TEMA V [Modo de compatibilidad] - Universidade de...

Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes

TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICASDISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICASDISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICASDISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAShttp://webs.uvigo.es/lbcalmaq

Dimensionamiento del imán.Características del imán

Efecto de la desmagnetización (reacción de inducido)

Características de imanes

Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - xmlopez@uvigo.es

Características de imanesEfecto de la temperatura en la desmagnetizaciónMotores de imanes permanentes (PM)Control de posición-alimentación

1) Until now, the reduced part converters have been applied mainly to ac inductionmotor drives. However, these days, the Brushless Direct Current (BLDC ) motor isattracting much interest, due to its high efficiency, high power factor, high torque,simple control, and lower maintenance.

1) IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 18, NO. 1, JANUARY 2003On the Feasibility of Four-Switch Three-Phase BLDC Motor Drives for Low Cost Commercial Applications: Topology and Control

Byoung-Kuk Lee, Member, IEEE, Tae-Hyung Kim, Student Member, IEEE, and Mehrdad Ehsani, Fellow, IEEE

Permanent Magnet Synchronous motors (PMSM) are considered up to 30% more compact than otherclassical motors.

*) The Squirrel-Cage Induction Motor is extremely robust and cheap,and its overloading capability (and consequently the field weakeningcharacteristics) is good. However, its main problem is an alwayslagging power factor, which means that it can produce typically only70−90 % of the torque produced by a comparable PMSM with thesame current.

*) Jussi PuranenINDUCTION MOTOR VERSUS PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR IN MOTION CONTROL APPLICATIONS: A COMPARATIVE STUDY - 2006

Due to the introduction of the NdFeB (Neodymium-Iron-Boron) magnets andthe vector control methods for PMSMs in the early 1990s, during the pastdecade, PMSM has become more common in dynamically demandingapplications than IM. Because of the rotor permanent magnetization ofPMSMs, a physically smaller motor and an inverter with a smaller currentrating can be chosen.

Permanent Magnet Motors (BLDC & PMSM) compared to classical motors(rotor wound synchronous and induction motors), rotor losses are eliminated. In addition, both power density and efficiency are improved and vibrationsare reduced in PM motors.

However, some aspects of the PM motors still arduous such as the risk of

*) Jussi PuranenINDUCTION MOTOR VERSUS PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR IN MOTION CONTROL APPLICATIONS: A COMPARATIVE STUDY - 2006

However, some aspects of the PM motors still arduous such as the risk of demagnetization under high operating temperature. Because of the highinertia, a noncontrolled short-circuit current is the major drawback.

Moreover, despite the reduction in magnet cost, PM motors still more expensive than induction motors.

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BCortocirtuito

Circuito en carga

Dimensionamiento del imán

- Hc - Hm

Hc = Hg

Circuito abierto

Recta de carga en vacío

Material magnéticamente

- Hc - Hm

magnéticamenteblandos

Bm = - µ0 [K1 Kr (sg/sm) (lm/lg)] Hm

K1 : Coeficiente de dispersión

Kr : Coeficiente de reluctancia. Pondera la FMM invertida en el material magnéticamente blando del circuito.

Recta de carga en vacío

Material magnéticamente

- Hc - Hm

magnéticamenteblandos

Bm = - µ0 [K1 Kr (sg/sm) (lm/lg)] Hm

Coeficiente de permeancia: Pc

Bg = (Bm Hm) µ0 (Vm/Vg)(1/K1Kr)4/22

La curva normal muestra la densidad de campo total BM en

La curva intrínseca muestra la polarización intrínseca J.

J = µ0 M

Características de magnetización de materiales magnéticos

densidad de campo total BM en función de la intensidad magnética HM y de la magnetización intrínseca M del material.

BM = µ0HM + J

BM = µ0(HM + M)

(curva de polarización magnética J)

Curva J = B – ( µµµµo H)

La curva normal muestra la densidad de campo total BM en

MLa curva intrínseca muestra la polarización intrínseca J.

J = µ0 M

Características del imán

densidad de campo total BM en función de la intensidad magnética HM y de la magnetización intrínseca M del material.

BM = µ0HM + J

BM = µ0(HM + M)

Bi = µo χm H

B = µoµr H

M = Magnetización , es el campo magnético generado por el material , por la orientación de los campos magnéticos generados por corrientes a nivel atómico o molecular, por el movimiento de electrones en su órbitas o por el giro sobre sí mismos (spin).

χχχχm = susceptibilidad , es característica de cada material

Campo coercitivo intrínseco Hci: es el valor dela fuerza de desmagnetización que es necesarioaplicar para reducir la polarización intrínsecahasta cero, J = 0.

Campo Coercitivo Hc: es el valor de fuerza desmagnetización que es necesario aplicar para reducir la densidad de flujo hasta cero, B = 0.

reducir la densidad de flujo hasta cero, BM = 0.

Límite o codo de la fuerza de magnetización Hk: es el valor de HM del segundo cuadrante para el cual la curva J/ HM se vuelve no lineal. Si el punto de trabajo está a la izquierda de Hk entonces parte de la desmagnetizació n del material es irreversible y sólo se puede eliminar con una re-magnetización.

Los imanes utilizados en ME está sometidos a las desmagnetización como consecuencia de la reacción del inducido.

El efecto de la FMM de desmagnetización suele estudiarse con la curva intrínseca de desmagnetización.

La desmagnetización actúa contra el flujo creado por el imán en el

La desmagnetización actúa contra el flujo creado por el imán en el entrehierro. Sin embargo, el propio imán sufre una modificación del punto de trabajo, traduciéndose en un menor campo una vez el campo externo desaparece.

Imanes permanentes

Efecto de la temperatura

Influencia de la temperatura al NdFeB12/22

The design of PM motor The free parameters (number of magnet poles, the number of slots and the magnet span).

A high number of poles yields to reduce the stator and rotor yoke heights. Indeed, the magnetic flux through the yokes is reduced. However the mechanical constraints

However the mechanical constraints and the increase of the manufacturing cost due to a high number of slots, limits this degree of freedom.

The magnet span is chosen considering a compromise between average torque, torque ripples and magnets cost.

In addition, segmenting the magnets yields to reduce eddy-currents losses and an appropriate choice of the number of magnet blocks over a pole may reduce the cogging torque

The design of PM motor Neodymium-Iron-Boron (NdFeB) magnets have higher remanence at room temperature and are generally cheaper than Samarium-Cobalt (SmCo) magnets. However, their main characteristics (remanence and coercitivity) are more sensitiveto temperature variation, increasing the demagnetization risk.

PMSM IM

Motores de imanes permanentes

Brushless (DC, AC)

Ventaja en motores miniatura. Diámetros < 70mm

Imanes de campo en el estator

Brushless (DC, AC)

¿Reducción de costes?

Eliminación de escobillas y colectorReducción de peso y volumenMejor comportamiento térmicoMejor rendimiento

Brushless (DC, AC)

Brushless (DC)

Componentes del BDC

- Estator devanado- Rotor con excitación permanente - Eliminación del colector -> Sensores de posición

n15/22

Brushless (DC, AC)

Brushless (DC)

a b c ab ac bc ba ca cb

G1 G1 G3 G3 G5 G5

a b cG1G6

120180

180240

240300

300360

Angulo de posición del ejeS1

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