Dr. Szénásy István Széchenyi István Egyetem

1. Korszerű járműhajtásra alkalmazott állandó mágneses szinkron motorok fejlesztésének és irányításának aktuális problémái Dr. Szénásy István Széchenyi István Egyetem

2. A motorfejlesztés célkitűzései Dr. Szénásy István

3. 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

4. Motorfejlesztés elméleti háttere Előadó

5. 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. Palástra ragasztott hasáb, ívelt, körszelet mágnesekBeágyazott hasáb mágnesekElőnyök és hátrányok a járműhajtás igényei szempontjából:A technológiailag egyszerűbb, palástra ragasztott építésűek Ld=Lq aránya nem ad nyomaték-többletet, de igen jó anyag- kihasználásúak Motorfejlesztés elméleti háttere A használatos mágnes elrendezések és –alakok:

7. Motorfejlesztés elméleti háttere A használatos álló-, és forgórész elrendezések külső forgórész: gépészeti problémák belső forgórész: sebesség-korlát A használatos tekercselések: több szállal, vagy rúddal merev és jól hűthető, drága hegesztés

8. 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: Motorfejlesztés elméleti háttere A hidak feladata a mágnes és környéke tömegének mechanikai tartása

9. A reluktancianyomaték A reluktancianyomatékad- és q irányú induktivitás-különbséggel arányos: Motorfejlesztés elméleti háttere

10. 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. Motorfejlesztés elméleti háttere

11. A mezőgyengítés Nagy nyomatékú gép feszültség-konstansa is nagy – már a sebességtartomány 1/3-án elérheti a tápfeszültséget (Umax). Motorfejlesztés elméleti háttere A belső feszültség: Ub=4.44*f*N*Φ*ξ

12. Az önvezérelt szinkrongép áramvektor-szabályozása mezőgyengítésben Motorfejlesztés elméleti háttere A sebesség növekedésével a feszültségvektor eléri megengedett értékét. Felette a „-d” irányú komponenssel elnyomjuk, csökkentjük a túlnövekedett belső feszültség hatását:

13. A szinkron motor fejlesztési folyamata Dr. Szénásy István

14. A szinkronmotor fejlesztésnél figyelembe vett elsődleges szempontokhaszonjárműben történő alkalmazáshoz egyszerűbb áramszabályozásra alkalmasság - többletnyomaték, és mezőgyengítési lehetőség nélkül mérsékelt indukció a vasveszteség csökkentésére nagy légrés a szórási reaktancia növelésére és a gépészeti problémák csökkentésére az elérhető legkisebb lüktető nyomaték, 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 Szinkron motor fejlesztési folyamata

15. A motor paraméterei a feladat szimulációjával megalapozottakEnergetikai szimulációk egy, a hibrid busz (Budai vár) feladatra - itt mezőgyengíthető, nagy fordulatszám-tartományú motort feltételezveaSzéll K. tér – végállomás a várban - Széll K. térre vissza útvonalon Szinkron motor fejlesztési folyamata 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. Haszonjárműbe tervezett szinkronmotor előfejlesztése M=250Nm, n=1500/p induktanciái, tömege,veszteségei, névleges munkaponti hatásfoka:Fejlesztés: Emerton-szoftverrel Szinkron motor fejlesztési folyamata

17. A motor-próbapad fejlesztése: DC vontatómotorral, mint fékgéppel Szinkron motor fejlesztési folyamata

18. Motorfejlesztés Infolytica programmal: egész horonyszámú motor: lüktet, 8% Szinkron motor fejlesztési folyamata

19. Féküzem 200% sebességen, mezőgyengített motorban. A lüktetés erős , 16%, nem lenne alkalmas áramvektor-forgatásos mezőgyengítésre (előző motor) Szinkron motor fejlesztési folyamata

20. Motor hűtés szimuláció Szinkron motor fejlesztési folyamata PMS motor külső köpenyes hűtés szimuláció • Hűtőfolyadék be és kivezetés optimalizáció • Új hűtési módszerek felvetése • Belső léghűtés szimuláció A Virtuális prototipizálás alprojekttel való együttműködés eredménye - vezető: Dr. Veress Árpád

21. A motorfejlesztés része: gépészeti- és rendszertervezés, itt: a nyomatéklüktetés elhangolása a kapcsolatnál A motor fejlesztése: prototípus gyártás Szinkron motor fejlesztési folyamata

22. A motorfejlesztés eredményei Dr. Szénásy István

23. Járműbe építhető háromfázisú állandó mágneses szinkron motorok 2 db belső forgórészes, surface-mounted típusú, vízhűtéses PM szinkron motorP= 30 kWM=250 Nmm=54,5 kg(teljes tömeg) A motorfejlesztés eredményei

24. A fejlesztett motorok tesztelése próbapadon A motorfejlesztés eredményei • Ide kell egy kép a motor a troli padon és egy diagram

25. A fejlesztett motorok tesztelése haszonjárműben A motorfejlesztés eredményei

26. Nem kívánt eredmények:lüktetőnyomaték, nyomatéklengések, mágneses eredetű rezgések, elektromágneses zavaró hullámok A motorfejlesztés eredményei 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. 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: A motorfejlesztés eredményei (Normál tekercseléssel. Speciális tekercs-kapcsolásukkal a lengések kisebbek.)

28. Megoldási lehetőségek a mezőgyengítés alatti nyomaték-lüktetések 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 állapotbanelegendően sima a nyomaték A motorfejlesztés eredményei

29. Tört-horonyszámú gép fejlesztés és szimuláció eredményei A motorfejlesztés eredményei Feladat: Mmax=2600 Nm, Mnévl=1000 Nm, nmax= 2500 /p, U = 500 V , Imax = 320 A Eredmény: D = 514 mm d = 360 mm L = 120 mm tömeg 100kg

30. Adatok névleges üzemben Törthoronyszámú gép szimuláció eredményei A motorfejlesztés eredményei

31. A legjobb hatásfokú munkapont elérése áramvektorforgatást igényelt: Törthoronyszámú gép szimuláció eredményei A motorfejlesztés eredményei n =1000/p, M=698 Nm, Id=-Iq=-240 A, P= 73,1 kW, vektorszög 45o, Urms= 102 V, η = 98,5%, cosφ= 0,997

32. Előjeles indukcióeloszlás (névleges áram; vektor-elforgatás: 0 fok) A motorfejlesztés eredményei

33. A mezőgyengítésre alkalmas áramvektor-szabályozás hatásvázlata A motorfejlesztés eredményei

34. Fejlesztési javaslatáttétel-változtatás nélküli hajtás: a bemutatott nagy nyomaték, és nagy sebesség-tartományú PMSM motorral, 1000/p felett mezőgyengítéssel A bonyolult és drága elektro-hibrid sebességváltók helyett A motorfejlesztés eredményei D =514 d =360 L =120 m =100kg Mmax=2600 Nm Mnévl=1000 Nm nmax =2500/p U =500 V Imax =320 A 416 kg

35. Szinkron motorjaink: haszonjármű, üzemel: 230Nm; robogó, épül: 40 Nm;kerékpár: 10 Nm; kisbusz és vasúti üzemre, tervezés alatt: max 2600 Nm A motorfejlesztés eredményei

36. A motorfejlesztés eredményei Alkalmazási lehetőségek: Városi hibrid autóbusz Villamos hajtású robogó Villamos hajtású alternatív járművek

37. 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 Co hőmérsékletcsökkenés várható.