BEZRDZENIOWY SILNIK TARCZOWY Z MAGNESAMI.pdf

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 77/2007

161

Piotr Cierzniewski

Politechnika Szczeciıska, Szczecin

BEZRDZENIOWY SILNIK TARCZOWY Z MAGNESAMI

TRWAýYMI

CORELESS AXIAL FLUX PERMANENT-MAGNET MACHINES

Abstract: The paper presents construction and principles of operation of coreless axial flux PM machine. In

its construction new solution of stator windingsÓ mounting was used, that allowed to exploit active parts of

machine more efficiently. Electric disc motors have small axial dimensions and can be installed directly in

constructions of machine tools, technological devices and independent means of transportation. The interest in

disc machines has grown recently due to introduction into operation new slotless and coreless constructions

that allow, by using SEMA (Segmented ElectroMagnetic Array) technology, not only to eliminate ferromag-

netic yokes and statorÓs cores, but also to increase its efficiency, decrease weight and size and decrease level of

noises and vibrations of machine during its operation. There was also presented three dimensional model of

machine and its parameters and characteristics obtained due to simulation. Results of this simulation were veri-

fied with experimental measurements conducted on physical model. To verify numeric model by comparing it

to physical model, a dependence of electromagnetic torque from phase windingÓs constant current was deter-

mined for static state.

1. Wstħp

Znaczne zwiħkszenie sprawnoĻci przetwarzania

energii w maszynach elektrycznych staþo siħ

moŇliwe poprzez zastosowanie technologicznie

najnowszych materiaþw ograniczajĢcych straty

mocy czynnej, w tym rwnieŇ zastosowanie

magnesw trwaþych w obwodach wzbudzenia.

Materiaþy magnetyczne twarde pozwalajĢ na

konstruowanie obwodw wzbudzenia EMPE

o zwiħkszonej indukcji magnetycznej B d

w szczelinie. Parametry osiĢgane przez obecnie

produkowane tranzystory, wykorzystywane w

ukþadach sterowania, pozwalajĢ na formowanie

odpowiednich przebiegw prĢdu i napiħcia co

do wielkoĻci, ksztaþtu, czħstotliwoĻci, czasw

narastania prĢdw i napiħę. W przeszþoĻci sil-

niki bezszczotkowe z magnesami trwaþymi byþy

stosowane gþwnie jako napħdy o stosunkowo

maþej mocy i silniki wykonawcze ukþadw au-

tomatyki. Obecnie, ze wzglħdu na znaczny po-

stħp w rozwoju wysokoenergetycznych magne-

sw trwaþych i elementw energoelektronicz-

nych, moc tych silnikw jest coraz wiħksza.

Silniki z komutacjĢ elektronicznĢ i magnesami

trwaþymi w obwodzie wzbudzenia znajdujĢ co-

raz szersze zastosowania w wielu dziedzinach.

Jako przykþady zastosowaı moŇna wymienię

napħdy elektryczne pojazdw z silnikiem wbu-

dowanym w piastħ koþa, silniki do napħdu stat-

kw, robotw podwodnych, serwonapħdw w

robotach przemysþowych, gdzie wymagana jest

duŇa dynamika oraz minimalna objħtoĻę i masa

silnika. Konstrukcje tych silnikw caþy czas

rozwijajĢ siħ. DĢŇy siħ w nich do uzyskania jak

najwiħkszej mocy jednostkowej, momentu

elektromagnetycznego czy siþy, zwiħkszenia

sprawnoĻci, zmniejszenia pulsacji momentw

i szumw, wzrostu dynamiki zmniejszenia ich

masy oraz objħtoĻci przy zachowaniu mocy

i momentu na staþym poziomie. Silniki typu tar-

czowego majĢ, w porwnaniu z silnikami typu

walcowego, lepsze charakterystyki techniczne

i wskaŅniki masowogabarytowe przy zwiħksze-

niu Ļrednicy i liczby par biegunw. Zaintereso-

wanie maszynami tarczowymi wzrosþo w ostat-

nim czasie poprzez wdroŇenie nowych bez-

Ňþobkowych i bezrdzeniowych konstrukcji,

ktre pozwalajĢ, dziħki technologii SEMA

(Segmented ElectroMagnetic Array), nie tylko

wyeliminowaę jarzma ferromagnetyczne i rdze-

nie stojana, ale rwnieŇ podwyŇszyę spraw-

noĻę, zmniejszyę masħ i gabaryty oraz obniŇyę

poziom szumw i wibracji maszyny podczas jej

pracy. Dodatkowo dziħki zastosowaniu bez-

rdzeniowej struktury w silnikach tarczowych na

bazie technologii SEMA nie wystħpujĢ w nich

pulsacje momentu elektromagnetycznego ani

straty wywoþane zjawiskiem histerezy.

162

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 77/2007

2. Konstrukcja silnika tarczowego

2.1 ĺrednica zewnħtrzna i wewnħtrzna czħĻci

aktywnych silnika

Jednym z waŇniejszych parametrw przy pro-

jektowaniu silnikw tarczowych z magnesami

trwaþymi jest wyznaczenie Ļrednicy zewnħtrz-

nej D e i wewnħtrznej D i czħĻci aktywnych sil-

nika (rys.1). WartoĻę ĻredniĢ momentu elek-

tromagnetycznego M e silnika tarczowego z je-

dnĢ tarczĢ stojana i dwoma tarczami wirnika

w zaleŇnoĻci od wielkoĻci D e i D i moŇna zapi-

saę rwnaniem:

(

)

[ ] )

(

)

(

(3)

PrzyrwnujĢc pochodnĢ do 0 otrzymujemy na-

stħpujĢce rwnanie:

(

)

= b

(

)

(4)

RozwiĢzujĢc powyŇsze rwnanie otrzymujemy

optymalna wartoĻę wspþczy nn ika b rwnĢ:

577

b ; (5)

Z przeprowadzonej powyŇej analizy wynika, Ňe

przy konstruowaniu silnikw tarczowych z ma-

gnesami trwaþymi naleŇy dĢŇyę, by przy zada-

nej wartoĻci Ļrednicy zewnħtrznej D e czħĻci

aktywnych silnika Ļrednica wewnħtrzna czħĻci

aktywnych powinna wynosię w przybliŇeniu

D e =0,577 D i .

= b

opt @

(

)

max

(1)

gdzie:

=b ;

F e (b)

0,100

B d Î wartoĻę indukcji magnetycznej w szczeli-

nie powietrznej;

A max Î maksymalna wartoĻę okþadu prĢdowego.

0,090

0,080

0,070

0,060

0,050

0,040

0,030

0,020

0,010

D e

D i

0,000

0,10 0,25 0,40 0,55 0,70 0,85

Rys. 1. Stojan silnika tarczowego z zaznaczonĢ

ĻrednicĢ wewnħtrznĢ D i i zewnħtrznĢ D e czħĻci

aktywnych silnika

PrzyjmujĢc za staþe wartoĻci B d , A max i D e w da-

nej konstrukcji silnika w celu wyznaczenie

optymalnej wartoĻci D i naleŇy rozpatrzyę funk-

cje F e (b):

Rys. 2. Wykres funkcji F e (b)

2.1 Uzwojenia tarczy stojana

Obecnie coraz wiħksze zainteresowanie w sil-

nikach tarczowych ma technologia SEMA. Po-

lega ona, na specjalnym wykonaniu uzwojeı w

silniku bezrdzeniowym, pozwalajĢcym na mak-

symalne wykorzystanie ich czħĻci aktywnych

i zmniejszenie szczeliny powietrznej. Istota

tego rozwiĢzania opiera siħ na odpowiednim

wykonaniu uzwojeı, umoŇliwiajĢcym ich wza-

jemne nakþadanie siħ na siebie.

Wszystkie promieniowo uþoŇone fragmenty

uzwojeı znajdujĢ siħ w jednej pþaszczyŅnie,

podczas gdy czħĻci czoþowe uþoŇone wzdþuŇ

obwodu koþowego leŇĢ powyŇej i poniŇej

pþaszczyzny aktywnej. Dziħki takiemu rozwiĢ-

zaniu uzwojenia, ktre wytwarzajĢ moment

elektromagnetyczny, leŇĢ w jednej pþaszczyŅnie

i lepiej wykorzystujĢ przestrzeı szczeliny po-

wietrznej, a ich czħĻci bierne (poþĢczenia czo-

þowe) nie wpþywajĢ na powiħkszenie szczeliny

powietrznej.

( )

(

)

; (2)

Wykres funkcji F e (b) od parametru b przedsta-

wiono na rys. 2

W celu znalezienia optymalnej wartoĻci wspþ-

czynnika b naleŇy wyznaczyę ekstremum funk-

cji. Pochodna funkcji F e (b) ma postaę:

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 77/2007

163

Na rys. 3a pokazano sposb wykonania uzwo-

jeı wg technologii SEMA. CzħĻci aktywne

uzwojeı fazowych 1, 2 i 3, znajdujĢ siħ w jed-

nej warstwie. PoniewaŇ wewnħtrzne i ze-

wnħtrzne poþĢczenia czoþowe uzwojeı leŇĢ

w pþaszczyznach powyŇej i poniŇej pþaszczyzny

aktywnej, uformowana tarcza stojana posiada

cieıszĢ czħĻę wewnħtrznĢ z grubszym we-

wnħtrznym obrzeŇem i zewnħtrznym pierĻcie-

niem. ZaleŇnie od wymaganych parametrw

elektrycznych lub mechanicznych zastosowana

moŇe byę dowolna parzysta liczba uzwojeı.

Na rys. 3b przedstawiono sposb uþoŇenia

uzwojeı na tarczy stojana. PoþĢczenia czoþowe

uzwojeı fazowych ksztaþtowane sĢ w taki spo-

sb, Ňe znajdujĢ siħ raz w dolnej, raz grnej

warstwie.

i wytwarzaę nierwnomierny rozkþad pola elek-

tromagnetycznego w silniku.

Przedstawione na rys. 4 rozwiĢzanie wykonania

uzwojeı jest transformacjĢ technologii SEMA.

Polega ona na tym, Ňe pojedyncze uzwojenie

z technologii SEMA podzielono na dwie rwne

czħĻci i umieszczono je jedno obok drugiego.

Przekrj poprzeczny czħĻci aktywnych uzwo-

jeı, w porwnaniu do ukþadu cewek na rys. 3,

nie ulegþ zmianie, zwiħkszyþa siħ jednak dwu-

krotnie iloĻę uzwojeı w silniku, a zmniejsza siħ

o poþowĢ liczba zezwojw w kaŇdej z nich. W

tak powstaþych uzwojeniach koıce jednej cewki

poþĢczone sĢ z poczĢtkami nastħpnej tworzĢ-

cymi jednĢ fazħ.

Rys. 4a przedstawia sposb uþoŇenia uzwojeı

wedþug nowej koncepcji. PoþĢczenia czoþowe

uzwojeı znajdujĢ siħ w trzech warstwach, przy

czym dla pierwszej znajdujĢ siħ wyþĢcznie

w warstwie grnej, drugiej Î w Ļrodkowej,

a trzeciej Î w dolnej.

Na rys. 4b przedstawiono sposb uþoŇenia

uzwojeı na tarczy stojana zgodnie z prezento-

wanĢ technologiĢ.

3 2

1 2

3 3

2 2

2 3

1 1 2 1

2 1

3 1

3 6

1 1

1 3

2 6

1 2

1 6

2 2

3 5

3 1

3 2

2 5

1 3

1 5

2 3

3 4

3 3

2 4

1 4

Rys. 3. Wykonanie uzwojeı wg technologii

SEMA: a) wzajemnie nachodzĢce siħ cewki

z elementami aktywnymi; b) schematyczny

ukþad rozmieszczenia uzwojeı

Uzwojenia w pojedynczej fazie sĢ rozþoŇone w

taki sposb, Ňe pomiħdzy nimi wystħpuje prze-

rwa o szerokoĻci jednego bieguna. Oznacza to,

Ňe po obu stronach czħĻci aktywnej uzwojenia

nie wystħpujĢ te same warunki. MoŇe to pro-

wadzię do generowania skþadowych harmo-

nicznych prĢdu podczas obciĢŇania silnika

Rys. 4. Budowa i rozmieszczenie uzwojeı we-

dþug nowej koncepcji: a) wzajemnie nacho-

dzĢce siħ cewki z elementami aktywnymi; b)

schematyczny ukþad rozmieszczenia uzwojeı

164

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 77/2007

Uzwojenia w poszczeglnych fazach rozmiesz-

czone sĢ pod kaŇdym biegunem Î symetrycz-

nie, nie ma przerwy miħdzy nimi, jak to miaþo

miejsce w technologii SEMA. W konstrukcji

takiej, dþugoĻę uzwojenia zmniejszyþa siħ o

czħĻę dþugoĻci poþĢczeı czoþowych, ze wzglħdu

na mniejszy kĢt zagiħcia wynikajĢcy ze zmniej-

szonej ich gruboĻci. Wpþywa to na zmniejszenie

strat cieplnych w stojanie. W stanie obciĢŇenia

warunki dla kaŇdego z uzwojeı w danej fazie sĢ

podobne.

3. Konstrukcja modelu silnika

Konstrukcja czħĻci aktywnych silnika tarczo-

wego zostaþa pokazana na rys. 5. Na tarczy

stojana 1 znajdujĢ siħ trjfazowe uzwojenia

bezrdzeniowe 2 1 , 2 2 , 2 3 wykonane zgodnie z

technologiĢ przedstawionĢ na rys. 4. Uzwojenia

kaŇdej fazy skþadajĢ siħ 12 cewek. CzħĻci ak-

tywne wszystkich uzwojeı znajdujĢ siħ w jed-

nej powierzchni, natomiast ich poþĢczenia czo-

þowe znajdujĢ siħ z trzech warstwach. Uzwoje-

nia w celu uzyskania sztywnoĻci stojana zalano

ŇywicĢ epoksydowĢ. Na kaŇdej z dwch tarcz

wirnika 3 1 i 3 2 umieszczono po 12 wysokoener-

getycznych magnesw trwaþych 4 z naprze-

miennĢ biegunowoĻciĢ: N Î S Î N Î S..., cha-

rakteryzujĢcych siħ nastħpujĢcymi: pozostaþo-

ĻciĢ magnetycznĢ B r = 1,0 T i wzglħdnĢ prze-

nikalnoĻciĢ magnetycznĢ m rmag =1,05 o wymia-

rach 20 x 30 x 3 mm. Magnesy trwaþe przykle-

jono do tarczy wirnika ze stali konstrukcyjnej.

Nieruchoma tarcza stojana 1 zostaþa przymocowana

do obudowy za pomocĢ Ļrub.

3 1

3 2

3 1 4

3 2

1 2 1 2 2 2 3

3 1

2 1

r i r e

2 2

2 3

3 2

Rys. 5. Budowa czħĻci aktywnych silnika

Promieı zewnħtrzny czħĻci aktywnej silnika r e =68

mm a promieı wewnħtrzny r i =38 mm. DþugoĻę

podziaþki biegunowej t S na Ļrednim promieniu

r av =(r i + (r e - r i )/2)= 53 mm wynosi

t S = 28mm. Szczelina powietrzna silnika wynosi d =

4mm. Na rys. 6 pokazano zdjħcia wykonanego mo-

delu silnika. Tarcze wirnika 3 1 i 3 2 umieszczone sĢ

na wsplnym wale 5 osadzonym w þoŇyskach,

ktrych gniazda sĢ integralnĢ czħĻciĢ obudowy 7.

Rys. 6. Zdjħcia silnika: a) zdjħcie caþego sil-

nika; b)c )zdjħcia wirnikw; : a) zdjħcie stojana

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 77/2007

165

4. Badania eksperymentalne i symula-

cyjne silnika tarczowego

Badania eksperymentalne modelu silnika prze-

prowadzono w reŇimie generatorowej jego

pracy. W wyniku tych badaı otrzymano nastħ-

pujĢce przebiegi napiħę fazowych (rys. 7a),

oraz miħdzyfazowych (rys. 7b), indukowanych

przy prħdkoĻci obrotowej n=300 obr/min na

biegu jaþowym. Otrzymane w wyniku pomia-

rw przebiegi indukowanych napiħę fazowych

i miħdzyfazowe sĢ symetryczne o ksztaþcie zbli-

Ňonym do sinusoidy. Otrzymano z pomiaru

oscyloskopem typu ESCORT 320.

W wyniku dokonanych pomiarw wyznaczono

nastħpujĢce parametry silnika tarczowego bez-

rdzeniowego z magnesami trwaþymi, ktre ze-

stawiono w tabeli 1.

Tabela 1.

Parametry silnika tarczowego z magnesami

trwaþymi

Dane znamionowe sil-

nika

moment znamionowy M n =1 [Nm]

prħdkoĻę znamionowa n n =1000 [obr/min]

moc znamionowa

P n =104,7 [W]

promieı zewnħtrzny

r e =68 [mm]

promieı wewnħtrzny

r i =38 [mm]

promieı Ļredni

r av =53 [mm]

liczba par biegunw

p =6

rezystancja fazy

R f =27,2 [W]

indukcyjnoĻę fazy

L f =3 [mH]

Rys. 7. Wyniki pomiarw eksperymentalnych

indukowanych napiħę przy prħdkoĻci

n=300 obr/min: a) fazowe; b) miħdzyfazowe

Na rys. 8 przedstawiono zmierzone przebiegi

napiħcia fazowego w funkcji obrotw silnika

tarczowego pokazanego na rys. 6. Otrzymany

w wyniku badaı przebieg napiħę fazowych

w funkcji prħdkoĻci obrotowej silnika wykazuje

liniowa zaleŇnoĻę przy pracy generatorowej, co

charakteryzuje silniki bezrdzeniowe z magne-

sami trwaþymi.

Przedstawiona na rys. 6 konstrukcja silnika tar-

czowego staþa siħ podstawĢ do stworzenia mo-

delu do obliczeı numerycznych opartych o me-

todħ elementw skoıczonych w programie

FLUX 3D. Ze wzglħdu na symetriħ ukþadu oraz

w celu zwiħkszenia dokþadnoĻci obliczeı

(zwiħkszonĢ iloĻę elementw siatki), badania

przeprowadzono na wycinku o dwch podziaþ-

kach biegunowych t S i kĢcie rozwarcia rwnym

60 (1/6 modelu).

Model numeryczny silnika tarczowego z ma-

gnesami trwaþymi pokazany na rys. 9. przed-

stawia rozkþad moduþu indukcji pola magne-

tycznego w jarzmach ferromagnetycznych 1

i magnesach trwaþych 2.

B[T]

U L [V]

Rys. 9. Rozkþad indukcji pola magnetycznego w

modelu numerycznym bezrdzeniowego silnika

tarczowego z magnesami trwaþymi

MoŇna na nim zauwaŇyę, Ňe indukcja w jarzmie

ferromagnetycznym osiĢga znaczĢce wartoĻci.

Na rys.10 przedstawiony jest rozkþad skþadowej

uŇytecznej Bz indukcji magnetycznej, wyzna-

n [obr/min]

Rys. 8. Wyniki pomiarw eksperymentalnych

napiħę fazowych w funkcji prħdkoĻci obrotowej

badanego bezrdzeniowego silnika tarczowego

z magnesami trwaþymi

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: