Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Number: 014 16 PM generátory s různým počtem pólů a typem vinutí pro použití v manipulační technice PM Generators with Different Number of Poles an Wining Types for Use in Lift Trucks Jan Höll, Libor Wila jan.holl@juli.cz, libor.wila@juli.cz JULI Motorenwerk s.r.o Abstrakt: Synchronní generátory buzené PM na rotoru slouží v některých vozících se spalovacím motorem k výrobě elektrické energie pro trakční motory. Cílem tohoto článku je porovnat vlastnosti synchronních generátorů s PM s rozloženým a soustřeěným vinutím v závislosti na počtů pólů aného stroje. Abstract: PM excite synchronous generators are use in some lift trucks with the combustion engine for generating electric energy for the traction motors. Aim of this paper is to compare properties of the PM excite synchronous generators with istribute an fractional-slot concentrate wining in epenence on number of poles of the given generator.
VOL.16, NO., APRIL 014 PM generátory s různým počtem pólů a typem vinutí pro použití v manipulační technice Jan Höll, Libor Wila JULI Motorenwerk s.r.o Email: jan.holl@juli.cz, libor.wila@juli.cz Abstrakt Synchronní generátory buzené PM na rotoru slouží v některých vozících se spalovacím motorem k výrobě elektrické energie pro trakční motory. Cílem tohoto článku je porovnat vlastnosti synchronních generátorů s PM s rozloženým a soustřeěným vinutím v závislosti na počtů pólů aného stroje. 1 Úvo Synchronní generátory buzené permanentními magnety se v manipulační technice používají v některých vozících se spalovacím motorem k výrobě elektrické energie, zejména pro elektrické pohony pojezu. Spalovací motor, jehož typické pracovní otáčky jsou 400 min -1, je přímo spojen se synchronním generátorem, na jehož výstupní svorky je připojen přes neřízený 6pulsní usměrňovač frekvenční měnič, kterým jsou napájeny trakční motory. V současné obě se jako generátory nejčastěji používají synchronní stroje buzené PM na vnitřním rotoru (SGPM) s rozloženým vinutím. Tyto stroje se vyznačují vysokou účinností a vysokou hustotou momentu [1, ]. Nevýhoou SGPM zatěžovaných přes neřízený usměrňovač je nemožnost regulovat výstupní napětí generátoru, které je závislé nejen na okamžitém výkonu generátoru, ale i na aktuální pracovní teplotě stroje. Další nevýhoou tohoto proveení SGPM je íky použití rozloženého vinutí velká axiální élka stroje, která může znemožnit použití těchto strojů vzhleem k omezenému vnitřnímu prostoru vysokozvižných vozíků. Jako možné řešení se jeví použití více pólových SGPM se soustřeěným vinutím, které se vyznačují výrazně kratší élkou čel vinutí a tey i menší celkovou axiální élkou stroje. Cílem tohoto článku je porovnat vlastnosti SGPM s rozloženým a soustřeěným vinutím v závislosti na počtu pólů stroje. Synchronní generátory buzené PM Pro porovnání vlivu počtu pólů a typu vinutí na parametry generátoru byl vybrán současně sériově vyráběný 1pólový generátor se jmenovitým výkonem 0 kw. Jená se o generátor v klasickém uspořáání s vnitřním rotorem, ke magnety jsou nalepeny přímo na vnějším povrchu rotoru. Záklaní parametry tohoto generátoru jsou uveeny v tabulce 1. Řez generátorem je uveen na obrázku 1. Pro porovnání byly navrženy čtyři alší generátory, tři s vouvrstvým soustřeěným vinutím a různým počtem pólů (16, 0 a pólů) a jeen 6pólový s vouvrstvým rozloženým vinutím. Tabulka 1: Parametry 0kW generátoru Vnější průměr statoru (mm) 80 Vrtání statoru (mm) 00 Počet rážek statoru 36 Počet pólů 1 Délka svazku (mm) 100 Jakost plechů Magnety Typ vinutí M800 50A N--B jenovrstvé, rozložené Jmenovitý výkon (kw) 0 Jmenovité napětí (V) Y 3 x 400 Jmenovité otáčky (min -1 ) 400 Obrázek 1: Řez synchronním generátorem s PM Při návrhu byly zachovány některé parametry generátoru. Všechny generátory byly navrženy na stejné pracovní otáčky i s přibližně stejným výstupním napětím. Z mechanických parametrů zůstaly zachovány stejný vnější průměr statoru, stejná élka svazku a vzuchová mezera. U všech generátorů byla zachována stejná jakost plechů, typ magnetů i výška magnetů ve směru magnetizace. Magnety byly vžy nalepeny na povrchu rotoru. U všech generátorů byly všechny cívky jenotlivých fází zapojeny o série a fáze spojeny o hvězy. Přehle parametrů, které zůstaly stejné pro všechny generátory, je uveen v tabulce. 100
VOL.16, NO., APRIL 014 Tabulka : Společné parametry generátorů s PM Vnější průměr statoru (mm) 80 Délka svazku (mm) 100 Vzuchová mezera (mm) 1,5 Jakost plechů Magnety M800 50A N--B Výška magnetu (mm) 4,3 Zapojení vinutí sériové, hvěza Generátory se lišily zejména v počtu pólů a typu statorového vinutí. Počtu pólů byly přizpůsobeny rozměry magnetického obvou a počet závitů motoru. Přehle navržených generátorů i s jejich záklaními parametry je uveen v tabulce 3. Generátory se soustřeěným vinutím se vyznačují kratší élkou čel vinutí, íky které je možné snížit celkovou axiální élku stroje (v tabulce 3 označeno jako axiální élka motoru ). Přípaně je možné zvětšit axiální élku svazku při zachování stejné axiální élky stroje. Tabulka 3: Přehle navržených generátorů s PM 36/6 36/1 18/16 4/0 4/ Typ vinutí rozložené soustřeěné Počet rážek 36 36 18 4 4 Počet pólů 6 1 16 0 Počet vrstev vinutí Vrtání statoru (mm) Axiální élka motoru (mm) Počet závitů v sérii 1 184 00 04 08 08 5 05 150 145 145 96 90 90 88 88 Činitel vinutí 0,933 1,000 0,945 0,933 0,950 Šířka magnetu (mm) 69,5 34,0 9,5 4,0,0 Z ůvoů ověření vlastností SGPM se soustřeěným vinutím, bylo navrženo několik generátorů s různým počtem pólů i systémem vinutí (6 rážek/5 pólů, 9/8, 1/11) [7]. SGPM se soustřeěným vinutím byly vžy navrženy s vouvrstvým vinutím. Výhoy vouvrstvého soustřeěného vinutí oproti vinutí jenovrstvému jsou porobněji popsány v [1], pro použití v generátorech se jako nejůležitější výhoa vouvrstvého vinutí jeví nižší inukčnost v poélné i příčné ose. 3 Výkon synchronních generátorů Vnitřní (elektromagnetický) výkon synchronních strojů je án součinem vnitřního momentu stroje a úhlové rychlosti. P = ω (1) el M i m Vnitřní moment synchronního stroje pro obecný synchronní stroj lze vypočítat pole [3] pomocí vztahu 3 UU if U 1 1 M i = sin δ + sin δ, () ω m q ke U... fázové napětí, U if... fázové inukované napětí,... reaktance v poélné ose, q... reaktance v poélné ose, δ... zátěžný úhel. Z této rovnice vyplývá, že vnitřní moment synchronního stroje se skláá ze vou složek. První složka, která je závislá na sinδ a se označuje jako synchronní moment, ruhá složka, která je závislá na sinδ, se označuje jako reluktanční moment. Reluktanční moment je závislý na rozílu mezi inukčnostmi (reaktancemi) v příčné a poélné ose. Při umístění magnetů na povrchu rotoru se inukčnosti v příčné a poélné ose sobě rovnají, a proto je reluktanční moment nulový. Velikost vnitřního momentu je ána pouze složkou synchronního momentu, která je přímo úměrná velikosti fázového napětí, inukovaného fázového napětí a sinu zátěžného úhlu a nepřímo úměrná reaktanci v poélné ose. Reaktance v poélné ose je le [] ána vztahem a + σ =, (3) ke magnetizační reaktance a se vypočítá le a = ( N k ) τ l S w p 4 mµ 0 f k f, (4) πp δ ke m... počet fází, f... frekvence, N s... počet závitů v sérii, k w... činitel vinutí, τ p... pólová rozteč, l... élka železa, p... počet pólových vojic, δ... ekvivalentní vz. mezera v poélné ose, k f... korekční činitel reaktance v -ose a rozptylová reaktance σ se le [] vypočítá N S l le = σ 4π fµ 0 λ1 s + λ1 e + λ1 + λ t pq, (5) l 1 ke q... počet rážek na pól a fázi, l e... élka čel vinutí, λ 1s... jenotková voivost rážky, λ 1e... jenotková voivost prostoru čel vinutí, λ 1s... jenotková voivost iferenčního rozptylu, λ 1s... jenotková voivost kolem hlav zubů. Všechny generátory byly navrženy na stejné napětí, a proto lze pro zjenoušení přepokláat, že fázové i inukované napětí buou u všech generátorů přibližně stejné. Poku se zanebají malé rozíly velikosti zátěžného úhlu pro různé stroje a jako konstantní se bue uvažovat i honota zátěžného úhlu, je vnitřní moment synchronního stroje 101
VOL.16, NO., APRIL 014 nepřímo úměrně závislý pouze na velikosti reaktance v poélné ose. P el 1 k (6) V rovnicích (4) a (5) jsou některé parametry konstantní pro všechny generátory (počet fází, élka svazku) nebo honoty některých parametrů jsou téměř shoné (ekvivalentní vzuchová mezera, činitel vinutí, počet závitů v sérii). Naopak počet pólových vojic, frekvence a pólová rozteč už jsou parametry silně závislé na konkrétním proveení generátoru. 4 Porovnání vypočtených parametrů Pro všechny generátory byly analytickou i numerickou metoou vypočteny inukčnosti v příčné a poélné ose. Analytické výsleky jsou vypočteny pomocí programu SPEED, který vychází z rovnic (3) až (5). Numerické výsleky jsou získány z programu FLU D. Přehle vypočtených honot inukčností a reaktancí pro n = 400 min -1 je uveen v tabulce 4. Tabulka 4: Vypočtené inukčnosti jenotlivých generátorů Obrázek : Zatěžovací charakteristiky generátorů při n = 400 min -1 Z tabulky je zřejmé, že rozíly vypočtených reaktancí vůči referenčnímu 1pólovému generátoru velmi obře koresponují s vypočtenými honotami maximálního osažitelného výkonu jenotlivých generátorů. Je nutné brát v úvahu nepřímou úměru mezi rozílem v honotách vypočtených reaktancí a rozílem ve vypočteném maximálním osažitelném výkonu. Rozložení magnetické inukce tohoto generátoru při maximálním výkonu je uveen na obrázku 3. Analytický výpočet Numerický výpočet Tabulka 5: Přehle navržených generátorů s PM L L q L L q (mh) (mh) (Ω) (mh) (mh) (Ω) 36/6 4,51 4,46 3,40 4,1 3,95 3,18 36/1 1,81 1,79,7 1,81 1,81,73 18/16 1,9 1,91 3,85,05 1,84 4,13 4/0 1,1 1,0 3,03 1,33 1,33 3,33 4/ 1,5 1,4 3,45 1,39 1,38 3,84 Analyticky a numericky vypočtené výsleky se o sebe výrazně neliší, maximální rozíly osahují asi 10 %, což pro výpočet inukčností lze považovat za ostatečnou přesnost. Nejmenší reaktanci vykazuje 1pólový generátor s rozloženým vinutím, a proto by i tento generátor měl pole rovnice (6) osahovat nejvyšší honoty maximálního osažitelného výkonu. Ze strojů se soustřeěným vinutím vykazuje nejnižší reaktanci v poélné ose 0pólový generátor Pro všechny generátory byly vypočteny zatěžovací charakteristiky při otáčkách n = 400 min -1. Generátory byly zatěžovány přes neřízený usměrňovač o oporové zátěže. Oporová zátěž je zvolena z ůvou nejjenouššího nastavení moelu, nicméně typ zátěže připojený k neřízenému usměrňovači má jen minimální vliv na velikost maximálního osažitelného výkonu generátoru [4, 5]. Vyhonocován byl elektrický výkon, který generátor oává o zátěže. Průběh všech zatěžovacích charakteristik je vynesen na obrázku. Nejvyššího výkonu osahuje 1pólový generátor s rozloženým vinutím. Ostatní generátory osahují výrazně menšího maximálního výkonu. Z generátorů se soustřeěným vinutím osahuje nejvyššího výkonu 0pólový stroj. Porovnání výsleků vypočtených v programu FLU je uveeno v tabulce 5. 36/6 36/1 18/16 4/0 4/,anal (Ω) 3,40,7 3,85 3,03 3,45,num (Ω) 3,18,73 4,13 3,33 3,84 Max. výkon (kw) 5,38 3,73 3,15 6,38 4,06 Rozíl výkonů (%) -,5 0,0-9,3-19,4-6,5 Rozíl reaktancí numericky (%) Rozíl reaktancí analyticky (%) 16,5 0,0 51,3,0 40,7 5,0 0,0 41,5 11,4 6,8 Obrázek 3: Rozložení magnetické inukce 0pólového SGPM při maximálním výkonu 10
VOL.16, NO., APRIL 014 Na obrázku 4 jsou vyneseny závislosti účinnosti generátoru na elektrickém výkonu. Všechny generátory jsou navrženy s jakostí plechu M800-50A, a proto íky vysoké pracovní frekvenci přestavují ztráty v železe významnou část celkových ztrát generátoru. Obrázek 4: Porovnání účinnosti jenotlivých generátorů Závislost ztrát v železe na počtu pólů generátoru je vynesena na obrázku 5. V grafu jsou vyneseny vě křivky ztrát vypočtených analytickou a numerickou metoou. Rozíl mezi jenotlivými křivkami může být způsoben tím, že numerický moel pro výpočet ztrát v železe je ověřen zejména pro nižší frekvence, u pólového stroje osahuje pracovní frekvence honoty f = 440 Hz. Při numerickém výpočtu jsou ztráty v železe vyhonocovány pomocí Bertottiho rovnice [7]: P = p h B π σ f + 6 B f + 8,67 p 3 e ( Bf ), (7) ke B... magnetická inukce,... tloušťka plechu, p h... koeficient hysterezních ztrát, p e...koeficient vířivých ztrát, σ... elektrická voivost plechů. Celkové ztráty v železe se vypočítají integrací této rovnice v celém objemu. P = P V (8) V Při jmenovitém výkonu 0 kw osahuje nejvyšší účinnosti 1pólový generátor s rozloženým vinutím. Použitím lepší jakosti plechů by se zvýšila účinnost všech generátorů zejména více pólových, navíc by se i snížily rozíly v osahované účinnosti mezi jenotlivými generátory. Z tohoto ůvou osahují vyšší účinnosti stroje s nižším počtem pólů. Běžná jakost plechů používaná u strojů s tak vysokou pracovní frekvencí je M330-50A. Z generátorů se soustřeěným vinutím osahuje nejvyšší účinnosti íky nejmenšímu počtu pólů 16pólový generátor s 18 rážkami na statoru. Nevýhoou tohoto generátoru oproti generátoru 0pólovému je o 14 % procent menší maximální osažitelný výkon. Další nevýhoou je menší variabilnost systému s 9 rážkami na 8 pólů oproti systému s 6 rážkami na 5 pólů. Systém s 6 rážkami na 5 pólů lze u rotačních strojů použít pro statory s 1, 4, 36 at. rážek. Systém s 9 rážkami na 8 pólů lze teoreticky použít pro statory s 9, 18, 7, 36 at. rážkami, ale z praktického hleiska se použití statorů s lichým počtem rážek neoporučuje, protože u takovýchto strojů vzniká íky neúplné symetrii statoru parazitní magnetický tah, který magnetickými silami nerovnoměrně zatěžuje rotor a zvyšuje i hlučnost stroje [6]. Další výhoou systému se 6 rážkami na 5 pólů je i možnost zapojit vinutí o více paralelních větví. Tato vlastnost se sice neprojeví u 400 V generátorů, které mají všechny cívky zapojeny o série, ale pro motory používané v manipulační technice, které jsou navrženy na malé napětí (běžně 4 V) je velmi ůležitá. I z tohoto ůvou byl vybrán 0pólový generátor se soustřeěným vinutím jako vhoné řešení pro tuto aplikaci. Díky kratší élce čel vinutí generátoru se soustřeěným vinutím je možné proloužit statorový svazek tak, aby celková axiální élka stroje s rozloženým i soustřeěným vinutím zůstala stejná. Obrázek 6: Porovnání zatěžovacích charakteristik 1- a 0pólového generátoru s různou élkou statoru Obrázek 5: Závislost ztrát v železe na počtu pólů Na obrázku 6 je vyneseno porovnání zatěžovacích charakteristik 1pólového generátoru s rozloženým vinutím a 0pólového generátoru se soustřeěným vinutím pro různé élky statorového svazku. 0pólový generátor s élkou svazku 160 mm vykazuje stejnou celkovou axiální élku jako 1pólový generátor s rozloženým vinutím, přičemž osahuje o 0 % vyššího maximálního výkonu. 0pólový generátor se soustřeěným vinutím, který osahuje přibližně stejného maximálního výkonu jako 1pólový generátor s rozloženým 103
VOL.16, NO., APRIL 014 vinutím, může být přibližně o 35 mm kratší, čímž je možné ušetřit mnoho prostoru uvnitř vozíku. Díky kratší élce čel vinutí je možné tyto stroje navrhnout s elším statorovým svazkem, přičemž bue zachována celková axiální élka stroje, a proto mohou tyto generátory vytvářet vyšší maximální výkon než generátory s rozloženým vinutím při stejném objemu stroje. Díky vyšším pracovním otáčkám generátoru, závisí účinnost generátoru se soustřeěným vinutím výrazně na velikosti ztrát v železe, a proto je nutné navrhovat tyto stroje s lepší jakostí statorových plechů, aby osahovaly srovnatelné účinnosti jako generátory s rozloženým vinutím. Poěkování Obrázek 7: Porovnání účinnosti 1- a 0pólového generátoru s různou élkou statoru Poku se 0pólový generátor se soustřeěným vinutím navrhne s lepší jakostí plechů M330-50A, pak je možné porovnat i účinnosti obou typů generátorů (obrázek 7). 0pólový generátor osahuje opět menší účinnosti při menších výkonech, ale při jmenovitém a vyšším výkonu už osahuje účinnosti vyšší než 1pólový generátor s rozloženým vinutím. I přes použití lepší jakosti plechů ovlivňují ztráty v železe výrazně účinnost generátoru se soustřeěným vinutím. 5 Závěr Byly prověřeny vlastnosti synchronních generátorů s permanentními magnety na rotoru s různým počtem pólů na rotoru i různým typem vinutí na statoru, které jsou zatěžovány přes neřízený usměrňovač. Generátory s rozloženým vinutím mohou osáhnout při stejném objemu magnetického obvou vyššího maximálního výkonu než stroje se soustřeěným vinutím. Maximální výkon, kterého generátory mohou osáhnout, je nepřímo úměrný na reaktanci v poélné ose, a proto s rostoucím počtem pólů roste i maximální osažitelný moment generátorů s rozloženým vinutím. Počet pólů generátoru musí být volen s ohleem nejen na rozměry magnetického obvou, ale i s ohleem na pracovní frekvenci generátoru, která negativně ovlivňuje velikost ztrát v železe a vee k nižší účinnosti generátoru. U generátorů se soustřeěným vinutím osahuje maximálního výkonu 0pólový stroj s vouvrstvým vinutím. U tohoto typu vinutí už neochází k nárůstu maximálního osažitelného výkonu s nárůstem počtu pólů. Tento článek vznikl za popory grantového projektu FR-TI4/675 Synchronní motory se zlomkovým vinutím pro použití v manipulační technice. Projekt je řešen ve spolupráci s ústavem Výkonové elektrotechniky a elektroniky VUT v Brně. Literatura [1] HÖLL, J. Vysokomomentové elektromotory pro pohony nezávislé trakce v oboru manipulační techniky. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 011. 108 s. Veoucí izertační práce oc. Dr. Ing. Hana Kuchyňková. [] GIERAS, Jacek F. Permanent magnet motor technology. 3r eition. New York: CRC Press, 010. ISBN 978-1- 400-6440-7. [3] MĚŘIČKA, Jiří, Václav HAMATA a Petr VOŽENÍLEK. Elektrické stroje. Vy.. Praha: ČVUT, Elektrotechnická fakulta, 000, 311 s. ISBN 80-010- 109-. [4] MICHALICZEK, J. Synchronní generátor s permanentními magnety a aktivním usměrňovačem. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 013. 69 s. Veoucí iplomové práce Ing. Onřej Vítek, Ph.D. [5] HÖLL, Jan, Libor WILDA a Martin MAŇA. PM synchronní generátory s různými typy zátěží. Moravany, 013. [6] LIBERT, F. a J. SOULARD. Investigation on pole-slot combinations for permanent-magnet machines with concentrate winings. In: 16th International Conference on Electrical Machines. Cracow: ICEM, 004, s. 5-8. [7] HÖLL, Jan a Libor WILDA. Porovnání synchronních generátorů s různým počtem pólů a typem vinutí. Moravany, 01. 104