Mobilitás és Környezet Konferencia Magyar Tudományos Akadémia Budapest, 2012. január 23. Korszerű járműhajtásra alkalmazott állandó mágneses szinkron motorok fejlesztésének és irányításának aktuális problémái Dr. Szénásy István Széchenyi István Egyetem
Mobilitás és Környezet Konferencia Magyar Tudományos Akadémia Budapest, 2012. január 23. A motorfejlesztés célkitűzései Dr. Szénásy István
3 39 A motorfejlesztés célkitűzései Villamos hajtásrendszer fejlesztése járművek számára Cél: motor és szabályzásának fejlesztése tetszőleges járműbe, helyre, megfelelő hajtási-, fékezési és energetikai jellemzőkkel Adott geometriai környezet: elhelyezés és méretek Járműfüggő teljesítmény-, nyomaték- és fordulatszám viszonyok Nyomaték és hatásfok maximalizálás Méret és tömeg minimalizálás Alapkonstrukció megválasztása előtanulmányok alapján: Állandó mágneses szinkron motor; színuszos táplálás; számítógépes motorirányítás
Mobilitás és Környezet Konferencia Magyar Tudományos Akadémia Budapest, 2012. január 23. Motorfejlesztés elméleti háttere Előadó
5 39 Motorfejlesztés elméleti háttere A villamos gép megválasztása A szinuszos alakú árammal táplált, állandó mágneses szinkron motor a legnagyobb teljesítménysűrűségű villamos gép, akár cos φ=1-el. Járműhajtásra (nagy indítónyomaték, tetszőleges fordulatszám) akkor alkalmas, ha - az állórész-áramok Park-vektorát a nyomatékszög értékének figyelembevételével a rotor d- tengely aktuális szöghelyzetéhez tudjuk illeszteni, illetve - 90 foktól eltérés igénye esetén zárt szabályozási körben tudjuk kezelni az áramvektor d és q irányú összetevőit, így az áramvektor hosszát és szögét.
6 39 Motorfejlesztés elméleti háttere A használatos mágnes elrendezések és alakok: Palástra ragasztott hasáb, ívelt, körszelet mágnesek Beágyazott hasáb mágnesek Előnyök és hátrányok a járműhajtás igényei szempontjából: A technológiailag egyszerűbb, palástra ragasztott építésűek Ld=Lq aránya nem ad nyomaték-többletet, de igen jó anyagkihasználásúak
7 39 Motorfejlesztés elméleti háttere A használatos álló-, és forgórész elrendezések belső forgórész: sebesség-korlát külső forgórész: gépészeti problémák A használatos tekercselések: több szállal, vagy rúddal merev és jól hűthető, drága hegesztés
8 39 Motorfejlesztés elméleti háttere A mágneses ellenállások irány- és hely szerinti alakítása nyomatéknövelést eredményezhet az eltérő d és q irányú induktivitások következtében, kutatása folyamatban lévő feladat A keletkező reluktancia-nyomaték egyes motorokban már 50% feletti hozzájárulású. A mágneses tengelyek d és q irányai egy forgórész-lemeztestben: A hidak feladata a mágnes és környéke tömegének mechanikai tartása
9 39 Motorfejlesztés elméleti háttere A reluktancianyomaték A reluktancianyomaték a d- és q irányú induktivitás-különbséggel arányos:
10 39 Motorfejlesztés elméleti háttere A fejlesztés legfontosabb alapjellemzői A gép adottságait meghatározza: konstrukciója, irányítási-vezérlési módja. A csak 90 fokos áramvektor kivezérlésű inverter fejlesztése, kezelése egyszerűbb, míg az áramvektor forgatásra alkalmas inverter- és szabályozó az oda-vissza transzformációkkal együtt bonyolultabb, de előnyei jelentősek. A sebességtartomány kiterjesztése és a legnagyobb hatásfokú munkatartomány elérése áramvektor-forgatást igényel. A nyomatéklüktetés csökkentése újabb követelményeket jelent. Fejlesztjük az Ld<Lq arányt biztosító mágneskörű motort is.
11 39 Motorfejlesztés elméleti háttere A mezőgyengítés Nagy nyomatékú gép feszültség-konstansa is nagy már a sebességtartomány 1/3-án elérheti a tápfeszültséget (U max ). A belső feszültség: U b =4.44*f*N*Φ*ξ
12 39 Motorfejlesztés elméleti háttere Az önvezérelt szinkrongép áramvektor-szabályozása mezőgyengítésben A sebesség növekedésével a feszültségvektor eléri megengedett értékét. Felette a -d irányú komponenssel elnyomjuk, csökkentjük a túlnövekedett belső feszültség hatását:
Mobilitás és Környezet Konferencia Magyar Tudományos Akadémia Budapest, 2012. január 23. A szinkron motor fejlesztési folyamata Dr. Szénásy István
14 39 Szinkron motor fejlesztési folyamata A szinkronmotor fejlesztésnél figyelembe vett elsődleges szempontok haszonjárműben történő alkalmazáshoz 1. egyszerűbb áramszabályozásra alkalmasság - többletnyomaték, és mezőgyengítési lehetőség nélkül 2. mérsékelt indukció a vasveszteség csökkentésére 3. nagy légrés a szórási reaktancia növelésére és a gépészeti problémák csökkentésére 4. az elérhető legkisebb lüktető nyomaték, 5. 92-95 % körüli hatásfok, kis réz- és vasveszteséggel, 6. aszinkronmotor állórészlemez felhasználhatósága, költségcsökkentés céljából 7. színuszoshoz közeli indukció-eloszlás elérése, 8. egyszerű, szimmetrikus tekercselhetőség, megbízható gyárthatóság A fejlesztés problémája: több szempont ellentmond egymásnak
15 39 Szinkron motor fejlesztési folyamata A motor paraméterei a feladat szimulációjával megalapozottak Energetikai szimulációk egy, a hibrid busz (Budai vár) feladatra - itt mezőgyengíthető, nagy fordulatszám-tartományú motort feltételezve a Széll K. tér végállomás a várban - Széll K. térre vissza útvonalon 1,76 kwh fogyasztás az indulás és érkezés között. A legtöbb fogyasztás a tárolóból 3 kwh, de a visszaérkezés lejtőjén 1.3 kwh-t visszatölt. Tároló nélkül: 6 kwh (!) a fogyasztás
16 39 Szinkron motor fejlesztési folyamata Haszonjárműbe tervezett szinkronmotor előfejlesztése M=250Nm, n=1500/p induktanciái, tömege, veszteségei, névleges munkaponti hatásfoka: Fejlesztés: Emertonszoftverrel
17 39 Szinkron motor fejlesztési folyamata A motor-próbapad fejlesztése: DC vontatómotorral, mint fékgéppel
18 39 Szinkron motor fejlesztési folyamata Motorfejlesztés Infolytica programmal: egész horonyszámú motor: lüktet, 8%
19 39 Szinkron motor fejlesztési folyamata Féküzem 200% sebességen, mezőgyengített motorban. A lüktetés erős, 16%, nem lenne alkalmas áramvektor-forgatásos mezőgyengítésre (előző motor)
20 39 Szinkron motor fejlesztési folyamata PMS motor külső köpenyes hűtés szimuláció Hűtőfolyadék be és kivezetés optimalizáció Új hűtési módszerek felvetése Belső léghűtés szimuláció Motor hűtés szimuláció A Virtuális prototipizálás alprojekttel való együttműködés eredménye - vezető: Dr. Veress Árpád
21 39 Szinkron motor fejlesztési folyamata A motor fejlesztése: prototípus gyártás A motorfejlesztés része: gépészeti- és rendszertervezés, itt: a nyomatéklüktetés elhangolása a kapcsolatnál
Mobilitás és Környezet Konferencia Magyar Tudományos Akadémia Budapest, 2012. január 23. A motorfejlesztés eredményei Dr. Szénásy István
23 39 A motorfejlesztés eredményei Járműbe építhető háromfázisú állandó mágneses szinkron motorok 2 db belső forgórészes, surface-mounted típusú, vízhűtéses PM szinkron motor P= 30 kw M=250 Nm m=54,5 kg (teljes tömeg)
24 39 A motorfejlesztés eredményei A fejlesztett motorok tesztelése próbapadon Ide kell egy kép a motor a troli padon és egy diagram
25 39 A motorfejlesztés eredményei A fejlesztett motorok tesztelése haszonjárműben
26 39 A motorfejlesztés eredményei Nem kívánt eredmények: lüktetőnyomaték, nyomatéklengések, mágneses eredetű rezgések, elektromágneses zavaró hullámok Az árammentes állapotban fellépő lüktetőnyomaték függvénye az alábbiaknak: - légrés, - légrésindukció, - mágnes ívhossz, - egész- vagy tört horonyszámú- e a gép, utóbbi esetén ennek változataitól, - fogszélesség, - horony-nyílás geometria, vastagsági átmenetek jellege azaz a mágneses ellenállást befolyásoló paraméterek Radiális és tangenciális erők a fluxusváltozásokból: a radiálisak hangrezgést gerjesztenek
27 39 A motorfejlesztés eredményei A nyomatéklengések mértéke az áramtól és a nyomatékszögtől is függ: Csökkentheti a mezőgyengítés alkalmazhatóságát mélyfekvésű mágnesnél is. A Toyota Prius motor-modell szimuláció: a nyomatéklengések 48 fokos előreforgatásnál, névleges áramnál már 25 % felettiek: (Normál tekercseléssel. Speciális tekercs-kapcsolásukkal a lengések kisebbek.)
28 39 A motorfejlesztés eredményei Megoldási lehetőségek a mezőgyengítés alatti nyomatéklüktetések 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 A motorfejlesztés eredményei Tört-horonyszámú gép fejlesztés és szimuláció eredményei Feladat: M max =2600 Nm, M névl =1000 Nm, n max = 2500 /p, U = 500 V, I max = 320 A Eredmény: D = 514 mm d = 360 mm L = 120 mm tömeg 100kg
30 39 A motorfejlesztés eredményei Törthoronyszámú gép szimuláció eredményei Adatok névleges üzemben
31 39 A motorfejlesztés eredményei Törthoronyszámú gép szimuláció eredményei A legjobb hatásfokú munkapont elérése áramvektorforgatást igényelt: n =1000/p, M=698 Nm, I d =-I q =-240 A, P= 73,1 kw, vektorszög 45 o, U rms = 102 V, η = 98,5%, cosφ= 0,997
32 39 A motorfejlesztés eredményei Előjeles indukcióeloszlás (névleges áram; vektor-elforgatás: 0 fok)
33 39 A motorfejlesztés eredményei A mezőgyengítésre alkalmas áramvektor-szabályozás hatásvázlata
34 39 A motorfejlesztés eredményei Fejlesztési javaslat áttétel-változtatás nélküli hajtás: a bemutatott nagy nyomaték, és nagy sebesség-tartományú PMSM motorral, 1000/p felett mezőgyengítéssel D =514 d =360 L =120 m =100kg M max =2600 Nm M névl =1000 Nm n max =2500/p U =500 V I max =320 A A bonyolult és drága elektrohibrid sebességváltók helyett 416 kg
35 39 A motorfejlesztés eredményei Szinkron motorjaink: haszonjármű, üzemel: 230Nm; robogó, épül: 40 Nm; kerékpár: 10 Nm; kisbusz és vasúti üzemre, tervezés alatt: max 2600 Nm
36 39 A motorfejlesztés eredményei Alkalmazási lehetőségek: Városi hibrid autóbusz Villamos hajtású robogó Villamos hajtású alternatív járművek
37 39 A motorfejlesztés eredményei Egyéb alkalmazási lehetőség A Millenniumi Földalatti Vasút lehetséges hajtásfejlesztése: energiatároló rendszerrel és (az előzőnél kisebb) PMSM motorokkal. A rövid megállótávok miatt 35-40 %-os fogyasztás-, továbbá 3-4 C o hőmérsékletcsökkenés várható.
TAMOP-4.2.1/B-09/1/KONV-2010-0003 Mobilitás és környezet Járműipari, energetikai és környezeti kutatások a Közép- és Nyugat-Dunántúli Régióban A projekt a Magyar Állam és az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. Nemzeti Fejlesztési Ügynökség www.ujszechenyiterv.gov.hu 06 40 638 638
Köszönöm megtisztelő figyelmüket!