silnikki wysoko obrotowe.pdf
(
894 KB
)
Pobierz
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 86/2010
129
Janusz Hetmańczyk
1
, Krzysztof Krykowski
1
,
Zbigniew Gałuszkiewicz
3
, Roman Miksiewicz
2
, Dawid Makieła
1
1
Politechnika Śląska, Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki
2
Politechnika Śląska, Katedra Maszyn i Urządzeń Elektrycznych
3
Megatech Kalety
WYSOKOOBROTOWY SILNIK WZBUDZANY
MAGNESAMI TRWAŁYMI
HIGHSPEED PERMANENT MAGNET BRUSHLESS DC MOTOR
Abstract:
The prototype of highspeed permanent brushless DC motor is presented in the paper. The principle
of operation, control method and construction of highspeed motor are described. Disadvantageous phenomena
appearing in highspeed PM BLDC motor and their methods of limitation during design process are consid
ered. Selected cases of computer analyses and results of laboratory tests are presented in final part of paper.
1. Wprowadzenie
Silniki wysokoobrotowe są wykorzystywane
w przemyśle samochodowym i wojskowym,
w modelarstwie, stomatologii oraz w wielu
urządzeniach jak spręŜarki, obrabiarki i innych.
Za maszyny wysokoobrotowe uwaŜa się ma
szyny pracujące z prędkościami znacznie prze
kraczającymi typowe prędkości obrotowe.
Dla silników wysokoobrotowych o najwyŜ
szych prędkościach obrotowych stosuje się na
zwę silniki ultrawysokoobrotowe. Na rys. 1
przedstawiono podział silników na silniki wy
sokoobrotowe i ultrawysokoobrotowe [8].
Obecnie najczęściej stosowanymi silnikami
elektrycznymi są silniki indukcyjne klatkowe
(zwane równieŜ asynchronicznymi) oraz bezsz
czotkowe silniki o wzbudzeniu magnetoelek
trycznym [2, 9]. Silniki wzbudzane magnesami
trwałymi charakteryzują się stosunkowo prostą
konstrukcją oraz duŜą pewnością działania i są
szczególnie korzystne w przypadku małych
mocy. Podobnie jak silniki indukcyjne klatkowe
wymagają zasilania z przekształtnika energo
elektronicznego (komutatora elektronicznego).
Ze względu na mały moment bezwładności, du
Ŝą sprawność oraz duŜą gęstość mocy, silniki
bezszczotkowe wzbudzane magnesami trwa
łymi są szczególnie predysponowane do zasto
sowania w napędach wysokoobrotowych.
W ostatnich latach prowadzi się intensywne ba
dania zarówno nad synchronicznymi silnikami
z magnesami trwałymi PMSM [7] oraz nad
bezszczotkowymi silniki prądu stałego
PM BLDC [3, 6, 10].
Dalsza cześć artykułu będzie poświęcona bu
dowie wysokoobrotowego bezszczotkowego
silnika prądu stałego o znamionowej prędkości
obrotowej przekraczającej 50 000 obr/min, przy
czym docelowo planuje się przekroczyć pręd
kość 100 000 obr/min.
Rys.1. Podział
silników wysokoobrotowych [8]
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 86/2010
130
Θ
T
1
T
3
T
5
H3
D
3
D
5
H2
D
1
A
+
-
B
U
DC
T
2
T
4
T
6
C
D
2
D
4
D
6
H1
Układ logiczny
Rys. 2. Klasyczna struktura układu sterowania napędem elektrycznym
zy oraz całkowity moment elektromagnetyczny
wytwarzany przez silnik. Wprowadzając dla
k
tej fazy współczynnik wzbudzenia
K
fk
(θ
ek
)
i względny współczynnik wzbudzenia
k
fk
(θ
ek
)
w funkcji elektrycznego kąta obrotu, zdefinio
wane jako:
2. Zasada działania idealnego wysoko
obrotowego silnika wzbudzanego magne
sami trwałymi
Zasada działania wysokoobrotowego silnika
wzbudzanego magnesami jest taka sama jak in
nych rodzajów silników PM BLDC i została
ona przedstawiona schematycznie na rysunkach
2 oraz 3 [4, 5]. Poszczególne uzwojenia fazowe
są przełączane sekwencyjnie przez tranzystory
mostka na podstawie informacji z czujników
połoŜenia wirnika (najczęściej są to czujniki
Halla), w skrócie CPW. Sygnały uzyskane
z czujników połoŜenia po przetworzeniu
w układzie logicznym wyznaczają obszary załą
czania zaworów komutatora elektronicznego.
Przebiegi strumieni skojarzonych z poszczegól
nymi uzwojeniami fazowymi, odpowiadających
im sygnałom z czujników połoŜenia, fazowych
prądów oraz sił elektromotorycznych dla silnika
o jednej parze biegunów przedstawiono na ry
sunku 3.
Przebiegi przedstawione na rysunku 3 odpo
wiadają sytuacji, gdy hallotrony są umieszczone
w osiach poszczególnych faz. Przyjmując, Ŝe
dla analizowanego przedziału czasowego
(punktu) prąd i fazowa SEM silnika są stałe
uzyska się wyraŜenia:
e
e
( )
K
( )
Θ
=
k
=
p
k
= Φ
k
Θ
(3)
fk
ek
b
m
fk
ek
Ω
Ω
m
e
i zauwaŜając, Ŝe w obszarze pracy zaworów
współczynnik wzbudzenia dla silnika idealnego
jest stały, moŜna zaleŜności wiąŜące prąd i mo
ment elektromagnetyczny
k
tej fazy oraz pręd
kość i SEM zapisać w postaci:
( )
( )
M
=
i K
Θ
=
i
Φ
k
Θ
(4)
ek
k
fk
ek
k
m
fk
ek
oraz
( )
( )
e
=
Ω
K
Θ
= Φ
Ω
k
Θ
(5)
k
m
fk
ek
m
m
fk
ek
Regulacje napięcia moŜna realizować na wej
ściu komutatora elektronicznego stosując do
datkowy regulator napięcia lub stosować regu
lację w komutatorze stosując np. modulację
szerokości impulsów (PWM). W tym drugim
przypadku sygnały bramkowe zaworów ener
goelektronicznych są iloczynem sygnałów
bramkowych w układzie o nieregulowanym na
pięciu i impulsowego sygnału sterującego wy
pełnieniem pulsu napięcia wyjściowego komu
tatora elektronicznego.
e i
M
=
k k
(1)
ek
oraz
3
M
=
∑
M
(2)
e
ek
k
=
1
opisujące składową momentu elektromagne
tycznego wytwarzaną przez uzwojenie
k
tej fa
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 86/2010
131
niami połączonymi w gwiazdę. W celu zmniej
szenia strat w obwodach magnetycznych zde
cydowano się zastosować blachy z materiałów
amorficznych. Blachy te cechują się nieco gor
szymi właściwościami magnetycznymi ze
względu na większą rezystywność i wąską pętlę
histerezy, ale posiadają zdecydowanie mniejszą
stratność, równieŜ przy wyŜszych częstotliwo
ściach. Takie rozwiązanie polepszyło istotnie
właściwości silnika, ale utrudniło proces ob
róbki (blachy amorficzne są twarde i kruche).
Wybór rodzaju uzwojenia głównie związany
jest z technologią wykonania, długością czół,
liczbą i przekrojem przewodów, ale z uwagi na
wysoką częstotliwość przełączeń i ograniczenie
strat dodatkowych, uzwojenia nawinięto licą.
Ze względu na duŜą prędkość obrotową (mała
liczba zwojów) uzyskano jednocześnie zwięk
szenie gęstości prądu w uzwojeniach.
1
2
Ψ
Α
3
4
5
6
1
2
H
A
Ψ
B
H
B
Ψ
C
H
C
E
A
I
A
E
B
I
B
a)
0.015
E
C
0.01
I
C
5 10
3
−
×
0
60
120
180
240
300
360
− 10
3
−
×
0
90
o
180
o
270
o
360
o
450
o
Θ
e
−
0.01
−
0.015
Rys. 3. Przebiegi napięć prądów i strumieni w
idealnym wysokoobrotowym silniku PM BLDC
a [deg]
b)
5 10
3
−
×
3. Silnik wysokoobrotowy – budowa oraz
problemy przy projektowaniu silnika
Przy projektowaniu wysokoobrotowego bezsz
czotkowego silnika prądu stałego postępuje się
podobnie jak w przypadku innych silników
PM BLDC. W silniku tym pojawia się szereg
niekorzystnych zjawisk, które znacznie kompli
kują konstrukcję silnika [1, 2, 9], a mianowicie:
4 10
3
−
×
3 10
3
−
×
2 10
3
−
×
1 10
3
−
×
0
10
20
30
40
50
h
Rys. 4. Przebieg momentu zaczepowego a);
oraz b) widmo harmonicznych momentu zacze
powego
• następuje wzrost strat w obwodach magne
tycznych i elektrycznych, spowodowanych
wyŜszą częstotliwością prądów, niŜ w ty
powych konstrukcjach,
• występują momenty zaczepowe o charakte
rze reluktancyjnym,
• pojawia się wpływ histerezy czujników po
łoŜenia wirnika,
• na wirnik działają duŜe siły odśrodkowe .
W zaleŜności od kształtu Ŝłobka oraz od wiel
kości szczeliny powietrznej w projektowanym
silniku wystąpią lub zostaną znacznie zreduko
wane momenty zaczepowe. Aby dobrać odpo
wiednio kształt Ŝłobka oraz wielkość szczeliny
powietrznej przeprowadzono badania symula
cyjne komputerowe przy zastosowaniu metody
elementów skończonych (rys. 4). Badania sy
mulacyjne wykazały, Ŝe niski poziom momentu
W projekcie wykonanego prototypu wysoko
obrotowego bezszczotkowego silnika prądu sta
łego przyjęto konstrukcję 3 fazową z uzwoje
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 86/2010
132
zaczepowego poniŜej 10% momentu znamio
nowego moŜna uzyskać stosując Ŝłobki pół
otwarte i szczelinę powietrzną rzędu 2 mm. Ta
kie rozwiązanie zastosowano w przygotowywa
nym modelu silnika.
sunięto czujniki Halla o dodatkowy kąt w kie
runku przeciwnym do kierunku wirowania oraz
zastosowano dodatkowy elektroniczny układ
korygujący sygnały z czujników Halla.
a)
20
Φ
u
H
10
t
0
60
120 180 240 300 360 420 480
Rys. 6. Wpływ histerezy na sygnał wyjściowy
hallotronowego czujnika połoŜenia
−
10
u
v
w
−
20
4. Badania laboratoryjne
Na podstawie przeprowadzonych obliczeń
i symulacji komputerowej wykonano prototy
powy silnik o parametrach:
U
DC
= 24 V,
n = 70 000 obr/min, M = 100 mNm. Wygląd
zewnętrzny silnika przedstawiono na rysunku 7,
zaś przebiegi zarejestrowanych wielkości
przedstawiono na rys. 911.
a [deg]
b)
40
20
2 10
4
−
4 10
4
−
610
4
−
8 10
4
−
0
×
×
×
×
−
20
uv
vw
wu
Na rysunku 8 przedstawiono przebieg z czuj
nika połoŜenia wirnika oraz przebiegi napięć
fazowych. Zarejestrowane przebiegi są podobne
do przebiegów uzyskanych na drodze analizy
komputerowej (rys. 5).
−
40
a [deg]
Rys. 5. Przebiegi napięć: a) fazowych, b) mię
dzyfazowych wysokoobrotowego silnika
Na właściwości ruchowe silnika mają równieŜ
wpływ zastosowane w silniku magnesy trwałe
(najczęściej neodymowe). Przy doborze kształ
tów magnesów i kierunku magnesowania kie
rowano się kształtem przebiegu czasowego na
pięcia indukowanego oraz wartością momentu
zaczepowego silnika. DąŜono, aby napięcie in
dukowane w silniku było przedziałami stałe, co
skutkuje zmniejszeniem pulsacji momentu
(rys. 5).
Warunkiem poprawnej pracy silnika PM BLDC
jest dokładne wyznaczanie chwil przełączania
zaworów. W przypadku typowych silników wi
rujących z prędkościami rzędu kilku tysięcy ob
rotów na minutę za najkorzystniejsze rozwiąza
nie uwaŜa się na ogół układy wykorzystujące
czujniki Halla umieszczone na czołach uzwojeń
silnika. W przypadku silnika wirującego
z prędkością rzędu kilkudziesięciu tysięcy ob
r/min okazało się, Ŝe zjawisko histerezy po
mijalne w typowych silnikach fałszuje pomiar
(rys. 6). W celu eliminacji tego zjawiska prze
Rys. 7. Prototyp wysokoobrotowego silnika
bezszczotkowego prądu stałego PM BLDC
Na rysunkach 9, 10, 11 – na których przedsta
wiono przebiegi sygnałów z czujnika połoŜenia
wirnika oraz dwóch prądów fazowych oraz sy
gnału z czujnika drgań dla wybranych wartości
prędkości obrotowej wirnika. Jednym z kilku
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 86/2010
133
problemów, które pojawiły się podczas uru
chamiania silnika był rezonans mechaniczny.
Zagadnienia rezonansu mechanicznego oraz
sposoby jego eliminacji został zaprezentowany
w innym artykule zamieszczonym w materia
łach konferencyjnych pt.: „Rezonans mecha
niczny w wysokoobrotowym silniku PM
BLDC”
Rys. 10. Przebieg z czujnika połoŜenia wirnika
oraz przebiegi prądów fazowych nieobciąŜo
nego
silnika
wirującego
z
prędkością
56 500 obr/min
Rys. 8. Przebieg z czujnika połoŜenia wirnika
oraz przebiegi fazowych sił elektromotorycz
nych
Rys. 11. Przebieg z czujnika połoŜenia wirnika
oraz przebiegi prądów fazowych nieobciąŜo
nego
silnika
wirującego
z
prędkością
87 420 obr/min
5. Podsumowanie
Przeprowadzone rozwaŜania i badania laborato
ryjne i symulacyjne wykazały Ŝe:
1. Zaprezentowany wysokoobrotowy silnik
PM BLDC zasilany napięciem U
DC
= 24 V
osiąga prędkość 70 000 obr/min przy obcią
Ŝeniu 100 mNm.
2. Na biegu jałowym prędkość silnika przekro
czyła 80 000 obr/min.
3. Analiza teoretyczna i badania laboratoryjne
wykazały, Ŝe istnieje moŜliwość poszerzenia
zakresu prędkości obrotowej tego silnika
i naleŜy się spodziewać, Ŝe po drobnych ko
rektach silnik osiągnie prędkość obrotową
rzędu 100 000 obr/min.
4. W związku z licznymi zaletami i zapotrze
bowaniem na ten typ silników naleŜałoby
zalecić dalsze badania nad silnikami wyso
koobrotowymi PM BLDC.
Rys. 9. Przebieg z czujnika połoŜenia wirnika
oraz przebiegi prądów fazowych nieobciąŜo
nego
silnika
wirującego
z
prędkością
33 060 obr/min
W trakcie dotychczasowych prób uzyskano
prędkość maksymalną przekraczającą
80 000 obr/min. Przewiduje się zwiększenie
prędkości obrotowej tego silnika do 100 000
obr/min i więcej.
Plik z chomika:
szafran87
Inne pliki z tego folderu:
W1_2_Wprowadzenie_do_przetwarzania_energii_w_OZE.pdf
(3292 KB)
SOLENOIDE-EFECTOS ELECTROMAGNÉTICOS (recomendado, vale la pena verlo)wmv.mp4
(1255 KB)
Free Energy Light Bulb.mp4
(17395 KB)
free energy generator powering an RC-car.mp4
(1255 KB)
LADRON DE JULIOS O JOULES - YouTube.mp4
(6417 KB)
Inne foldery tego chomika:
ameykanka
ELEKTRONIKA
Energetyka
magnetic
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin