Széchenyi István Egyetem Korszerű járműhajtásra alkalmazott állandó mágneses szinkron motorok fejlesztésének és irányításának aktuális problémái Dr. Szénásy István Széchenyi István Egyetem

A motorfejlesztés célkitűzései Dr. Szénásy István

Villamos hajtásrendszer fejlesztése járművek számára A motorfejlesztés célkitűzései Villamos hajtásrendszer fejlesztése járművek számára Cél: motor és szabályzásának fejlesztése tetszőleges járműbe, helyre, megfelelő hajtási-, fékezési és energetikai jellemzőkkel Adott geometriai környezet: elhelyezés és méretek Járműfüggő teljesítmény-, nyomaték- és fordulatszám viszonyok Nyomaték és hatásfok maximalizálás Méret és tömeg minimalizálás Alapkonstrukció megválasztása előtanulmányok alapján: Állandó mágneses szinkron motor; színuszos táplálás; számítógépes motorirányítás

Motorfejlesztés elméleti háttere Előadó

A villamos gép megválasztása Motorfejlesztés elméleti háttere A villamos gép megválasztása A szinuszos alakú árammal táplált, állandó mágneses szinkron motor a legnagyobb teljesítménysűrűségű villamos gép, akár cos φ=1-el. Járműhajtásra (nagy indítónyomaték, tetszőleges fordulatszám) akkor alkalmas, ha - az állórész-áramok Park-vektorát a nyomatékszög értékének figyelembevételével a rotor d-tengely aktuális szöghelyzetéhez tudjuk illeszteni , illetve - 90 foktól eltérés igénye esetén zárt szabályozási körben tudjuk kezelni az áramvektor d és q irányú összetevőit, így az áramvektor hosszát és szögét.

A használatos mágnes elrendezések és –alakok: Motorfejlesztés elméleti háttere A használatos mágnes elrendezések és –alakok: Palástra ragasztott hasáb, ívelt, körszelet mágnesek Beágyazott hasáb mágnesek Előnyök és hátrányok a járműhajtás igényei szempontjából: A technológiailag egyszerűbb, palástra ragasztott építésűek Ld=Lq aránya nem ad nyomaték-többletet, de igen jó anyag- kihasználásúak

A használatos álló-, és forgórész elrendezések Motorfejlesztés elméleti háttere A használatos álló-, és forgórész elrendezések külső forgórész: gépészeti problémák belső forgórész: sebesség-korlát A használatos tekercselések: több szállal, vagy rúddal merev és jól hűthető, drága hegesztés

A mágneses ellenállások irány- és hely szerinti alakítása Motorfejlesztés elméleti háttere A mágneses ellenállások irány- és hely szerinti alakítása nyomatéknövelést eredményezhet az eltérő „d” és „q” irányú induktivitások következtében, kutatása folyamatban lévő feladat A keletkező reluktancia-nyomaték egyes motorokban már 50% feletti hozzájárulású. A mágneses tengelyek „d” és „q” irányai egy forgórész-lemeztestben: A hidak feladata a mágnes és környéke tömegének mechanikai tartása

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

A fejlesztés legfontosabb alapjellemzői Motorfejlesztés elméleti háttere A fejlesztés legfontosabb alapjellemzői A gép adottságait meghatározza: konstrukciója, irányítási-vezérlési módja. A csak 90 fokos áramvektor kivezérlésű inverter fejlesztése, kezelése egyszerűbb, míg az áramvektor forgatásra alkalmas inverter- és szabályozó az oda-vissza transzformációkkal együtt bonyolultabb, de előnyei jelentősek. A sebességtartomány kiterjesztése és a legnagyobb hatásfokú munkatartomány elérése áramvektor-forgatást igényel. A nyomatéklüktetés csökkentése újabb követelményeket jelent. Fejlesztjük az Ld<Lq arányt biztosító mágneskörű motort is.

A mezőgyengítés Ub=4.44*f*N*Φ*ξ Motorfejlesztés elméleti háttere A mezőgyengítés Nagy nyomatékú gép feszültség-konstansa is nagy – már a sebességtartomány 1/3-án elérheti a tápfeszültséget (Umax). A belső feszültség: Ub=4.44*f*N*Φ*ξ

Az önvezérelt szinkrongép áramvektor-szabályozása mezőgyengítésben Motorfejlesztés elméleti háttere Az önvezérelt szinkrongép áramvektor-szabályozása mezőgyengítésben A sebesség növekedésével a feszültségvektor eléri megengedett értékét. Felette a „-d” irányú komponenssel elnyomjuk, csökkentjük a túlnövekedett belső feszültség hatását:

A szinkron motor fejlesztési folyamata Dr. Szénásy István

Szinkron motor fejlesztési folyamata A szinkronmotor fejlesztésnél figyelembe vett elsődleges szempontok haszonjárműben történő alkalmazáshoz egyszerűbb áramszabályozásra alkalmasság - többletnyomaték, és mezőgyengítési lehetőség nélkül mérsékelt indukció a vasveszteség csökkentésére nagy légrés a szórási reaktancia növelésére és a gépészeti problémák csökkentésére az elérhető legkisebb lüktető nyomaték, 92-95 % körüli hatásfok, kis réz- és vasveszteséggel, 6. aszinkronmotor állórészlemez felhasználhatósága, költségcsökkentés céljából 7. színuszoshoz közeli indukció-eloszlás elérése, 8. egyszerű, szimmetrikus tekercselhetőség, megbízható gyárthatóság A fejlesztés problémája: több szempont ellentmond egymásnak

Szinkron motor fejlesztési folyamata A motor paraméterei a feladat szimulációjával megalapozottak Energetikai szimulációk egy, a hibrid busz (Budai vár) feladatra - itt mezőgyengíthető, nagy fordulatszám-tartományú motort feltételezve a Széll K. tér – végállomás a várban - Széll K. térre vissza útvonalon 1,76 kWh fogyasztás az indulás és érkezés között. A legtöbb fogyasztás a tárolóból 3 kWh, de a visszaérkezés lejtőjén 1.3 kWh-t visszatölt. Tároló nélkül: 6 kWh (!) a fogyasztás

Haszonjárműbe tervezett szinkronmotor előfejlesztése Szinkron motor fejlesztési folyamata Haszonjárműbe tervezett szinkronmotor előfejlesztése M=250Nm, n=1500/p induktanciái, tömege, veszteségei, névleges munkaponti hatásfoka: Fejlesztés: Emerton-szoftverrel

A motor-próbapad fejlesztése: DC vontatómotorral, mint fékgéppel Szinkron motor fejlesztési folyamata A motor-próbapad fejlesztése: DC vontatómotorral, mint fékgéppel

Szinkron motor fejlesztési folyamata Motorfejlesztés Infolytica programmal: egész horonyszámú motor: lüktet, 8%

Szinkron motor fejlesztési folyamata Féküzem 200% sebességen, mezőgyengített motorban. A lüktetés erős , 16%, nem lenne alkalmas áramvektor-forgatásos mezőgyengítésre (előző motor)

Motor hűtés szimuláció Szinkron motor fejlesztési folyamata Motor hűtés szimuláció PMS motor külső köpenyes hűtés szimuláció Hűtőfolyadék be és kivezetés optimalizáció Új hűtési módszerek felvetése Belső léghűtés szimuláció A Virtuális prototipizálás alprojekttel való együttműködés eredménye - vezető: Dr. Veress Árpád

A motor fejlesztése: prototípus gyártás Szinkron motor fejlesztési folyamata A motor fejlesztése: prototípus gyártás A motorfejlesztés része: gépészeti- és rendszertervezés, itt: a nyomatéklüktetés elhangolása a kapcsolatnál

A motorfejlesztés eredményei Dr. Szénásy István

Járműbe építhető háromfázisú állandó mágneses szinkron motorok A motorfejlesztés eredményei Járműbe építhető háromfázisú állandó mágneses szinkron motorok 2 db belső forgórészes, surface-mounted típusú, vízhűtéses PM szinkron motor P= 30 kW M=250 Nm m=54,5 kg (teljes tömeg)

A fejlesztett motorok tesztelése próbapadon A motorfejlesztés eredményei A fejlesztett motorok tesztelése próbapadon Ide kell egy kép a motor a troli padon és egy diagram

A fejlesztett motorok tesztelése haszonjárműben A motorfejlesztés eredményei A fejlesztett motorok tesztelése haszonjárműben

A motorfejlesztés eredményei Nem kívánt eredmények: lüktetőnyomaték, nyomatéklengések, mágneses eredetű rezgések, elektromágneses zavaró hullámok Az árammentes állapotban fellépő lüktetőnyomaték függvénye az alábbiaknak: - légrés, - légrésindukció, - mágnes ívhossz, - egész- vagy tört horonyszámú- e a gép, utóbbi esetén ennek változataitól, - fogszélesség, - horony-nyílás geometria, vastagsági átmenetek jellege – azaz a mágneses ellenállást befolyásoló paraméterek Radiális és tangenciális erők a fluxusváltozásokból: a radiálisak hangrezgést gerjesztenek

A motorfejlesztés eredményei A nyomatéklengések mértéke az áramtól és a nyomatékszögtől is függ: Csökkentheti a mezőgyengítés alkalmazhatóságát mélyfekvésű mágnesnél is. A Toyota Prius motor-modell szimuláció: a nyomatéklengések 48 fokos előreforgatásnál, névleges áramnál már 25 % felettiek: (Normál tekercseléssel. Speciális tekercs-kapcsolásukkal a lengések kisebbek.)

A motorfejlesztés eredményei Megoldási lehetőségek a mezőgyengítés alatti nyomaték-lüktetések csökkentésére: - kívülről elnyomni az állandó mágnesek fluxusát – az ORNL (Ohio, US) laboratórium egyenáramú ellengerjesztő rendszert fejlesztett ki, bonyolult mágneskörrel (szabadalommal védett) Egyes kutatók kettős állórésztekercset használnak, és egyikben menetszám-csökkentéssel csökkentik az indukált feszültséget Horonyferdítés: nagy gyártási többletköltségek A gépészetileg sorba kötött motorok elforgatása egymáshoz képest a lüktetés fél fázisszögével Tört-horonyszámú gépet érdemes fejleszteni, és a legjobb tört-variáns finomításait alkalmazni. (Igaz, a tekercselési tényező 5-7 %-ot is csökken.) A tört-horonyszámú motorfejlesztések szimulációinál nagyon jó eredmény született, bármely motoros és féküzemi állapotban elegendően sima a nyomaték

Tört-horonyszámú gép fejlesztés és szimuláció eredményei A motorfejlesztés eredményei Tört-horonyszámú gép fejlesztés és szimuláció eredményei Feladat: Mmax=2600 Nm, Mnévl=1000 Nm, nmax= 2500 /p, U = 500 V , Imax = 320 A Eredmény: D = 514 mm d = 360 mm L = 120 mm tömeg 100kg

Törthoronyszámú gép szimuláció eredményei Adatok névleges üzemben A motorfejlesztés eredményei Törthoronyszámú gép szimuláció eredményei Adatok névleges üzemben

Törthoronyszámú gép szimuláció eredményei A motorfejlesztés eredményei Törthoronyszámú gép szimuláció eredményei A legjobb hatásfokú munkapont elérése áramvektorforgatást igényelt: n =1000/p, M=698 Nm, Id=-Iq=-240 A, P= 73,1 kW, vektorszög 45o, Urms= 102 V, η = 98,5%, cosφ= 0,997

Előjeles indukcióeloszlás (névleges áram; vektor-elforgatás: 0 fok) A motorfejlesztés eredményei Előjeles indukcióeloszlás (névleges áram; vektor-elforgatás: 0 fok)

A mezőgyengítésre alkalmas áramvektor-szabályozás hatásvázlata A motorfejlesztés eredményei A mezőgyengítésre alkalmas áramvektor-szabályozás hatásvázlata

A bonyolult és drága elektro-hibrid sebességváltók helyett A motorfejlesztés eredményei Fejlesztési javaslat áttétel-változtatás nélküli hajtás: a bemutatott nagy nyomaték, és nagy sebesség-tartományú PMSM motorral, 1000/p felett mezőgyengítéssel D =514 d =360 L =120 m =100kg Mmax=2600 Nm Mnévl=1000 Nm nmax =2500/p U =500 V Imax =320 A 416 kg A bonyolult és drága elektro-hibrid sebességváltók helyett

A motorfejlesztés eredményei Szinkron motorjaink: haszonjármű, üzemel: 230Nm; robogó, épül: 40 Nm; kerékpár: 10 Nm; kisbusz és vasúti üzemre, tervezés alatt: max 2600 Nm

Alkalmazási lehetőségek: A motorfejlesztés eredményei Alkalmazási lehetőségek: Városi hibrid autóbusz Villamos hajtású robogó Villamos hajtású alternatív járművek

Egyéb alkalmazási lehetőség A motorfejlesztés eredményei Egyéb alkalmazási lehetőség A Millenniumi Földalatti Vasút lehetséges hajtásfejlesztése: energiatároló rendszerrel és (az előzőnél kisebb) PMSM motorokkal. A rövid megállótávok miatt 35-40 %-os fogyasztás-, továbbá 3-4 Co hőmérsékletcsökkenés várható.