silnik tarczowy typu torus s-ns - obliczenia obwodu ... - Komel

84Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 91/2011Rys. 10. Charakterystyka momentu zaczepowegow funkcji kąta obrotu wirnika dla modelusilnika tarczowego przedstawionego w pkt 25. Obliczenia MES 3d-praca prądnicowaW celu doboru odpowiedniej liczby zwojówprzeprowadzono obliczenia dla pracy prądnicowejomawianego silnika tarczowego. Obliczeniawykonano dla prędkości obrotowej wirnikan = 2000 obr/min. Wynikami obliczeń sąprzebiegi napięć fazowych (rys.11) oraz międzyfazowych.Na podstawie powyŜszych wynikówmoŜna ocenić czy dla danego źródła zasilaniadobrano odpowiednią liczbę zwojów.Po zamodelowaniu uzwojenia oraz zdefiniowaniuwłaściwości materiałowych modelu silnika,w programie Maxwell 3D przeprowadzono obliczeniadla pracy silnikowej. Obliczenia wykonanodla stałej prędkości obrotowej wirnikan=2000 obr/min. Wymuszenia zadano poprzezzewnętrzny obwód zasilający symulujący zasadędziałania falownika. Obliczenia przeprowadzonodla trzech wartości prądów fazowychI=120, I=175 oraz I=235 A, podobnie jak obliczeniaanalityczne. Wymuszenia prądowe zadanow ten sposób, Ŝe dla chwili czasowej równej0 przepływ pola stojana w osi fazy A jestmaksymalny tzn. I a =max, I b =I c =0.5I a . Następnieprzed przystąpieniem do obliczeń wirnik modelusilnika ustawiono odpowiednio względemnieruchomego uzwojenia stojana zgodnie z zakładanymkątem β. ZałoŜony przez nas kąt βpowinien wynosić 90 0 , a zatem dla zadanychprzebiegów prądów fazowych oś magnesówtrwałych (oś d) powinna być przesunięta o 90 0elektrycznych względem osi fazy A (oś q)uzwojenia (rys.12). Dla zadanej stałej prędkościobrotowej wirnika oraz sinusoidalnych wymuszeńprądowych, kąt pomiędzy osią przepływustojana a wirnika jest stały.Rys. 12. Ustawienie połoŜenia wirnika względemuzwojenia stojana dla zadanych wymuszeńprądowychRys. 11. Przebiegi indukowanych napięć fazowychdla prędkości n=2000 obr/min6. Obliczenia MES 3d-praca silnikowaWynikami obliczeń trójwymiarowych są międzyinnymi moment elektromagnetyczny, stratyw Ŝelazie i straty w uzwojeniu. Na podstawietych wyników obliczyć moŜna moc silnikai sprawność dla zadanej wartości prędkości obrotoweji załoŜonych strat mechanicznych. Ponadtodla kaŜdej chwili czasowej moŜna przedstawićrozkład pola magnetycznego w elementachobwodu elektromagnetycznego silnika.Wybrane wyniki obliczeń przedstawiono na rysunkach13-15.

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 91/2011 85Tabela 1. Porównanie wyników obliczeń analitycznychoraz wyników obliczeń MES 3DParametrWyniki obliczeńanalitycznychWyniki obliczeńMES 3DPrąd [A] 120 120Prędkość obrotowa [obr/min] 2000 2000Napięcie zasilania [V] 57,9 56,5Moc dostarczana do silnika [W] 11087 11277Moc na wale silnika [W] 10289 10438Moment na wale [Nm] 49,1 49,8Sprawność [%] 92,8 92,6Pulsacje momentu [%] - 13,3Rys. 13. Rozkład indukcji magnetycznej w rdzeniustojana w chwili maksymalnego przepływustrumienia pola stojana dla prądu I=120 AStraty w miedzi [W] 688,7 690Straty w Ŝelazie [W] 32,8 56,5ParametrWyniki obliczeńanalitycznychWyniki obliczeńMES 3DPrąd [A] 175 175Prędkość obrotowa [obr/min] 2000 2000Napięcie zasilania [V] 64,2 56,7Moc dostarczana do silnika [W] 16613 16734Moc na wale silnika [W] 15012 15082Moment na wale [Nm] 71,7 72,0Sprawność [%] 90,4 90,1Pulsacje momentu [%] - 13,84Straty w miedzi [W] 1464,8 1465Straty w Ŝelazie [W] 32,8 65,8ParametrWyniki obliczeńanalitycznychWyniki obliczeńMES 3DPrąd [A] 235 235Prędkość obrotowa [obr/min] 2000 2000Rys. 14. Rozkład indukcji magnetycznej w tarczachwirnika w chwili maksymalnego przepływustrumienia pola stojana dla prąduI=120 ARys.15. Przebieg momentu elektromagnetycznegodla prądu fazowego I=120 A7. Porównanie wynikówW tabeli 1 przedstawiono porównanie wynikówobliczeń analitycznych oraz trójwymiarowychobliczeń MES. MoŜna stwierdzić, Ŝe wyniki tesą zbieŜne i nie zauwaŜono znaczących róŜnic.Napięcie zasilania [V] 72,2 62,2Moc dostarczana do silnika [W] 22972 22826Moc na wale silnika [W] 20163 19954Moment na wale [Nm] 96,3 95,2Sprawność [%] 87,8 87,4Pulsacje momentu [%] - 13,98Straty w miedzi [W] 2641,3 2648Straty w Ŝelazie [W] 32,8 72,58. PodsumowanieW artykule przedstawiono obliczenia modelusilnika tarczowego typu TORUS S-NS. Zało-Ŝona moc znamionowa silnika wynosi 10 kWprzy 2000 obr/min. Silnik zaprojektowano tak,Ŝe dla znamionowego obciąŜenia fazowy prądzasilania wynosi I=120 A. Wówczas współczynnikgęstości mocy uwzględniając jedyniemasę obwodu elektromagnetycznego silnika(14.5 kg) jest równy 0,69 kW/kg, a współczynnikgęstości momentu 3,3 Nm/kg. PoniewaŜ niewykonano obliczeń cieplnych analizowanegomodelu silnika, na podstawie wartości gęstościprądu w uzwojeniu przyjęto, Ŝe temperaturauzwojenia nie przekroczy wartości dopuszczalnych.NaleŜy mieć więc na uwadze, Ŝe po wy-

86Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 91/2011konaniu badań laboratoryjnych i sprawdzeniurzeczywistych przyrostów temperatur współczynnikite mogą ulec zmianie. Odpowiedniozaprojektowany kształt magnesów pozwolił naograniczenie maksymalnej wartość momentuzaczepowego do 0.8 Nm, co stanowi 1,6%wartości momentu znamionowego.9. Literatura[1]. Glinka T., Król E., Białas A., Wolnik T.: Silnikitarczowe z magnesami trwałymi. Zeszyty Problemowe– Maszyny Elektryczne nr.87 – 2010[2]. Glinka T., Król E., Wolnik T.: Model Polowybezrdzeniowej maszyny tarczowej. Zeszyty Problemowe– Maszyny Elektryczne nr.86 – 2010[3]. Gieras J., Wang R, Kamper M.: Axial Flux PermanentMagnet Brushless Machines. Academic Publishers,Dordrecht / Boston / London, 2004.[4]. Łukaniszyn M., Wróbel R., Jagieła M.: Komputerowemodelowanie bezszczotkowych silników tarczowychwzbudzanych magnesami trwałymi. Studiai monografie, Politechnika Opolska, 2002.[5]. Parviainen A.: Design of Axial-Flux PermanentMagnet low-speed machines and performancecomparison between radial – flux and axial – fluxmachines. Lappeenrannen teknillinen yliopisto,Digipaino 2005.[6]. Rossa R., Król E.: Dwustrefowa regulacjaprędkości obrotowej w nowoczesnych napędacheletrycznych opartych na silnikach synchronicznychz magnesami trwalymi. Zeszyty Problemowe –Maszyny Elektryczne nr. 81 – 2009.[7]. Wolnik T.: Modelowanie polowe silnikabezszczotkowego tarczowego do napędu pojazdówsamochodowych. Praca dyplomowa magisterska,Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny, ZakładMaszyn i InŜynierii Elektrycznej w Transporcie,Gliwice 2009.„Praca naukowa finansowana ze środków nanaukę w latach 2009-2011 jako projektbadawczy N N510 224737”AutorzyProf. dr hab. inŜ. Tadeusz GlinkaE-mail: info@komel.katowice.plMgr inŜ. Tomasz WolnikE-mail t.wolnik@komel.katowice.plMgr inŜ. Emil KrólE-mail: e.krol@komel.katowice.plBranŜowy Ośrodek Badawczo RozwojowyMaszyn Elektrycznych „KOMEL”40-203 Katowice,Al. Roździeńskiego 188.