Piotr Bogusz, Mariusz Korkosz, Adam Mazurkiewicz, Jan Prokop - Badania symulacyjne silnika BLDC przeznaczonego do napędu hybrydowego bezzałogowego aparatu latającego.pdf - Maszyny elektryczne - Sassemi

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 93/2011

Piotr Bogusz, Mariusz Korkosz, Adam Mazurkiewicz, Jan Prokop

Politechnika Rzeszowska

BADANIA SYMULACYJNE SILNIKA BLDC PRZEZNACZONEGO

DO NAPĘDU HYBRYDOWEGO BEZZAŁOGOWEGO APARATU

LATAJĄCEGO

SIMULATION RESEARCH OF BLDC MOTOR USED FOR HYBRID UNMANNED

AERIAL VEHICLE DRIVE

Abstract: The research results of BLDC motor used for drive of a hybrid unmanned aerial vehicle have been

presented in the paper. The geometry of the designed electric motor and influence of form and magnesing

manner on permanent magnet versus average torque have been described. Using the simulation model, the

designed motor output characteristics were defined. The influence of battery voltage changes on specificity of

the motor has also been defined.

1. Wstęp

W ostatnich latach w lotnictwie rozpoczęto ba-

dania nad możliwością zastosowania napędów

hybrydowych, szczególnie w bezzałogowych

modelach latających [1-5]. Nowoczesny napęd

hybrydowy jest próbą połączenia zalet napędu

z silnikiem spalinowym (duża wartość energe-

tyczna paliwa lotniczego) oraz napędu z silni-

kiem elektrycznym (wysoka sprawność przetwa-

rzania energii). W zależności od układu, w któ-

rym pracuje silnik spalinowy i elektryczny lotni-

czy napęd hybrydowy można podzielić na: sze-

regowy, równoległy lub mieszany [5-7]. W ni-

niejszej pracy jest rozpatrywany napęd hybry-

dowy równoległy, w którym silnik spalinowy

pracuje z silnikiem elektrycznym na wspólnym

wale lub poprzez przekładnię. Rozwiązanie ze

wspólnym wałem jest najprostsze od strony kon-

strukcyjnej, jednak narzuca jednakową prędkość

obrotową dla obu silników. Prędkość ta jest ści-

śle związana z charakterystyką śmigła.

Celem niniejszej pracy jest przedstawienie

wyników badań symulacyjnych polowo-

obwodowych zaprojektowanego przez autorów

bezszczotkowego silnika prądu stałego

(BLDCM) przeznaczonego do lotniczego na-

pędu hybrydowego. W pracy przedstawiono

geometrię silnika oraz obliczone przebiegi

czasowe napięć i prądów i charakterystyki ru-

chowe projektowanego silnika. Określono

wpływ zmiany napięcia baterii akumulatorów

na właściwości silnika. Na podstawie obliczeń

FEM w programie CAD zbudowano pełny

model 3D projektowanego silnika.

2. Projekt wstępny i model symulacyjny

silnika BLDC

2.1. Wybór konstrukcji silnika

Z uwagi na wymagania dotyczące silnika prze-

znaczonego do napędu bezzałogowego aparatu

latającego (minimalne wymiary, jak najmniej-

sza masa oraz możliwie największa sprawność),

autorzy zdecydowali się na zastosowanie bez-

szczotkowego silnika prądu stałego (BLDCM).

Dla otrzymania dużej wartości momentu przy

małych gabarytach silnika zastosowano rozwią-

zanie z wirnikiem zewnętrznym. Na rysunku 1

przedstawiono przekrój poprzeczny konstrukcji

projektowanego silnika BLDC.

Rys.1. Przekrój poprzeczny projektowanego

silnika BLDC

Z uwagi na specyfikę projektu, według której

od silnika elektrycznego wymaga się możliwie

jak najmniejszej wartości momentu zaczepowe-

go, zdecydowano się na zastosowanie maszyny

o liczbie biegunów stojana N s = 12 i liczbie bie-

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 93/2011

gunów wirnika N r =14 (liczba par biegunów

wirnika p = 7). W celu ograniczenia strat

w rdzeniu zastosowano blachę magnetyczną

prądnicową izotropową o grubości 0.35 mm,

zamiast standardowo stosowanej blachy 0.5

mm. Dla uzyskania założonych parametrów sil-

nika zastosowano magnesy neodymowe klasy

N42SH, które mogą pracować w temperaturze

do 150°C. W projekcie analizowano cztery

przypadki różniące się kształtem i/lub sposo-

bem magnesowania magnesów trwałych.

2.2. Model polowo-obwodowy 2D projekto-

wanego silnika BLDC

Metodykę obliczeń symulacyjnych projektowa-

nego silnika BLDC oparto o model polowo-

obwodowy 2D pozwalający na rozwiązywanie

jednocześnie równań pola elektromagnetyczne-

go metodą elementów skończonych (FEM),

równań obwodowych uzwojeń silnika wraz

z zasilaniem oraz równań ruchu mechaniczne-

go. Na rysunku 2 przedstawiono ogólny sche-

mat

przedstawiono rozkład linii strumienia, zaś na

rysunku 4 rozkład gęstości strumienia w obwo-

dzie magnetycznym zaprojektowanego silnika

BLDC.

Rys.3. Rozkład linii strumienia projektowanego

silnika BLDC

opracowanego

modelu

polowo-

obwodowego silnika BLDC.

Rys.4. Rozkład gęstości strumienia

projektowanego silnika BLDC

Rys.2. Schemat modelu polowo-obwodowego

projektowanego silnika BLDC

Omawiany model symulacyjny jest w pełni

sparametryzowany i pozwala na analizę nie

tylko rozkładu pola magnetycznego, ale także

na obliczanie przebiegów czasowych napięć,

prądów i momentu, a także charakterystyk

regulacyjnych

Rys.5. Schemat modelu układu zasilającego

silnika.

rysunku

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 93/2011

Na podstawie modelu symulacyjnego przepro-

wadzono obliczenia elektromagnetyczne ukie-

runkowane na uzyskanie możliwie jak najwięk-

szej wartości momentu elektromagnetycznego,

przy możliwie jak najmniejszej wartości mo-

mentu zaczepowego. Obliczenia prowadzono

dla czterech różnych kształtów magnesów

i różnych ich polaryzacji. Do wyznaczenia

przebiegów czasowych prądów poszczególnych

pasm zamodelowano typowy układ zasilający

stosowany w silnikach BLDC, którego schemat

przedstawiono na rysunku 5.

Omawiany model pozwala także na analizę

wpływu parametrów silnika na wypadkowe prze-

biegi napięć, prądów i momentu, a także wyj-

ściowych charakterystyk regulacyjnych silnika.

3. Wyniki symulacji charakterystyk

silnika BLDC

3.1. Przebiegi czasowe napięć, prądów i mo-

mentu

Napięcia indukowane E w poszczególnych pa-

smach silnika wyznaczono w obwodzie otwar-

tym przy stałej prędkości obrotowej n . Na ry-

sunku 6 przedstawiono przebiegi czasowe na-

pięć indukowanych międzypasmowych w funk-

cji kąta położenia wirnika .

Na rysunku 7 przedstawiono przebiegi czasowe

napięć indukowanych E z zaznaczonymi

chwilami załączania poszczególnych

elementów przełączających układu. Kąt

załączenia  on w miejscach zaznaczonych

strzałkami przyjęto umownie, jako równy 0°.

Kąt przewodzenia  każdego tranzystora jest

równy 1/3 okresu elektrycznego, co

w analizowanym przypadku wynosi 17.14°

stopnia mechanicznego. Z uwagi na niską

wartość

napięcia

zasilającego

U dc =[24V ÷ 29.6V],

szczególną

uwagę

zwrócono

poprawne

zamodelowanie

spadków

napięcia

występujących

tranzystorach MOSFET oraz diodach.

Na rysunku 8 przedstawiono zależność momen-

tu elektromagnetycznego T e w funkcji kąta ob-

rotu wirnika, zaś na rysunku 9 zależność prądu

źródła zasilającego silnika I dc od kąta obrotu.

Rys.8. Moment elektromagnetyczny T e w funkcji

kąta obrotu wirnika  dla n=8000 min -1

i U dc =26.5V

Rys.6. Zależność napięć indukowanych w silni-

ku BLDC w funkcji kąta obrotu wirnika przy

prędkości 8000 min -1

Rys.9. Prąd źródła zasilającego w funkcji kąta

obrotu wirnika  dla n=8000 min -1 i U dc =26.5V

Na rysunkach 10 oraz 11 przedstawiono

odpowiednio prądy poszczególnych pasm i a , i b ,

i c (rys.10) oraz napięcia międzypasmowe U ca ,

U bc , U ab (rys.11) w funkcji kąta położenia

wirnika  za jeden okres elektryczny przy

prędkości

Fig.7. Zależność napięć indukowanych z zazna-

czeniem kątów komutacji poszczególnych ele-

mentów przełączających

min -1 .

n =8000

Zależności

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 93/2011

wyznaczono przy napięciu zasilającym

U dc =26.5V oraz przy kącie załączenia  on =0°.

oraz strat w miedzi P Cu (rys.15) w funkcji

wartości napięcia zasilającego U dc .

Rys.12. Zależność mocy wyjściowej od napięcia

zasilającego dla n=8000 min -1

Rys.10. Prądy pasm w funkcji kąta obrotu wir-

nika  dla n=8000 min -1 i U dc =26.5V

Rys.13. Zależność prądu źródła zasilającego od

napięcia zasilającego dla n=8000 min -1

Rys.11. Napięcia międzyprzewodowe w funkcji

kąta obrotu wirnika  dla n=8000 min -1

i U dc =26.5V

3.2. Charakterystyki regulacyjne silnika

Zakres zmiany napięcia zasilającego wynika z

właściwości zastosowanych ogniw zasilających.

W analizowanym przypadku mieści się on w

przedziale od U dcmax =29.6V do U dcmin =24V. Dla

przyjętego zakresu zmiany wartości napięcia

zasilającego na podstawie modelu

symulacyjnego FEM wyznaczano zależności

prądów i momentu elektromagnetycznego od

kąta położenia wirnika. Obliczenia

przeprowadzono przy założeniu stałej prędkości

obrotowej n=8000 min -1 oraz kącie załączania

 on =0°. Obliczenia FEM prowadzono dla

różnych położeń wirnika, z krokiem 0.5°. Na

podstawie wygenerowanych zależności

momentu elektromagnetycznego oraz prądów

wyznaczono zależność mocy wyjściowej P out

i prądu źródła zasilającego I dc w funkcji wartości

napięcia zasilającego U dc , co przedstawiono

odpowiednio na rysunkach 12 i 13.

Na rysunkach 14 i 15 przedstawiono

odpowiednio zależności sprawności

wypadkowej układu napędowego  (rys.14)

Rys.14. Zależność sprawności wypadkowej

układu napędowego od napięcia zasilającego

dla n=8000 min -1

Rys.15. Zależność strat w miedzi od napięcia

zasilającego dla n=8000 min -1

Przy wzroście napięcia zasilającego powyżej

27.6 V jest wymagane zastosowanie sterowania

PWM dla ograniczenia wartości maksymalnej

prądu źródła zasilającego (rys.13). Poniżej

napięcia U dc =26.7V silnik nie jest w stanie

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 93/2011

osiągnąć założonej mocy wyjściowej (rys.12).

Od projektowanego silnika wymaga się, aby

moc wyjściowa P out =800W była wytwarzana

przy minimalnym napięciu zasilającym

U dcmim =24V. Można to uzyskać przez

zwiększenie gabarytów silnika lub korektę kąta

załączenia  on . Z uwagi na ograniczenia

wagowe napędu elektrycznego zdecydowano

się wprowadzić korektę kąta załączenia.

Na rysunkach 16 i 17 przedstawiono zależność

mocy wyjściowej P out (rys. 16) oraz prądu

źródła zasilającego I dc (rys.17) od kąta

załączenia  on . Zależność sprawności

wypadkowej układu napędowego  oraz strat w

miedzi P Cu od kąta załączenia  on przy napięciu

zasilającym U dcmin =24V oraz stałych kątach

przewodzenia przedstawiono odpowiednio na

rysunkach 18 i 19.

Rys.19. Zależność strat w miedzi od kąta załą-

czenia dla n=8000 min -1

Wprowadzając odpowiednią korektę kąta

załączenia  on =4.3° uzyskuje się wymaganą

moc wyjściową na wale silnika (rys.16). Jednak

utrzymanie wymaganej wartości mocy

wyjściowej przy spadku napięcia do wartości

minimalnej będzie powodowało pogorszenie

sprawności wypadkowej (rys.17). Z rysunku 16

wynika również, że zastosowanie niewielkiej

korekty kąta załączenia  on 1° powoduje

nieznaczny wzrost sprawności wypadkowej

układu napędowego niezależnie od wartości

napięcia zasilającego.

4. Model finalny zaprojektowanego

silnika BLDC

Na podstawie wyników obliczeń

symulacyjnych w programie CAD zbudowano

kompletny model 3D projektowanego silnika

BLDC. Na rysunku 20 przedstawiono widok

zaprojektowanego modelu silnika

przeznaczonego do realizacji praktycznej.

Waga kompletnego modelu silnika obliczona na

podstawie przewidzianych do wykonania

materiałów wynosi 0.55 kg.

Rys.16. Zależność mocy wyjściowa od kąta za-

łączenia dla n=8000 min -1

Rys.17. Zależność prądu źródła zasilającego od

kąta załączenia dla n=8000 min -1

Fig.20. Widok modelu 3D zaprojektowanego

silnika BLDC

Na podstawie opracowanego modelu 3D

wykonano prototyp silnika BLDC. Na rysunku

21 przedstawiono widok wykonanego wirnika

zewnętrznego silnika, wałka oraz tarcz

łożyskowych.

Rys.18. Zależność sprawności wypadkowej

układu napędowego od kąta załączenia dla

n=8000 min -1

Piotr Bogusz, Mariusz Korkosz, Adam Mazurkiewicz, Jan Prokop - Badania symulacyjne silnika BLDC przeznaczonego do napędu hybrydowego bezzałogowego aparatu latającego.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: