Különleges felépítésű, nagyfordulatszámú, állandómágneses generátor tervezése és tesztelése Kohári Zalán BME Villamos Energetika Tanszék SUPERTECH LABORATÓRIUM VILLAMOS ENERGETIKA TANSZÉK BUDA PESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGY ETEM
Az ötlet Lendkerekes energiatárolás Nagy fordulatszám Nagy teljesítmény sűrűség, nagy energiasűrűség Kis üresjárási veszteségek ellentmondás Lendkerékbe integrált tárcsagép, vasmentes konstrukció egy lehetséges megoldás, de mi valósítható meg hagyományos, hengeres felépítésben? több célra alkalmazható (mikroturbina generátor, lendkerék tesztelő, demonstrációk)
Kis veszteségű anyagok A lehető legkisebb üresjárási veszteségek elérése kisveszteségű ferromágneses anyagok alkalmazásával lehetséges. Ilyen anyagok: -Kobalt vas (nagy permeabilitás, nagy telítési indukció kb. 2,4 T, kb. 100 EUR/kg) - Nikkel vas (nagy permeabilitás, közepes telítési indukció kb. 1 T, 30-60 EUR/kg) - Ferrit (legkisebb veszteség, legkisebb telítési indukció kb. 0,45 T, olcsó) - Nano vas (legjobb, de nem beszerezhető) - Lézerkezelt transzformátor vas (orientált, forgó mezőben nem alkalmazható)
- Kis forgórész átmérő - Mágnesek rögzítése - Bandázs - Csapágyak 1. lépés: Mechanikai kihívások Az elérhető csapágyak és ezek tulajdonságainak áttekintése Itt cél volt, hogy a csapágy minél egyszerűbben alkalmazható legyen, és ne igényeljen különleges kezelést. Szupravezetős csapágyazással az első változatot nem akartam bonyolítani, hiszen ekkor a stabilitás vizsgálat és a megfelelő merevségű csapágykonstrukció kialakítása további jelentős nehézségekkel járt volna, és a tesztelést is nagyon megnehezíti
A csapágyazás A kiválasztott csapágyak eredetileg egy olajkenésű SM 608 C TA ABEC7 UL ferdehatásvonalú csapágyak lettek volna 8mm belső átmérővel, mindkét oldalon, ami maximálisan 150,000 1/min fordulatra képes olajkenés mellett, azonban a szállított csapágy pár 608 X-2Z TA HG típusú volt, amely teljesen zárt, és 65,000 1/min fordulatig használható. A hosszadalmas rendelési idők miatt végül ezekkel a csapággyal dolgoztunk tovább, amelyek egyszerűbben használhatók, és jobban terhelhetőek, de az eredetileg kitűzött 100,000 1/min fordulatot nem tudják.
A forgórész felépítése 2. lépés A forgórész átmérőjének meghatározása a mechanikai korlátok figyelembe vételével. Kezdetben bandázs nélküli konstrukcióra törekedtem, de végül a biztonság javára bandázzsal vettem körbe a mágneseket. A mechanikai számításokhoz saját fejlesztésű tervező programot használtam, amely egydimenziós (hossz és érintő irányú szimmetriát feltételezve) modell alapján számolja a mechanikai feszültségeloszlást egy tetszőlegesen rétegelt forgó test különböző anyagú rétegeiben.
Mechanikai feszültség eloszlás a forgórészben A mechanikai feszültségek eloszlása a különböző rétegekben izotróp bandázsanyagot feltételezve 100,000 1/min fordulat mellett
Mechanikai feszültség eloszlás a forgórészben A mechanikai feszültségek eloszlása a különböző rétegekben anizotróp bandázsanyagot (35 % szénszál) feltételezve 100,000 1/min fordulat mellett
Mechanikai feszültség eloszlás a forgórészben Az eredmények mutatják, hogy 100,000 1/min fordulatszám mellett közelíti meg a forgórész legjobban igénybevett és egyúttal legbizonytalanabb mechanikai tulajdonságokkal bíró része - a ragasztó a terhelhetőségének határát (20 MPa garantált szakítószilárdság a gyártó utasításainak betartása mellett). A 65,000 1/min fordulatszám esetén a biztonsági tényező 2,6, ami a szokásos értékeknek (2-3) megfelel. A feszültségeloszlás azt is mutatja, hogy a bandázs (előfeszítés nélkül) a mágneseket húzza, tehát nem segíti, hanem kismértékben nehezíti a ragasztó helyzetét (0,3 MPa járulékos húzóerő), azonban egy esetleges mágnes leváláskor megakadályozza annak lerepülését, és az állórész vagy a környezet sérülését.
3. lépés: A tengelyanyag A tengely A tengelyanyag megválasztásakor célom volt, hogy jó mechanikai és mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyagot válasszak. A nagy fordulatszám miatt célszerű, ha a tengely maga a koszorú, ugyanakkor szívósnak is kell lennie. A ragasztás miatt a korrózióállóság és a vegyi stabilitás is fontos az élettartam szempontjából. Az anyagtudomány tanszékről korrózióálló duplex acél alkalmazását javasolták, amely 50%-ban ferrites szerkezetű, így 1 T körüli telítési indukcióval, és 100 körüli relatív permeabilitással rendelkezik az összetétel alapján.
A tengely Ilyen minőségű rudak viszonylag nehezen beszerezhetők, általában táblalemez a felhasználás formája, de EN1.4462-es minőségben (2205) sikerült beszerezni. Antimágneses acél alkalmazása esetében kb. 15 %-kal kisebb fluxus alakulna ki a gépben, ilyen mértékben csökkentve a teljesítményt, emiatt már érdemes volt különleges anyag alkalmazása.
4. lépés: A villamos tervezés A villamos tervezés A villamos tervezést saját fejlesztésű tervezőprogrammal végeztem. Ez első lépésben bemeneti adatok alapján meghatározni a gép egyszerűsített geometriáját és tekercselését. Ezt követően lehetőség van a horonyalakok finomítására, a légrés változtatására, majd utolsó lépésként meghatározhatók a gép villamos helyettesítő paraméterei, és a felületi hőátadás ismeretében köpenyhűtés esetén a hőmérsékletek. A program bármilyen anyagokkal képes dolgozni (menthető és visszaolvasható anyag adatbázissal rendelkezik), de természetesen feltételezi, hogy a szórás viszonylag csekély a főfluxushoz képest, azaz a fluxus az állórészben a hornyokban halad, és a főfluxus a légrésen merőlegesen halad át.
A villamos tervezés
A villamos tervezés
A villamos tervezés
A villamos tervezés
A villamos tervezés eredményei
Különös eredmények: A villamos tervezés eredményei A forgórész átmérő a mechanikai igénybevételek miatt kicsi Az állórész furatot azonban célszerű minél nagyobbra választani, hiszen a teljesítmény ezzel arányosan nő A lágyferrit kis telítési indukciója, valamint a ritkaföldfém mágnesek ereje, és a gyártható minimális vastagság miatt is célszerű volt nagy légrést hagyni, hiszen a légrésindukció középértéke a ferrit telítése esetén is csak kb. 0,2-0,3 tesla lehet. A kerületi áramsűrűséget viszonylag nagyra választottam (650 A/cm), hogy a teljesítmény sűrűség jó legyen. Emiatt nagy hornyokat, és szokatlanul nagy légrést (7,9 mm) kaptam.
Végeselemes ellenőrzés A véges elemes ellenőrzés a Quickfield nevű szoftverrel történt, az eredmények az előzetes számításoknak kb. 10%-on belül megfeleltek.
Gyártási problémák A tengelyre a mágneseket kézzel ragasztottam fel, és hogy a radiális mágnesezés jó közelítéssel meglegyen (kb. 10 %-kal kisebb teljesítmény átmérős mágnesezés esetén) egy pólust három mágnes darabból raktam ki ezek taszították egymást erősen, így a felhelyezés elég pontatlan lett A bandázs egyenletes mechanikai terhelése miatt a mágnesek külsejét le kellett köszörülni a köszörülés után jelentősen csökkent a felületi indukció A ferrit állórészt vízzel vágattam ki ferrit tömbökből, a vágás szintén pontatlan, pl. a 2 mm-es horonyszáj a valóságban 3 mm széles
Gyártási problémák A tekercselést (fázisonként 40 menet, 80 párhuzamos szállal) a tekercselőműhelyek nem vállalták, a kis furatátmérő miatt a kétréteges tekercselést nem tudták megcsinálni Végül egyréteges, befűzött tekercseléssel készült el a gép, és a tekercsfejek csak úgy fértek el, ha a beépített réz mennyiségét 50 %-kal csökkentettük az eredeti tervhez képest A nagy fordulatszám miatt a forgórész nagyon pontos kiegyensúlyozására volt szükség (0,01 gmm)
Az elkészült gép
Az elkészült gép
Mérések A gép tengelye névleges fordulatszám mellett egyelőre mechanikailag nem terhelhető, a későbbiekben mikroturbinát tervezek hozzá kapcsolni, ehhez a BME Energetikai Gépek és Rendszerek tanszékének segítségét kértem, akik laboratóriumukban képesek mikro turbina generátorok üzemeltetésére és mérésére Az elvégzett mérések emiatt: üresjárási mérés motoros üzemben üresjárási mérési generátoros üzemben 3630 1/min fordulat mellett, szíjhajtással rövidzárási mérés 50 Hz-es táplálással Maximális fordulat 33,000 1/min volt az eddigi tesztelések során
Mérési eredmények 14 12 Vonali feszültség 10 15 10 8 5 6 0-0.01-0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03-5 4-10 -15 2 Vonali feszültség 0 8 7 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 Vonali feszültség Fázis feszültség 6 8 5 6 4 4 2 3 0-2 0 50 100 15 0 200 250 300 350 4 00-4 2-6 1-8 F ázis f eszültség Alapha rmonikus 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 Fázis feszültség
Mérési eredmények Mért üresjárási feszültség: U f0eff = 85 V Tervezett üresjárási feszültség: U f0eff = 150 V Mért szinkron reaktancia: 6,7 Ω (150 %) Számított érték: 7,25 Ω (166 %) Mért fázis ellenállás (DC): 0,0675 Ω Számított fázis ellenállás (AC): 0,0456 Ω Csökkentett maximális áram: 19,3 A Tervezett névleges áram: 28,1 A Kivehető teljesítmény: kb. 3 kw cosfi=0,8 (ind), és 13 A áram mellett, rosszabb teljesítmény tényező mellett a kivehető teljesítmény természetesen növelhető
Tanulságok A különleges anyagok különleges megmunkálást igényelnek, amit célszerű lett volna olcsóbb anyagokon kipróbálni. Az elkészült alkatrészeket más elfoglaltságok miatt gyakran csak túl későn ellenőriztem, egyes pontatlanságok máig nem ismertek. A mágnesek pontos mérése a köszörülés előtt és után elmaradt, pedig valószínűleg ez a lépés járult hozzá leginkább az üresjárási feszültség csökkenéséhez. A szinkron reaktanciát mindenképpen csökkenteni kellett volna, inkább kisebb teljesítményre kellett volna törekedni, és kisebb házméretre. A koszorú magassága és a furatátmérő a tekercselés szempontjából ilyen kis gépeknél meghatározó, a tekercsfejeknek nagyobb teret kellett volna hagyni.
Tanulságok Felmágnesezett mágnesek szerelése ilyen kis mágnes méretek mellett kézzel nem kivitelezhető, a taszítóerő igen nagy volt, a szerelés csak géppel vagy mágnesezetlen állapotban oldható meg. A mágnesek pontatlansága miatt a tengely finom megmunkálását csak a mágnesek beérkezése után szabad elvégezni, különben nem lesz jó az illeszkedés A vízvágás pontatlan művelet, utólagos köszörülés szükséges A rengeteg probléma ellenére a fejlesztést folytatni szeretném, mert a nagyfordulatszámú egységek motorként és generátorként is széles körben alkalmazhatók
Köszönöm a figyelmet! Köszönöm a munkában nyújtott segítséget: Gál Jánosnak, aki sokat segített a ferrit beszerzésében, és dinamikus mechanikai számításokkal is segítette munkámat Péter Gyulának, aki nélkül a tekercselés talán máig sem készült volna el, és a Villamos Energetika Tanszéken dolgozó kollegáimnak, különösen Németh Károlynak, akik a legelkeseredettebb időkben is támogatták a gép elkészítését