Járműhajtásra alkalmazott permanens mágneses szinkron motorok néhány fejlesztési és irányítási kérdése Helyszín, dátum

Előadó dr Szénásy István Járműhajtásra alkalmazott permanens mágneses szinkron motorok néhány fejlesztési és irányítási kérdése

Változtatható fordulatszámú, önvezérelt szinkronmotor megjelent mozdonyban : 1980 robot- és ipari szervohajtásban: 1992 autóban: 1997 A kifejlesztett forgórész-elrendezések és mágneskörök széles kutatási területet ölelnek fel. A forgórészben lévő mágnesek erővonalai a villamos gép főfluxusát jelentik, de a található sok alaki változat a kiterjedt irodalom ellenére is számos további kutatási feladatot kínál.

A használatos főbb mágnes elrendezések és –alakok:

A mágneses tengelyek irányai a forgórész-lemeztestben: A mágneses ellenállások irány- és hely szerinti tudatos választása jelentős hatású nyomatéknövelést, illetve méretcsökkenést eredményez, és amelynek szélesebbkörű keresése vállalható feladat. Az előbbiekből elért reluktancia-nyomaték egyes motorokban már 50% feletti hozzájárulású. A mágneses tengelyek irányai a forgórész-lemeztestben: A hidak feladata a mágnes és környéke tömegének mechanikai tartása

A reluktancianyomaték a d- és q irányú induktivitás-különbséggel arányos:

Jelentős mechanikai problémákat okoz a 10-13 ezer/p fordulatszámon fellépő igénybevétel és mérséklése a mágnessel határolt szakasz kiszakadása ellen A híd feszültségviszonyai 5683/ fordulatszámon: A híd terhelése kritikus:

A sebesség kiterjesztése konstans feszültségen A feszültség a névleges sebességig arányos, e felett a nyomatékcsökkenés a P=állandó hiperbola szerinti, vagy ahhoz közelítő. A sebesség kiterjesztése változatlan kapocsfeszültség mellett csak mezőgyengítéssel lehetséges, amely a már említett reluktancia-nyomaték érvényesítéséhez is szükséges áramvektorszabályozással realizálható

a kis-, a névleges- és a nagy sebességű üzem áramvektoraival A sebesség növekedésével a feszültségvektor eléri megengedett értékét. Felette – mert a mágnes fluxusa állandó- a „-d” irányú áramvektorral csökkentjük a túlnövekedett belső feszültség hatását: A önvezérelt szinkron gép áramvektor- szabályozása mező- gyengítésben. Teljes vektorábra a feszültségösszetevőkkel:

Mágnes elrendezés és alak alkalmasság vizsgálatai, fejlesztések Axiális fekvésű, és alatta normál lemezelésű, 3 és 4 mágnes-rétegezésű forgórészek: Részlet egy US Patent szabadalmi leírásából:

Az egyes rotorkeresztmetszet-fajtáknál elérhető mezőgyengítési lehetőség: az 5b-változat szerinti alakú mágneskör a legjobb, a többiek a névleges állapotban kisebb nyomatékot engednek meg Az ábra (jobb o.) tovább szűkiti a legjobbaknak tartható lemezalakok körét: a legkisebb vasveszteséget az 5b változat adja, a 2 Axlam-é kifejezetten megnő a nagyfeszültségű-nagysebességű tartományban.

A táblázat meggyőzően mutatja az egyes lemezalakokkal elérhető legnagyobb értékű sebességet, 1500/m névlegesről a 3-szoros vagy akár 5-szörös értékig. A legjobb a 4 gátas 5b, ennél az 5x sebesség is csak 20% teljesítmény-csökkenést hoz, sőt, a 3x-nál kissé még nőtt is.

A rotor-konstrukció egyes részleteinek hatása a mezőgyengítés lehetőségeire: a csökkenő mágnesszélesség előnyösebb: a csökkenő mágnesvastagság előnyösebb

Az egyes cégek által kifejlesztett állandó-mágneses szinkron motorok magas elméleti-tervezési színvonala és gyártási technológiája alkalmazástechnikai fejlesztésre ösztönöz: A REMY.Co. szinkron motorjának külső képe és különleges gyártástechnológiát igénylő állórész-tekercselése

A Toyota hibrid LS600-as állórésze és tekercselése A hatásfok-jellegmező az LS-600 szinkron motorban:

Egy mezőgyengítés vezérlésére, és az áramvektor-szabályozásra is alkalmas mikroprocesszoros irányítás struktúrája:

A motor hűtése a sebességváltó olajkörében történik A motor hűtése a sebességváltó olajkörében történik. A mágnes Br indukciója hőfokfüggő, melegedésével nyomatékcsökkenés jön létre. A rotormelegedés hőátvitelének mértéke a mágnesekre (Prius):

A lüktető nyomaték a fogpulzációból származik:

A kisteherautóba tervezett szinkronmotor (M=250Nm, n=3000/p) induktanciái, tömege, veszteségei és névlegesponti hatásfoka:

A tervezésnél figyelembevett főbb szempontok: mérsékelt indukció a vasveszteség csökkentésére, lehető nagy légrés, az elérhető minimális lüktető nyomaték, a mágnes geometriával és légréssel változtatva, 95 % körüli hatásfok, kis réz- és vasveszteséggel, lehetőség szerinti kis gépméret és tömeg, kész állórészlemez felhasználhatósága, költségcsökkentés miatt (48 hornyos volt elérhető, 60-as nem), nagy rézkeresztmetszet befektethetősége, az állórészhorony térfogatának maximalizálása, színuszoshoz közeli állórész indukció-eloszlás elérése, egyszerű, szimmetrikus tekercselhetőség.

A korszerű szimulációs programmal végzett kutatások Az INFOLYTICA programcsomagjának megérkezése és tanulmányozása után megkezdtük a permanens mágneses szinkron motorok tervezési és szimulációs vizsgálati lehetőségeinek alkalmazását a villamos hajtású kisteherautó 2 db 30 kW-os névleges teljesítményű, palástra fektetett mágnesekkel ellátott szinkron motorjaira. A lehetséges vizsgálati és analizálási módszerek egy részét alkalmazva, számos megfigyelésre és értékes következtetésre juthattunk. Lehetőség nyílt a mágneskörök fluxusviszonyainak tanulmányozásra, az első ábrasorozat ezzel foglalkozik, majd a motor szinte minden működési üzemállapotának szimulált előidézésére, és a felkínált elemzési lehetőségek ábrákba foglalására. Így a teherautó névleges- és a nagyobb sebességű motoros -, továbbá a generátoros féküzemi tartományaiba is beleláthattunk, amelyek a névleges feletti sebességeken csak mezőgyengítéssel érhetők el és állíthatók be, s ezen a motortípuson összességében igen kedvező műszaki és energetikai jellemzőkkel és eredményekkel, amelyek az épülő motor jó tulajdonságait vetítik előre.

Névleges áramhoz tartozó indukcióértékek láthatók, amelyek a következő ábrákon az áramvektor 10 fokonkénti előbbre forgatásával változnak, itt 0 fok a beállítás. 22

Névleges áramhoz tartozó indukcióértékek láthatók, amelyek az áramvektor 10 fokonkénti előbbre forgatásával változnak, itt 10 fok a beállítás.

Névleges áramhoz tartozó indukcióértékek láthatók, az áramvektor 10 fokonkénti előbbre forgatásával változnak, itt 20 fok a beállítás.

Névleges áramhoz tartozó indukcióértékek láthatók, az áramvektor 10 fokonkénti előbbre forgatásával változnak, itt 30 fok a beállítás.

Névleges áramhoz tartozó indukcióértékek láthatók, az áramvektor 10 fokonkénti előbbre forgatásával változnak, itt 40 fok a beállítás.

Névleges áramhoz tartozó indukcióértékek láthatók, az áramvektor 10 fokonkénti előbbre forgatásával változnak, itt 50 fok a beállítás.

Névleges áramhoz tartozó indukcióértékek láthatók, az áramvektor 10 fokonkénti előbbre forgatásával változnak, itt 60 fok a beállítás.

Névleges áramhoz tartozó indukcióértékek láthatók, az áramvektor 10 fokonkénti előbbre forgatásával változnak, itt 70 fok a beállítás.

Névleges áramhoz tartozó indukcióértékek láthatók, az áramvektor 10 fokonkénti előbbre forgatásával változnak, itt 80 fok a beállítás.

Névleges áramhoz tartozó indukcióértékek láthatók, az áramvektor 10 fokonkénti előbbre forgatásával változnak, itt 90 fok a beállítás. A már 90 fokra előre fordított áramvektor a 0 fokos esethez viszonyítva jelentősen kisebb indukcióértékeket eredményez.

Motorüzemi állapot, névleges sebesség, feszültség, áram, teljesítmény Motorüzemi állapot, névleges sebesség, feszültség, áram, teljesítmény. A hatásfok 93 %.

Kétharmad sebesség, feszültség és teljesítmény, a nyomaték névleges Kétharmad sebesség, feszültség és teljesítmény, a nyomaték névleges. Az áramvektor szöge itt is 30 fok. Mivel az áram változatlan, a veszteség relatíve magasabb.

A kezdődő ábrasoron 100, 200 és 300%-os sebességek eléréséhez szükséges mezőgyengítés hatásai vizsgáltak, változatlan áram- és nyomaték értéknél, de u.azon áramvektor-szöghelyzetnél. Ez egy tipikusan várható résznyomatékot ad (55 Nm), amely gyakran lesz szükséges. A következő két ábrában csak a sebesség, és vele a teljesítmény nőtt.

Ha I=120A és a szög 75 fok, a veszteség esik, de P is, és nő az Mlükt, itt már közel 60%-os ! ( itt már 300% a sebesség)

Három fok vektor visszaforgatás: Mlüktető jelentősen csökkent

A 78 fok beállítás túlzott:

A névleges sebességen (100%) itt kicsi az Mlükt:

A névleges sebességen a legjobb értékű Mlükt:

A kétszeres névleges sebességen a lehető legkisebb Mlükt: ez talán a legjobb mezőgyengítés, még megvan a 30 kW:

Az áram 140 –ről 110A-re, csökkentésével a veszteségek is esnek: a Pveszt 1,35kW-ról 0,96 –ra:

A szög 70-ről 64 fokra csökkentve: az Mlükt csökkent: (200 % a sebesség)

További 4 fok visszavétellel, 60-ra, az U értékét kissé hagytuk növekedni, és ezzel a veszteségek tovább csökkentek 0,86 kW-ra, ami már < 2,8 % !

További 2 fokkal visszavéve, U növekedése miatt (ami már alig tűrhető) Pveszt tovább csökkent:

További 4 fokkal csökkentve az előretartási szöget, és az áramot is 90 A-re, az U 550 V-ra nőne:

200 %-os sebességen ez a legjobb beállítás: 55 fok, és az áram 90 A, M itt a legtöbb, ~80 Nm, Pveszt 0,75 kW, U<500V, és a cos φ közel 1. Nagyon jó motortulajdon -ságok!

Ha az áramot 88A-ról 85-re, a szöget 55 fokról 52-re mérsékeljük, az áram szándékos fluxusrontó hatása mérséklődik, de ezt a vektor visszább fordítása kiegyenlíti: 500 V-on belül ez rendkívül jó eredmény! A Pveszt már csak 0,72 kW, Pout =33 kW mellett!

A szög további csökkentése: U>560, veszt ~0 A szög további csökkentése: U>560, veszt ~0.68 lenne, hatásfok 96 % feletti, de ebben az irányban csak még magasabb U-val lehetne haladni, ami már nem járható:

Féküzem: sebeség névleges, áramcsúcs 130 A, áramvektor szöge -140 fok, az elmélettel pontosan egyezően. A nyomaték -136 Nm, a Pout -27 kW.

A szöget 160 fokra növelve, minden érték javult: U 500 V alá esett, M=170 Nm, Pout 35 kW, Pveszt 1,27 kW-ra csökkent: javult a regeneratív hatásfok, 95 % feletti.

Ha az áramvektor szöge -180 fok, M=-180 Nm, Pout 37 kW, Pveszt 1,2 kW.

Csökkentett féknyomatékot az áramvektor-hossz csökkentésével, itt 70 A –el M=105 Nm-re állítottuk. A szög most is -180 fok, Pout =23 kW, Pveszt =0,48 kW.

A féknyomaték csökkentésekor – itt 47Nm- a nyomatéklüktetés növekszik A féknyomaték csökkentésekor – itt 47Nm- a nyomatéklüktetés növekszik. Egyéb jellemzők itt is nagyon jók.

A nyomatéklüktetés itt kb A nyomatéklüktetés itt kb. +- 16 Nm, mint előbb, de itt relatíve igen nagyra nőtt. Hatása talán az elfogadható értékek közt van. M=-17Nm, Pout kicsi, 3,5 kW, I=10A.

Mint előbb, de I=0 A, nincs féknyomaték, de +- 16 Nm lüktetés igen, ami soknak tűnik, ezt az áramvektor visszaforgatásával lehet csökkenteni.

Itt PWM analízisben láthatók a jellemzők a rotor szögelfordulásának függvényében. A palástra ragasztott mágnesekkel nem állítható elő érdemi reluktancianyomaték.

Féknyomaték beállítása kétszeres sebességen: a fékteljesítmény > 55 kW, de a feszültség is > 600 V, nem megengedhetően sok.

Kétszeres sebesség, de az áram 50A értéke mellett, 240 fokos szögnél 15 kW a fékteljesítmény, 120 Nm-es, durva nyomatéklengésekkel: elkerülendő tartomány!

Itt az áram elég nagy, de szöge -60-os, rossz beállítású, és a feszültség 1200 V-ra nőtt, ami tönkreteheti az invertert. Ez szintén elkerülendő tartomány.

Itt is kétszeres sebesség, 90 fokos szögnél a feszültség csak 300 V, de a lüktetés +- 40 Nm, közel zérus fékteljesítmény mellett. A nagy sebesség kellemetlen féküzem.

Ezen, és a következő ábrán ugyanazon (jó) névleges motorüzem görbéi láthatók, de a számítási-közelítési pontosság 1-es, illetve legfinomabb, 10-es beállításával.

Megfigyelhető, hogy a görbék középértékei ugyanazok, csak a kiugró értékek tűntek el a 10-szeres finomságú beállításnál. Az időráfordítás több, mint 100-szoros, itt 3 óra feletti volt.