SILNIK SAMOHAMUJĄCY ZE STAŁYMI MAGNESAMI - Komel

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 159Krzysztof Szewczyk, Politechnika Częstochowska, CzęstochowaRafał Golisz, TRW, CzęstochowaSILNIK SAMOHAMUJĄCY ZE STAŁYMI MAGNESAMIPERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR AS A BRAKE SYSTEMAbstract: In the paper the possibility of use the Permanent Magnet motor as a inhibit system in the automationsystem has been presented. The same construction allow use the mashine as a brake and a motor. Using multipole in the construction it is possible to increase precision of driving, and appropriate control allow use thesame machinein in the both cases. All simulations for computing torque, flux density, cogging torque havebeen performed by programs Flux 2D, and FEMM using Finite Elements and Maxwell Stress Tensors Method.WstępSilniki z magnesami stałymi pełnią róŜne rolew naszym otoczeniu. Wykorzystanie momentuzaczepowego jako elementu hamującego pozwalana zastosowanie tego rodzaju silnika jakohamulca. Jest wiele przykładów urządzeń uŜywającychtego rodzaju konstrukcji [1,5]. Wszędzie,gdzie mamy do czynienia z momentemczynnym są one wielce przydane. Jednymz przykładów zastosowania urządzeń tegorodzaju mogą być elektrownie wiatrowe, któreustawiane odpowiednio do kierunku wiatruuŜywają silników wykonawczych stosunkoworzadko. W pozostałym czasie turbina powinnabyć stabilnie ustawiona do kierunku wiatru i nieuŜywać do tego dodatkowej energii.Wszelkie urządzenia pracujące w polu grawitacyjnympowinny być wyposaŜone w elementysamohamowne. Zastosowanie ich do niwelacjioddziaływania energii potencjalnej ma niebagatelneznaczenie nie tylko praktyczne, ale i zewzględu na bezpieczeństwo pracy oraz przepisyprawne z tym związane.W artykule przedstawiono zamysł konstrukcjisilnika synchronicznego z magnesami stałymimającego właściwości silnika samohamownego,wykorzystującego do tego celu właściwościmomentu zaczepowego występującego w sposóbnaturalny w tego rodzaju silnikach.ZałoŜenia do projektuProjekt silnika oparto na załoŜeniu 6/12 biegunowegosilnika. Tego rodzaju konstrukcja nieposiada momentu reluktancyjnego. Autorzypostanowili jednak przebadać taką konstrukcjęjako silnik przy załoŜeniu specyficznego sterowaniawykorzystującego jedynie część nabiegunnikówdo wytworzenia momentu obrotowego.W celu uzyskania jak największego mo-mentu hamującego do konstrukcji zastosowanopowiększone magnesy stałe umieszczone w masieŜelaza wirnika. Powiększone magnesy stałepowiększają kąt opasania nabiegunnika w wirniku,w wyniku czego występuje niedopasowaniepomiędzy nabiegunnikami stojana oraz wirnika.Autorzy wcześniej [4] wykazali, Ŝe istniejemoŜliwość dopasowania kąta opasania poprzezzastosowanie koncentratora magnetycznego.Oddziaływanie koncentratora pozwala na zwiększeniemomentu zaczepowego, oraz obrotowego.Powiększona energia magnesów stałych pozwalana jej wykorzystanie zarówno do generowaniamomentu obrotowego, jak i powiększeniamomentu zaczepowego.Rys. 1. Przekrój poprzeczny silnika 6/12 biegunowegoW artykule wykorzystano wyniki innych badańautorów nad moŜliwością zwiększania momentuzaczepowego w konstrukcji tego rodzaju.W rozpatrywanej konstrukcji wzięto pod uwagęoddziaływanie koncentratora (K na rys.1) nazwiększanie momentu zaczepowego.Powierzchnia nabiegunnika stojana wynika z załoŜeńkonstrukcyjnych i zaleŜy od wielu czynników.Powierzchnia nabiegunnika wirnika

160Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96)w silniku z magnesami stałymi powinna byćskorelowana z wielkością nabiegunnika stojana.Ze względu na rozproszenie strumienia przenikającegoz wirnika do stojana ograniczona jestszerokość magnesów stałych umieszczonychw wirniku. JeŜeli magnes będzie szerszy (na rys.1 - 28mm), zwiększy się strumień rozproszeniamagnesu stałego.MoŜna wykazać pozytywny wpływ zastosowaniakoncentratora magnetycznego. Ze względuna jego funkcję koncentrator moŜe być wykonanyz materiału o podwyŜszonej przewodnościmagnetycznej oraz o zwiększonej indukcji nasycenianawet do 2,35 T. Tego rodzaju właściwościamicharakteryzują się materiały o podwyŜszonejzawartości kobaltu z domieszką wanadu.(na rys.1 koncentrator zaznaczono strzałką).Zastosowanie materiału o podwyŜszonej permeancjioraz wysokim poziomie nasycenia (jak nawykresie z rys. 2)Przy powiększaniu magnesu stałego umieszczonegow wirniku, dopasowanie kąta opasania nabiegunnikawirnika będzie skuteczniejsze przypołączeniu oddziaływania koncentratora razemz uformowaniem strumienia poprzez zastosowanieszczeliny powietrznej wokół magnesu stałego.2,521,5B(T)10,50Blacha generatorowaKoncentrator0 50000 100000 150000 200000 250000H(A/m)Rys. 2. Charakterystyka magnesowania blachysilnika oraz koncentratoraWpływ na moment zaczepowy ma równieŜ kątopasania wirnika [3]. Idea jego zwiększania przyuŜyciu koncentratora przedstawiona jest na rysunku3, a jego oddziaływanie na wykresie 4.Dodatkowo jego działanie moŜna zwielokrotnićpoprzez ukierunkowanie strumienia w stronęnabiegunnika stojana poprzez wprowadzenieszczeliny powietrznej wokół magnesu stałego,zmniejszającej strumień rozproszenia zarównomagnesu, jak i koncentratora.Rys.3. Przekrój silnika z magnesami stałymigdzie M jest magnesem stałym o szerokości 18lub 28 mm, wraz ze szczeliną powietrzną wokółmagnesuMoment [Nm]3025201510501 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13Kąt obrotu[stopnie]18mm28mmRys. 4. Wykres zaleŜności momentu statycznegowirnika w funkcji kąta obrotu dla róŜnych szerokościmagnesów wirnikaMetodyka modelowaniaSymulację wykonano w oparciu o Metodę ElementówSkończonych. Analizowany obszar podzielonona 2x10 5 elementów trójkątnychw przestrzeni 2D. Do obliczeń wykorzystanoprogram narzędziowy przy uwzględnieniu zerowychwarunków brzegowych. Szczególną uwagęzwrócono na obszary wraŜliwe wokół szczelinypowietrznej badanego silnika, na ostrychi przewęŜonych elementach obwodu magnetycznego.Zastosowanie właściwego podziałuprzestrzeni na elementy trójkątne w szczeliniepowietrznej pozwala na symulację obrotu wirnikabez konieczności kaŜdorazowego procesugenerowania siatki w całym modelu.Symulację komputerową przeprowadzonow oparciu o Metodę Tensorów dla równaniaMaxwella [2], [7]. Składowa normalna tej siłydziałając na promieniu r wytwarza momentelektromagnetyczny.

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 161→F=∫C⎡→1⎢ B(B.n)−⎣µ 02µ 01 2→⎤B . n⎥dC⎦(1)na pozycjonowanie wirnika jest dość intensywne.Moment maksymalny wynosi 10,01 Nmi ma wyraźne maksimum dla 7 i 23°.T = r *(2)Wielkości i wartości występujące we wzorach(1) i (2) oznaczają:B - chwilowe wartości obwodowego rozkładuindukcji w szczelinie B [T],n – jednostkowy wektor składowej normalnejprostopadłej do powierzchni wirnika,µ 0 – przenikalność magnetyczna próŜni µ 0 = 4π .10 7 [H/m]F- siła [N]T- moment obrotowy [Nm]Wielkość momentu wyliczana jest ze wzoru (2)przy uwzględnieniu promienia badanego wirnikaoraz składowej siły działającej na powierzchnięwirnika prostopadłej do jego promienia.Wyniki symulacjiWyniki symulacji przedstawiono na rys.5.Symulacji dokonano dla kąta obrotu od 0° do30°. Mały dla niewielkich kątów moment obrotowyszybko się powiększa osiągając 39,28 Nmdla 15° kąta obrotu wirnika. Z wykresu wynika,Ŝe moment obrotowy dla kątów obrotu pomiędzy5 a 25° jest bardzo duŜy, jednakŜe dla niewielkichkątów osiąga maksymalnie ok. 1,6 Nm.Moment rozruchowy w niekorzystnym przypadkujest niewielki, dlatego teŜ silnik moŜewystartować jedynie przy niewielkim obciąŜeniu.454035302520151050T[Nm]0 10 20 30 40F tStatic torqueDegRys. 5. Statyczny moment obrotowy w zaleŜnościod kąta obrotuAutorzy dokonali równieŜ obliczeń momentuzaczepowego w badanym silniku. Wykres zaleŜnościmomentu zaczepowego od kąta obrotuwirnika przedstawiono na rys. 6. Z wykresu wynika,Ŝe oddziaływanie momentu zaczepowego15105T[Nm]00 10 20 30 40-5-10-15DegCogging torqueRys.6. ZaleŜność momentu zaczepowego od kątaobrotu wirnikaZ wykresu wynika równieŜ, Ŝe moment zaczepowywyraźnie ustala pozycję wirnika, gdyŜzbocza po obu stronach maksimum są ostroopadające. Pozycjonowanie wirnika co ok. 15°pozwala na stosunkowo precyzyjne pozycjonowanie.Zwiększenia precyzji moŜna dokonaćpoprzez zwiększenie ilości nabiegunników lubzastosowanie przekładni.Przy powiększaniu magnesu stałego umieszczonegow wirniku, dopasowanie kąta opasania nabiegunnikawirnika będzie skuteczniejsze przypołączeniu oddziaływania koncentratora razemz uformowaniem strumienia poprzez zastosowanieszczeliny powietrznej wokół magnesu stałego.Dotychczasowe badania wskazują moŜliwościosiągnięcia lepszych rezultatów poprzez choćbyuŜycie szczeliny powietrznej jako elementuzmniejszającego strumień strat w wirniku. Autorzyplanują dalszą pracę nad silnikiem o znaczniewiększym momencie obrotowym oraz większymmomentem zaczepowym.Literatura[1]. Kasper K., Fiedler J., Schmitz D.,Doncker R., Noise Reduction Control Strategiesfor Switched Reluctance Drives, Vehicle Power andPropulsion Conference, 2006. VPPC’06. IEEE, 1-6[2] Flux 10 2D/3D applications, User guide- Vol. 3, 43-52.[3]. Szewczyk K. Guja A., Zmiana kąta opasaniawirnika i jej wpływ na moment rozwijany przez silnik,Zesz. Nauk. Politechniki Częstochowskiej, nr157 , Elektrotechnika z.18 cz.1, 186-189.[4]. Szewczyk K. Golisz R., Znaczenie uŜyciakoncentratora magnetycznego w obwodzie magnetycznymsilnika synchronicznego ze stałymi Magnesamiwewnątrz wirnika, Zeszyty Problemowe –

162Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96)Maszyny Elektryczne BOBRME KOMEL, nr91/2011, s. 5-7, Rytro 2011r.[5]. Kazuaki Nakata, Kenji Hiramoto, MasuayukiSanada, Sigeo Morimoto, Yoji TakedaNoise reduction for switched reluctance motorwith a hole. PCC – Osaka 2002.[6]. Information – VACuumshmelze, Rare-EarthPermanent Magnet Materials, VACODYM®,VACOMAX®[7]. Meeker D., Finite Element Method MagneticV3.1 User Manual 2001.Autorzydr inŜ. Krzysztof SzewczykPolitechnika CzęstochowskaAl. Armii Krajowej 17, 42-200 CzęstochowaE-mail: szewczyk500@gmail.commgr inŜ. Rafał Goliszul. Polskiej Organizacji Wojskowej42-200 CzęstochowaE-mail : rafalgolisz@o2.pl