stratach
jałowych (zwarcie gałęzi równoległych na obu końcach umożliwia przepływ prądów
wyrównawczych).
Zezwoje różniące się ilością (i jednocześnie przekrojem poprzecznym) gałęzi
równoległych rozwartych na obu końcach:
5) Zezwól wykonany z trzech izolowanych prętów o wymiarach 4,1x1,1 mm
6) Zezwój wykonany z 10 izolowanych drutów o średnicy 1,1 mm.
7) Zezwój wykonany z 40 izolowanych drutów o średnicy 0,5 mm
Zestaw ten umożliwia zbadanie skuteczności ograniczenia lokalnych prądów wirowych przez
zastąpienie litego przewodu izolowanymi gałęziami równoległymi.
Zezwoje różniące się ilością (i jednocześnie przekrojem poprzecznym) gałęzi
równoległych z przeplotem 540o i zwartych ze sobą na obu końcach:
8) Zezwój wykonany z 10 izolowanych drutów miedzianych o średnicy 1,1 mm.
9) Zezwój wykonany z 40 izolowanych drutów o średnicy 0,5 mm
10) Zezwój wykonany z licy miedzianej przeplatanej w izolacji, średnica drutów 0,1 mm.
Zestaw ten umożliwia zbadanie skuteczności ograniczenia lokalnych prądów wirowych i
prądów wyrównawczych przez zastąpienie litego przewodu izolowanymi gałęziami
równoległymi z przeplotem.
Zaciski krańcowe wszystkich rodzajów zezwojów ze zwartymi na obu końcach gałęziami
równoległymi zostały wyprowadzone za pomocą miedzianego przewodu giętkiego o średnicy
4 mm i identycznej długości, umożliwiającego wykonanie badań obciążeniowych. Wybrane
zezwoje pokazane zostały na rysunku 1.
Rys.1. Wybrane zezwoje twornika bezszczotkowej maszyny prądu stałego z magnesami trwałymi. Cyframi
oznaczono poszczególne zezwoje (opis w tekście).
1.1. Stanowisko pomiarowe
Specjalne stanowisko pomiarowe składa się z wirującego bębna o średnicy 30 cm
(Rys.2) z rozmieszczone na powierzchni magnesami trwałymi tworzącymi 18 par biegunów.
Poosiowa długość strefy aktywnej wynosi 100 mm. Ponad częścią bębna w odległości 15 mm
od jego powierzchni umieszczony został stacjonarny rdzeń o wymiarach 190 mm (szerokość)
x 50 mm(wysokość) x 115 mm (długość). Specjalna konstrukcja służy do pozycjonowania
badanych zezwojów. Bęben jest napędzany silnikiem indukcyjnym STg 90-4S o mocy 1,1
kW, sprzężonym za pomocą przekładni pasowej. Zmianę prędkości wirowania bębna
uzyskuje się dzięki sterowaniu obrotami silnika indukcyjnego zasilanego z falownika
Rys.2. Bęben – wirnik eksperymentalnego stanowiska do badane zezwojów twornika bezszczotkowej maszyny
prądu stałego z magnesami trwałymi
Podczas eksperymentu zezwoje umieszczane są w szczelinie pomiędzy stacjonarnym
rdzeniem i wirującymi magnesami
1.2. Pomiar napięć indukowanych
Pomiaru napięć indukowanych w zezwojach ze zwartymi gałęziami równoległymi
należy dokonać dla szerokiego zakresu częstotliwości pola wzbudzonego magnesami
trwałymi (od 50 Hz do 500 Hz, ze skokiem 50 Hz). Przykładowe wyniki pomiarów zostały
przedstawione na rysunku 3. Różnice wartości napięcia indukowanego w poszczególnych
zezwojach związane są ze spadkiem napięcia na rezystancji gałęzi równoległych wywołanym
przepływem prądów wyrównawczych.
Rys.3. Średnia amplituda napięcia indukowanego w badanych zezwojach w funkcji częstotliwości.
Przykładowe przebiegi napięcia indukowanego w zezwoju wykonanego z 4 prętów
miedzianych, nieizolowanych o częstotliwości 250 Hz przedstawiono odpowiednio na
rysunku 4.
Rys.4. Napięcie indukowane o częstotliwości 250 Hz w zezwoju złożonym z 4 prętów.
Z uwagi na wahania maksymalnej amplitudy napięcia indukowanego związanego z
rozrzutem tolerancji magnesów umieszczonych na cylindrze, pomiary zostały dokonane dla
jednego pełnego obrotu cylindra.
1.3. Pomiar ustalonej temperatury czół zezwojów
Podczas biegu jałowego należy także dokonać temperatura czół badanych zezwojów
przy pomocy czujnika pomiarowego - termopary konstantan-miedź. Odczytu temperatury
należy dokonać po jej ustaleniu się. W praktyce czas ten wynosi ok. 2 minut. Przykładowe
wyniki pomiarów temperatury przedstawiono na rysunku 5. Duże różnice temperatury
ustalonej pomiędzy zezwojami złożonymi z gałęzi równoległych o różnej średnicy. wskazują
na występowanie strat jałowych wywołanych zarówno lokalnymi prądami wirowymi, jak też
przepływem prąd wyrównawczego. Znaczne straty jałowe pojawiają się już od częstotliwości
napięcia indukowanego wynoszącej 100 Hz.
Rys.5. Temperatura ustalona w czołach zezwojów w stanie jałowym w funkcji częstotliwości napięcia
indukowanego.
Najlepsze rezultaty (praktycznie brak wzrostu temperatury zezwoju) uzyskano dla licy
miedzianej przeplatanej w izolacji o średnicy drutów 0,1 mm.
1.4. Badania obciążeniowe
Badania obciążeniowe pozwalają zaobserwować zjawisko naskórkowości. Badania
obciążeniowe przeprowadzić należy zwierając zezwój. Pomiaru prądu w zwartym zezwoju
należy dokonać za pomocą przetwornika prąd/napięcie typu LEM LA 100-P o zakresie
prądowym 100 A i zakresie częstotliwościowym 0 – 200 kHz. Przykładowe wyniki pomiarów
przedstawione zostały na rysunku 6.
Rys.6. Średnia amplituda prądu w zezwojach zwartych w funkcji częstotliwości napięcia indukowanego.
Dla częstotliwości powyżej 300 Hz praktycznie dla wszystkich typów zezwojów
wyraźnie widoczne jest malenie przyrostu prądu spowodowane wzrostem impedancji pętli
zwarcia. Przykładowe przebiegi prądu w zwartym zezwoju wykonanym z 4 nieizolowanych
prętów miedzianych, o częstości 500 Hz przedstawiono odpowiednio na rysunku 7.
Rys.7. Prąd o częstotliwości 500 Hz w zwartym zezwoju złożonym z 4 prętów.
Wyniki pomiarów temperatury ustalonej w czołach zezwojów obciążonych prądem
zwarciowym (pomiar przy zmiennym obciążeniu) przedstawiono na rysunku 8. Pomiaru
dokonano w taki sam sposób jak w stanie jałowym. Niemal dla wszystkich zezwojów
przyrosty temperatur w funkcji częstotliwości napięcia indukowanego są takie same. Podobny
przebieg temperatur ustalonych świadczy o tym, że podczas dokonywanych pomiarów
zachowano te same warunki przeprowadzenia eksperymentu, uzyskując podobnie
przebiegający proces oddawania ciepła przez zezwój do otoczenia.
Rys.8. Temperatura ustalona w czołach zezwojów w stanie obciążenia zwarciowego w funkcji częstotliwości
napięcia indukowanego.
Na rysunku 9. przedstawiono ustalony przyrost temperatury zezwojów pomiędzy
stanem jałowym a stanem obciążenia zwarciowego. Pozwala on na porównanie wielkości
strat jałowych i strat obciążeniowych. Im wyższy ustalony przyrost temperatury tym mniejszy
poziom strat w stanie jałowym. Uzwojenie wykonane z prętów nie izolowanych (uzwojenie
takie jest najbliższe definicji masywnego – bryłowego przewodnika) praktycznie bez względu
na stan obciążenia nagrzewa się do tej samej temperatury co oznacza, że straty jałowe
praktycznie równają się stratom obciążeniowym.
Rys.9. Ustalony przyrost temperatura w czołach zezwojów pomiędzy stanem jałowym a stanem obciążenia
zwarciowego w funkcji częstotliwości napięcia indukowanego.
1.4. Wyznaczenie strat cieplnych zezwojów w stanie jałowym
Badania należy wykonać w stanie jałowym dla zezwojów o zwartych i rozwartych
gałęziach równoległych. Znajomość temperaturowej stałej czasowej zezwojów Tc, ich masy
mcu i ciepła właściwego cwcu oraz ustalonego przyrostu temperatury Δϑ umożliwia
wyznaczenie stratności danego typu zezwoju w tych samych warunkach, a tym samym
porównanie stratności różnych zezwojów zgodnie z zależnością:
Pcu
  0

.
 cwcu
 cwcu u
mcu
t
Tc
Należy założyć, że temperatura zezwoju ustali się po czasie wynoszącym od 3Tc do 5Tc.
Wyniki pomiarów oraz wyniki obliczeń przy założeniu, że cwcu wynosi 380J/(kg*oK) należy
wpisać do Tabeli1.
Tabela 1
rodzaj
uzwoje
nia
Masa
[kg]
z40z
z40o
z10z
z10o
z3o
z4z
lica
0,047
0,044
0,044
0,048
0,049
0,076
stała czasowa
temperaturowa
T
[s]
107
100
99
103
133
108
-
temperatura
początkowa υ0
[oC]
temperatura
ustalona υk
[oC]
przyrost
temperatury
Δυ
[oK]
Stratność
P/mcu
[W/kg]
Moc
cieplna
[W]
Porównanie stratności przewodu miedzianego w funkcji przekroju gałęzi równoległej
dla przypadku zwartych i rozwartych na końcach gałęzi równoległych pozwala na ocenę
udziału w stratach jałowych prądów wyrównawczych i prądów wirowych. Należy zdawać
sobie sprawę, że w wypadku gałęzi otwartych dla dużych powierzchni przekroju gałęzi
równoległej lokalne prądy wirowe występujące wewnątrz przewodnika zastępują prądy
wyrównawcze.
Instrukcję opracował Adam Biernat