maszyna wzbudzana magnesami trwałymi z anizotropowym
Transkrypt
maszyna wzbudzana magnesami trwałymi z anizotropowym
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) 259 Tomasz Węgiel, Adam Warzecha Politechnika Krakowska MASZYNA WZBUDZANA MAGNESAMI TRWAŁYMI Z ANIZOTROPOWYM STOJANEM (CZĘŚĆ I – MODEL MATEMATYCZNY) PERMANENT MAGNET MACHINE WITH STATOR ANISOTROPY (PART I – MATHEMATICAL MODEL) Streszczenie: Temat podjęty w pracy dotyczy metodycznych aspektów modelowania maszyn z powierzchniowo montowanymi magnesami trwałymi na wirniku z uwzględnieniem anizotropowych blach stojana. Rozważania te mają na celu pokazanie wpływu anizotropii na strukturę modelu matematycznego maszyny i udzielenia odpowiedzi czy bazując na klasycznych założeniach modelowania obwodowego jest możliwe jej uwzględnienie. W tym celu został wykorzystany formalizm Lagrange’a dla przykładu maszyny, w którym obwód magnetyczny jest liniowy, ale zakłada się występowanie anizotropii. Uwzględnianie anizotropii jest uwzględnione poprzez dodanie spadków napięć magnetycznych występujących dla osi poprzecznej walcowania (TD) do spadków występujących w szczelinie powietrznej. Takie podejście powoduje lokalne powiększenie rozmiarów zastępczej szczeliny powietrznej maszyny i w ten sposób zmodyfikowana zostaje funkcja permeancji jednostkowej. Pozwala to w konsekwencji na zapis skorygowanej postaci funkcji koenergii w stanie bezprądowym oraz zależności strumieniowo-prądowych dla uzwojeń stojana. Abstract: The article deals with the methodological aspects of modeling machines with surface mounted permanent magnets on the rotor taking into account the anisotropic stator. These considerations are intended to show the effect of anisotropy on the structure of the mathematical model machine and answer the question if based on the classical modeling is possible take into account rotational magnetization phenomena. On this purpose, the Lagrange formalism is used for exemplary machine which a linear magnetic circuit assumed anisotropy. Anisotropy is presented by adding magnetic voltage drops occurring for the transverse axis of rolling (TD) to magnetic voltages of the air gap. This approach leads to the local increase of the air gap size to be able to modified function of permeance. As a consequence, it allows to modify the function of co-energy and the flux-current relationships of the stator windings. Słowa kluczowe: anizotropia stojana, maszyna synchroniczna z magnesami trwałymi Keywords: stator anisotropy, PM synchronous machine 1. Wstęp W klasycznych modelach maszyn elektrycznych zjawisko magnesowania obrotowego wynikające z właściwości anizotropowych blach rdzeni magnetycznych jest zwykle pomijane [1]. Temat podjęty w pracy dotyczy metodycznych aspektów modelowania maszyn z powierzchniowo montowanymi magnesami trwałymi na wirniku z uwzględnieniem anizotropii rdzenia stojana przy założeniu liniowych charakterystyk magnesowania w osiach RD i TD. Rozważania te mają na celu pokazanie wpływu anizotropii na strukturę modelu matematycznego maszyny i udzielenia odpowiedzi czy bazując na klasycznych założeniach modelowania obwodowego jest możliwe jej uwzględnienie. W tym celu zostanie wykorzystany formalizm Lagrange’a dla przykładu maszyny, w którym obwód magnetyczny jest liniowy, ale zakłada się występowanie anizotropii. Formalizm Lagrenge’a jest jednym z wygodniejszych narzędzi do obwodowego modelowania maszyn elektrycznych również tych, które posiadają w swojej strukturze magnesy trwałe pod warunkiem, że przyjmie się pewne ogólne założenia. Formalizm ten bazujący na tzw. energetycznym opisie elementów zakłada, że ich stan opisuje jednoznacznie funkcja koenergii [2], [3]. Dla współczesnych magnesów z Ziem Rzadkich typy NdFeB można przyjąć, że dla zmian wywoływanych oddziaływaniem uzwojeń, punkt pracy magnesu trwałego porusza się po jednoznacznej krzywej odmagnesowania, co odpowiada jednoznaczności zmian koenergii magnesu trwałego. Tak postawione założenie stwarza możliwości wykorzystania formalizmu Lagrange’a do modelowania maszyn 260 Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) z magnesami trwałymi również dla przypadku, gdy elementy obwodu magnetycznego posiadają cechy anizotropowe. 2. Równania Lagrange’a maszyny wzbudzanej magnesami trwałymi Całkowita koenergia zgromadzona w obwodzie magnetycznym maszyny wzbudzanej magnesami trwałymi będzie sumą koenergii cewek oraz koenergii wprowadzanej do obwodu maszyny przez magnes trwały w stanie bezprądowym. Ogólną postać tej funkcji można zapisać dla 3-fazowej maszyny w następującej postaci [2]: E0 (ϕ, i1, i2 , i3 ) = E0Θ (ϕ, i1, i2 , i3 ) + E0PM (ϕ) (1) gdzie składowe koenergii magnetycznej: E0 Θ (ϕ, i1 , i2 , i3 ) - koenergia wprowadzana do układu poprzez prądy uzwojeń w obecności magnesów, E0 PM (ϕ) - koenergia wprowadzana do układu w stanie bezprądowym. Wtedy równania Lagrange’a modelu maszyny wzbudzanej magnesami trwałymi mogą być zapisane w formie: d ∂E0 Θ (ϕ, i1 , i2 , i3 ) = u i − Rs ⋅ ii dla i = 1,2,3 dt ∂ii J d 2 ϕ ∂ E0Θ (ϕ, i1 , i2 , i3 ) ∂E0 PM (ϕ) dϕ = + + Tl − D 2 ∂ϕ ∂ϕ dt dt (2) Z uwagi na złożoność obwodu magnetycznego wynikającą z rozmieszczenia magnesów trwałych i sposobu ułożenia uzwojeń, analityczne wyznaczenie funkcji koenergii nie jest proste i wymaga dodatkowych założeń upraszczających. Ponieważ żelazne rdzenie stojana i wirnika mają bardzo duże przewodności magnetyczne w stosunku do powietrza oraz materiału magnesów, dlatego w klasycznych rozważaniach przeważnie zakłada się, że koncentracja energii pola magnetycznego zachodzi głównie w objętości szczeliny i magnesów trwałych, czyli zaniedbuje się spadki napięć magnetycznych w żelaznych jarzmach maszyny. Chcąc uwzględnić efekt anizotropii rdzenia stojana maszyny należy odejść od klasycznych założeń napięć i uwzględnić również spadki magnetycznych w żelazie. Dla zjawiska magnesowania obrotowego będą występować różnice przenikalności magnetycznej żelaza dla założonego kierunku walcowania (RD) w stosunku do osi poprzecznej (TD). Najłatwiejszym sposobem uwzględnienia spadków napięć magnetycznych w żelazie dla strumieni magnetycznych uzwojeń oraz magnesów trwałych jest dodanie tych spadków do spadków występujących dla szczeliny powietrznej i na tej podstawie skorygowanie rozkładu pola magnetycznego. Takie podejście powoduje lokalne powiększenie rozmiarów zastępczej szczeliny powietrznej maszyny dla kierunku (TD). Funkcję koenergii należy więc odpowiednio zmodyfikować w stosunku do klasycznych maszyn elektrycznych. 3. Rozkład pola magnetycznego w maszynie wzbudzanej magnesami trwałymi z uwzględnieniem anizotropii Zastępcza szczelina powietrzna w maszynie wzbudzanej magnesami trwałymi jest relatywnie duża, dlatego można uznać, że lokalne powiększenie szczeliny modelujące anizotropię w osi TD, będzie występować głównie dla linii sił pola magnetycznego pochodzących od strumienia magnesów. Dla najprostszych modeli maszyn klasycznych, indukcyjności są obliczane na podstawie rozkładu składowej promieniowej pola w szczelinie powietrznej, gdyż na to pozwala specyficzna budowa ich obwodu magnetycznego. Geometria obwodu magnetycznego maszyn wzbudzanych magnesami trwałymi jest bardzo różnorodna i nie zawsze proste zależności, wystarczająco dokładne dla maszyn klasycznych, można wykorzystywać dla maszyn z magnesami trwałymi. Niezależnie od indukcyjności, dla tych maszyn należy także określić zmienność strumieni skojarzonych oraz koenergii w funkcji kąta obrotu w stanie bezprądowym. Zatem w wielu wypadkach obliczanie parametrów równań maszyn z magnesami trwałymi będzie wymagało numerycznego wyznaczenia rozkładu pola w maszynie i na tej podstawie określenia wartości wymaganych parametrów modelu matematycznego. W pracy skupiono się w pierwszej kolejności nad maszynami z wirnikiem cylindrycznym Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) o powierzchniowo mocowanych magnesach. Dla tych rozwiązań konstrukcyjnych można poszukiwać formuł analitycznych opisujących parametry modelu matematycznego. Podstawą tych analiz jest jak zawsze rozkład pola magnetycznego w szczelinie powietrznej maszyny. W modelach analitycznych tego rozkładu, geometria obwodu magnetycznego jest scharakteryzowana za pomocą funkcji permeancji jednostkowej [2 - 5]. Dla maszyn z gładką powierzchnią szczeliny powietrznej, formuły te są stosunkowo proste, natomiast problem zaczyna się komplikować, gdy chce się uwzględnić dowolny kształt obwodu magnetycznego w tym również żłobkowanie powierzchni stojana oraz anizotropię blach stojana. W celu zilustrowania metodyki analizy rozkładu pola w szczelinie powietrznej posłużono się modelem maszyny z magnesami trwałymi rozmieszczonymi powierzchniowo na wirniku z gładkim stojanem przedstawionym schematycznie na rys. 1. x0 TD x y ∆lδ N S lδ lm N rs TD rm S RD Rys. 1. Przekrój maszyny z magnesami trwałymi z anizotropią stojana Dla maszyny tej przyjęto założenie odnośnie liniowej aproksymacji charakterystyki odmagnesowania magnesu trwałego Bm = Br + µ 0 ⋅ µ r m ⋅ H m - przybliżenie to jest powszechnie akceptowalne dla współczesnych magnesów trwałych z grupy ziem rzadkich). Anizotropia rdzenia stojana została uwzględniona przez wprowadzenie drugiej harmonicznej przewodności zastępczej szczeliny powietrznej o osi zgodnej z osia RD magnesowania rdzenia. Zapis prawa Ampera dla konturu zaznaczonego na rys. 1. pozwala na wyprowadzenie związków opisujących uproszczony jednowymiarowy 261 rozkład pola w szczelinie powietrznej maszyny z magnesami trwałymi [2]: B ( x , ϕ, i1 , i 2 , i3 ) = BΘ ( x, ϕ, i1 , i2 , i3 ) + BPM ( x, ϕ) (3) gdzie: BΘ ( x, ϕ, i1 , i2 , i3 ) = Θ s ( x, i1 , i2 , i3 ) ⋅ λ( x, ϕ) + + C Θ ( x, ϕ, i1 , i2 , i3 ) (4) BPM ( x, ϕ) = Bm ( x − ϕ) λδm = λ ( x, ϕ) + C PM ( x, ϕ) λ δm µ0 lδ + l m / µ r m (5) (6) BΘ ( x, ϕ, i1 , i2 , i3 ) - składowa radialna pola magnetycznego wywołana prądami uzwojeń, BPM ( x, ϕ) - składowa radialna pola magnetycznego wzbudzona magnesami trwałymi, λ δm - permeancja jednostkowa przy założeniu gładkiej cylindrycznej powierzchni stojana, Θ s ( x, i1 , i2 , i3 ) - funkcja okładu prądowego uzwojeń stojana, Bm ( x − ϕ) -funkcja opisująca jednowymiarowy rozkład pola magnetycznego w stanie bezprądowym maszyny wzbudzanej magnesami trwałymi przy założeniu gładkiego stojana. Zależności funkcyjne CΘ oraz C PM we wzorach (4) i (5) wynikające z warunku bezźródłowości pola magnetycznego w rozważanych przypadkach są tożsamościowo równe zero. Obwód magnetyczny może być w ogólnym przypadku scharakteryzowany za pomocą funkcji permeancji jednostkowej λ ( x, ϕ) , której rozwiniecie w szereg Fouriera można przedstawić w postaci podwójnego szeregu [3]: λ ( x , ϕ) = ∑ ∑λ m ,n ⋅ e jmx ⋅ e jnϕ (7) m∈M n∈N Funkcja permeancji jednostkowej umożliwia zamodelowanie dowolnego kształtu obwodu magnetycznego, dlatego w ogólnym przypadku Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) 262 zbiory M i N ze wzoru (7) mogą zawierać wszystkie liczby całkowite. Funkcja rozkładu pola magnetycznego w maszynie dla modelu 1-D w stanie bezprądowym, przy założeniu gładkiego stojana i nie uwzględnieniu anizotropii (rys. 2.), jest funkcją jednej zmiennej [2]. Bm ( x − ϕ ) λ ( x) = ∑λ m ,0 ⋅ e jmx (12) m∈M Konsekwencją tego założenia będzie fakt, że indukcyjności uzwojeń stojana nie będą funkcjami kąta obrotu, a rozkład pola w szczelinie w stanie bezprądowym przybierze uproszczona formę: B0 x−ϕ − πp − 2πp π 2p β −β π p BPM ( x, ϕ) = λ m, 0 ∑∑ B mς λ δm m∈M ς∈Q e j ( m+ ς ) x ⋅ e - jςϕ (13) − B0 Rys. 2. Rozkład indukcji na obwodzie maszyny dla maszyny cylindrycznej bezżłobkowej przy założeniu braku anizotropii Współczynniki rozwinięcia w szereg Fouriera funkcji rozkładu pola z rys. 2, można wyznaczyć z następujących formuł [2]: Bm ( x − ϕ) = ∑B mς ⋅ e jς ( x −ϕ ) (8) ς∈Q gdzie zbiór Q = {K − 5 p,−3 p,− p, p,3 p,5 p K} Bm ς = 2 B0 p ⋅ sin(ς ⋅ β) π ς l /µ B0 = Br m rm lm / µ rm + lδ (9) (10) Dla przypadku szczególnego, gdy zakłada się gładką cylindryczną powierzchnie stojana oraz równomierną szczelinę powietrzną, funkcja permeancji jednostkowej (7), ze względu na właściwości magnesu zbliżone do powietrza ( µ rm ≅ 1 ), staje się zależna jedynie od x. µ0 λ ( x, ϕ) = λ ( x) = lδ + ∆lδ ( x) + lm / µ rm (11) 4. Zapis funkcji koenergii dla maszyny wzbudzanej magnesami trwałymi z uwzględnieniem anizotropii W celach metodycznych zapis funkcji koenergii zostanie przedstawiony dla uproszczonego przypadku maszyny anizotropowej o gładkich cylindrycznych powierzchniach stojana i założenia odnośnie wirnika. Przyjęcie liniowości obwodu magnetycznego, co w maszynach wzbudzanych magnesami trwałymi jest przeważnie dopuszczalne, pozwala zdefiniować charakterystyki uzwojeń oraz zależność opisującą koenergię z użyciem indukcyjności własnych i wzajemnych ( Lab ). Funkcje charakterystyk uzwojeń posiadają dodatkowo człon reprezentujący strumień sprzężony ψ PM a (ϕ) wzbudzony magnesami trwałymi będący funkcją kąta obrotu ϕ . Przykładowo zapis zależności strumieniowoprądowej dla uzwojenia „a” opisuje wzór ψ a (ϕ, i1 , i2 , i3 ) = La1 i1 + La 2 i2 + La3 i3 + ψ PM a (ϕ) (14) W konsekwencji składową koenergii związaną z prądami uzwojeń opisuje wyrażenie [2] E 0Θ (ϕ, i1 , i2 , i3 ) = 1 2 3 3 a =1 b=1 ∑ ∑L ab ⋅ i a ⋅ ib + 3 Dla maszyn anizotropowych o gładkich powierzchniach stojana i wirnika, zbiór M będzie zawierał harmoniczne {K − 4,−2, 0 , 2, 4K} , natomiast zbiór N zawiera jedynie harmoniczną zerową { 0} . + ∑ψ PM a (ϕ) ⋅ ia a =1 (15) W celu określenia charakterystyk uzwojeń, czyli zależności strumieniowych założono, że Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) spektra Fouriera przepływu zawierają harmoniczne „ ν ” należące do zbioru P . Zawartości tego zbioru dla uzwojeń o całkowitej liczbie żłobków na biegun i fazę przedstawia się następująco: Ponadto P = {K − 5 p,−3 p,− p, p,3 p,5 p K} . przyjęto, że uzwojenia „ a ” i „ b ” o liczbie zwojów odpowiednio ws są scharakteryzowane ν za pomocą współczynników uzwojeń k u . Indukcyjności można, więc wyznaczyć na podstawie [2 - 4] z zależności Lab = ∑∑ ν∈P m∈M Q1 2rs ⋅ l c ( ws ) 2 ⋅ k u|ν| ⋅ k u|ν + m| λ m,0 ⋅ π |ν | ⋅|ν + m | ⋅ e j( ν + m ) xa ⋅e - jνxb (16) gdzie lc jest zastępczą długością osiową maszyny, natomiast parametr Q1 zależy od zawartości zbiorów P, M i jest zdefiniowany następująco: 1⇔ ∀ν, ∀m,ν ∈ P ∧ m ∈ M ∧ (ν + m) ∈ P Q1 = w przeciwnym przypadku 0 (17) kąty Dla 3-fazowego uzwojenia stojana pomiędzy pasmami uzwojeń wynoszą: xa = ( a − 1) 2π 2π dla a, b = 1, 2, 3 , xb = (b − 1) 3p 3p Składową strumienia magnetycznego skojarzonego z uzwojeniem „a” w stanie bezprądowym, zgodnie z [2] przedstawia zależność: ψ PM a (ϕ) = ∑∑ ς∈Q m∈M D1 2 rs lc w k |ς + m| Bm ς s u λ m , 0 ⋅ |ς + m | λδm ⋅e j( ς + m ) xa ⋅e - jςϕ 263 1⇔ ∀ς, ∀m, ς ∈ Q ∧ m ∈ M ∧ (ς + m) ∈ P D1 = w przeciwnym przypadku 0 (19) Składowa koenergii niezależna od prądów uzwojeń, jest związana z obszarami gromadzenia energii (szczelina powietrzna, magnes) [2]. Analityczne wyznaczenie koenergii w stanie bezprądowym nie jest zadaniem prostym, jeżeli chce się uwzględnić rzeczywiste kształty obwodu magnetycznego. W pracy proponuje się podejście uproszczone bazujące na przypadku rozkładu pola 1-D [2]. Jeżeli uwzględnieni się zdefiniowaną wcześnie funkcję permeancji jednostkowej (7), składowa koenergii dla stanu bezprądowego przybiera postać [2]: E0 PM (ϕ) = rm lc 2 2π ∫ 0 [BPM ( x, ϕ)]2 λ( x, ϕ) dx (20) W przypadku szczególnym, gdy zakładamy uproszczone zapisy funkcji permeancji (15) oraz rozkładu indukcji (16) otrzymujemy zależność opisującą koenergię dla stanu bezprądowego w postaci: 2π l ⋅r E0 PM (ϕ) = c m 2 [λ( x, ϕ) ⋅ Bm ( x − ϕ)2 ] dx (21) 2(λδ m ) 0 ∫ gdzie: Bm ( x − ϕ) 2 = ∑ BB mk ⋅ e jk ( x −ϕ) (22) k∈K zbiór K = {... − 6 p, − 4 p, − 2 p, 0 ,2 p ,4 p ,6 p K} BBm k 2 2 π ( B0 ) ⋅ p ⋅ β = 2 2 ( B0 ) p ⋅ sin(k ⋅ β) π k dla k = 0 dla k ≠ 0 (18) (23) gdzie parametr D1 zależy od zawartości zbiorów P, Q, M i jest określony następująco: Przyjmując zdefiniowane postaci funkcji permeancji jednostkowej (12) oraz kwadratu indukcji (22) i wykonując formalne operacje matematyczne dla wyrażenia z formuły (21), otrzymuje się następującą zależność: Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) 264 2π ∫ [λ( x, ϕ) ⋅ Bm ( x − ϕ) 2 ] dx = 0 ∑ ∑∑λ 2π = k∈K 0 m,n ⋅ BBm k ⋅e j(−k +n)ϕ dla k + m = 0 m∈M n∈N dla k + m ≠ 0 (24) Formuła opisująca zależność koenergii dla stanu bezprądowego przybiera wtedy następującą formę: E0 PM (ϕ) = π ⋅ lc ⋅ rm Re { λ − k ,n ⋅ (λ δ m ) 2 k∈K n∈N ∑∑ ⋅ BBm k ⋅ e j( − k + n )ϕ } (25) Dla maszyn anizotropowych o gładkiej powierzchniach stojana, zbiory M = {K − 4,−2, 0 , 2, 4K} i N = { 0} , więc zapis funkcji koenergii dla stanu bezprądowego staje się znacznie uproszczony: E0 PM (ϕ) = π ⋅ lc ⋅ rm (λ δ m ) 2 Re { ∑λ −k ,0 ⋅ BBm k ⋅ e - jkϕ} k∈K (26) 5. Podsumowanie Przedstawione w artykule metodyczne aspekty modelowania pokazują możliwość uwzględnienia zjawiska magnesowania obrotowego jarzma stojana maszyn wzbudzanych magnesami trwałymi. Uwzględnienie anizotropii wymaga wyznaczenia poprawek funkcji permeancji jednostkowej, które uwidaczniają się przede wszystkim dla drugiej harmonicznej jej rozkładu. Określenie tych korekt jest możliwe jedynie na drodze modelowania rozkładu pola z użyciem numerycznych metod analizy FEA. W konsekwencji staje się realny do pokazania wpływ anizotropii na postać funkcji koenergii dla stanu bezprądowego oraz na zależności strumieniowo-prądowe dla uzwojeń stojana. Przedstawiony model matematyczny maszyny anizotropowej mimo dużych uproszczeń daje możliwość wykonania obliczeń, których wyniki mogą być przydatne z eksploatacyjnego punktu widzenia. 6. Literatura [1]. A. Warzecha, T. Sobczyk, W. Mazgaj, Matematyczny opis silnika indukcyjnego z anizotropią magnetyczną rdzenia, Zeszyty Problemowe-Maszyny Elektryczne, Nr 100, 2013, str.123-128 [2]. T. Węgiel, Space harmonic interactions in permanent magnet generators, Monografia 447, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 2013 [3]. T. Sobczyk, Metodyczne aspekty modelowania matematycznego maszyn indukcyjnych, WNT, Warszawa 2004 [4]. T. Sobczyk, P. Drozdowski, Inductances of electrical machine winding with a nonuniform airgap, Archiv fur Elektrotechnik 76, pp. 213-218, 1993 [5]. B. Heller, V. Hamata, Harmonic Field Effect in Induction Machines, New York, Elsevier Scientific, 1977 Autorzy Dr inż. Tomasz Węgiel * Dr hab. inż. Adam Warzecha ** Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej, Instytut Elektromechanicznych Przemian Energii, 31-155 Kraków, ul. Warszawska 24 * tel. +48 12 628-26-21, [email protected] ** tel. +48 12 628-26-21, [email protected] Źródło finansowania Praca powstała w ramach projektu finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC2011/01/B/ST7/04479 „Modelowanie nieliniowości, histerezy i anizotropii w magnetowodach przetworników elektromechanicznych z wirującym polem magnetycznym”