Tema V - lbcalmaq - Universidade de Vigo

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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
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Dpto. de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo.es/xmlopez - [email protected]
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.
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*)
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
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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
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Dimensionamiento del imán
Cortocirtuito
B
Br
Bm
Circuito en carga
Hg
Circuito abierto
H
- Hc
- Hm
Hc = Hg
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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.
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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)
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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
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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
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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
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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.
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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.
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1
8/22
9/22
Imanes permanentes
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Efecto de la temperatura
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Efecto de la temperatura
Influencia de la temperatura al NdFeB
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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
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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
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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?
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Brushless (DC, AC)
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Brushless (DC)
Componentes del BDC
- Estator devanado
- Rotor con excitación permanente
- Eliminación del colector -> Sensores de posición
T, I
n
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Brushless (DC, AC)
N S
16/22
Brushless (DC, AC)
17/22
Brushless (DC, AC)
18/22
Brushless (DC, AC)
N S
19/22
Brushless (DC, AC)
20/22
Brushless (DC)
21/22
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
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