artykul4295.pdf

Andrzej Pochanke

Silniki bezzestykowe wzbudzane

magnesem trwałym w zastosowaniu

do napędu pojazdów szynowych

zakresie ze stałym momentem lub ze stałą mocą do zastosowania

do napędu bezpośredniego, co pozwoli wyeliminować przekład-

nię mechaniczną.

Takim silnikiem może być silnik bezzestykowy wzbudzany

magnesem trwałym, umieszczonym na lub w wirniku.

Intensywny rozwój silników tego typu następował od lat 60.

ubiegłego wieku wraz z rozwojem elementów i układów energo-

elektronicznych i pojawieniem się materiału typu SmCo (1967 r.)

na magnes trwały i zintensyfikował się po 1985 r., kiedy wypro-

dukowano materiał typu NdFeB. W początkowy okresie występo-

wały trudności w sterowaniu tymi silnikami, polegające na trud-

ności w uzyskiwaniu wysokich prędkości przez osłabianie pola

magnesu trwałego i ograniczaniu napięcia indukowanego rotacji

dla pracy przy wybiegu z dużą prędkością. Obecnie wraz z rozwo-

jem techniki cyfrowej, a zwłaszcza procesorów sygnałowych,

problemy sterowania znikają, a silniki bezszczotkowe z magne-

sem trwałym zaczynają znajdować zastosowanie w napędach nie

tylko lekkich pojazdów elektrycznych czy samochodów hybrydo-

wych, ale także stosowane są do napędu zespołów trakcji szyno-

wej tramwajowej i kolejowej.

Do zalet silników z magnesem trwałym można zaliczyć: dużą

przeciążalność momentem, łatwość regulacji prędkości w szero-

kim zakresie przy stałym momencie lub przy stałej mocy, dobrą

możliwość kształtowania charakterystyki mechanicznej (wraz

z odwzbudzaniem). Silniki te są mniejsze i lżejsze od porówny-

walnych silników indukcyjnych, mają wysoki wskaźnik mocy do

masy, są niezawodne i mogą być budowane jako całkowicie za-

mknięte.

Najbardziej znaczącą przewagą silników z magnesem trwałym

nad silnikami indukcyjnymi jest ich wyższa sprawność (średnio

o 3 do 5 punktów procentowych), co wynika głównie z braku strat

wzbudzeniowych. Dodatkowo układ napędu bezpośredniego po-

woduje zmniejszenie strat o straty w przekładni mechanicznej.

Szacuje się, że straty w silniku z magnesem trwałym są dwa razy

mniejsze od strat w silniku indukcyjnym.

Badania wykazały, że hałas całkowicie zamkniętego silnika

z magnesem trwałym jest o ok. 10 dB niższy od hałasu silnika

indukcyjnego chłodzonego powietrzem. Z porównania silników

przy stałej mocy wynika, że silnik indukcyjny jest o 50% cięższy,

ma o 20% większą objętość oraz o 3% mniejszą sprawność [3].

Silnikom elektrycznym stosowanym do napędu pojazdów

trakcyjnych stawiane są następujące wymagania:

n duży moment obrotowy przy niskich prędkościach ką-

towych i duża moc znamionowa;

n szeroki zakres i łatwość regulacji prędkości kątowej

zarówno w obszarze stałego momentu, jak i stałej

mocy;

n wysoka sprawność w szerokim zakresie charaktery-

styki mechanicznej oraz wysoka sprawność w reżimie

pracy generatorowej przy hamowaniu;

n duża masowa gęstość mocy (iloraz mocy mechanicz-

nej i masy);

n duża trwałość i niezawodność oraz ograniczenie ko-

nieczności przeglądów i remontów;

n jak najmniejszy wpływ na środowisko przez ograni-

czenie emitowanego hałasu i drgań.

Od początku istnienia trakcji elektrycznej do napędu pojazdów

szynowych stosowane są silniki prądu stałego. Ich podstawową

zaletą jest łatwość sterowania w szerokim zakresie prędkości przy

dużym początkowym momencie elektromagnetycznym. Nato-

miast poważną wadą tych silników jest istnienie komutatora me-

chanicznego i szczotek, co jest przyczyną małej ich trwałości

i zwiększa potrzebę okresowych przeglądów i napraw.

W latach 60. ubiegłego wieku rozpoczął się dynamiczny roz-

wój elementów i układów energoelektronicznych, co zaowocowa-

ło kolejno tyrystorem GTO oraz tranzystorami IGBT i MOSFET.

W konsekwencji silniki prądu stałego zaczęły być zastępowane

silnikami indukcyjnymi, które nie tylko są mniej wymagające pod

względem konserwacji, ale także są mniejsze i lżejsze od kon-

wencjonalnych silników prądu stałego. Począwszy od 1990 r.

stosowanie silników indukcyjnych w pojazdach szynowych stało

się standardem.

W przypadku obu wymienionych silników przekazywanie

energii ruchu obrotowego silnika na koła pojazdu odbywa się za

pomocą przekładni mechanicznej, redukującej prędkość obroto-

wą. W ten sposób uzyskuje się duży początkowy moment napę-

dowy. Do lepszego wykorzystania silnika stosuje się chłodzenie,

najczęściej za pomocą dodatkowych wentylatorów, co nie tylko

zwiększa wymiary układu napędowego i hałas generowany przez

ten układ, ale także zwiększa częstotliwość koniecznych przeglą-

dów silników spowodowaną większym ich zabrudzeniem.

Rodzaje silników bezzestykowych

wzbudzanych magnesami trwałymi [1]

Silniki z magnesem trwałym w wirniku należą do grupy silników

z komutacją elektroniczną i łączą w sobie cechy silników syn-

chronicznych o wzbudzeniu magnesem trwałym w wirniku i ko-

mutatorowych silników prądu stałego o wzbudzeniu magnesem

trwałym w stojanie.

Era silników bezzestykowych

wzbudzanych magnesami trwałymi

Wobec powyższego, idealnym byłby silnik całkowicie zamknięty,

o dobrej regulacji prędkości obrotowej, pracujący w szerokim jej

5-6 /2008

Silnik z magnesem trwałym o komutacji elektronicz-

nej jest silnikiem bezzestykowym. Ma wzbudzenie w po-

staci magnesu trwałego umieszczone na wirniku i uzwo-

jenie twornika (najczęściej trójpasmowe) umieszczone

w żłobkach stojana. Praca takiego silnika polega na se-

kwencyjnym przełączaniu (komutacji) zasilania pasm

uzwojenia twornika tak, że przepływ (i pole magnetyczne)

wytworzony przez to uzwojenie przemieszcza się wzdłuż

szczeliny powietrznej pociągając za sobą wirnik. Jeśli

przełączanie odbywa się w zależności od położenia wirni-

ka względem stojana (sterowanie wewnętrzne), to otrzy-

muje się silnik o charakterystycznych cechach silnika

prądu stałego, a częstotliwość komutacji (oraz prędkość

wirowania pola magnetycznego stojana) zależy od pręd-

kości wirowania wirnika. Jeśli natomiast przełączanie od-

bywa się niezależnie od położenia wirnika i z częstotliwo-

ścią wymuszoną zewnętrznie (sterowanie zewnętrzne), to

otrzymuje się silnik o cechach silnika synchronicznego.

Silniki bezzestykowe z magnesem trwałym mają sto-

jan o konstrukcji podobnej do stojanów silników induk-

cyjnych: w żłobkach rozłożone jest uzwojenie trójpas

mowe i zadaniem tego uzwojenia jest wytworzenie

w szczelinie powietrznej wirującego (w sposób dyskretny

lub ciągły) pola magnetycznego. Uzwojenie to jest także

miejscem powstawania siły elektromotorycznej (sem) ro-

tacji indukowanej strumieniem wzbudzenia wytworzonym

przez magnesy trwałe znajdujące się w wirniku. W niektó-

rych wykonaniach uzwojenie stojana wykonuje się w po-

staci skupionych cewek. Natomiast wirniki cechuje dość

znaczna różnorodność konstrukcyjna. Spotyka się rozwią-

zania konstrukcyjne z magnesami trwałymi umieszczony-

mi (naklejonymi) na powierzchni wirnika (rys. 1a, b i c)

lub umieszczone wewnątrz rdzenia wirnika (rys. 1d, e i f).

Na magnesy trwałe stosuje się obecnie spieki NeFeB

Rys. 1. Przykłady konstrukcji sześciobiegunowych wirników silników z magnesami

trwałymi [4]

a, b, c - montowanymi na powierzchni rdzenia wirnika; d, e, f - montowany-

mi wewnątrz rdzenia wirnika; 1 - magnes trwały, 2 - rdzeń wirnika, 3 - wał

silnika, 4 - przekładka niemagnetyczna, 5 - otwory wentylacyjne i redukujące

masę wirnika

i SmCo, czyli materiały magnetyczne o dużej gęstości energii,

powstałe na bazie pierwiastków ziem rzadkich. Magnesy magne-

sowane są promieniowo lub średnicowo (cięciwowo). Mogą też

różnić się grubością. W ten sposób można kształtować w szczeli-

nie powietrznej przebieg indukcji magnetycznej pochodzącej od

magnesów trwałych. Struktury wirników mogą charakteryzować

się stałą przewodnością magnetyczną szczeliny powietrznej

wzdłuż obwodu wirnika (rys. 1a i b) lub zmienną przewodnością

(rys. 1c, d, e i f). Konstrukcje o zmiennej przewodności umożli-

wiają lepsze osłabianie strumienia w szczelinie za pomocą od-

działywania twornika, a przez to realizację większego zakresu

prędkości w warunkach stałej mocy.

Silniki bezzestykowe z magnesem trwałym dzieli się na dwa

rodzaje: z trapezoidalnym przebiegiem sem rotacji i z sinusoidal-

nym przebiegiem sem rotacji. Kształt siły elektromotorycznej ro-

tacji indukowanej w pasmach uzwojenia stojana zależy od prze-

strzennego rozkładu indukcji magnetycznej magnesu trwałego

i sposobu wykonania uzwojenia stojana.

Moment elektromagnetyczny wytworzony przez pasmo uzwo-

jenia silnika zależy od przebiegu prądu pasmowego i od współ-

czynnika, którego miarą jest sem rotacji indukowanej w paśmie;

całkowity moment elektromagnetyczny silnika jest równy sumie

momentów wytworzonych przez każde pasmo. Pasma silnika za-

silane są z elektronicznego układu mocy zwanego falownikiem,

którego zadaniem jest takie łączenie pasm ze źródłem napięcia

stałego, aby przestrzenny wektor przepływu uzwojenia przemiesz-

czał się wzdłuż szczeliny powietrznej.

Do otrzymania stałego, w ramach obrotu, momentu elektro-

magnetycznego w silniku z trapezoidalnym przebiegiem sem ro-

tacji prądy pasmowe muszą mieć przebieg prostokątny w prze-

dziale kątowym 120 stopni elektr., a sem rotacji powinna mieć

w tym przedziale wielkość stałą. Pasma uzwojenia przewodzą

prąd tylko parami (prądy o jednakowej wielkości i o przeciwnych

znakach), a wektor przepływu przemieszcza się skokowo w szcze-

linie powietrznej. Natomiast do otrzymania stałego, w ramach ob-

rotu, momentu elektromagnetycznego w silniku z sinusoidalnym

przebiegiem sem rotacji prądy pasmowe muszą mieć przebieg

sinusoidalny, o wielkościach maksymalnych przesuniętych wzglę-

dem siebie o 120 stopni elektr., a pasma uzwojenia muszą prze-

wodzić te prądy cały czas. Oznacza to, że prądy muszą być kon-

trolowane zarówno pod względem amplitudy, jak i właściwej

chwili przepływu przez odpowiednie pasmo, a wektor przepływu

uzwojenia stojana ma stałą wielkość i wiruje w sposób ciągły

(pole magnetyczne wirujące kołowe). W silniku z trapezoidalną

sem rotacji wystarczą punktowe czujniki położenia wirnika (np.

czujniki hallotronowe) ustawione co 60 stopni elektr. Natomiast

w silniku z sinusoidalną sem rotacji pomiar położenia wirnika

względem stojana musi odbywać się w sposób ciągły (np. przez

zastosowanie transformatora położenia kątowego – resolvera).

Zatem sterowanie silnika bezzestykowego z magnesem trwałym

5-6 /2008

wykorzystujące sprzężenie zwrotne od położenia wirnika, zapew-

nia odpowiednie dopasowanie częstotliwości, amplitudy i fazy

prądów pasmowych do stanu pracy silnika.

Silniki z trapezoidalnym przebiegiem sem rotacji noszą na-

zwę bezszczotkowych silników prądu stałego ( Direct Current Bru-

shless Permanent Magnet Motor – DCBPMM ), a silniki z sinuso-

idalnym przebiegiem sem rotacji noszą nazwę bezszczotkowych

silników prądu przemiennego ( Alternating Current Brushless Per-

manent Magnet Motor – ACBPMM ).

W przypadku obu odmian silnika bezzestykowego możliwa

jest praca przy stałej mocy, dla prędkości większych niż prędkość

znamionowa. W tym przypadku osłabiane strumienia magnesu

trwałego realizowane jest przez przesuwanie strefy przewodzenia

prądu (dla sem trapezoidalnej) lub przesuwanie fali prądu (dla

sem sinusoidalnej) tak, aby uzyskać składową oddziaływania prą-

du twornika rozmagnesowującą pole magnesu trwałego. Skutecz-

niejsze osłabianie pola uzyskuje się dla konstrukcji o zwiększonej

reluktancji w osi poprzecznej wirnika i przy zasilaniu pasm silnika

sinusoidalnymi falami prądu. Dlatego tak chętnie w tym przypad-

ku stosuje się silniki z magnesami trwałymi umieszczonymi we-

wnątrz wirnika. Ciągły pomiar położenia wirnika silnika z trapezo-

idalną sem rotacji poprawia pracę w zakresie osłabiania pola

magnesów oraz stwarza możliwość dowolnego kształtowania

przebiegu momentu.

Podstawowe zalety silników z magnesami trwałymi to duży

moment obrotowy przy niskich prędkościach kątowych i duża

moc znamionowa, szeroki zakres regulacji prędkości kątowej, wy-

soka sprawność pracy silnikowej, jak i w reżimie pracy generato-

rowej przy hamowaniu (brak strat wbudzeniowych i strat elek-

trycznych w wirniku) oraz wysoka masowa gęstość mocy.

Natomiast główne wady to wysoka cena wysokoenergetycz-

nych magnesów trwałych i dość duży, rozmagnesowujący wpływ

temperatury na parametry strumienia magnetycznego magnesów.

Dlatego należy bardzo skrupulatnie kontrolować temperaturę sil-

nika elektrycznego, a dla jego lepszego wykorzystania stosować

chłodzenie powietrzem lub cieczą.

Intensywne prace nad sterowaniem silników, przy zastosowa-

niu „bezczujnikowego” określania położenia wirnika, umożliwią

wyeliminowanie dość drogich czujników położenia.

Fot. 1. Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi 12 LCS 3550B z pocią-

gu dużej prędkości AGV – moc ciągła 750 kW od 3000 do

4570 obr./min, masa 750 kg, wymiary 680×690×735 mm

(H×l×L), sprawność 97%

Źr. Alstom

Podsumowanie

Od początku XXI w. trwają intensywne prace nad zastosowaniem

silników z magnesem trwałym do napędu pojazdów elektrycz-

nych.

Obecnie ukształtował się pogląd, że najlepsze do tego celu

będą silniki z magnesami trwałymi umieszczonymi wewnątrz wir-

nika, a sam wirnik będzie wykazywał różnicę reluktancji w osi po-

dłużnej i w osi poprzecznej. Ten rodzaj konstrukcji pozwala na

skuteczne odwzbudzanie (osłabianie pola wzbudzenia) silnika

i uzyskiwanie wysokich prędkości obrotowych, przy jednocze-

snym obniżaniu napięcia indukowanego rotacji, co z kolei ma

istotne znaczenie przy współpracy silnika z układem energoelek-

tronicznym w reżimie wybiegu.

Fot. 2. Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi 6 LMS 1052 do pojazdów tram-

wajowych Citadis X04; moc ciągła 330 kW przy 2600 obr./min, masa

350 kg, wymiary 350×325×748 mm (H×l×L), sprawność 96%; będzie

wprowadzany we wszystkich nowych seriach tramwajów Citadis Źr. Alstom

Tabela 1

Silniki asynchroniczne z magnesami trwałymi w pojazdach Alstom – dane techniczne

Typ

6 LMS 1052

12 LCS 3550B

Generator

Pojazd

Citadis (RET)

Metro

Citadis

AGV

Regio Citadis,

spalinowe zespoły trakcyjne

Moc [kW]/[obr./min] 100/1900

330/2600

750/3000–4570

300/1900

Masa

[kg] 285

205

350

750

450

Sprawność

[%] 96

Eksploatacja

od 2004 r., tramwaje

od 1999 r. w wagonach od 2008 r. – tramwaje

od 2007 r. – pociągi

od 2003 r. Regio Citadis

w Rotterdamie

metra (Lille, Turyn, Tuluza) dwusystemowe typu TTNG, dużej prędkości AGV

w Kassel, zespoły Coradia

Citaids typu X04

Lirex (koleje DB)

Źr. Alstom

5-6 /2008

Umacnia się tendencja do rozwijania i stosowania sterowania

wektorowego przy bezczujnikowym sposobie określania położe-

nia wirnika. Konstrukcje bezczujnikowe są nie tylko tańsze, ale

także bardziej trwałe i mniejsze objętościowo.

Zwiększenie dozwolonych częstotliwości pracy tranzystorów

mocy stosowanych w układach energoelektronicznych umożliwia

zwiększenie biegunowości silnika z magnesem trwałym, co ozna-

cza, że silnik będzie miał krótsze połączenia czołowe uzwojeń

stojana (i mniejsze straty obciążeniowe) oraz, że będzie miał

cieńsze jarzmo stojana (i mniejsze straty w żelazie) – w rezultacie

silnik będzie mniejszy i będzie miał większą sprawność.

Silniki z magnesami trwałymi nadają się idealnie do realizacji

napędu bezpośrednieniego (bez przekładni mechanicznej) i mo-

gą być umieszczane albo na osi napędzanej albo w kole.

W dalszym ciągu trwają prace szczególnie nad udoskonale-

niem metod sterowania pracą silnika. Istotną wadą układów z sil-

nika z magnesem trwałym w porównaniu do układów z silnikami

indukcyjnymi jest fakt, że każdy silnik z magnesem trwałym wy-

maga oddzielnego przekształtnika sterującego, gdy dla czterech

silników indukcyjnych mógł być tylko jeden. Fakt ten poważnie

zwiększa gabaryty układu napędowego. Pewne nadzieje pokłada

się w nowych technologiach produkcji elementów układów ener-

goelektronicznych opartych na węgliku krzemu.

Aktualnie w Japonii [5] stosowane są lekkie silniki z magne-

sem trwałym o mocy 305 kW i masie 276 kg do napędu jednost-

ki trakcyjnej wysokiej prędkości (Tokaido Shinkanse na linii Tokio

Osaka). W Europie pod tym względem przoduje Francja (Alstom)

z silnikiem 770 kW o masie 740 kg stosowanym w pojazdach

AGV oraz Niemcy (Siemens), gdzie do napędu pojazdów ICE3

wprowadzane są silniki z magnesem trwałym o mocy 550 kW,

całkowicie zamknięty i chłodzony wodą.

Literatura

[1] Hendershot J.R., Miller T.J.E.: Design of brushless permanent magnet

motors. Magna Physics Publishing an Clarendon Press, Oxford,

1994.

[2] Kamonciak A.: Napęd bezpośredni z silnikami synchronicznymi do po-

jazdów trakcyjnych małej mocy . Proc. of the 5th International Confe-

rence Modern Electric Traction in Regional and Urban Transport,

pp.281…284, 2001.

[3] Matsuoka K.: Development Trend of the Permanent Synchronous Mo-

tor for Railway Traction . IEEJ Trans. No.2 pp.154…161, 2007.

[4] Morimoto S.: Trend of Permanent Magnet Synchronous Machines .

IEEJ Trans. No.2 pp.101…108, 2007.

[5] Hagiwara Y.: Environmentally-friendly Aspects and Innovative Light-

weight Traction System Technologies of the Shinkansen High-speed

EMUs. IEEJ Trans. No.3 pp.176…182, 2008.

Autor

prof. nadzw. dr hab. inż. Andrzej Pochanke

Instytut Maszyn Elektrycznych

Politechnika Warszawska

Prenumerata 2008

Krajowa za 1 egz. l kwartalna – 87,00 zł l półroczna – 174,00 zł

l roczna – 348,00 zł

Krajowa 2 lub więcej egz., każdy egz.

l kwartalna – 87,00 zł

l półroczna – 174,00 zł

l roczna – 348,00 zł

Ze zleceniem wysyłki za granicę*

Europa (poczta zwykła) l roczna – 144,00 euro/egz.

(poczta lotnicza) l roczna – 156,00 euro/egz.

poza Europę (poczta lotnicza) l roczna – 220,00 USD/egz.

* W przypadku innych walut obowiązują kursy przeliczeniowe w dniu dokonania wpłaty.

Prenumeratę z wysyłką za granicę można opłacić także w Polsce w złotych,

według aktualnego przelicznika walut.

Dla studentów i uczniów prenumerata ze zniżką 50%.

Wymagane jest przesłanie kopi legitymacji studenckiej bądź uczniowskiej.

Każdy prenumerator otrzymuje hasło dostępu do archiwum

w portalu infotransport.pl.

Konto bankowe PKO BP I O/Łódź 08 1020 3352 0000 1802 0012 8074

EMI-PRESS, 91-360 Łódź, ul. Motylowa 3/25

Korespondencja EMI-PRESS 90-955 Łódź 8, skrytka pocztowa 103

tel./fax 042 633 37 51, e-mail: tts @emipress.com.pl

5-6 /2008

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: