Ernest MENDRELA*, Józef MOCH*, Piotr PADUCH* WŁAŚCIWOŚCI

Ernest MENDRELA*, Józef MOCH*, Piotr PADUCH* WŁAŚCIWOŚCI

Nr 50
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Studia i Materiały
Nr 22
Nr 50
2000
silniki prądu stałego z magnesami trwałymi,
silniki tarczowe, silniki bezszczotkowe,
pomiary, parametry elektromechaniczne
Ernest MENDRELA*,
Józef MOCH*,
Piotr PADUCH*
WŁAŚCIWOŚCI ELEKTROMECHANICZNE BEZSZCZOTKOWEGO
SILNIKA TARCZOWEGO PRĄDU STAŁEGO
Opisano budowę i właściwości elektromechaniczne tarczowych silników bezszczotkowych
prądu stałego z poosiowym strumieniem magnetycznym w stojanie o wysokoenergetycznych
magnesach trwałych. Cewki uzwojeń silników z komutacją elektroniczną mogą być łączone w układy
jednoi wielopasmowe. Układ połączeń decyduje o charakterze zastosowanego komutatora i w pewnym
stopniu o właściwościach silnika. Przedmiotem referatu są silniki jedno- i trójpasmowe, zasilane
przez prostownik, ze źródła napięcia przemiennego odpowiednio o wartościach 220 V i 24 V.
Przedstawiono
i omówiono wyniki pomiarów na prototypach, wykonanych przez firmę AQUA-SZUT we Wrocławiu.
Silniki o wirnikach pracujących w środowisku wodnym (silniki z mokrym wirnikiem) stanowią napęd
zintegrowanych agregatów pompowych małej mocy.
1. WSTĘP
Duże zainteresowanie silnikami bezszczotkowymi wiąże się zarówno z rozwojem
technologii wysokoenergetycznych magnesów trwałych, jak i elektroniki. Silniki te
charakteryzują się wysoką sprawnością i stosunkowo dużą łatwością sterowania. Jednym
z wielu możliwych zastosowań tych silników jest napęd pojazdów elektrycznych.
Najbardziej odpowiedni kształt do tego celu ma silnik tarczowy, który zabudowany w piastę
koła, stanowi bezprzekładniowy napęd pojazdu.
Tradycyjna wersja silnika tarczowego składa się ze stojana o żłobkowanym rdzeniu i
konwencjonalnym uzwojeniu i wirnika w postaci stalowej tarczy, na obwodzie której są
rozmieszczone magnesy trwałe. Takie rozwiązanie charakteryzuje się jednak znaczną,
niepożądaną siłą osiową działającą na łożysko wirnika. Ponadto krzyżujące się połączenia
______________
* Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Politechnika Opolska, ul. Luboszycka 7, 45-951 Opole,
e-mail: [email protected].
190
czołowe poszczególnych faz uniemożliwiają całkowite wypełnienie uzwojeniem żłobków
rdzenia stojana.
Wad tych nie ma silnik tarczowy typu „torus”. Stojan silnika posiada rdzeń w postaci
krążka uzyskany ze zwiniętego paska blachy, na obwodzie którego nawinięte są cewki połączone
w dowolny układ jedno- lub wielofazowy. Wirniki są stalowymi tarczami umieszczonymi po
obu stronach toroidalnego wirnika. W wersji tej poosiowe siły działające na wirniki znoszą się, a
zastosowane uzwojenie typu Gramme’a charakteryzuje się krótkimi, nie zachodzącymi na siebie
połączeniami czołowymi. Silniki tego typu znalazły jako jedne z pierwszych zastosowanie w
prototypowych rozwiązaniach napędu pojazdów zarówno w kraju [1], jak i za granicą [2]. Silnik
typu „torus” jest maszyną o bezżłobkowym rdzeniu stojana, co zapewnia eliminację momentu
reluktancyjnego wynikającego z oddziaływania magnesów i zębów stojana. Odmianą tego
silnika jest wersja z dwustronnie użłobkowanym promieniowo rdzeniem stojana, trudniejsza
technologicznie do wykonania i wykazująca znaczny moment reluktancyjny. Charakteryzuje się
jednak znacznie większym stosunkiem rozwijanego momentu do masy użytych materiałów
czynnych.
Przedmiotem prezentowanego artykułu jest jeszcze inna wersja silnika tarczowego.
Silnik zaprojektowany przez autorów artykułu został wykonany przez firmę AQUA-SZUT
we Wrocławiu jako napęd zintegrowanego agregatu pompowego z mokrym wirnikiem.
Przedstawiono budowę silnika, jego układ sterowania oraz właściwości ruchowe jako
silnika bezszczotkowego prądu stałego.
2. OPIS KONSTRUKCJI SILNIKA
Konstrukcję silnika przedstawiono na rys. 1. Stojan stanowią elementy, z których
każdy złożony jest z ferromagnetycznego rdzenia i nawiniętej na nim cewki. Elementy są
usytuowane na obwodzie stojana w kierunku równoległym do osi silnika. Zalane są one
następnie żywicą, tworząc stojan. Po obu stronach stojana umieszczone są wirniki tarczowe
z magnesami trwałymi. Elementy stojana pokazane na rys. 1 mają przekrój prostokątny.
B-B
A-A
4 5
6
1 3 4
2
5
6
A
B
B
A
2
3 1
191
Rys. 1. Szkic silnika tarczowego z magnesami trwałymi: 1 – tarcze wirnika, 2 – wałek, 3 – magnesy trwałe,
4 – rdzenie (zęby) elementów stojana, 5 – cewki, 6 – spoiwo (żywica) elementów stojana
Fig. 1. Scheme of the structure of disc motor with permanent magnets: 1 – rotor discs, 2 – shaft,
3 – permanent magnets, 4 – stator element core, 5 – coils, 6 – sinthetic resin
Aby zapewnić lepsze wykorzystanie strumienia magnetycznego magnesów, a przez to
uzyskanie lepszych parametrów silnika, elementy stojana mogą być wykonane w wersji
o przekroju trapezowym, jak to pokazano na rysunku 2. Cewki stojana mogą być łączone
w dowolne układy: jedno-, dwu- lub trójpasmowe. W analizowanym przypadku połączone
były w układy jedno- i trójpasmowe (rys. 3).
Rys. 2. Stojan o przekroju trapezowym elementów
Fig. 2. Stator with the elements of trapezoidal shape
a)
2
1
A1
3
B1
4
5
6
7
8
9
10
Hallotrony
C1
11
12
A2
B2
C2
10
11
12
b)
1
U1
2
3
4
5
6
7
8
9
U2
192
Rys. 3. Jednopasmowy (a) i trójpasmowy (b)
układ połączeń cewek stojana z zaznaczeniem położenia hallotronów
Fig. 3. Diagram of single (a) and tree phase (b)
stator windings and the position of the Hall sensors
Silnik z magnesami trwałymi może być zasilany ze źródła prądu przemiennego, np.
falownika, i pracować jako silnik synchroniczny. Jeżeli wyzwalanie tranzystorów takiego
falownika następuje dzięki sygnałom pochodzącym od czujnika położenia magnesów względem
cewek stojana, to maszyna pracuje jako silnik bezszczotkowy prądu stałego. Taki „falownik”
wraz z układem czujników położenia zwany jest komutatorem elektronicznym. Biorąc pod
uwagę dwa układy połączeń uzwojeń: jednopasmowy i trójpasmowy, należy stosować dwa różne
komutatory elektroniczne. W przypadku uzwojenia jednopasmowego, po zasileniu, zęby stojana
stanowią bieguny spolaryzowane naprzemiennie.
Komutator elektroniczny powinien zatem zmieniać naprzemiennie kierunek prądu
w cewkach w miarę przemieszczania się magnesów wirnika. Do zasilania silnika zastosowano
komutator przedstawiony schematycznie na rys. 4a. Jest to komutator złożony z czterech
tranzystorów w układzie H. W układzie tym energia pola magnetycznego wyłączanego
uzwojenia może być akumulowana w kondensatorze lub źródle zasilania i ponownie oddawana
do przełączanego uzwojenia. W przypadku silnika o mocy kilkudziesięciu watów można
zastosować tańszy komutator, złożony z dwóch tranzystorów, jak to ma miejsce w silniku
bezszczotkowym prądu stałego stosowanym powszechnie w komputerach do napędu
wentylatora [5].
a)
+
T1
U1
C
U2
T3
_
+
b)
T2
T1
T2
T3
T4
T5
T6
C
T4
_
A
B
C
Rys. 4. Schematy komutatorów dla uzwojeń (a) jedno- i (b) trójpasmowego
Fig. 4. Diagrams of dc to ac converters for (a) single phase and (b) three phase windings
wirnik
a)
+
1
U1
3
_
N
2
S
N
S
N
S
stojan
N
wirnik
U2
4
wirnik
b)
S
N
N
S
S
N
N
S
S
N
N
S
S
stojan
N
wirnik
kierunek ruchu wirnika
193
Rys. 5. Wzajemny rozkład biegunów magnetycznych stojana i wirnika:
a) układ z symetrycznym rozmieszczeniem magnesów na tarczach wirnika,
b) nierównomierny rozkład magnesów na jednej z tarcz wirnika
Fig. 5. The mutual position of stator and rotors magnetic poles:
a) a symmetrical distribution of magnets on the rotor discs,
b) asymmetrical distribution of magnets on one of the discs
W analizowanym silniku o uzwojeniu jednopasmowym, w którym liczba biegunów
stojana jest równa liczbie magnesów, ustawienie magnesów względem biegunów, przy
wyłączonym zasilaniu, przedstawiono na rys. 5a.
W tym przypadku po zasileniu uzwojeń stojana nie będzie momentu rozruchowego. W
celu wytworzenia takiego momentu na jednej z tarcz rozmieszczono magnesy
nierównomiernie (rys. 6).
Rys. 6. Nierównomierny rozkład magnesów na jednej z tarcz wirnika
Fig. 6. Nonuniform distribution of magnets on one of rotor discs
(a)
+
1
2
4
3
5
S
N
6
_
C
A
(b)
B
C
S
Wirnik
N
N
S
N
S
S
N
S
N
A
N
B
S
C
A
N
B
S
Stojan
Wirnik
+
Kierunek ruc hu wirnika
1
2
3
S
4
5
6
N
S
N
S
N
S
N
N
S
N
S
Stojan
_
A
B
C
C
A
N
B
S
C
A
N
Wirnik
B
S
Rys. 7. Wzajemny rozkład biegunów stojana i wirnika
dla dwóch kolejnych kroków przełączania pasm uzwojenia stojana
Wirnik
194
Fig. 7. A mutual distribution of stator and rotor poles
for two subsequent steps of stator phase connections
Przy takim rozmieszczeniu magnesów wystąpi moment rozruchowy nadający kierunek
obrotu taki jak na rys. 5b.
W literaturze, między innymi w publikacji [3], można spotkać inne sposoby uzyskania
momentu rozruchowego silnika jednofazowego. W silniku z uzwojeniem jednopasmowym
wystarczy jeden hallotron do sterowania załączaniem i wyłączaniem tranzystorów. W przypadku
uzwojenia trójpasmowego tranzystory są sterowane sygnałami pochodzącymi z trzech
hallotronów rozmieszczonych pomiędzy cewkami w układzie pokazanym na rys. 3. Sygnały te
informują o położeniu magnesów względem cewek, powodując załączenie odpowiedniej pary
tranzystorów, a przez to załączenie odpowiednich pasm fazowych. Załączane są te pasma
fazowe, które przy danym położeniu względem nich magnesów wirnika wytwarzają moment
obrotowy. Na rysunku 7 pokazano dwa następujące po sobie kroki załączania tranzystorów oraz
odpowiadające im usytuowania magnesów wirnika i wzbudzonych cewek stojana. Jak wynika z
rysunku 7, liczba biegunów wirnika musi być różna od liczby biegunów (zębów) stojana, aby
wytworzyć moment rozruchowy silnika.
W analizowanym silniku liczba biegunów stojana jest większa od liczby biegunów
wirnika i ich stosunek jest równy 3/2. Ten sam efekt można uzyskać przy stosunku 2/3,
kiedy biegunów wirnika jest więcej od biegunów stojana. Dla silników wysokoobrotowych
wskazane jest to pierwsze rozwiązanie. Liczba przełączeń tranzystorów, a tym samym
częstotliwość prądu w uzwojeniu stojana jest wtedy mniejsza niż w tym drugim przypadku.
3. PARAMETRY ELEKTROMECHANICZNE SILNIKÓW
Silniki o opisanej konstrukcji, przeznaczone do napędu pomp wodnych z mokrym
wirnikiem, zostały wykonane przez firmę AQUA-SZUT we Wrocławiu. Silniki te
przedstawiono na rysunkach 8 i 9. Dane konstrukcyjne silników są zamieszczone w tabeli 1.
W celu określenia parametrów elektromechanicznych silników przeprowadzono pomiary.
Silnik jednopasmowy zasilany był przez prostownik ze źródła napięcia przemiennego 220 V,
natomiast silnik trójpasmowy – napięciem 24 V z jednofazowego transformatora bezpieczeństwa
220/24 V. Parametry elektromechaniczne obu silników zamieszczono w tabeli 2.
195
Rys. 8. Jednopasmowy bezszczotkowy silnik tarczowy
prądu stałego wykonany przez firmę AQUA-SZUT
Fig. 8. Single phase brushless dc motor
manufactured by AQUA-SZUT
900
Rys. 9. Trójpasmowy bezszczotkowy silnik tarczowy
prądu stałego wykonany przez firmę AQUA-SZUT
Fig. 9. Three phase disc brushless dc motor
manufactured by AQUA-SZUT
1000
sprawnosc/10 [%]
sprawnosc/10 [%]
800
900
700
800
700
600
600
moc mechaniczna [W]
500
moc mechaniczna [W]
500
400
400
napiecie stale [V]
300
300
200
100
100
prad staly/100 [A]
0
prad staly/100 [A]
predkosc x 10 [obr/min]
200
0
0.5
1
1.5
moment [Nm]
2
2.5
3
0
predkosc x 10 [obr/min]
0
0.5
1
1.5
2
2.5
moment [Nm]
3
3.5
4
Rys. 10. Charakterystyki elektromechaniczne silnika
Rys. 11. Charakterystyki elektromechaniczne silnika
jednopasmowego pomierzone przy zasilaniu poprzez
trójpasmowego pomierzone przy zasilaniu poprzez
prostownik uzwojenia stojana napięciem przemiennym prostownik uzwojenia stojana napięciem przemiennym
o stałej wartości U∼ = 220 V i częstotliwości f = 50 Hz
o stałej wartości U∼ = 24 V i częstotliwości f = 50 Hz
Fig. 10. Electromechanical characteristics of single
Fig. 11. Electromechanical characteristics of three phase
phase brushless dc motor measured when supplied via brushless dc motor measured when supplied via rectifier
rectifier from the ac source of U∼ = 220 V and f = 50 Hz
from the ac source of U∼ = 24 V and f = 50 Hz
Tabela 1. Dane konstrukcyjne silników tarczowych
z poosiowym strumieniem w stojanie
Dane
konstrukcyjne
Średnica zewnętrzna rdzeni
stojana
Średnica wewnętrzna rdzeni
stojana
Liczba cewek uzwojenia
Silnik
1-pasmowy
Silnik
3-pasmowy
80 mm
80 mm
50 mm
50 mm
196
stojana
Liczba zwojów w cewce
Szczelina powietrzna
Liczba biegunów wirnika
Grubość tarcz wirnika
Całkowita długość silnika
12
180
1.5 mm
12
5 mm
80 mm
12
28
1.5 mm
8
5 mm
45 mm
Zastosowane magnesy wykonano na bazie
Nd-Fe-B o parametrach Br = 1,2 T i Hc = 960 kA/m.
Na rysunkach 10 i 11 przedstawiono charakterystyki elektromechaniczne obydwu
silników. Ich charakter jest typowy dla silników bocznikowych prądu stałego. Prostoliniowa
charakterystyka prądu w funkcji momentu świadczy o stałym strumieniu w szczelinie
silnika, nie zakłócanym przez oddziaływanie uzwojeń twornika. Odmiennie przedstawia się
charakterystyka prędkości w funkcji momentu. Prędkość w zakresie małych obciążeń
w
znacznym stopniu zależy od momentu obciążenia. Jest to wynik wpływu indukcyjności,
który jest nieistotny w silnikach z komutatorem mechanicznym. Wpływ ten w silniku
o uzwojeniu trójpasmowym jest niewielki, gdyż liczba zwojów na fazę jest znacznie
mniejsza niż w silniku o uzwojeniu jednopasmowym.
Tabela 2. Parametry elektromechaniczne silników tarczowych
z poosiowym strumieniem w stojanie
Parametry
Silnik
1-pasmowy
Silnik
3-pasmowy
Napięcie zasilania
V
300
30
Moc
W
900
720
1800
1500
Prędkość obrotowa obr/min
Moment
N⋅m
4.8
4.6
Sprawność
%
82
85
Omawiane silniki charakteryzują się stosunkowo znacznym momentem
reluktancyjnym wynikającym z oddziaływania nabiegunników stojana z biegunami
wirników. Moment ten jest znacznie większy w silniku jednopasmowym (równy w tym
przypadku 1,3 N⋅m), gdzie liczba biegunów wirnika jest równa liczbie biegunów (zębów)
stojana. Wartość średnia tego momentu w czasie pracy silnika jest równa zeru. Wpływa on
jedynie na pulsację momentu, co nie we wszystkich rodzajach napędów może być
tolerowane.
4. PODSUMOWANIE
Bezszczotkowe silniki prądu stałego z magnesami trwałymi znajdują coraz większe
zastosowanie ze względu na zalety, jakimi się odznaczają. Jedną z nich jest brak komutatora
197
mechanicznego, który wymaga stałej konserwacji. Komutator elektroniczny umożliwia
regulację prędkości obrotowej zarówno w układzie otwartym, jak i ze sprzężeniem
zwrotnym.
Przedstawiony silnik, charakteryzujący się stosunkowo dużą wartością momentu
przypadającego na jednostkę masy oraz dużą sprawnością ma stosunkowo prostą budowę
stojana i wirnika. Zapewnia ona również nieskomplikowaną technologię ich wykonania, co
jest istotne dla małych przedsiębiorstw. Rdzenie elementów stojana, wykonane z
prostokątnych blaszek, pozwalają na praktycznie bezodpadowe ich wykonanie. Uzwojenie
stojana, które stanowią cewki nawinięte na rdzeniach, charakteryzuje się również dużą
prostotą wykonania. Mała długość połączeń czołowych zapewnia nie tylko zmniejszenie
kosztów materiałowych, lecz również zmniejszenie strat mocy w uzwojeniach.
W silnikach tarczowych, aby optymalnie wykorzystać objętość silnika, stosunek
średnicy wewnętrznej do zewnętrznej powinien mieścić się w przedziale 0,5–0,6 [4]. W
rozważanych silnikach jest on równy 0,625. Powiększenie średnicy zewnętrznej np. do
wartości 90 mm, w niewielkim stopniu zwiększyłoby straty zarówno w uzwojeniach, jak i
rdzeniach elementów stojana, natomiast w poważnym stopniu spowodowałoby wzrost
momentu
i mocy użytecznej na wale silnika. Stosunek momentu do masy silnika byłby zatem znacznie
większy. Przy konstruowaniu analizowanego silnika należało jednak zachować istniejącą
średnicę
Pewną
zewnętrzną
niedogodnością
stojana i bezszczotkowego
nie przekraczać uzyskiwanej
silnika prądu
mocystałego
na walesąsilnika.
koszty zarówno
magnesów trwałych o wysokiej energii, jak i elementów elektronicznych komutatora.
Należy się jednak liczyć ze stałym spadkiem cen tych elementów.
LITERATURA
[1] DRZEWOSKI R., JELONKIEWICZ J., MENDRELA E.A., Bezprzekładniowy napęd elektryczny pojazdów z silnikiem tarczowym, Wiadomości Elektrotechniczne, 1999, No. 4.
[2] ZHANG Z., PROFUMO F., TENCONI A., Wheels axial flux machines for electric vehicle applications,
Conf. Rec. ICEM ‘94, Paris.
[3] KENJO T., NAGAMORI S., Permanent-Magnet and Brushless DC Motors, Clarendon Press, Oxford
1985.
[4] CARICCHI F., CRESCIMBINI F., FEDELI E., NOIA G., Design and construction of a wheel-directlycoupled axial-flux PM motor prototype for EVs, IEEE Trans. on Ind. Appl., 1/94.
[5] WILDI T., Electrical Machines, Drives and Power Systems, Prentice Hall 1997.
PERFORMANCE OF DISC BRUSHLESS DC MOTOR OPERATING AS A MACHINE
WITH SINGLE- AND THREE-PHASE WINDING
There is a growing interest in brushless permanent magnet motors in recent years caused mainly by the
progress in technology of high-energy magnets and electronics, whose prices are steadily going down on the
market. These motors offer much better performance than the machines with electromagnetic excitation and
in particular, their efficiency is high. In the paper a construction and a performance of disc-type brushless dc
motor with co-axial magnetic flux in the stator is presented. In particular, a single-phase and three-phase
motors are the subject of measurements carried out on the motor prototypes supplied via rectifier from the
ac source of 220 V and 24 V voltage and 50 Hz frequency respectively. The single-phase and three phase
198
motors develop the power of 900 W at 1800 rpm and 720 W at 1500 rpm respectively. The electromechanical characteristics are similar to those of dc shunt motors with the exception of speed-torque characteristics,
which at low torque strongly depends on load due to the influence of winding inductance. The particular
motors were manufactured by the firm AQUA-SZUT in Wrocław as the drive of integrated water pump
aggregates with the wet rotors.