hybrydowy silnik krokowy z magnesami stałymi jako ... - Komel

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 1/2013 (98) 195Krzysztof Szewczyk 1 , Adam Kościelniak 2 , Ryszard Kot 3 , Elżbieta Moryń-Kucharczyk 1Politechnika Częstochowska (1), Student P. Cz. (2), CzęstochowaInstytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania (3), KrakówHYBRYDOWY SILNIK KROKOWY Z MAGNESAMI STAŁYMIJAKO ELEMENT HAMUJĄCYHYBRID STEP MOTOR WITH CONSTANT MAGNETS SUCH AS THE BRAKESYSTEMStreszczenie: W artykule przedstawiono analizę pracy hybrydowego silnika krokowego pracującego jako hamulec.Silnik samohamowny pełni istotną rolę we wszystkich układach elektromechanicznych gdzie występujeczynny moment obciążenia lub duży moment bezwładności. Wytracanie energii kinetycznej wiąże się zkoniecznością wzbudzenia pola magnetycznego. W przypadku konstrukcji elektromechanicznej zawierającejmagnesy stałe w związku ze wzbudzaniem momentu zaczepowego można częściowo zaoszczędzić energięelektryczną wykorzystując strumień generowany przez magnesy stałe.Abstract: In the paper the results of analysis concerning hybrid step motor that works as a braking system hasbeen presented. In the research FEM Method has been applied. All simulations for computing flux density,forces, and torques have been performed by the program ANSYS MAXWELL. It is possible to save a part ofenergy using a flux from constant magnets. Especially when there is an active torque in the system, coggingtorque can be useful during the process of break.Słowa kluczowe: obwód magnetyczny, silnik z magnesami stałymi, metoda elementów skończonych, obwódmagnetycznyKeywords: magnetic circuit, permanent magnet, finite elements method , magnetic circuitWstępMagnesy stałe w konstrukcjach silników elektrycznychstanowią istotne źródło inspiracji dlakonstruktorów[3]. Energia kinetyczna zgromadzonaw układzie napędowym może być odzyskiwanaw konstrukcjach nowych silnikówelektrycznych gdzie do wzbudzenia stałego polamagnetycznego użyto magnesów stałych.Oszczędności na energii niezbędnej do wzbudzeniasilnika zwiększają jego sprawność a tymsamym atrakcyjność dla użytkowników [1].Hybrydowy silnik krokowy, którego przekrójpoprzeczny przedstawiono na rys. 1, w któregokonstrukcji użyto magnesów stałych jest jednymz tego rodzaju silników[2].Wzbudzenie magnetyczne nabiegunników wirnikauzyskuje się poprzez umieszczenie na nichmagnesów stałych. Uzyskiwane pole ma dwiezalety : uzyskuje się je bez użycia dodatkowejenergii elektrycznej oraz nie wymaga doprowadzeniatej energii do kręcącego się wirnika silnika.Rys. 1. Przekrój poprzeczny hybrydowego silnikakrokowego wraz z kierunkiem polaryzacjimagnesów stałych

196Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 1/2013 (98)Metoda obliczeńSymulacji dokonano w środowisku programuANSYS MAXWELL 2D w oparciu o kształtsilnika którego przekrój przedstawiono na rys. 1.Sposób wyliczeń oparto o metodę elementówskończonych (Finite Elements Method) z użyciemTensorów Naprężeń Makswella (MaxwellStres Tensor) z zerowymi warunkami początkowymiwokół silnika. Przestrzeń wokół silnikapodzielono na ponad 200 tys. elementów trójkątnychi czworokątnych. Ze względu na prędkośćobliczeń elementy zostały zróżnicowanepod względem wielkości. Mniejsze elementyumieszczono w obszarach wrażliwych ze szczególnymuwzględnieniem szczeliny powietrznejsilnika oraz wszędzie tam, gdzie kształt obliczanychelementów był najbardziej zróżnicowany.Dokonano rozróżnienia elementów silnika jakoruchomych (wirnik) z osią prostopadłą do płaszczyznyobliczeń oraz związanych z podłożem(stojan), przy założeniu właściwości materiałówmagnetycznych przeprowadzono symulacjędziałania silnika. Wokół nabiegunników stojana(na rys, 1 elementy 1 do 6) umieszczono cewkisterujące z przyporządkowanym kierunkiemprądów sterujących. Na nabiegunnikach umieszczonomagnesy stałe z zaznaczonym kierunkiemich polaryzacji. Przy takiej konstrukcji silnikasiły oraz momenty w silniku wyliczono w oparciuo Metodę Tensorów Siły dla równaniaMaxwella. Składowa normalna siły wynikaz całki (1) po obszarze zamkniętym obwoduwirnika C. Siła F działając prostopadle do promieniawirnika wytwarza moment elektromagnetycznyT.⎡⎤F = ∫ B B n B n dCC⎢1 1( . ) −2 . ⎥⎣µ 02µ 0 ⎦(1)T = r * F(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, który normalizujeskładową chwilową wektora B ,µ 0 - przenikalność magnetyczna próżni µ 0 = 4π.10 7 [H/m],F- siła [N],T- moment obrotowy [Nm],r - promień wirnika [m].Wielkość momentu wyliczana jest ze wzoru (2)przy uwzględnieniu promienia badanego wirnikaoraz składowej siły F działającej na powierzchnięwirnika, prostopadłej do jego promienia.W metodzie obliczeń bardzo ważna jest dużadysproporcja pomiędzy przenikalnością magnetycznąna granicy rozpatrywanych obszarów.Szczelina powietrzna w silniku oraz obwód magnetycznywirnika i stojana spełniają to założenie.W obliczeniach przyjęto dużą dysproporcję(

198Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 1/2013 (98)keda Noise reduction for switched reluctance motorwith a hole. PCC – Osaka 2002.[3]. Texas Instruments, Microstepping BipolarDrive of Two-Phase Hybrid Stepping Motor onTSM320F2808 DSC[4]. Information – VACuumshmelze, Rare-EarthPermanent Magnet Materials, VACODYM®,VACOMAX®[5]. Meeker D., Finite Element MethodMagnetic. V3.1 User Manual. 2001[6]. Tokuz Dulger L.C., Serdan Uyan, Modeling,simulation and control for a four-bar mechanism witha brushless servo-motor, Mechatronics Vol.7No.4©1997[7]. Wolf J., Spath H.,Swithed Reluctance MotorWith 16 Stator Poles and 12 Rotor Teeth.Elektrotechnisches Institut, Universitat Karlsruhe[8]. Lis M., An Algorithm for Calculation of ChosenDifferential Parameters for a Brushless Motor withPermanent MagnetExcitation with Sine Control (PMSM), PrzeglądElektrotechniczny R.88 nr 6, s.128-130, 2012.[9]. Lis M., A Comparison of Magneto-MechanicalTime Dependencies of a Brushlees Motor with PermanentMagnet Excitation in BLDC and PMSMModes, Prz.Elektrot. R.87 nr 12b, s.118-120, 2011.Autorzydr inż. Krzysztof SzewczykPolitechnika Częstochowskaal. Armii Krajowej 17, 42-200 CzęstochowaE-mail: szewczyk500@gmail.commgr inż. Adam Kościelniakabsolwent Politechniki Częstochowskiejul. Kosmiczna 1, 42-274 KonopiskaE-mail: megamanb@poczta.fmmgr inż. Ryszard KotInstytut Zaawansowanych TechnologiiWytwarzania, Zakład NiekonwencjonalnychTechnologii Produkcyjnych30-011 Kraków, ul. Wrocławska 37Aryszard.kot@ios.krakow.pldr inż. Elżbieta Moryń-KucharczykPolitechnika CzęstochowskaWydział Inżynierii Mechanicznej i Informatykial. Armii Krajowej 17, 42-200 CzęstochowaE-mail: moryn@imc.pcz.czest.pl