background image

POLITECHNIKA GDAŃSKA 

Silnik bezszczotkowy z 

magnesami trwałymi 

Projekt silnika bezszczotkowego z magnesami 

trwałymi 

 

dr inż. Michał Michna 

2010-03-25 

 

 

 

 

 

Opis budowy silników z magnesami trwałymi. Przykłady obliczeo projektowych silnika be 
szczotkowego z magnesami trwałymi. 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

 

1  Spis treści 

Spis treści ........................................................................................................................................ 2 

Silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi ................................................................................ 4 

2.1 

Budowa silników bezszczotkowych z magnesami trwałymi .................................................... 7 

2.2 

Kształtowania rozkładu pola wzbudzonego magnesami trwałymi ......................................... 8 

Materiały....................................................................................................................................... 11 

3.1 

Materiały magnetyczne miękkie ........................................................................................... 11 

3.2 

Materiały przewodowe ......................................................................................................... 12 

3.3 

Materiały magnetyczne twarde ............................................................................................ 12 

3.4 

Punkt pracy magnesów trwałych .......................................................................................... 15 

Projektowanie maszyn elektrycznych – wiadomości ogólne ........................................................ 17 

4.1 

Procedura projektowania silników ........................................................................................ 17 

4.2 

Parametry wejściowe ............................................................................................................ 19 

4.3 

Moc wewnętrzna maszyny .................................................................................................... 20 

4.4 

Struktura ................................................................................................................................ 22 

Projekt sinika z magnesami trwałymi – nowa konstrukcja ........................................................... 23 

5.1 

Dane wejściowe ..................................................................................................................... 23 

5.2 

Dobór wymiarów głównych silnika ....................................................................................... 23 

5.3 

Dobór wysokości szczeliny powietrznej ................................................................................ 25 

5.4 

Dobór wysokości magnesów trwałych .................................................................................. 25 

Projekt silnika z magnesami trwałymi - adaptacja ....................................................................... 26 

6.1 

Dane wejściowe do obliczeo ................................................................................................. 26 

6.2 

Parametry magnesów trwałych............................................................................................. 27 

6.3 

Szczelina powietrzna ............................................................................................................. 27 

6.4 

Wysokośd magnesów trwałych ............................................................................................. 28 

6.5 

Wysokośd jarzma wirnika ...................................................................................................... 29 

6.6 

Sprawdzenie .......................................................................................................................... 30 

Projekt uzwojenia twornika .......................................................................................................... 31 

7.1 

Rodzaje uzwojeo silników prądu przemiennego ................................................................... 31 

7.2 

Podstawowe założenia dotyczące budowy uzwojenia twornika .......................................... 31 

7.2.1 

Liczba faz........................................................................................................................ 32 

7.2.2 

Liczba żłobków i biegunów ............................................................................................ 32 

7.3 

Współczynnik uzwojenia ....................................................................................................... 33 

7.3.1 

Współczynnik skrótu cewki ........................................................................................... 33 

7.3.2 

Współczynnik grupy cewki ............................................................................................ 34 

7.3.3 

Współczynnik uzwojenia ............................................................................................... 34 

7.4 

Liczba zwojów szeregowych .................................................................................................. 34 

7.5 

Drut nawojowy ...................................................................................................................... 34 

Wymiary obwodu magnetycznego stojana .................................................................................. 37 

8.1 

Wysokośd jarzma stojana ...................................................................................................... 37 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

 

8.2 

Szerokośd zęba stojana .......................................................................................................... 37 

8.3 

Wymiary żłobka stojana ........................................................................................................ 37 

8.4 

Średnica zewnętrzna stojana ................................................................................................. 39 

Model geometryczny silnika w programie Inventor ..................................................................... 40 

10  Parametry silnika bezszczotkowego z magnesami trwałymi ........................................................ 41 

11  Literatura ...................................................................................................................................... 42 

 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

 

2  Silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi 

Rozwój  maszyn  elektrycznych  jest  ściśle  związany  z  rozwojem  inżynierii  materiałowej  jak  również 
przyrządów  półprzewodnikowych  mocy  (MOSFET,  IGBT)  i  mikroprocesorów  stanowiących 
podstawowe elementy współczesnych układów energoelektronicznych do przetwarzania i sterowania 
mocy  elektrycznej.  Zastosowanie  magnesów  trwałych  (MT)  o  dużych  gęstościach  energii  pozwala 
budowad maszyny elektryczne, które charakteryzują się lepszymi parametrami eksploatacyjnymi np. 
większym  momentem,  wyższą  sprawnością.  Różnorodnośd  parametrów  magnetycznych  i 
mechanicznych  magnesów  wpływa  na  wielką  różnorodnośd  konstrukcji  wytwarzanych  obecnie 
maszyn elektrycznych z MT. Pełne wykorzystanie możliwości rozwojowych maszyn bezszczotkowych 
wzbudzanych  MT  o  dużych  gęstościach  energii,  wymaga  badao  w  obszarze  obejmującym:  analizę 
zachodzących zjawisk w procesie przetwarzania energii elektromechanicznej; metody modelowania i 
symulacji; projektowanie; optymalizację; identyfikację parametrów i diagnostykę. 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

 

 

Rys. 2.1 Podstawowy podział maszyn elektrycznych. 

Pod  pojęciem  silnika  bezszczotkowego  z  magnesami  trwałymi  (SBMT)  rozumie  się  wszystkie  silniki 
wzbudzane  magnesami  trwałymi  (magnetoelektrycznie),  które  mogą  byd  zasilane  ze  źródła  energii 
elektrycznej  poprzez  przekształtnik  energoelektroniczny.  Funkcją  przekształtnika  jest  realizacja 
transformacji energii  źródła  zasilania  według określonego  algorytmu  sterowania.  Należy  podkreślid, 
że istotną cechą algorytmu sterowania jest zasada sterowania wewnętrznego (z pętlą położeniową)*, 
tzn. nadrzędnym sygnałem sterowania jest sygnał określony położeniem kątowym wirnika SBMT. Tak 
określony  algorytm  sterowania  powoduje,  że  SBMT  ma  właściwości  ruchowe  (charakterystyki 
mechaniczne)  analogiczne  do  właściwości  ruchowych  silnika  prądu  stałego  z  komutatorem 

SILNIKI PRĄDU 

STAŁEGO

bezszczotkowe z 

magnesami 

trwałymi

szczotkowe 

(komutatorowe)

szeregowe

bocznikowe

szeregowo-

bocznikowe

z magnesami 

trwałymi

SILNIKI PRĄDU 

PRZEMIENNEGO

uniwersalne

synchroniczne

cylindryczne

wydatnobieguno

we

indukcyjne

klatkowe

pieścieniowe

Bezszczotkowe 

silniki prądu 

przemiennego

PRZEŁĄCZALNE 

SILNIKI 

RELUKTANCYJNE

SRM 

synchroniczne

SILNIKI 

SKOKOWE

o zmiennej 

reluktancji

z magnesami 

trwałymi

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

 

elektromechanicznym.  Stąd  często  spotykana  nazwa  to:  silnik  bezszczotkowy  prądu  stałego  (ang. 
brushless dc motor). 

ŹE

PE

US

Zadawanie

UEM

n

Pętla położeniowa

MR

CPW

SBMT

 

Rys.  2.2.  Schemat  układu  napędowego  z  silnikiem  bezszczotkowym  z  magnesami  trwałymi  (SBMT):  UEM  –  układ 
elektromechaniczny  silnika,  ŹE  –  źródło  energii  elektrycznej,  PE  -  przekształtnik  energoelektroniczny,  US  –  układ 
sterowania, CPW – czujnik położenia wirnika, MR – maszyna robocza (obciążenie) 

Napędy  wykorzystujące  SBMT  cieszą  się  obecnie  dużą  popularnością  [11].  Opanowują  one  coraz 
szerszy  obszar  zastosowao:  od  silników  małej  mocy  –  wykorzystywanych  w  napędach  dysków 
komputerowych,  czy  też  licznych  urządzeniach  AGD,  poprzez  silniki  w  układach  napędowych 
samochodów  hybrydowych  i  elektrycznych  oraz  dużych  jednostek  morskich  skooczywszy  [4,  3,  8]
Popularnośd  MBMT  wynika  z  ich  doskonałych  właściwości  regulacyjnych,  które  predysponują  je  do 
zastosowao w systemach napędowych realizujących wysokiej jakości regulację prędkości obrotowej 
lub położenia [3, 8]

SBMT,  w  porównaniu  z  maszynami  indukcyjnymi  i  maszynami  komutatorowymi  prądu  stałego, 
wyróżniają się: 

 

wyższym stosunkiem momentu obrotowego do momentu bezwładności, 

 

wyższym stosunkiem mocy do masy, 

 

wyższą sprawnością, 

 

mniejszą awaryjnością. 

Ponadto SBMT charakteryzują się dobrym rozpraszaniem ciepła (straty energii występują praktycznie 
w  stojanie,  skąd  ciepło  może  byd  łatwo  odprowadzane  poprzez  kadłub,  a  w  przypadku  silników  o 
większych mocach może  byd zastosowany układ chłodzenia wodnego), małą bezwładnością wirnika 
oraz możliwością pracy w bardzo szerokim zakresie prędkości obrotowej. 

Zastosowanie magnesów trwałych o dużych gęstościach energii stwarza nowe problemy zarówno w 
budowie  samych  SBMT,  jaki  i  w  projektowaniu  zintegrowanych  z  nimi  komutatorów  (układów) 
energoelektronicznych oraz układów sterujących. Jednym z ważniejszych problemów do rozwiązania 
to  odpowiednie  kształtowanie  rozkładu  pola  magnetycznego  w  SBMT,  poprzez  dobór  struktury  ich 
obwodów  magnetycznych.  Rozkład  pola  magnetycznego  ma  decydujący  wpływ  na  parametry 
całkowe i właściwości eksploatacyjne SBMT 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

 

2.1  Budowa silników bezszczotkowych z magnesami trwałymi 

SBMT budowane są w różnorodnych rozwiązaniach konstrukcyjnych, różniących się przede wszystkim 
konstrukcją  twornika  i  obwodu  wzbudzenia.  Zasadniczy  podział  SBMT  wynika  z  ich  struktury 
elektromagnetycznej, buduje się silniki o strukturze: 

 

walcowej, 

 

tarczowej. 

 

Rys. 2.3 Konstrukcje SBMT 

Drugi  zasadniczy  podział  SBMT  wynika  z  rozkładu  indukcji  w  jego  szczelinie  Z rozkładem  indukcji 
stowarzyszony jest przebieg napięcia indukowanego (SEM) rotacji. Wg kryterium przebiegu napięcia 
indukowanego wyróżnia się: 

 

silniki  z  trapezoidalnym  przebiegiem  napięcia  indukowanego  rotacji,  zasilane  prądem 
o przebiegu  prostokątnym  (w  przybliżeniu)  –  przebiegi  analogiczne  do  prądu  w  cewkach 
klasycznych silników prądu stałego (silniki komutatorowe), 

 

silniki  z  sinusoidalnym  przebiegiem  napięcia  indukowanego  rotacji,  zasilane  prądem 
o przebiegu sinusoidalnym – przebiegi analogiczne do prądu w cewkach klasycznych silników 
prądu przemiennego (silniki synchroniczne). 

Od  przebiegu  napięcia  indukowanego  rotacji  zależy metoda określania  położenia  kątowego wirnika 
SBMT. 

 

Rys. 2.4. Podział silników z magnesami trwałymi 

Silniki z magnesami trwałymi

Komutatorowe silniki 

prądu stałego

Silniki bezszczotkowe

Bezszczotkowe silniki 

prądu stałego

Bezszczotkowe silniki 

prądu przemiennego

Silniki skokowe

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

 

2.2  Kształtowania rozkładu pola wzbudzonego magnesami trwałymi  

Najczęściej  projektuje  się  silniki  o strukturze  walcowej,  z  magnesami  spolaryzowanymi  radialnie 
do osi  wirnika.  Najczęściej  stosowane  konstrukcje  wirników  silników  cylindrycznych  przedstawiono 
schematycznie  na  rys.  .  Różnią  się  one  przede  wszystkim  kształtem  magnesów  i sposobem  ich 
mocowania. Można wyróżnid następujące konstrukcje wirnika: 

 

magnesy  mocowane  (klejone)  na  powierzchni  rdzenia  wirnika  (ang.  surface  mounted 
magnets), 

 

magnesy umieszczone w rdzeniu tuż pod powierzchnią wirnika – mocowane za pomocą tulei 
lub bandaża (ang. inset mounted magnets), 

 

magnesy zagłębione w rdzeniu wirnika (ang. buried, interior magnets), 

 

magnesy ułożone promieniowo z koncentracją strumienia (ang. flux concentration). 

 

Rys.  2.5.  Wybrane  struktury  wirników  walcowych  SBMT:  a)  magnesy  mocowane  (klejone)  na  powierzchni  wirnika,  b) 
magnesy  umieszczone  tuż  pod  powierzchnią  wirnika,  c) magnesy  zagłębione  w  wirniku,  d)  magnesy  ułożone 
promieniowo z koncentracją strumienia 

Kształt pola w szczelinie determinuje sposób zasilania silnika. W celu uzyskania przebiegu momentu 
bez  pulsacji  dla  silnika  o  sinusoidalnym  rozkładzie  indukcji  wymagane  jest  zasilanie  prądem 
sinusoidalnym, a dla silników o trapezoidalnym rozkładzie pola wymagany jest trapezoidalny przebieg 
prądów zasilania 

a)

b)

c)

d)

e)

f)

sinusoidalne

trapezoidalne

 

Rys.  2.6.  Możliwości  kształtowania  rozkładu  pola  w  szczelinie  roboczej  silników  z  magnesami  trwałymi  mocowanymi 
powierzchniowo:  a)  macierz  Hallbacha,  b)  rozmagnesowanie  kraoców  magnesu,  c)  kształtowanie  szczeliny  roboczej,  d) 
magnesowanie równoległe, e) magnesowanie promieniowe, f) domagnesowanie kraoców magnesu 7 

Mocowanie powierzchniowe MT 

Najpowszechniej  stosowanym  sposobem  mocowania  magnesów  trwałych  jest  mocowanie 
powierzchniowe  przy  zastosowaniu  magnesów  w  kształcie  wycinka  pierścienia.  Wówczas,  w  celu 
właściwego  ukształtowania  pola  w  szczelinie  roboczej,  należy  dobrad  odpowiedni  kierunek 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

 

magnesowania  magnesów  trwałych  (rys.  2.6).  Jest  to  stosunkowo  proste  i  tanie  rozwiązanie  w 
przypadku,  gdy  chcemy  uzyskad  trapezoidalny  rozkład  indukcji  –  stosując  magnesy  izotropowe 
namagnesowane  promieniowo  (rys.  2.6e).  Rozkład  bardziej  trapezoidalny  uzyskamy  stosując 
magnesy o większej gęstości energii przy brzegach (rys. 2.6f), co przeciwdziała efektowi rozproszenia. 

W  celu  uzyskania  rozkładu  sinusoidalnego  przy  mocowaniu  powierzchniowym  należy  stosowad 
bardziej  skomplikowane  metody  magnesowania  lub  specjalne  układy  magnesów  trwałych.  Wpływa 
to  na  wzrost  kosztów  oraz  powoduje  komplikacje  w  procesie  produkcji.  Rozkład  sinusoidalny 
uzyskamy stosując: 

 

specjalny  układ  magnesów  o  różnym  kierunku  magnesowania,  zwanych  macierzą  Halbacha 
12, 

 

układy zwiększające efekt rozproszenia na kraocach magnesów, 

 

kształtując odpowiednio szczelinę roboczą np. poprzez zastosowanie nabiegunników. 

 

Rys. 2.7. Wirnik z mocowaniem powierzchniowym magnesów trwałych 

Do  wad  montażu  powierzchniowego  należy  zaliczyd  koniecznośd  zabezpieczenia  magnesów  przed 
wpływem  sił  odśrodkowych  przy  dużych  prędkościach  oraz  przed  rozmagnesowaniem.  W  celu 
poprawienia  pewności  mocowania  magnesów  stosuje  się  bandażowanie  jednak  powoduje  to 
zwiększenie  szczeliny  roboczej.  W  przypadku  mocowania  powierzchniowego  istnieją  ograniczone 
możliwości pracy w stanie odwzbudzenia szczególnie istotnego w przypadku napędów trakcyjnych. 

Mocowanie zagłębione MT 

Główną  zaletą  stosowania  silników  z  magnesami  trwałymi  zagłębionymi  jest  stosunkowo  prosta 
możliwośd 

kształtowania 

rozkładu 

pola 

szczelinie 

roboczej 

przy 

zastosowaniu 

prostopadłościennych  magnesów  trwałych  (rys.  2.5  c,d).  Dodatkowo,  konstrukcje  te  cechuje  duża 
odpornośd na rozmagnesowanie, działanie sił odśrodkowych i możliwośd pracy przy osłabionym polu 
wzbudzenia 1. 

Do silników z magnesami trwałymi zagłębionymi zaliczamy: 

 

silniki z magnesami wewnętrznymi (rys. 2.5 c), 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

10 

 

 

silniki z magnesami mocowanymi przy pomocy nabiegunników, 

 

silniki z magnesami zagłębionymi (koncentracją pola) rozłożone symetrycznie (rys. 2.5 d), 

Jedną  z  metod  kształtowania  rozkładu  indukcji  w  szczelinie  roboczej  silników  z  zagłębionymi 
magnesami  trwałymi  jest  zastosowanie  odpowiednio  ukształtowanego  nabiegunnika.  Metodę  tą 
stosuje  się  również  w  klasycznych  maszynach  synchronicznych  w  celu  uzyskania  sinusoidalnego 
rozkładu indukcji. Jej zalety – prosta w pełni rozłączna konstrukcja, łatwy sposób wymiany magnesów 
oraz  zmiany  geometrii  szczeliny  roboczej  –  powodują,  że  ma  ona  szczególnie  duże  znaczenie  w 
przypadku badao doświadczalnych na silnikach z magnesami trwałymi 9. 

 

Rys. 2.8. Silnik z mocowaniem zagłębionym MT 

Tabela 2.1 Porównanie cech silników z mocowaniem powierzchniowym i zagłębionym MT 

mocowanie powierzchniowe MT 

mocowanie zagłębione MT 

indukcja w szczelinie mniejsza niż indukcja 
remanencji  

indukcja w szczelinie może byd większa od 
indukcji remanencji 

prosta konstrukcja silnika 

konstrukcja stosunkowo złożona 

mała moc obwodów twornika 

duża moc obwodów twornika, droższy 
przekształtnik 

magnesy nie są zabezpieczone przed 
odmagnesowaniem 

magnesy są zabezpieczone przed 
odmagnesowaniem 

mała odpornośd na działanie sił odśrodkowych 

odpornośd na działanie sił odśrodkowych  

prądy wirowe w magnesach trwałych 

brak prądów wirowych w magnesach trwałych 

ograniczone możliwości pracy w stanie 
odwzbudzenia 

możliwośd pracy przy osłabionym polu 
wzbudzenia 

 

stosunkowo prosta możliwośd kształtowania 
rozkładu pola w szczelinie roboczej 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

11 

 

3  Materiały  

Rozwój  inżynierii  materiałowej  jest  w  coraz  większym  stopniu  motorem/podstawą  rozwoju  innych 
dziedzin  gospodarki.  Dynamiczny  rozwój  w  zakresie  materiałów  magnetycznych  (miękkich  oraz 
twardych) stwarza nowe możliwości budowy maszyn elektrycznych, poszerza zakres ich zastosowao 
(maszyny ultra i wysokoobrotowe). Analizę  właściwości i podział materiałów magnetycznych należy 
przeprowadzid biorąc pod uwagę stopieo uporządkowania atomów *Sosioski+ 

 

amorficzna 0 – 0,5nm 

 

nanokrystaliczna 1nm – 20nm 

 

mikrokrystaliczna 0,1 – 10 mm 

 

krystaliczna (niezorientowana i zorientowana) 

3.1  Materiały magnetyczne miękkie 

Materiały  magnetycznie  miękkie  stosuje  się  do  budowy  obwodu  magnetycznego  stojana  i  wirnika. 
Podstawowymi parametrami charakteryzującymi te materiały są i decydującymi o ich zastosowaniu 
są  indukcja  nasycenia  oraz  stratnośd.*SME2010  Tomczuk+.  Ferromagnetyki  miękkie  powinny 
charakteryzowad się: 

 

dużą indukcją nasycenia, 

 

wąską pętlą histerezy, 

 

dużą rezystywnością, 

 

dużą przenikalnością magnetyczną. 

Wśród  materiałów  magnetycznie  miękkich  stosowanych  do  budowy  obwodów  magnetycznych 
urządzeo o zmiennym polu magnetycznym możemy wymienid: 

 

stale bezkrzemowe, 

 

stale krzemowe, 

 

stopy niklowo-żelazowe (permaloj, ang. permmaloy), 

 

stale kobaltowo-żelazowe (permendur) , 

 

inne [KOMEL 2010, Król Rossa]. 

 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

12 

 

 

Zestawienie parametrów ferromagnetyków miękkich przedstawiono w tabeli 

Materiał 

Stratnośd (0,2T 25KHz) 

Indukcja nasycenia 

  

W/kg 

Permaloy 

14 

0,7-1,5 

Ferryt 

17 

0,6 

Taśma amorficzna (30-50um) 

0,57-,77 

Taśma amorficzna (20um) 

1,25 

 

Dane blach elektrotechnicznych  

http://www.sura.se/Sura/hp_main.nsf/startupFrameset?ReadForm

 

 

 

3.2  Materiały przewodowe 

 

3.3  Materiały magnetyczne twarde 

Stosowane  najczęściej  w  maszynach  elektrycznych  magnesy  trwałe  można  podzielid  na  kilka 
podstawowych grup w zależności od rodzaju zastosowanego materiału magnetycznie trwałego oraz 
technologii  ich  wykonania  (odlewanie,  spiekanie,  spajanie  tworzywem).  Wśród  materiałów 
wykorzystywanych do budowy magnesów można wyróżnid: 

Materiały 

magnetycznie 

miękkie

Obwody o stałym 

strumieniu

Żeliwo, stale 

niskowęglowe

żelazo armco

stale krzemowe

Obwody o 

strumieniu 

zmiennym

Stale krzemowe

anizotropowe

izotropowe

Stale bezkrzemowe

Stopy Fe-Ni

Stopy Fe-Co

inne

szkła metaliczne

ferryty

materiały 

nanokrystaliczne

magnetodielektryki

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

13 

 

• 

magnesy ceramiczne:  ferryty baru (BaFe12O19) oraz ferryty strontu (SrFe12O19), 

• 

magnesy z domieszkami pierwiastków ziem rzadkich: samorowo-kobaltowe (SmCo2) oraz 
neodymowe (Nd2Fe14B). 

 

Rys. 3.1. Podział magnesów trwałych w zależności od rodzaju zastosowanego materiału oraz od technologii wykonania 

Podstawowe  właściwości  fizyczne  magnesu,  takie  jak  indukcja  remanencji  (Br)  czy  natężenie  pola 
koercji  (Hc)  można  odczytad  z  części  pętli  histerezy  B=f(H)  leżącej  w  drugiej  dwiartce  nazywanej 
charakterystyką odmagnesowania (rys. 3.2).   

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

B(T)

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

H(MA/m)

Alnico

NdFeB

SmCo

Ferry t

 

Rys. 3.2 Charakterystyki odmagnesowania magnesów trwałych 

Wartośd gęstości energii pola magnetycznego wzbudzanej magnesami trwałymi przedstawia iloczyn  

–  w  katalogach  podawana  jest  wartośd  maksymalna  energii  na  jednostkę  objętości   

 

(tabela 3.1).   

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

14 

 

 

Rys. 3.3 Gęstości energii magnesów trwałych *www.arnoldmagnetics.com+ 

Tabela 3.1 Właściwości materiałów magnetycznych stosowanych do budowy magnesów trwałych 

 

 

 

SmCo5  

NdFeB  

ferryt  

AlNiCo  

Indukcja remanencji  B

r

  

[T] 

0.85 – 1  

1 – 1.41  

0.3 – 0.45  

1.25  

Gęstośd energii 

(BH)

max

    [kJ/m3]  145 – 200   200 – 420  

20 – 40  

50  

Natężenie koercji 

B

H

c

   

[kA/m] 

>1600  

1040 - 3000   240 – 320  

55  

Dopuszczalna temp.  T

max

   

*ºC+ 

250  

80 – 200  

150 – 200  

450 - 500  

Cena 

*€/kg+ 

120  

50 €/kg  

15-20 €/kg   

Z  punktu  widzenia  projektowania  maszyn  elektrycznych  najbardziej  interesującymi  parametrami 
charakteryzują  się  magnesy  wykonane  z  domieszkami  pierwiastków  z  ziem  rzadkich.  Posiadają  one 
największą wartośd gęstości energii (BHmax) co oznacza, że stosując takie magnesy można zasadniczo 
zmniejszyd  rozmiar  magneśnicy,  a  więc  i  gabaryty  maszyny.  Duże  wartości  natężenia  pola  koercji 
zapewniają  odpowiednią  wytrzymałośd  w  przypadku  oddziaływania  odmagnesowującego  (zwarcia). 
Wartośd  indukcji  w  szczelnie  wyznacza  punkt  przecięcia  charakterystyki  odmagnesowania  i  prostej 
szczeliny  (rys.  1).  Wartości  indukcji  w  szczelnie  MBMT  mogą  osiągnąd  wartości  rzędu  0,8-1T  i 
ograniczone  są  maksymalnymi  wartościami  indukcji  w  zębach  stojana.    W  przypadku  magnesów 
neodymowych  ograniczony  jest  zakres  dopuszczalnych  temperatur  pracy  –  należy  więc  zapewnid 
warunki pracy magnesu w pobliżu temperatury T. 

Zastosowanie  magnesów  trwałych  o  dużych  gęstościach  energii  związane  jest  z  określonymi 
trudnościami  technologicznymi.  Magnesy  wykonane  z  pierwiastków  ziem  rzadkich  są  stosunkowo 
kruche,  co  w  praktyce  wyklucza  możliwośd  obróbki  mechanicznej.  Powtarzalnośd  wymiarów 
magnesów jest mała co powoduje koniecznośd wyboru takich struktur wirników, w których magnesy 
nie  uczestniczą  w  łaocuchach  pasowao  istotnych    dla  niezawodnego  działania.  Innym  problemem 
związanym z zastosowaniem magnesów trwałych jest rozprzestrzenianie się pola magnetycznego w 
zakładzie  pracy.  Może  to  doprowadzid  do  trwałego  namagnesowania  stalowych  części  narzędzi, 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

15 

 

obrabiarek,  przyrządów  pomiarowych,  i  innych.    Wpływa  to  negatywnie  na  bezpieczeostwo  pracy  i 
jakośd wykonywanych produktów. [Sosioski+ 

3.4  Punkt pracy magnesów trwałych 

W celu wyznaczenia punktu pracy magnesu trwałego przyjęto następujące założenia upraszczające: 

•  jarzmo stojana i jarzmo wirnika posiadają nieskooczenie wielką przenikalnośd względną, 
•  szczelina robocza ma stałą długośd na całej szerokości magnesu, 
•  prostokątny przebieg indukcji w szczelinie, 
•  jednorodny rozkład indukcji w magnesie. 

Charakterystykę odmagnesowania magnesów trwałych można aproksymowad prostą o równaniu: 

 

 

(3.1) 

gdzie: 

 –  indukcja  i  natężenia  pola  w  punkcie  pracy  MT, 

 –  indukcja  remanencji, 

 - 

natężenie pola koercji. 

 

Rys. 3.4 Graficzne wyznaczanie punktu pracy magnesu trwałego 

Równanie  przepływu  dla  uproszczonego  modelu  szczelina-magnes  w  stanie  bezprądowym  (bieg 
jałowy): 

 

 

(3.2) 

gdzie: 

 - wysokośd magnesu,   - wysokośd szczeliny powietrznej. 

Uwzględniając zależnośd na indukcję w szczelinie 

 

 

(3.3) 

oraz  zakładając  stałośd  strumienia  przenikającego  magnes  i  szczelinę  można  wyznaczyd  zależności 
opisujące punkt pracy magnesu trwałego: 

 

  

(3.4) 

 

  

(3.5) 

B(H) = Br(H/H

0

+1)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

B [mT]

-H [kA/m]

B

r

H

c

H

0

B

A

(BH)

max

(BH)

max

(BH)

max

(BH)

max

(BH)

max

(BH) [kJ/m

3

]

(BH)

max

(BH)

max

(BH)

max

(BH)

max

(BH)

max

(BH)

max

(BH)

max

(BH)

max

(BH)

max

(BH)

max

H

A

(BH)

max

B(H)=-h

m

0

H/

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

16 

 

Gdzie: 

 - współczynnik rozproszenia strumienia magnesów trwałych. 

Punkt  pracy  magnesu  trwałego  zależy  od  stosunku  wysokości  szczeliny  powietrznej  do  wysokości 
magnesu trwałego (rys. 3.5) 

 

Rys. 3.5 Wpływ wysokości magnesu trwałego i szczeliny powietrznej na punkt pracy magnesu trwałego 

Uwzględnienie rozmagnesowującego oddziaływania twornika 

Uwzględnienie temperaturowych współczynników remanencji oraz koercji. 

Wpływ  temperatury  na  punkt  pracy  magnesów  trwałych  można  uwzględnid  przez  definicję 
temperaturowych współczynników remanencji oraz koercji wyrażone w *%/C]. 

 

 

(3.6) 

 

 

(3.7) 

Obliczony  punkt  pracy  jest  korygowany  z  uwzględnieniem  przewidywanej  temperatury  magnesu 
trwałego zgodnie z zależnościami: 

  

 

(3.8) 

 

 

(3.9) 

 

6 10

5

5 10

5

4 10

5

3 10

5

2 10

5

1 10

5

0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

B.r

0

B.m H.m

B.M H.m 3mm 1mm

B.M H.m 5mm 1mm

B.M H.m 3mm 1.5mm

0

H.0

H.m

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

17 

 

4  Projektowanie maszyn elektrycznych – wiadomości ogólne 

4.1  Procedura projektowania silników 

Na  każdym  etapie  procesu  projektowania  maszyn  elektrycznych  wykorzystuje  się  oprogramowanie 
typu  CAD.  Jednym  z  podejśd  jest  zastosowanie  specjalnych  programów  dedykowanych  do 
projektowania konkretnych typów maszyn elektrycznych *Dąbrowski, Miller, Nagorny]. Programy te 
działają  w  oparciu  o  szereg  zależności  analitycznych  wiążących  wielkości  wyjściowe  (wymiary)  z 
postulowanymi  wartościami  parametrów  eksploatacyjnych.  Ciąg  obliczeo  analitycznych  może  byd 
zamknięty  w  pętli  optymalizacyjnej  i  przy  odpowiednim  sformułowaniu  funkcji  celu  –  otrzymujemy 
optymalne  wymiary  maszyny.  Obliczenia  analityczne  oparte  są  o  zależności  uproszczone, 
współczynnik empiryczne *Dąbrowski+. W przypadku projektowania maszyn o złożonych strukturach 
obwodów  magnetycznych (w tym  silników  z magnesami  trwałymi)  lub maszyn o  niestandardowych 
warunkach  zasilania  i  pracy  (wysokie  prędkości  obrotowe,  duża  częstotliwośd)  należy  wykorzystad 
numeryczne  metody  analizy  pola  magnetycznego  w  celu  weryfikacji  poprawności  obliczeo.  Zestaw 
programów  CAD  wykorzystywanych  w  procesie  projektowania  maszyn  elektrycznych  może 
obejmowad: 

 

programowanie obliczeo matematycznych: Matlab, Mathcad, Macsyma, Mathematica; 

 

przygotowanie  wirtualnych  dwu-  lub  trójwymiarowych  modeli  geometrycznych:  AutoCAD, 
Inventor; 

 

numeryczną  analizę  pól  magnetycznych  (Flux,  Opera,  Maxwell,  FEMM),  pól  cieplnych  (Flux, 
Opera), pól naprężeo mechanicznych (Autodesk Inventor, Ansys, Catia) lub pól sprzężonych; 

 

modelowanie  i  analizę  systemów  napędowych,  mechatronicznych  w  oparciu  o  modele 
obwodowe  (Synopsys  SABER,  Spice,  Matlab  Simulink)    lub  polowo-obwodowe  (Cedrat  Flux, 
Opera); 

 

przygotowanie dokumentacji technicznej: AutoCAD, Inventor; 

 

wizualizację struktury i budowy maszyn elektrycznych, procesów technologicznych  w postaci 
animacji lub fotorealistycznych obrazów (Autodesk Inventor, 3D StudioMax). 

Częśd z tych programów może byd wykorzystywana w kilku etapach projektowania. Większośd z nich 
posiada  możliwości  projektowania  parametrycznego  wynikające  z  zasady  działania  programu 
(Mathcad, Inventor, AutoCAD)  lub w oparciu o wewnętrzne  interpretatory języków programowania 
(AutoCAD  –  VisualLisp,  Saber  –  Mast,  Tcl/Tk,  Flux  –  Python),  bądź  wsparcie  dla  języka  VBA  (Visual 
Basic for Application).  

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

18 

 

 

Rys. 4.1Ogólna procedura projektowania maszyn elektrycznych z wykorzystaniem programów CAD *Nagorny, Dąbrowski+ 

Ogólny algorytm projektowania maszyn elektrycznych obejmuje następujące zagadnienia (): 

 

ustalenie wymagao, parametrów eksploatacyjnych (prędkośd obrotowa, napięcie zasilania);  

 

obliczenia wstępne (moment obrotowy, prąd, moc wewnętrzna); 

 

wybór struktury silnika (cylindryczna, osiowa) oraz topologii wirnika (mocowanie magnesów 
trwałych); 

 

wybór materiałów magnetycznych oraz elektrycznych; 

 

obliczenia  wymiarów  głównych  obwodu  magnetycznego  z  uwzględnieniem  punktu  pracy 
magnesu trwałego; 

 

obliczenia  i  projekt  uzwojenia  twornika  (rodzaj  uzwojenia,  liczba  zwojów,  średnica  drutu 
nawojowego); 

 

obliczenia cieplne (straty mocy); 

 

obliczenia parametrów schematu zastępczego; 

 

analiza numeryczna pola magnetycznego (przygotowanie modelu geometrycznego itd…); 

 

przygotowanie dokumentacji technicznej. 

Decyzje w procesie projektowania podejmuje się w oparciu o wcześniejsze doświadczenia,  wiedzę o 
dostępnych  technologiach  oraz  właściwościach  materiałów  użytych  do  budowy  maszyny.  Wpływ 
podstawowych decyzji dotyczących budowy silnika na jego parametry użytkowe zobrazowano na rys. 
[16]

Ustalenie wymagao

Obliczenia wstępne

Wybór struktury silnika

•struktura cylindryczna, osiowa

•topologia wirnika (mocowanie magnesów)

Wybór materiałów

Obliczenie wymiarów głównych

Optymailzacja geometrii

Analiza numeryczna pola magnetycznego 

(np. metodą MES)

Przygotowanie dokumentacji technicznej

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

19 

 

 

Rys. 4.2.  Zależnośd [16] 

Istotną  wadą  silników  z  magnesami  trwałymi  jest  występowanie  momentu  zaczepowego. 
Ograniczenie  maksymalnej  wartości  momentu  zaczepowego  oraz  uzyskanie  przebiegu  napięcia 
indukowanego  rotacji  z  małą  zawartością  wyższych harmonicznych  jest  możliwe  przez ograniczenie 
wyższych harmonicznych w rozkładzie mmf. Można uzyskad to przez *Nagorny+: 

 

 

4.2  Parametry wejściowe 

Wśród  parametrów  wejściowych  do  procesu  projektowania  i  optymalizacji  wyróżnid  można 
następujące grupy []: 

 

parametry  funkcjonalne  maszyny:  liczba  faz  (ms),  moc  (Pn),  napięcie  (Un),  współczynnik 
mocy (cos ), prędkośd obrotowa (ns), częstotliwośd (f); 

 

parametry materiałowe: maksymalne wartości indukcji w poszczególnych częściach maszyny, 
gęstośd  prądu  (js),  okład  prądowy  (As),  indukcja  remanencji  (Br),  natężenie  koercji  (Hc), 
stratnośd blach (dpfe); 

 

parametry konstrukcyjne: współczynnik wyzyskania maszyny ( ), współczynnik smukłości ( ), 
współczynnik wypełnienia podziałki biegunowej wirnika ( p), niektóre wymiary np. szerokośd 
magnesu (bm). 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

20 

 

4.3  Moc wewnętrzna maszyny 

Moc  wyjściowa  maszyny  zależy  od  jej  wymiarów,  cech  konstrukcyjnych,  parametrów  wyzyskania 
materiałów oraz prędkości obrotowej. W trakcie rozwoju metod projektowania maszyn elektrycznych 
zaproponowano kilka zależności analitycznych wiążących te wielkości, wyrażone ogólnie jako: 

 

 

(4.1) 

gdzie:  P  –  postulowana  moc,  D  –średnica  rdzenia  wirnika,  l  –długośd  dzenia  wirnika;  n  –prędkośd 
obrotowa 2. 

Podstawą  do  określenia  zależności  pomiędzy  wymiarami  zewnętrznymi  oraz  moc  wyjściową  jest 
zależnośd na moc pozorną wewnętrzną maszyny Si (przy obciążeniu znamionowym) oraz związany z 
nią elektromagnetyczny wewnętrzny moment obrotowy . 

 

 

(4.2) 

 

 

(4.3) 

Załóżmy, że rozkład pola magnetycznego w szczelnie maszyny jest sinusoidalny i opisany wzorem: 

 

 

(4.4) 

gdzie: 

 - podziałka biegunowa, Ds. – średnica wewnętrzna stojana, p – liczba par biegunów 

Strumieo wzbudzony przez jeden biegun: 

 

 

(4.5) 

Wprowadźmy współczynnik  kształtu  pola wzbudzenia  określony  jako  stosunek  wartości  średniej  do 
wartości maksymalnej indukcji:  

 

 

(4.6) 

Zauważmy, że dla przebiegu sinusoidalnego:  

 

 

(4.7) 

Wówczas wartośd maksymalna strumienia wynosi: 

 

 

(4.8) 

Strumieo wzbudzenia indukuje napięcie w cewce: 

 

 

(4.9) 

Pulsacja napięcia wyrażona jest wzorem 

, wartośd skuteczna napięcia: 

 

 

(4.10) 

Wprowadźmy  współczynnik  kształtu  napięcia  indukowanego,  wyrażony  jako  stosunek  wartości 
skutecznej oraz średniej: 

 

 

(4.11) 

W przypadku przebiegu sinusoidalnego 

 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

21 

 

 

 

(4.12) 

Niesinusoidalne rozłożenie uzwojenia uwzględniono przez wprowadzenie współczynnika uzwojenia: 

 

 

(4.13) 

Okład prądowy wyrażony jest wzorem: 

 

 

(4.14) 

Czyli prąd twornika: 

 

 

(4.15)

 

Moc pozorna wewnętrzna maszyny: 

 

 

(4.16) 

Elektromagnetyczny moment wewnętrzny maszyny: 

 

 

(4.17) 

gdzie 

- prędkośd kątowa mechaniczna (wirnika). 

Stała  Arnolda  wyraża  stosunek  objętości  maszyny  do  elektromagnetycznego  momentu 
wewnętrznego: 

 

 

(4.18) 

Stała C

A

 ma wartośd w przybliżeniu stałą dla zbioru geometrycznie podobnych maszyn tego samego 

rodzaju,  o  takiej  samej  indukcji  maksymalnej  w  szczelnie  oraz  takim  samym  prądowym  obciążeniu 
liniowym powierzchni twornika. Jej  wartośd daje  pogląd na objętośd materiałów  czynnych maszyny 
przypadających na jednostkę elektromagnetycznego momentu obrotowego. 

Współczynnik  wyzyskania  maszyny  określa  stosunek  siły  obwodowej  działającej  na  jednostkę 
przyszczelinowej powierzchni twornika. 

 

 

(4.19) 

 

 

(4.20) 

Powierzchnia przyszczelinowa twornika: 

 

 

(4.21) 

Współczynnik wyzyskania maszyny: 

 

 

(4.22) 

Moc wewnętrzną maszyny można wyrazid przy użyciu wyprowadzonych stałych: 

 

 

(4.23) 

 

 

(4.24) 

Ogólnie można zauważyd, że objętośd maszyny wyrażona jest zależnością:  

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

22 

 

 

 

(4.25) 

Zmniejszenie  objętości  maszyny  jest  możliwe  zwiększając  maksymalną  wartośd  indukcji  w 
szczelnie, zwiększając okład prądowy twornika lub zwiększając prędkośd obrotową (częstotliwośd). 

4.4  Struktura  

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

23 

 

5  Projekt sinika z magnesami trwałymi – nowa konstrukcja 

5.1  Dane wejściowe 

Zbiór wymagao jakie powinna spełniad projektowana maszyna: 

Moc czynna 

 

2,2kW 

Prędkośd obrotowa 

 

1500obr/min 

Napięcie znamionowe 

 

400V 

Liczba faz 

 

Częstotliwośd zasilania 

 

50Hz 

sprawnośd 

 

0,85 

Współczynnik mocy 

 

0,8 

Z danych wynikają  

Prędkośd kątowa: 

 

 

(5.1) 

Prędkośd synchroniczna: 

 

 

(5.2) 

Liczba par biegunów: 

 

 

(5.3) 

5.2  Dobór wymiarów głównych silnika 

Wymiary główne silnika zostanę wyznaczone w oparciu o zależnośd na moc wewnętrzną maszyny: 

 

 

(5.4) 

Zależnośd pomiędzy długością obliczeniową a średnicą wewnętrzną stojana wyraża tzw współczynnik 
smukłości: 

 

 

(5.5) 

Po przekształceniach otrzymamy zależnośd na średnicę wewnętrzną stojana: 

 

 

(5.6) 

Oraz długośd obliczeniową: 

 

 

(5.7) 

Dobór współczynników konstrukcyjnych i materiałowych: 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

24 

 

Współczynnik kształtu pola 

 

sinusoidalny rozkład pola 

 

prostokątny rozkład pola o wsp. zapełnienia   

 

silniki o mocy 

 

1.09 

silniki o mocy 

 

0.715 

Współczynnik kształtu napięcia 

napięcie sinusoidalne 

 

Silniki o mocy 

 

1.09 

Silniki o mocy 

 

1.1 

Współczynnik uzwojenia 

Uzwojenie jednowarstwowe 

0,96 

Uzwojenie dwuwarstwowe 

0,92 

Maksymalna indukcja w szczelnie 

Wartośd maksymalna indukcji w szczelinie w przypadku maszyn z magnesami trwałymi zależy głównie 
od  materiału,  z  którego  wykonany  jest  magnes  trwały.  W  przypadku  wykorzystania  magnesów 
neodymowych możliwe jest osiągnięcie wartości maksymalnej indukcji w szczelnie rzędu 1T. 

Przyjęto 

 

Okład prądowy 

Zakres wartości okładu prądowego mieści się w szerokich granicach od 100 A/m dla maszyn o mocy 
0,1kW do 150kA/m w turbogeneratorach. Zależy on głównie od odporności cieplnej izolacji oraz od 
przewidywanego sposobu chłodzenia maszyny. 

Znający  dane  znamionowe  oraz  wymiary  silnika  okład  prądowy  można  obliczyd  z  zależności  (dla 
SG100L4A): 

 

 

 

(5.8) 

Przyjęto 

 

Współczynnik wyzyskania maszyny: 

 

 

(5.9) 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

25 

 

Wartośd współczynnika σ dobierana jest z zakresu 

w zależności od mocy S

i

 i liczby 

par biegunów p 2.  

Obliczenie oczekiwanej mocy wewnętrznej maszyny (dla silnika): 

 

 

(5.10) 

Średnica wewnętrzna stojana obliczona ze wzoru (5.6) 

 

Długośd obliczeniowa – wzór (5.7) 

 

5.3  Dobór wysokości szczeliny powietrznej 

Dla maszyn synchronicznych szczelinę powietrzną można szacowad ze wzoru: 

 

 

  

(5.11) 

W praktyce szczeliny o wartości do 0.5mm stopniuje sie co 0.05mm, o wartości do 2.5mm co 0.1mm, 
większe co 0.5mm. 

5.4  Dobór wysokości magnesów trwałych 

W oparciu o dobór średnicy wewnętrznej stojana oraz szczeliny powietrznej można obliczyd wymiary 
wirnika. Średnica zewnętrznego łuku magnesów trwałych: 

 

Podziałka biegunowa na wysokości magnesów trwałych: 

 

Magnesy trwałe mocowane powierzchniowo zajmują około 60-80% szerokości podziałki biegunowej. 
Współczynnik zapełnienia podziałki biegunowej: 

 

Współczynnik rozproszenia strumienia magnesów trwałych: 

 

Założono, że rozkład indukcji pola w szczelinie silnika ma przebieg sinusoidalny, wówczas oczekiwana 
wartośd maksymalna indukcji jest równa amplitudzie pierwszej harmonicznej przebiegu: 

 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

26 

 

6  Projekt silnika z magnesami trwałymi - adaptacja 

Projekt  silnika  z  magnesami  trwałymi  wykonano  odpowiednio  modyfikując  silnik  indukcyjny. 
Założono,  że  stojan  silnika  indukcyjnego  wraz  z  uzwojeniami  pozostawiony  zostanie  bez  zmian. 
Główna modyfikacja konstrukcji silnika będzie polegała na wymianie wirnika klatkowego na wirnik z 
powierzchniowo  zamocowanymi  magnesami  trwałymi.  Zastosowano  wysokoenergetyczne 
(neodymoe  NdBFe,  lub  samarowo-kobaltowe  SmCo)  magnesy  trwałe  w  kształcie  wycinków 
pierścienia.  Magnesy  zostaną  przyklejone  do  powierzchni  wirnika  i  w  razie  konieczności 
zabezpieczone pierścieniem lub bandażem przed działaniem sił odśrodkowych. 

Podstawowym  zadaniem  jest  zaprojektowanie  silnika  z  magnesami  trwałymi  o  parametrach 
eksploatacyjnych  nie  gorszych  niż  silnika  indukcyjnego.  W  związku  z  tym  dobór  struktury  obwodu 
magnetycznego  wirnika  ma  na  celu  uzyskanie  wartości  amplitudy  pierwszej  harmonicznej  rozkładu 
indukcji w szczelnie powietrznej na poziomie indukcji uzyskanej w silniku indukcyjnym.  

6.1  Dane wejściowe do obliczeń 

Punktem wyjścia do obliczeo silnika z magnesami trwałymi są dane katalogowe, konstrukcyjne oraz 
materiałowe silnika indukcyjnego TAMEL SG100L4A (tabela 6.1).  

Tabela 6.1 Dane katalogowe silnika TAMEL SG100L4A 

Typ silnika 

 Sg100L-4A 

Częstotliwośd (Hz) 

50 

Liczba faz 

Moc (kW) 

2.20 

Prędkośd obrotowa 

1420 

Prąd (A) przy 380V 

5.00  

Sprawnośd 

81.00 

Współczynnik mocy 

0.82 

Krotnośd momentu rozruchowego 

2.20 

Krotnośd prądu rozruchowego 

5.50 

Stosunek mocy maks. do min. 

2.60 

Ilośd biegunów 

Moment bezwładnościowy (kgm

2

0.00670 

Wymiary stojana pozostały takie same jak w przypadku projektu silnika indukcyjnego (Rys. 6.1). 

D

R

D

M

DS

HM

DELTA

AL

FA

M

DR

I

W

M

 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

27 

 

Rys. 6.1 Oznaczenie wymiarów żłobka stojana oraz wymiarów wirnika silnika z magnesami trwałymi 

Przyjęto następujące dane wejściowe do obliczeo: 

Wielkośd 

Symbol  Wartośd  Jednostka 

Moc znamionowa 

P

n

 

2,2 

kW 

Napięcie fazowe 

U

1n

 

380 

Częstotliwośd 

f

n

 

50 

Hz 

Liczba faz 

m

s

 

Prędkośd synchroniczna 

n

s

 

1500 

1/min 

Liczba par biegunów 

p

 

Średnica zewnętrzna stojana 

D

se

 

153 

mm 

Średnica wewnętrzna stojana  D

s

 

94 

mm 

Średnica wewnętrzna wirnika  D

ri

 

33 

mm 

Długośd stojana 

l

s

 

96 

mm 

Liczba żłobków stojana 

Q

s

 

36 

Szerokośd otwarcia żłobka 

b

s1

 

2,2 

mm 

Szerokośd żłobka 

b

s2

 

3,9 

mm 

Wysokośd otwarcia żłobka 

h

s1

 

2,0 

mm 

6.2  Parametry magnesów trwałych 

Do obliczeo przyjęto parametry magnesu samarowo-kobaltowego SmCo o oznaczeniu S18 10 

Tabela 6.2 Parametry magnesów trwałych 

LP  Wielkośd 

Symbol 

Wyrażenie 

Wartośd 

Jednostka 

Dobrano magnes trwały 

 

 

SmCo S18 

 

Indukcja remanencji 

B

r

 

 

0,95 

Natężenie koercji 

H

c

 

 

670 

kA/m 

Przenikalnośd magnetyczna względna 

r

 

 

1,13 

6.3  Szczelina powietrzna 

Dobór  wysokości  szczeliny  powietrznej  i  wysokości  magnesu  trwałego  jest  ze  sobą  związany  w 
procesie  wyznaczania  punktu  pracy  magnesu  trwałego.  Przenikalnośd  magnetyczna  magnesów 
trwałych  (neodymowych)  jest  w  przybliżeniu  równa  przenikalności  powietrza  co  oznacza,  że 
wysokośd  magnesu  trwałego  powiększa  efektywną  szczelinę  powietrzną.  Większa  szczelina 
powietrzna  oznacza  koniecznośd  zastosowania  wyższych  magnesów  trwałych  w  celu  uzyskania 
oczekiwanej  wartości  amplitudy  pierwszej  harmonicznej  indukcji  w  szczelnie.  Oznacz  to  zarówno 
zwiększenie całkowitych kosztów maszyny jak i zmniejszenie indukcyjności magnesowania. Z drugiej 
strony  zwiększenie  szczeliny  powietrznej  skutkuje  bardziej  sinusoidalnym  rozkładem  indukcji 
w szczelnie  i  zmniejszeniem  strat  z  uwagi  na  prądy  wirowe  oraz  ograniczeniem  momentu 
zaczepowego. 

Rzeczywista  szczelina  powietrzna  w  maszynach  z  magnesami  trwałymi  wynosi  od  1  do  3  mm 
(z uwzględnieniem pierścienia lub bandaża mocującego). 

Przyjęto wysokośd szczeliny powietrznej 

Tabela 6.3 Wysokośd szczeliny powietrznej 

LP  Wielkośd 

Symbol  Wyrażenie  Wartośd  Jednostka 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

28 

 

Wysokośd szczeliny powietrznej 

1,0 

mm 

W  dalszych  obliczeniach  uwzględnia  się  użłobkowanie  stojana  przez  wprowadzenie  współczynnika 
Carter’a, o który powiększa się szczelinę powietrzną. 

Tabela 6.4 Obliczenia współczynnik Cartera i zastępczej szczeliny powietrznej 

LP 

Wielkośd 

Symbol 

Wyrażenie 

Wartośd 

Jednostka 

Podziałka żłobkowa 

s

 

8,2 

mm 

Wsp. otwarcia żłobka 

k

open

 

 

0,56 

 

s

 

1,1 

 

 

0,66 

10 

Wsp. Carter’a 

k

Carter

 

 

1,1 

11 

Szczelina zastępcza 

e

 

 

1,1 

mm 

6.4  Wysokość magnesów trwałych 

Proces doboru wysokości magnesów trwałych pokazano poniżej (tabela 6.5). 

Tabela 6.5 Dobór wysokości magnesu trwałego 

LP  Wielkośd 

Symbol  Wyrażenie 

Wartośd  Jednostka 

12  Średnica zewnętrzna magnesów trwałych  D

m

 

 

92 

mm 

13  Podziałka biegunowa magnesów 

m

 

 

72,3 

mm 

14  Wsp. zapełnienia podziałki biegunowej 

m

 

0,6 

15  Szerokośd magnesu trwałego 

w

m

 

 

43,4 

mm 

16  Wsp. rozproszenia magnesów trwałych 

lm

 

 

0,95 

17  Amplituda 1 harmonicznej indukcji 

B

 

0,76 

18  Wysokośd magnesu trwałego 

h

m

 

 

5,2 

mm 

19  Dobrano wysokośd magnesu trwałego 

hm 

 

mm 

20  Indukcja w magnesie 

B

 

0,78T 

21  Strumieo wzbudzony przez magnes 

m

 

 

3,23e-3 

Wb 

 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

29 

 

 

Rys.  6.2  Zależnośd  pomiędzy  wysokością  magnesu  trwałego  i  wartością  amplitudy  pierwszej  harmonicznej  indukcji  w 
szczelnie 

Zwiększając  szerokośd  magnesu  trwałego  tak  Zwiększając  szerokośd  magnesu  trwałego,  tak  by 
zajmował  całą  podziałkę  biegunową  (

m

=1)  uzyskamy  jedynie  24%  wzrost  amplitudy  pierwszej 

harmonicznej rozkładu indukcji (rys. 6.3). Jednocześnie całkowita objętośd magnesów trwałych jak i 
ich cena wzrosną o 67% (1/

m

). 

 

Rys. 6.3 Wpływ szerokości magnesu trwałego na wartośd amplitudy pierwszej harmonicznej indukcji w szczelnie 

6.5  Wysokość jarzma wirnika 

Minimalna  wysokośd  jarzma  wirnika  została  wyznaczona  przy  założeniu,  że  strumienia  wzbudzony 
przez magnes trwały zamknie się przez jarzmo wirnika. 

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0

0.01

0.02

0.03

0

h.M B. 1

.lM B.r

0

B. 1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.932

0

B.x( )

1

0

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

30 

 

Tabela 6.6 Wysokośd jarzma wirnika 

LP  Wielkośd 

Symbol  Wyrażenie  Wartośd  Jednostka 

22  Współczynnik zapełnienia pakietu wirnika 

k

fe 

 

0,95 

23  Długośd obliczeniowa pakietu wirnika 

l

fe 

 

91 

mm 

24  Maksymalna wartośd strumienia w jarzmie wirnika 

yr 

 

1,6e-3 

Wb 

25  Maksymalna wartośd indukcji w jarzmie wirnika 

B

yr 

 

1,3 

26  Minimalna wysokośd jarzma wirnika 

h

yr 

 

14 

mm 

6.6  Sprawdzenie 

Z  założeo  projektu  wynika,  że  wymiary  wirnika  ograniczone  są  przez  średnice  wewnętrzna  stojana 
(D

s

)  oraz  średnicę  wałka  (D

ri

).  W  przestrzeni  tej  powinny  znaleźd  się  szczelina  powietrzna,  magnes 

trwały oraz jarzmo wirnika czyli powinna byd spełniona nierównośd: 

 

  

(6) 

Sprawdzenie nierówności: 

 

 

Nierównośd (6) jest spełniona. 

Wniosek:  Wirnik  silnika  indukcyjnego  składał  się  z  uzwojeo  klatki  oraz  jarzma  wirnika  i  zajmował 
znacznie więcej miejsca niż wzbudzenie silnika z magnesami trwałymi. W konsekwencji znaczna częśd 
wirnika jest nie wykorzystana. 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

31 

 

7  Projekt uzwojenia twornika 

7.1  Rodzaje uzwojeń silników prądu przemiennego 

Uzwojenia silników prądu przemiennego projektuje się tak by uzyskad sinusoidalny rozkład uzwojeo 
lub  bardziej  ogólnie  –  sinusoidalny  przebieg  napięcia  indukowanego  rotacji.  W  zależności  od 
przyjętego kryterium uzwojenia możemy podzielid na: 

 

kształt uzwojenia: pętlicowe i faliste, 

 

rozpiętośd zezwoju: średnicowe i skrócone (cięciwowe), 

 

liczbę żłobków przypadających na biegun i fazę: całkowite i ułamkowe, 

 

liczbę boków cewek leżących w jednym żłobku: jedno lub dwuwarstwowe, 

 

sposób wykonania połączeo czołowych: wzornikowe i piętrowe. 

 

Rys. 7.1 Rodzaje uzwojeo silników prądu przemiennego 

Poszczególne cewki uzwojenia umieszczone są w żłobkach. W zależności od kształtu przekroju drutu 
nawojowego stosuje się odpowiednie żłobki dla drutów okrągłych i drutów profilowych. 

 

Rys. 7.2 Kształt żłobków stojana 

7.2  Podstawowe założenia dotyczące budowy uzwojenia twornika 

Podstawowe parametry uzwojenia to: 

Uzwojenia 

stojanów

Jednowarstwowe

Piętrowe

dwupiętrowe

dwupiętrowe z 

grupą  łamaną

trzypiętrowe

Wzornikowe

grupowe

wzornikowe

koszykowe

Dwuwarstwowe

Pętlicowe

Faliste

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

32 

 

 

Liczba faz 

 

 

Liczba zwojów szeregowych 

 

 

Liczba gałęzi równoległych   

 

Liczba cewek 

 

 

Liczba par biegunów   

 

Liczba żłobków na biegun i  fazę   

Liczba cewek wynika z liczby żłobków oraz rodzaju uzwojenia: 

- uzwojenie jednowarstwowe 

 

- uzwojenie dwuwarstwowe 

  

7.2.1  Liczba faz 

Silniki mogą byd budowano jako jedno lub wielofazowe (najczęściej trójfazowe).  Dokonując wyboru 
liczby faz silnika można kierowad się współczynnikiem wykorzystaniu uzwojenia twornika, konieczną 
topologią układu zasilania, kształtem przebiegu momentu na wale (Tabela 7.1).  

Tabela 7.1 Porównanie wybranych cech silników bezszczotkowych o różnej liczbie faz 

Liczba faz m 

Wykorzystanie 

uzwojenia % 

Liczba kluczy 

energoelektronicznych 

Pulsacja momentu 

50 

100 

50 

4 lub 8 

30 

67 

6 lub 3 

15 

75 

10 

83 

12 

12 

92 

24 

 

7.2.2  Liczba żłobków i biegunów 

Liczba par biegunów silnika wynika z prędkości obrotowej i konieczności ograniczenia częstotliwości 
komutacji kluczy energoelektronicznych i ograniczania strat mocy w żelazie. 

 

 

(7.1) 

Dla  silników  o  dużych  prędkościach  obrotowych  należy  wybierad  silniki  o  liczbie  par  biegunów  nie 
większej niż 2.  
Przy  zwiększaniu  liczby  par  biegunów  proporcjonalne  zmniejsza  się  wymagana  wysokośd  jarzma 
stojana.  Dlatego  w  celu  zmniejszenia  średnicy  zewnętrznej  silnika  można  zwiększyd  liczbę  par 
biegunów.  Zwiększenie  liczby  par  biegunów  zmniejsza  również  wartośd  amperozwoi  na  biegun  i  w 
konsekwencji zmniejsza reaktancje synchroniczną silnika. 
Zwiększenie  liczby  biegunów  sinika  wymaga  zastosowania  odpowiedniego  układu  magnesów  w 
wirniku.  Wirnik,  w  którym  magnes  wykonany  jest  w  postaci  pierścienia  (silnika  do  napędach 
optycznych),  można  namagnesowad  tak  by  uzyskad  dowolną  liczbę  par  biegunów.  W  silnikach,  w 
których  stosuje  się magnesy o  kształcie  prostopadłościanu  lub wycinka  pierścienia, magnesy  należy 
odpowiednio  ułożyd.  W  takich  konstrukcjach  zwiększeni  liczby  biegunów  znacznie  zwiększa  koszt 
wykonania silnika. 
Najczęściej stosuje się silniki o liczbie par biegunów od 1 do 4. 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

33 

 

Dopuszczalne  kombinacje  liczby  żłobków  przypadających  na  fazę  oraz  liczby  biegunów  zestawiono 
w tabeli 

Tabela 7.2 Dopuszczalne kombinacje liczby żłobków (Q) i biegunów (2p) dla silnika 3-fazowego 

 

Liczba żłobków na fazę 

 

12 

15 

18 

21 

24 

27 

30 

33 

36 

39 

42 

45 

48 

Licz

b

a bi

egu

n

ó

w

  

 

 

10 

 

 

10 

 

14 

10 

10 

10 

10 

10 

10 

 

 

12 

18 

 

12 

16 

16 

10 

20 

14 

10 

14 

14 

10 

14 

 

 

 

 

 

14 

 

20 

12 

22 

20 

12 

16 

16 

12 

16 

 

 

 

 

 

16 

 

 

18 

26 

22 

14 

26 

26 

14 

20 

 

 

 

 

 

 

 

 

20 

 

26 

16 

28 

28 

16 

32 

 

 

 

 

 

 

 

 

22 

 

28 

22 

32 

32 

20 

34 

 

 

 

 

 

 

 

 

24 

 

 

24 

34 

34 

28 

38 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

26 

 

 

30

 

40 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

28 

 

 

32 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30 

 

 

34 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

32 

 

 

38 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40 

 

Z powyższej tabeli wynikają możliwe wartości liczby żłobków na biegun i fazę. 

liczba par biegunów p 

Liczba żłobków na biegun i fazę q 

 

do 1kW 

do 10kW 

do 100kW 

2...3 

2...4 

3...6 

2...3 

2...4 

3..5 

1,5...2 

2...3 

2,5...4 

1,5...2 

2...3 

2,5...4 

 

2...3 

2,5...4 

 

 

2...4 

 

 

2...4 

Przyjęto, dla silnika 4-biegunowego liczbę żłobków na biegun i fazę równą 3. 

 

  

(7.2) 

Wynika z tego liczba żłobków stojana: 

 

  

(7.3) 

7.3  Współczynnik uzwojenia 

Dobór  odpowiedniego  skrótu  pozwala  wyeliminowad  niektóre  wyższe  harmoniczne  w  napięciu 
indukowanym rotacji,  

7.3.1  Współczynnik skrótu cewki  

 

 

(7.4) 

Gdzie: 

współczynnik skrótu cewki oblicza się ze wzoru:   

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

34 

 

gdzie:   –rząd  harmonicznej,   —rozpiętośd  cewki  w  liczona  w  liczbie  żłobków, 

   —podziałka 

biegunowa liczona w liczbie żłobków według zależności:  

 

 

(7.5) 

Przyjmując  rozpiętośd  cewki 

 otrzymamy  współczynnik  skrótu  cewki  dla  pierwszej 

harmonicznej równy 

 

7.3.2  Współczynnik grupy cewki 

Współczynnik  grupy  cewki  uwzględnia  przesunięcie  fazowe  sem  indukowanych  w  szeregowo 
połączonych cewkach. Dla uzwojenia jednowarstwowego oblicza się go ze wzoru:  

 

 

(7.6) 

Współczynnik grupy cewki dla pierwszej harmonicznej 

 

7.3.3  Współczynnik uzwojenia   

Współczynnik uzwojenia wyrażony jest jako iloczyn: 

 

 

(7.7) 

7.4  Liczba zwojów szeregowych 

Przyjmując, że napięcie indukowane wyrażone jest zależnością (4.13) to liczbę zwojów szeregowych 
obliczamy ze wzoru: 

 

 

(7.8) 

Dla danych silnika obliczono: 

 

Liczba zwojów w cewce powinna byd liczbą całkowitą: 

 

7.5  Drut nawojowy 

Gęstośd  prądu  w  uzwojeniu  stojana  zależy  od  mocy  silnika,  przyjętego  rodzaju  chłodzenia,  rodzaju 
uzwojenia, klasy izolacji. Dopuszczalne gęstości prądu zestawiono w tabeli. 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

35 

 

Tabela 7.3 

 

Dla projektowanego silnika dobrano gęstośd prądu uzwojeo stojana: 

 

Prąd fazowy silnika wynika z wymaganej mocy oraz założonych wartości sprawności i współczynnik 
mocy: 

 

  

(7.9) 

Znając  wartośd  prądu  fazowego  oraz  dopuszczalną  gęstośd  prądu  można  obliczyd  pole  powierzchni 
przekroju przewodu: 

 

  

(7.10) 

 

 

Uzwojenia silników elektrycznych wykonuje się z: 

 

drutu  nawojowego  miedzianego,  okrągłego  w  izolacji  emaliowanej  (o  dwóch  stopniach 
grubości), 

 

drutu  miedzianego,  okrągłego,  o  izolacji  z  tworzyw  termoplastycznych  (polipropylenowa)  – 
stosowane do silników pomp głębinowych (DNE 155 U), 

 

drutu  profilowanego  miedzianego  o podwójnym oprzędzie z włókna szklanego, nasyconego 
lakierem poliestrowym (DNp2Ss). 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

36 

 

Średnice dostępnych drutów nawojowych o przekroju okrągłym zawierają się w zakresie od 0,02 mm 
do 4,00 mm. Najmniejsze, dostępne w sprzedaży, druty profilowane (o przekroju prostokątnym) mają 
wymiar 1,3mmx3mm (3,9mm

2

). 

Dla pola powierzchni  przewodu mniejszego  niż 10mm

2

  uzwojenia wykonuje  się  z drutu o przekroju 

okrągłym. Wybrano przewód emaliowany o przekroju okrągłym, o średnicy: 

 

 

(7.11) 

Na podstawie obliczonej średnicy 

mm przyjęto z katalogu drut o średnicy: 

 

bez izolacji 

 mm, 

 

z izolacją 

 mm. 

Pole powierzchni miedzi w żłobku wynosi: 

mm

2

 

Współczynnik  zapełnienia  żłobka  przewodami  o  przekroju  okrągłym  w  izolacji  emaliowanej  wynosi 
0,65-0,7, przy czym: 

 

współczynnik uwzględniający izolację przewodów 

 

współczynnik uwzględniający kształt przewodu 

 

współczynnik  uwzględniający  przestrzeo  zajmowaną  przez  izolację  główną,  przekładki 
izolacyjne oraz klin zamykający żłobek 

Rzeczywiste pole powierzchni żłobka: 

 

mm

2

  

(7.12) 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

37 

 

8  Wymiary obwodu magnetycznego stojana 

Rozdział ten jest kontynuacją projektu silnika bezszczotkowego z magnesami trwałymi wykonanego 
jako adaptacja konstrukcji silnika indukcyjnego (rozdziały: 6, 7)

8.1  Wysokość jarzma stojana 

Wysokośd  jarzma  stojana wynika  z  przyjętej  wartości  maksymalnej  indukcji  w  tej  części  silnika oraz 
wartości strumienia w silniku. Przyjęto maksymalną wartośd indukcji w jarzmie stojana: 

 T. 

Wartośd strumienia w jarzmie stojana wyraża równanie: 

 

 

(8.1) 

Stąd wysokośd jarzma stojana: 

 

 

(8.2) 

Minimalna wysokośd jarzma stojana wynosi 

 mm. 

8.2  Szerokość zęba stojana 

Założono, że cały strumieo wzbudzony przez magnes trwały przepływa tylko przez zęby stojana oraz, 
że wartośd maksymalna indukcji w zębie stojana wynosi 

 T. 

Podziałka żłobkowa: 

 

 

(8.3) 

Minimalna szerokośd zęba stojana określa zależnośd: 

 

 

(8.4) 

Przyjęto szerokośd zęba stojana 

 mm. 

8.3  Wymiary żłobka stojana 

Dla przewodów okrągłych przyjęto kształt żłobka jak na rys 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

38 

 

 

Rys. 8.1 Kształt i oznaczenie wymiarów żłobka stojana 

Szerokośd  rozwarcia  żłobka  należy  przyjąd  o  1-2mm  większą  niż  średnica  drutu  nawojowego  z 
izolacją. 

 

 

(8.5) 

Przyjęto szerokośd rozwarcia żłobka 

mm. 

Wysokośd rozwarcia żłobka przyjęto 

mm. 

Kąt zbieżności ścianek bocznych dobiera się tak, żeby ząb miał ścianki równoległe. 

 

 

(8.6) 

Kąt zbieżności 

 deg. 

Kąt zbieżności klina oraz jego wysokośd dobiera się  ze względu na jego wytrzymałośd. Kąt zbieżności  
z  zakresu  od  45  do  60  stopni,  przy  czym  mniejsza  wartośd  dla  większych  średnic  wewnętrznych 
stojana. 

Przyjęto: 

 

kąt zbieżności klina: 

 deg, 

 

wysokośd klina: 

 mm 

Znając wymiary klina wyznacza się szerokośd żłobka bliżej szczeliny powietrznej ze wzoru: 

 

 

(8.7) 

Przyjęto szerokośd żłobka 

 mm. 

Pozostałe wymiary żłobka stojana zależą od jego pola powierzchni. Przyjmując, że pole powierzchni 
żłobka przedstawionego na rys. wyraża wzór: 

 

 

(8.8) 

oraz 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

39 

 

 

 

(8.9) 

Można wyznaczyd szerokośd żłobka bliżej powierzchni zewnętrznej silnika: 

 

 

(8.10) 

Wysokośd części trapezowej żłobka: 

 

 

(8.11) 

Przyjęto: 

 

szerokośd żłobka: 

 mm, 

 

wysokośd części trapezowej żłobka: 

 mm. 

Całkowita wysokośd żłobka stojana: 

 

 

(8.12) 

wynosi: 

mm. 

8.4  Średnica zewnętrzna stojana 

W oparciu o wyliczone wcześniej wymiary silnika można obliczyd średnice zewnętrzną stojana: 

 

 

(8.13) 

Średnica zewnętrzna stojana wynosi: 

 mm. 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

40 

 

9  Model geometryczny silnika w programie Inventor 

Wyniki  obliczeo  projektowych  silnika  zostały  wykorzystane  do  budowy  parametrycznego  modelu 
geometrycznego  w  programie  Autodesk  Inventor.  Program  ten  umożliwia  opracowanie 
trójwymiarowego  modelu  wirtualnego  silnika,  wykonanie  dokumentacji  technicznej,  przygotowanie 
multimedialnych  prezentacji  w  postaci  animacji  (np.  procesu  wykonania)  lub  fotorealistycznych 
obrazów. Dzięki możliwości przyporządkowania materiałów o określonych właściwościach fizycznych 
do poszczególnych części silnika można obliczyd np. moment bezwładności wirnika. Program Inventor 
w  wersji  Professional  wyposażony  jest  w  moduł  obliczeo  polowych,  który  można  wykorzystad 
do obliczeo rozkładu naprężeo mechanicznych. Program wyposażony jest w gotowe biblioteki często 
wykorzystywanych elementów (łożyska, śruby) oraz generatory np. wałków. 

Proces  opracowywania  modelu  geometrycznego  wymaga  określenia  parametrów  geometrycznych 
oraz  zależności  pomiędzy  nimi,  wykonania  szkiców  2D  poszczególnych  części  i  ich  zwymiarowanie 
z wykorzystaniem parametrów, modelowanie 3D, złożenie części w jeden zespół. 

Model  

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

41 

 

10 Parametry silnika bezszczotkowego z magnesami trwałymi 

Obliczenia  analityczne  parametrów  użytkowych  oraz  parametrów  modelu  obwodowego 
zaprojektowanego silnika bezszczotkowego z magnesami trwałymi. 

background image

 

Silnik bezszczotkowy z magnesami trwałymi 

25 marca 2010 

 

42 

 

11 Literatura 

1.  Chalmers  B.J.,  Akmese  L.,  Musaba  L.:  Validation  of  Procedure  for  Prediction  of  Field-

Weakening  Performance  of  Brushless  Synchronous  Machine.  International  Conference  on 
Electrical Machines 2-4 September 1998, Istanbul, Turkey, p. 320-323 

2.  Dąbrowski  M.:  Projektowanie  maszyn  elektrycznych  prądu  przemiennego.  Warszawa, 

Wydaw. Nauk. -Techn., 1988. 

3.  Gieras J.F., Bianchi N.: Electric Motors for Light Traction. 10th International Power Electronics 

and Motion Control Conference. EPE-PEMC 2002. 9-11 September 2002, Cavtat & Dubrovnik, 
Croatia. Proc. CD-ROM, p. 1-11 

4.  Gieras J.F.: Mitchell Wing, Permanent Magnet Motor Technology2nd ed. Marcel Dekker, Inc, 

2002 

5.  Hanselman D.: Brushless Permanent Magnet Motor Design, 2nd ed. McGraw-Hill, New York, 

1994. 

6.  Hendershot  J.R.,    Miller  T.J.E.  :  Design  of  brushless  permanent-magnet  motors.  Hillsboro, 

OH:Magna Pysics Pub. ; Oxford : Clarendon Press, 1994 

7.  Jahns T.M., Soong W.L.: Pulsating Torque Minimization Techniques for Permanent Magnet AC 

Motor Drives-A Review. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 43, no. 2, April 1996, 
p. 321 – 330 

8.  Kaczmarek  T.,  Zawirski  K.:  Układy  napędowe  z  silnikiem  synchronicznym.  Wydawnictwo 

Politechniki Poznaoskiej, Poznao 2000 

9.  Michna M., Ronkowski M, Wilk A.,  Kostro G.,  Dobrowolski P.: Adaptacja silnika indukcyjnego 

do  budowy  maszyny  synchronicznej  z  magnesami  trwałymi.  XXIX  Międzynarodowe 
Sympozjum Maszyn Elektrycznych. Gdaosk-Jurata, 9-11 czerwiec 2003 

10. MMC Magnetics Mateirals and Component

www.mmcmagnetics.com

 

11. Orłowska-Kowalska  T.:  Stan  obecny  i  tendencje  rozwojowe  napędu  elektrycznego.  Przegl. 

Elektrotechniczny R. 80, nr 3, 2004, str. 185-197 

12. Zhu Z.Q., Xia Z.P., Howe D.: Comparison of Halbach magnetized brushless machines based on 

discrete magnet segments or a single ring magnet. IEEE Transactions on Magnetics, vol. 38, 
no. 5, Sept. 2002, p. 2997 – 2999 

13. Eurodru

www.eurodrut.com.pl

 

14. Polprodukt – hurtowania drutów nawojowych 

www.poldrut.pl

 

15. EL-drut – hurtowania elektrotechniczn

www.el-drut.com.pl

  

16. Puranen  J.  :  Induction  Motor  Versus  Permanent  Magnet  Synchronous  Motor  In  Motion 

Control Applications: A Comparative Study. Lappeenranta University of Technology 2006. 

17. Sosioski M. Materiały magnetyczne w technice.  Centralny Ośrodek Szkolenia i Wydawnictw 

SEP. Warszawa. 

18. Nagorny A.S., Dravid N.V., Jansen R.H, Kenny B.H.:Design Aspects Of A High Speed Permanent 

Magnet  synchronous motor / generator for flywheel applications. IEEE Conference, 2005 

19. Ecomotors 

http://www.ecomotors.org/

 

 

20. A tutorial on electrical machine 

http://st.com/stonline/products/support/motor/tutorial/motor.swf

 

21.  


Document Outline