Tema V - lbcalmaq - Universidade de Vigo
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Tema V - lbcalmaq - Universidade de Vigo
TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Dimensionamiento del imán. Características del imán Efecto de la desmagnetización (reacción de inducido) Características de imanes Efecto de la temperatura en la desmagnetización Motores de imanes permanentes (PM) Control de posición-alimentación 1/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes 1) Until now, the reduced part converters have been applied mainly to ac induction motor drives. However, these days, the Brushless Direct Current (BLDC) motor is attracting 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 2003 On 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 other classical motors. 1/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes *) The Squirrel-Cage Induction Motor is extremely robust and cheap, and its overloading capability (and consequently the field weakening characteristics) is good. However, its main problem is an always lagging power factor, which means that it can produce typically only 70−90 % of the torque produced by a comparable PMSM with the same current. Due to the introduction of the NdFeB (Neodymium-Iron-Boron) magnets and the vector control methods for PMSMs in the early 1990s, during the past decade, PMSM has become more common in dynamically demanding applications than IM. Because of the rotor permanent magnetization of PMSMs, a physically smaller motor and an inverter with a smaller current rating can be chosen. *) Jussi Puranen INDUCTION MOTOR VERSUS PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR IN MOTION CONTROL APPLICATIONS: A COMPARATIVE STUDY - 2006 1/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes 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 vibrations are reduced in PM motors. However, some aspects of the PM motors still arduous such as the risk of demagnetization under high operating temperature. Because of the high inertia, a noncontrolled short-circuit current is the major drawback. Moreover, despite the reduction in magnet cost, PM motors still more expensive than induction motors. *) Jussi Puranen INDUCTION MOTOR VERSUS PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR IN MOTION CONTROL APPLICATIONS: A COMPARATIVE STUDY - 2006 1/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Dimensionamiento del imán Cortocirtuito B Br Bm Circuito en carga Hg Circuito abierto H - Hc - Hm Hc = Hg 2/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Dimensionamiento del imán Imán B Recta de carga en vacío Material magnéticamente blandos Br Bm Bm = - µ0 [K1 Kr (sg/sm) (lm/lg)] Hm K1 : Coeficiente de dispersión H - Hc - Hm Kr : Coeficiente de reluctancia. Pondera la FMM invertida en el material magnéticamente blando del circuito. 3/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Dimensionamiento del imán Imán B Recta de carga en vacío Material magnéticamente blandos Bm Pc Bm = - µ0 [K1 Kr (sg/sm) (lm/lg)] Hm Coeficiente de permeancia: Pc Br H - Hc - Hm Bg = (Bm Hm) µ0 (Vm/Vg)(1/K1Kr) 4/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Características de magnetización de materiales magnéticos La curva intrínseca muestra la polarización intrínseca J. J = µ0 M La curva normal muestra la densidad de campo total BM en función de la intensidad magnética HM y de la magnetización intrínseca M del material. BM = µ0(HM + M) Curva J = B – (µ µo H) (curva de polarización magnética J) (J=0) BM = µ0HM + J 5/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Características del imán La curva intrínseca muestra la polarización intrínseca J. M J = µ0 M La curva normal muestra la densidad de campo total BM en función de la intensidad magnética HM y de la magnetización intrínseca M del material. M BM = µ0(HM + M) BM = µ0HM + J 5/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Características del imán 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). χm = susceptibilidad , es característica de cada material 5/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Características del imán Campo coercitivo intrínseco Hci: es el valor de la fuerza de desmagnetización que es necesario aplicar para reducir la polarización intrínseca hasta cero, J = 0. Campo Coercitivo Hc: es el valor de fuerza desmagnetización que es necesario aplicar para 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 desmagnetización del material es irreversible y sólo se puede eliminar con una re-magnetización. 6/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Efecto de la desmagnetización (reacción de inducido) 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 entrehierro. Sin embargo, el propio imán sufre una modificación del punto de trabajo, traduciéndose en un menor campo una vez el campo externo desaparece. 7/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Efecto de la desmagnetización (reacción de inducido) 1 8/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Efecto de la desmagnetización (reacción de inducido) 9/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Imanes permanentes 10/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Efecto de la temperatura 11/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Efecto de la temperatura Influencia de la temperatura al NdFeB 12/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes 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 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 12/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes 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 sensitive to temperature variation, increasing the demagnetization risk. PMSM IM 12/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Motores de imanes permanentes DC Imanes de campo en el estator Ventaja en motores miniatura. Diámetros < 70mm Brushless (DC, AC) Eliminación de escobillas y colector Reducción de peso y volumen Mejor comportamiento térmico Mejor rendimiento ¿Reducción de costes? 13/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Brushless (DC, AC) 14/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Brushless (DC) Componentes del BDC - Estator devanado - Rotor con excitación permanente - Eliminación del colector -> Sensores de posición T, I n 15/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Brushless (DC, AC) N S 16/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Brushless (DC, AC) 17/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Brushless (DC, AC) 18/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Brushless (DC, AC) N S 19/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Brushless (DC, AC) 20/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Brushless (DC) 21/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected] TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS http://webs.uvigo.es/lbcalmaq Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes Brushless (DC) S1 S2 S3 1 0 1 a c b S1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 ab ac bc ba ca cb G1 G1 G3 G3 G5 G5 G6 G2 G2 G4 G4 G6 0 60 120 180 240 300 60 120 180 240 300 360 Angulo de posición del eje S3 S2 22/22 Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected]