Konstrukcyjne metody ograniczania pulsacji momentu el. w bezszczotkowym silniku prądu stałego z magnesami trwałymi.pdf

POLITECHNIKAOPOLSKA

WYDZIAŁELEKTROTECHNIKI,AUTOMATYKIIINFORMATYKI

mgrinŜ.AdrianMłot

Konstrukcyjnemetodyograniczaniapulsacjimomentu

elektromagnetycznegowbezszczotkowymsilnikuprądustałegoz

magnesamitrwałymi

Autoreferatrozprawydoktorskiej

Promotor:Prof.drhab.inŜ.MarianŁukaniszyn

PracapowstałaprzywspółfinansowaniuMinisterstwaNaukiiSzkolnictwaWyŜszegowramach

grantupromotorskiegonr3T10A03129orazEuropejskiegoFunduszuSpołecznegoiśrodków

budŜetupaństwa

Opole2007

Spistreści

1. Wstęp........................................................................................................................................3

2. Celeitezapracy.......................................................................................................................4

3. Modelematematyczne..............................................................................................................5

4. MetodyograniczaniapulsacjimomentuelektromagnetycznegowsilnikuBLDC..................6

4.1Modyfikacjageometriimagnesówtrwałych..........................................................................7

4.2MagnesytrwałezciągłąmagnetyzacjątypuHalbach ...........................................................9

4.3MagnesytrwałezdyskretnąmagnetyzacjątypuHalbach ...................................................10

4.4MagnesytrwałeoróŜnejrozpiętościkątowej......................................................................12

4.5SilnikzniesymetrycznymułoŜeniemmagnesównawirniku..............................................13

4.6Silnikzestojanemmostowym..............................................................................................15

4.7SilnikzklinamimagnetycznymiwŜłobkach ......................................................................16

4.8Silnikzwycięciaminazębachstojana.................................................................................17

4.9Silnikzwycięciemnapowierzchnimagnesówtrwałych.....................................................18

4.10Silnikzpseudoskosemmagnesówtrwałych......................................................................19

4.11SilnikzeskosemŜłobków..................................................................................................20

4.12Silnikzuzwojeniemułamkowym......................................................................................21

5.MoŜliwościoptymalizacjiobwodumagnetycznego .................................................................22

6. Opisstanowiskapomiarowego...............................................................................................24

7. Podsumowanie .......................................................................................................................25

Wykazdorobkunaukowegoautora................................................................................................26

Przedmiotem pracy jest silnik bezszczotkowy prądu stałego skonstruowany na bazie silnika asynchronicznego.

Jakowzbudzeniezastosowanowysokoenergetyczneneodymowemagnesytrwałe,natomiastcewkiuzwojeńsilnikaz

komutacją elektroniczną są połączone w układ trójpasmowy. Maszyny magnetoelektryczne znalazły szerokie

zastosowanie i mają obecnie duŜe znaczenie we współczesnych napędach. NaleŜy tu zaznaczyć, iŜ do napędu

niektórychurządzeńnienadająsiętradycyjnesilnikiindukcyjneczysynchroniczne.Zwykletakasytuacjawystępuje

gdywymaganesąmałeprędkościobrotowe,utrzymaniestałejprędkościprzyzmiennymmomencieobciąŜenia,lub

wysokadynamikaoraztamgdzieniemoŜnazastosowaćprzekładnimechanicznych.

Rozwójtechnologiiprodukcjimagnesówtrwałychopartychnapierwiastkachziemrzadkichszczególniezaznacza

sięwdziedziniemaszynelektrycznych,comoŜnazaobserwowaćwwielukrajachwiodącychwzakresiewytwórstwa

maszynelektrycznych.Silnikibezszczotkoweprądustałego(ang.BrushlessDirectCurrentMotor(BLDC))wzbudzane

magnesami trwałymi charakteryzują się prostą konstrukcją oraz nie wymagają czynności związanych z obsługą i

konserwacjąukładukomutatoramechanicznego.PociągatozasobąwiększąniezawodnośćiwysokąsprawnośćBLDC.

Zaletytenieumniejszająjednaknegatywnychczynników(pulsacjemomentu),któremająwpływnapracęmaszyny.

W pracach [16] 1 przedstawiono ogólną wiedzę na temat maszyn prądu stałego wzbudzanych magnesami

trwałymi.ZagadnieniadotyczącesterowaniasilnikamiBLDCzamieszczonowpracach[2,5,10,16,20,38].

Prace [2124, 2631, 3337, 39, 4146] szeroko opisują metody ograniczania składowych pulsacji momentu

elektromagnetycznegoiichwpływnauŜytecznymomentwsilnikachBLDC.Wopracowaniach[1114,1719,30,32]

przedstawionomoŜliwezmianykonstrukcjiobwodumagnetycznegowcelupoprawyparametrówuŜytkowychiwpływ

tychŜezmiannaprzebiegmomentuelektromagnetycznegoipulsacjimomentuelektromagnetycznego.

Pulsacje momentu silnika są wynikiem szeregu czynników, a przede wszystkim harmonicznych strumienia

magnetycznego w szczelinie powietrznej i zmiennej reluktancji szczeliny powietrznej, wynikającej z uŜłobkowanej

strukturyrdzeniastojana.

Problemydotyczącepulsacjimomentuelektromagnetycznegorozwiązujesięnadrodzeoptymalizacjikonstrukcji

silników oraz implementacji odpowiednich metod sterowania. W pracy optymalizowano konstrukcję obwodu

magnetycznegosilnikapodwzględemredukcjiskładowychpulsującychzawartychwuŜytecznymmomencie.Pulsacje

momentuelektromagnetycznegowsilnikachBLDCwzbudzanychmagnesamitrwałymisąwynikiemsumowaniasię

dwóch składowych: momentu zaczepowego i momentu tętniącego. Pulsacje wypadkowego momentu

elektromagnetycznego moŜna ograniczać zmniejszając moment zaczepowy. Redukcję pulsacji uzyskuje się między

innymi przy: niesymetrycznym rozmieszczeniu magnesów na obwodzie stojana bądź wirniku; zastosowaniu

odpowiedniego rodzaju magnesów o róŜnym kącie wektora magnetyzacji i własnościach magnetycznych; skosu

magnesów, odpowiedniej grubości szczeliny powietrznej i magnetycznej; zamknięciu Ŝłobków klinami

magnetycznymi.

Silnikmagnetoelektrycznybędącyprzedmiotemopracowaniaprzedstawiononarysunku1.1.Wirnikwykonanyjest

wpostacistalowegordzenia,naktórymzamocowanoneodymowo–Ŝelazowo–borowe(NdFeB)magnesytrwałe.

Silnik jest zasilany przez układ elektronicznego komutatora. Cylindryczny wirnik jest bezpośrednio sprzęŜony z

mechanicznym obciąŜeniem. Taki sposób przeniesienia napędu eliminuje szereg wad wynikających ze stosowania

przekładnimechanicznych.

Rys.1.1Bezszczotkowysilnikprądustałegopoddanywstępnejanalizie(a),rdzeństojanazuzwojeniemtrójpasmowym

orazobudową(b),wirnikwykonanyzlitegomateriałuzusytuowanymimagnesamizpierwiastkówziemrzadkich(c).

Na rysunku 1.2 pokazano kolejno przekrój poprzeczny ipodłuŜnyBLDC.Stojanskładasięzpakietowanego

rdzeniaferromagnetycznegonaktórysąnawiniętecewkistanowiącedwuwarstwoweuzwojeniesilnika.

Numeracjapozycjiliteraturowychjestzgodnazespisemliteratury,zamieszczonymwpracy

1. Wstęp

Rys.1.2Schematbudowysilnikabezszczotkowegoprądustałegozmagnesamitrwałymi,kolejnoprzekrójpoprzecznyi

podłuŜny:1–rdzeństojana,2–magnesytrwałe,3–cewki,4–wirnik.

Zasilanie silnika odbywa się za pośrednictwem układu przekształtnika tranzystorowego. Elementami

pozwalającymi na załączanie odpowiedniej pary tranzystorów w kolejnych chwilach czasowych jest układ trzech

czujnikówhallotronowychrozmieszczonychpomiędzycewkami.Załączanesątepasma,któreprzydanympołoŜeniu

względemnichmagnesówwirnikawytwarzająmomentobrotowy.Pracakomutatoraelektronicznegoodpowiadapracy

falownika ze sprzęŜeniem zwrotnym, gdzie sygnałem zwrotnym jest sygnał uzyskiwany z hallotronów. Sygnały te

moŜna uzyskiwać z innego typu czujników (np. indukcyjnych, pojemnościowych, fotoelektrycznych). W praktyce

najczęściejspotykanesączujnikihallotronowe.

Główneparametrykonstrukcyjneprototypusilnikaprzedstawionowtabeli1.

Tabela1.PodstawowekonstrukcyjneparametryprototypuBLDC

Lp. Opisparametru Parametr

1. Średnicazewnętrznardzeniastojana Dz=60mm

2. Średnicawewnętrznardzeniastojana Dw=39mm

3. Szerokośćszczelinypowietrznej g=1,5mm

4. Całkowitadługośćsilnika l=62mm

5. LiczbaŜłobkówstojana Ŝ=36

6. PoskokŜłobkowy y=5

7. Liczbacewekuzwojeniastojana N c =24

8. Liczbazwojówwcewce Z c =5

9. LiczbaŜłobkównabiegunifazę q=2

10. Liczbabiegunówwirnika 2p=6

Celem pracy było opracowanie prototypów silników o zminimalizowanych pulsacjach momentu

elektromagnetycznego, charakteryzujących się cichą pracą i niewielkimi wibracjami, a takŜe zachowanie wysokiej

sprawnościukładu.DziękitakiemurozwiązaniumoŜliwejestosiągnięcieodpowiedniejdynamikiukładuwszerokim

zakresieprędkości.

Zasadnicze prace badawcze opierały się nad znalezieniem takiej konstrukcji obwodu magnetycznego

bezszczotkowego silnika prądu stałego z magnesami trwałymi, która ograniczy w duŜej mierze składowe pulsacji

momentu elektromagnetycznego oraz poprawi parametry elektromechaniczne. Wykonano optymalizację konstrukcji

obwodu magnetycznego silnika w oparciu o algorytmy genetyczne. Wynikiem prac było opracowanie podstaw do

projektowaniaioptymalizacjikonstrukcjibezszczotkowegosilnikaprądustałegozmagnesamitrwałymi.

2. Celeitezapracy

NabaziedokonanegoprzegląduliteraturymoŜnasformułowaćtezępracy:

Zaproponowanepolowemodelebezszczotkowegosilnikaprądustałegowzbudzanegomagnesamitrwałymi

stanowią podstawę do analizy moŜliwości ograniczania pulsacji momentu elektromagnetycznego juŜ w fazie

projektowania.

Niniejszatezarozprawyzostałapostawionazkilkuzasadniczychpowodów.Przedewszystkimciągłypostępw

inŜynieriimateriałowejjakchociaŜbydynamicznyrozwójprzyrządówpółprzewodnikowychmocyimikroprocesorów

oraztechnologiiwytwarzaniamateriałówmagnetycznietwardych,atakŜerosnącezapotrzebowanienazaawansowane

systemy napędu elektrycznego, wymaga gruntownych badań. Badania takie dotyczą przede wszystkim zagadnień

związanych z analizą rozwiązań konstrukcyjnych obwodów magnetycznych i ich wpływu na parametry

elektromechaniczne silnika BLDC. W szczególności, w niniejszej rozprawie, dotyczy to redukcji składowych

pulsującychmomentudominującychwcylindrycznymbezszczotkowymsilnikuprądustałegowzbudzanymmagnesami

trwałymi.

Autorwswojejpracyskupiłsięjedynienanajczęściejprodukowanychbezszczotkowychsilnikachprądustałegoo

strukturzewalcowej.SilnikitenaleŜądonajliczniejprodukowanychistosowanychsilnikówwswojejklasie.

Przeprowadzenie obliczeń elektromagnetycznych róŜnych konstrukcji obwodu magnetycznego

bezszczotkowego cylindrycznego silnika prądu stałego jako struktur dwu i trójwymiarowych pod kątem

poprawyparametrówelektromagnetycznych(pulsacjemomentu),

•

Zmianę konstrukcji obwodu silnika pod kątem ograniczenia składowych pulsacji momentu

elektromagnetycznego,

•

Wykonanieprototypusilnikaopoprawionychparametrachelektromechanicznych;

•

Weryfikacjępomiarowądlauzyskanejkonstrukcji,

•

PrzeprowadzenieoptymalizacjiobwodumagnetycznegoprzyuŜyciualgorytmówgenetycznych.

Wynikiempracbędzieopracowaniepodstawdoprojektowaniaioptymalizacjikonstrukcjibezszczotkowego

silnikaprądustałegowzbudzanegomagnesamitrwałymi.

Zakrespracyobejmujemiędzyinnymi:

Przegląd współczesnych metod analizy pola magnetycznego w silniku BLDC wzbudzanych magnesami

trwałymi,

• Analizę pola magnetycznego w cylindrycznych silnikach BLDC (silnik z prostym Ŝłobkowaniem rdzenia

stojana, silnik ze skośnym Ŝłobkowaniemrdzeniastojana,silnikzułamkowymuzwojeniem)zmagnesami

trwałymimetodą2Di3D,

Analizę metod ograniczania składowych pulsujących momentu elektromagnetycznego w cylindrycznych

silnikachBLDCzmagnesamitrwałymi,

• Budowęstanowiskapomiarowego,

•

WeryfikacjępomiarowądlauzyskanejkonstrukcjiibadanychmodelisilnikówBLDC,

•

Optymalizacjękonstrukcjisilnikazpunktuwidzeniaograniczeniapulsacjimomentuelektromagnetycznego

(zastosowaniealgorytmówgenetycznych).

W niniejszej pracy do obliczeń numerycznych uŜyto programu do obliczeń trójwymiarowych FLUX3D firmy

Cedrat oraz programu do obliczeń dwuwymiarowych FEMM. Programy te są oparte na metodzie elementów

skończonych.

3. Modelematematyczne

Wybór metody 2D lub 3D jest uzaleŜniony od czasu trwania obliczeń, co wynika z mocy obliczeniowej

komputera. Modele 3D pozwalają w sposób dokładny odwzorować strukturę obwodu magnetycznego rzeczywistej

maszynyorazpołączeniaczołowe[140,141,142,144].Zkoleiobliczenianumerycznezapomocąmetody2D,wwielu

przypadkachumoŜliwiajązdośćdobrymprzybliŜeniemwyznaczyćparametrycałkowemaszyn.Wmodelachtakichnie

moŜnajednakbezpośredniouwzględnićwieluzjawiskfizycznychielementówkonstrukcyjnych,jakiecharakteryzują

maszynę.

Modele numeryczne dwuwymiarowe silników BLDC zostały wykonane w programie FEMM. Model 2D

prototypu A silnika z siatką dyskretyzacyjną o liczbie 12001 węzłów i 23640 elementów oraz linie sił pola

magnetycznegowprzekrojusilnikazobrazowanonarysunku3.1.

Rys.3.1.Siatkadyskretyzacyjna(a)orazliniestrumieniawprzekrojusilnikaprzyzasilaniuprądowym(b)(prototypA)

AbyudowodnićpowyŜszątezępracysformułowanonastępującecele:

•

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: