Dr. Szénásy István Széchenyi István Egyetem

Mobilitás és Környezet Konferencia

Magyar Tudományos AkadémiaBudapest, 2012. január 23.

Dr. Szénásy IstvánSzéchenyi István Egyetem

Korszerű járműhajtásra alkalmazott állandó mágneses szinkron motorok fejlesztésének és irányításának aktuális problémái



Dr. Szénásy István

A motorfejlesztés célkitűzései

Mobilitás és Környezet konferencia2012. 01. 23

3 39

Cél: motor és szabályzásának fejlesztése tetszőleges járműbe, helyre, megfelelő hajtási-, fékezési és energetikai jellemzőkkel

Adott geometriai környezet: elhelyezés és méretekJárműfüggő teljesítmény-, nyomaték- és fordulatszám viszonyokNyomaték és hatásfok maximalizálásMéret és tömeg minimalizálás

Alapkonstrukció megválasztása előtanulmányok alapján:Állandó mágneses szinkron motor;színuszos táplálás; számítógépes motorirányítás

A motorfejlesztés célkitűzései

Villamos hajtásrendszer fejlesztése járművek számára



Előadó

Motorfejlesztés elméleti háttere


5 39

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 villamos gép megválasztása


6 39

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 mágnes elrendezések és –alakok:Motorfejlesztés elméleti háttere


7 39

A használatos álló-, és forgórész elrendezésekMotorfejlesztés elméleti háttere

A használatos tekercselések: több szállal, vagy rúddal

belső forgórész: sebesség-korlát

külső forgórész: gépészeti problémák

merev és jól hűthető,drága hegesztés


8 39

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



9 39

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



10

39

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.



11

39

A mezőgyengítés Nagy nyomatékú gép feszültség-konstansa is nagy – már a sebességtartomány

1/3-án elérheti a tápfeszültséget (Umax).

Ub=4.44*f*N*Φ*ξA belső feszültség:



12

39

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


14

39

A szinkronmotor fejlesztésnél figyelembe vett elsődleges szempontok haszonjárműben történő alkalmazáshoz

1. egyszerűbb áramszabályozásra alkalmasság - többletnyomaték, és mezőgyengítési

lehetőség nélkül2. mérsékelt indukció a vasveszteség csökkentésére3. nagy légrés a szórási reaktancia növelésére és a gépészeti problémák csökkentésére4. az elérhető legkisebb lüktető nyomaték, 5. 92-95 % körüli hatásfok, kis réz- és vasveszteséggel,6. aszinkronmotor állórészlemez felhasználhatósága, költségcsökkentés céljából7. színuszoshoz közeli indukció-eloszlás elérése,8. egyszerű, szimmetrikus tekercselhetőség, megbízható gyárthatóság

A fejlesztés problémája: több szempont ellentmond egymásnak

Szinkron motor fejlesztési folyamata


15

39

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


16

39

Haszonjárműbe tervezett szinkronmotor előfejlesztése

M=250Nm, n=1500/p

induktanciái, tömege,veszteségei, névleges munkaponti hatásfoka:

Fejlesztés: Emerton-szoftverrel



17

39

A motor-próbapad fejlesztése: DC vontatómotorral, mint fékgéppel



18

39

Motorfejlesztés Infolytica programmal: egész horonyszámú motor: lüktet, 8%



19

39

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



20

39

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


21

39

A motorfejlesztés része: gépészeti- és rendszertervezés, itt: a nyomatéklüktetés elhangolása a kapcsolatnál


A motor fejlesztése: prototípus gyártás




A motorfejlesztés eredményei


23

39

Járműbe építhető háromfázisú állandó mágneses szinkron motorok


2 db belső forgórészes, surface-mounted típusú, vízhűtéses PM szinkron motor

P= 30 kWM=250 Nmm=54,5 kg(teljes tömeg)


24

39

A fejlesztett motorok tesztelése próbapadon


• Ide kell egy kép a motor a troli padon és egy diagram


25

39

A fejlesztett motorok tesztelése haszonjárműben



26

39

Nem kívánt eredmények:lüktetőnyomaték, nyomatéklengések, mágneses eredetű rezgések, elektromágneses zavaró hullámok

Radiális és tangenciális erők a fluxusváltozásokból:a radiálisak hangrezgést gerjesztenek

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



27

39

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.)



28

39

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



29

39

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 mmd = 360 mmL = 120 mmtömeg 100kg



30

39

Adatok névleges üzemben


Törthoronyszámú gép szimuláció eredményei


31

39

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


Törthoronyszámú gép szimuláció eredményei


32

39

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



33

39

A mezőgyengítésre alkalmas áramvektor-szabályozás hatásvázlata



34

39

Fejlesztési javaslatáttétel-változtatás nélküli hajtás: a bemutatott nagy nyomaték, és nagy sebesség-tartományú PMSM motorral, 1000/p felett mezőgyengítéssel

Mmax=2600 Nm Mnévl=1000 Nm nmax =2500/p U =500 V Imax =320 A

D =514 d =360 L =120m =100kg

A bonyolult és drága elektro-hibrid sebességváltók helyett


416 kg


35

39

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


36

39


Városi hibrid autóbuszVillamos hajtású robogóVillamos hajtású alternatív járművek

Alkalmazási lehetőségek:


37

39


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.

Egyéb alkalmazási lehetőség


Nemzeti Fejlesztési Ügynökségwww.ujszechenyiterv.gov.hu

06 40 638 638

Mobilitás és környezet

Járműipari, energetikai és környezeti kutatásoka Közép- és Nyugat-Dunántúli Régióban

A projekt a Magyar Állam és az Európai Unió támogatásával,az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával

valósul meg.

TAMOP-4.2.1/B-09/1/KONV-2010-0003

Köszönöm megtisztelő figyelmüket!

Documents

Dr. Szénásy István Széchenyi István Egyetem