Wpływ zmian konstrukcyjnych wirnika hybrydowego silnika

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]