PROIECTAREA ASISTATĂ DE CALCULATOR A UNUI SISTEM DE ACȚIONARE CU MOTOR BLDC PENTRU ECHIPAMENTE ELECTROCASNICE [308311]
[anonimizat]: [anonimizat]. Andrei OPREA
Conducător științific:
Conf. dr. ing. Eugen DIACONESCU
PITEȘTI
Sesiunea iulie 2018
[anonimizat] : SURSE DE CONVERSIE A ENERGIEI
LUCRARE DE DISERTAȚIE
PROIECTAREA ASISTATĂ DE CALCULATOR A UNUI SISTEM DE ACȚIONARE CU MOTOR BLDC PENTRU ECHIPAMENTE ELECTROCASNICE
Masterand: [anonimizat]. Andrei OPREA
Conducător științific:
Conf. dr. ing. Eugen DIACONESCU
PITEȘTI
Sesiunea iulie 2018
Lista Figurilor
Figura 1-1 Prezentarea mașinii sincrone [1] 6
Figura 1-2 Variante constructive ale rotorului mașinii sincrone a) cu poli aparenți, b) cu poli înecați [2] 7
Figura 1-3 Secțiune transversală a mașinii sincrone cu poli aparenți [4] 10
Figura 1-4 [anonimizat] [4] 10
Figura 1-5 Diagrama de fazori 12
Figura 1-6 Schema de măsurare Ld 13
Figura 1-7 Schema de măsurare Lq 14
Figura 1-8 Schema bloc a controlului FOC [5] 16
Figura 1-9 Driver TI pentru implementare controlului FOC [6] 17
Figura 1-10 Schema bloc controler TOSHIBA [7] 18
Figura 2-1 [anonimizat] [8] 20
Figura 2-2 [anonimizat] [8] 21
Figura 2-3 Modelarea cu suprafețe cu (stanga) și fără (dreapta) limite de frontieră [8] 21
Figura 2-4 Randarea unei părți solide a unui model [8] 22
Figura 2-5 Logo CATIA [9] 23
Figura 2-6 Logo CREO [9] 24
Figura 2-7 Logo SolidWorks [9] 25
Figura 2-8 Logo AUTOCAD [9] 25
Figura 2-9 Rețele uzuale a) rectangular b) trapez c) triunghiular d) circular [10] 28
Figura 2-10 Rețea de elemente finite pentru două variabile independente x și t 28
Figura 2-11 Elemente finite uzuale a) uni-dimensional b) bi-dimensional c) tri-dimenional [10] 29
Figura 2-12 Regiunea de discretizat 30
Figura 2-13 Regiunea discretizată cu elemente finite 30
Figura 2-14 Exemplu de element triunghiula 31
Figura 2-15 Logo Altair [12] 31
Figura 2-16 Logo COMSOL [13] 32
Figura 2-17 Logo QuickField [14] 33
Figura 3-1 Performanțe motor cu inducție condenser 34
Figura 3-2 Performanțe motor cu inducție ventilație 35
Figura 3-3 Dryer cu ventilator 35
Figura 3-4 Dryer cu condensare 36
Figura 3-5 Dryer Pompă de căldură 36
Figura 3-6 Desfășurare generala motor 38
Figura 3-7 Desfășurare detaliată motor 38
Figura 3-8 Desfășurare stator 39
Figura 3-9 Schema de bobinaj 39
Figura 3-10 Geometria tolei statorice 40
Figura 3-11 Desfășurare rotor 41
Figura 3-12 Geometria tolei rotorice 41
Figura 4-4-1 Fețele geometriei modelului magnetostatic definite pe sfert 43
Figura 4-4-2 Mesh-ul geometriei modelului magnetostatic 44
Figura 4-4-3 Regiunile geometriei 45
Figura 4-4-4 Rotorul în poziția de inductanță sincronă directă Ld 48
Figura 4-4-5 Rotorul în poziția de inductanță sincronă cuadratica Lq 48
Figura 4-4-6 Scenariul solverului pentru problema magnetostatică 49
Figura 4-4-7 Geometria modelului de regim tranzitoriu 50
Figura 4-4-8 Mesh-ul modelului de regim tranzitoriu 50
Figura 4-4-9 Circuitul electric atribuit modelului de regim tranzitoriu 50
Figura 4-10 Schema de bobinaj a motorului sincron cu magneți permanenți 51
Figura 5-1 Harta densității de flux magnetic pentru problema magnetostatică 52
Figura 5-2 Desitatea de flux magnetic reprezentată prin săgeți pentru problema de magnetostatică 52
Figura 5-3 Reprezentarea potențialului magnetic vector pentru problema de magnetostatică 53
Figura 5-4 Senzor curba B=f(I) 53
Figura 5-5 Parametri de control 54
Figura 5-6 Harta densității de flux magnetic pentru problema tranzitorie 55
Figura 5-7 Desitatea de flux magnetic reprezentată prin săgeți pentru problema tranzitorie 55
Figura 5-8 Cuplu de agățare 56
Figura 5-9 Tensiunea electromotare indusă în înfășurările statorice 57
Figura 5-10 Fluxul magnetic în înfășurările statorice 57
Figura 5-11 Tensiunea electromotoare indusă măsurată 58
Lista Tabelelor
Table 3-1 Specificațiile motorului 37
Table 3-2 Date bobinaj 40
Table 4-4-1 Regiunile modelului în funcție de culoare 45
Table 4-4-2 Regiunile modelului în funcție de setările mecanice 46
Lista Acronimelor
INTRODUCERE
Prezentul proiect studiază tema “Proiectarea asistată de calculator a unui sistem de acționare cu motor BLDC pentru echipamente electrocasnice”.
Proiectul are ca scop realizarea unui model simulat cu performațe cât mai aproapiate de modelul fizic al unui motor BLDC folosit de fabrica NIDEC MOTOR CORPORATION ROMANIA pentru acționarea mașinilor de uscat rufe casnice.
Proiectul este structurat în 5 capitole.
Primul capitol conține noțiuni generale despre teoria motoarelor sincrone și particularitățile motorului BLDC, procedurile de testare folosite în laboratorul R&D din cadrul firmei și descrierea metodei de control a motorului.
În al doilea capitol se prezintă stadiul actual în proiectarea asistată de calculator. În prima parte a acestui capitol se descriu metodele de proiectare mecanică asistată de calculator și software-ul folosit pentru acestă proiectare, împreună cu o prezentare a concurenței acestuia. În a doua parte a capitolului se prezintă proiectarea electrică asistată de calculator, software-ul folosit și alternativele disponibile la acesta.
În al treilea capitol se prezintă unul dintre motoarele folosite în producția actuală a fabricii. Începutul capitolului este dedicat descrierii mașinilor de uscat rufe, apoi datele de catalog ale motorului. În finalul capitolului se prezintă detaliat subansamblele motorului și particularități constructive.
În capitolul patru se prezintă modelarea motorului BLDC în FLUX pornind de la geometria modelată în CATIA. Se descriu etapele preprocesării simulării, apoi rezolvarea problemei electromagnetice și în finalul capitolului se discută rezultatele simulărilor și interpretarea acestora.
Lucrarea se finalizează prin tragerea concluziilor privind folosirea tehnicilor moderne de proiectare a sistemelor de acționare pentru aplicații electrocasnice, și se prezintă avantaje și dezavantaje pentru aceste tehnici.
Anexa 2: Declarație privind originalitatea lucrării
Anexa 4: Fișa de evaluare a lucrării de disertație
Anexa 5: Formularul pentru tema proiectului de diplomă
Anexa : Datasheet motor
CV în limba engleză
NOȚIUNI GENERALE PRIVIND MOTOARELE BLDC ȘI CONTROLUL ACESTORA
Mașina sincronă
Mașina sincronă este o mașină rotativă, a cărei viteză de rotație, în regim de funcționare stabilizat staționar, este proportională cu frecvența curentului ce străbate înfășurarea polilor ce produc câmp magnetic învârtitor și înfășurarea de excitație. Mașina sincronă are înfășurarea de excitație alimentată în curent continuu, sau poate fi substituită de magneți permanenți, pentru mașini de putere mică. Datorită excitației independente, mașina funcționează cu factorul de putere unitar. Câmpul magnetic creat de armătură se rotește cu aceeași viteză cu a cămpului magnetic produs de excitație, deci mașina are o viteză de rotație sincronă, ce rezultă în un cuplu stabil.
Figura 1-1 Prezentarea mașinii sincrone
Mașinile sincrone funcționează deobicei ca generatoare, în special în sistemele de mare putere, cum ar fi turbogeneratoarele sau hidrogeneratoarele în rețeaua de distribuție cu energia electrica. Deoarece viteza rotorică este proporțională cu frecvența excitației, motoarele sincrone sunt folosite în aplicațiile unde este nevoie de viteză constantă. Din moment ce puterea reactivă generată de mașina sincronă poate fi ajustată prin amplitudinea câmpului magnetic rotoric. Mașinile sincrone care funcționează fără sarcină sunt deseori folosite în sistemele energetice cu scopul de a corecta factorul de putere pentru controlul energiei reactive. Aceste mașini sunt cunoscute sub numele de compensatoare sincrone și au avantajul ca, la puteri mari, sunt mai ieftine decât condensatoarele statice.
Elemente constructive specifice
Înfășurarea armăturii unei mașini sincronne convenționale este pe stator și deobicei trifazată. Înfășurarea de excitație se află pe rotor și este alimentată in curent continuu sau constă în magneți permanenți. Sursa de curent continuu necesară excitației este furnizată deobicei de un generator de curent continuu numit excitator, care este deobicei montat pe același arbore cu al mașinii sincrone. Alte variante de sisteme de excitare folosind excitatoare de curent alternativ și redresoare statice sunt folosite cu turbogeneratoare de dimensiuni mari.
Există două structuri de rotor: rotor cu poli înecați sau cu poli aparenți, după cum este ilustrat în figura 2. În practică se folosește structura cu poli înecați pentru mașini sincrone de mare viteză, cum ar fi turbinele de abur și mașina sincronă cu poli aparenți pentru aplicații de viteză redusă, cum ar fi hidrogeneratoarele și rotorul unui generator cu turbină.
Figura 1-2 Variante constructive ale rotorului mașinii sincrone a) cu poli aparenți, b) cu poli înecați
b)
Motorul BLDC
Motoarele de curent continuu convenționale au excitația pe armătura statorică, iar indusul este plasat pe armătura rotorică. Respecta aceastei topologii conduce la o construcție imposibil de realizat fără a utiliza perii pentru alimentarea indusului. Motorul sincron cu magneți permanenți este realizat în construcție inversată, având înfășurarea indusă pe armătura statorică precum o mașină ce funcționează în curent alternativ și este deobicei trifazată. Rotorul are perechi de poli formate din magneți permanenți și reprezintă excitația motorului.
Folosind surse cu electronica de putere ce furnizează tensiune și frecvență variabilă, motoarele sincrone, în special cele cu rotor cu magneți permanenți, sunt folosite pentru aplicații cu turații variabile. Dacă excitația statorică a unui motor cu magneți permanențieste controlată de poziția rotorului său, motorul se comportă foarte asemănător cu un motor convențional periat de curent continuu, care este de preferat în aplicațiile cu turație variabilă. Poziția rotorului poate fi detectată fie prin senzori cu efect Hall, senzori optici sau fie prin deducere prin tensiunea electromotare indusă în infășurările statorice. Deoarece acest tip de motoare nu necesită perii, ele sunt cunoscute sub numele de motoare fără perii de curent continuu BLDC.
Transformata direct-quadratură-zero (DQZ)
Transformata direct-quadrature-zero (DQZ sau DQ0 sau DQO) este un tensor care roteste cadrul de referință al unui vector cu trei elemente sau o matrice de 3×3 elemente într-un efort de a simplifica analiza. Transformata DQZ este produsul transformatei Clarke și al transformatei Park, propusă pentru prima dată în 1929 de către Robert H. Park. TransformataDQZ este adesea utilizată în contextul ingineriei electrice cu circuite trifazate. Transformata poate fi utilizată pentru a roti cadrele de referință ale formelor de undă de curent alternativ, astfel încât acestea să devină semnale de curent continuu. Pot fi efectuate calcule simplificate cu privire la aceste cantități de curent continuu înainte de a efectua transformata inversă pentru a recupera rezultatele reale trifazice. De exemplu, transformata DQZ este adesea utilizată pentru a simplifica analiza mașinilor sincrone trifazate sau pentru a simplifica calculele pentru controlul invertoarelor trifazate. În analiza mașinilor sincrone trifazate, transformata transferă cantitățile de stator și rotor trifazate într-un singur cadru de referință rotativ pentru a elimina efectul inductanțelor variabile în timp.
Transformata DQZ este realizată din matricele de transformare Park și Clarke. Transformata Clarke (numită după Edith Clarke) convertește vectorii în cadrul de referință ABC în cadrul de referință XYZ (adesea αβz). Valoarea primară a transformării Clarke este izolarea acelei părți a vectorului referitor la ABC care este comun tuturor celor trei componente ale vectorului; acesta izolează componenta modului comun (adică componenta Z). Matricea de transformare Clarke, invariabilă în timp este uniformă.
Pentru a converti un vector coloană cu referința ABC în cadrul de referință XYZ, vectorul trebuie să fie pre-multiplicat cu matricea de transformare Clarke:
Și pentru a converti dintr-un vector coloană cu referița XYZ la un cadru de referință ABC, vectorul trebuie să fie pre-multiplicat cu matricea de transformare inversă Clarke:
Transformatele Clarke și Park formează impreună transformata DQZ.
Iar transformata inversă este:
Pentru a converti un vector cu referința ABC la cadrul de referință DQZ, semnalul vectorial al coloanei trebuie pre-multiplicat prin matricea de transformare DQZ:
Pentru a converti înapoi de la un vector referit DQZ la cadrul de referință ABC, semnalul vectorului de coloană trebuie pre-multiplicat de matricea de transformare DQZ inversă:
Ecuațiile mașinii sincrone folosite în modelare
Convențiile și notațiile utilizate, împreună cu semnificația lor, vor fi explicate în acest subcapitol. Pentru a modela și pentru a reprezenta matematic o mașină sincronă se vor indentifica mai întâi toate înfășurările care trebuiesc incluse în model. În figura 3 se prezintă o vedere în în secțiune transversală a mașinii sincrone speciale cu doi poli aparenți. În figura 4 se prezintă înfășurările statorice și rotorice cu forțele magneto motoare în lungul axelor corespunzătoare.
Figura 1-3 Secțiune transversală a mașinii sincrone cu poli aparenți
Figura 1-4 Mașina sincronă cu reprezentarea fmm de-alungul axelor
Conductoarele “a” și “ a’ ” reprezintă vederea secțiunii unei înfășurări a înfășurări fazei ”a” a statorului. Punctul din conductorul "a" reprezintă curentul care iese din conductor și ”x” reprezintă conductorul. Prin aplicarea regulii mâinii drepte la conductorul “a” și “ a’ ” se poate observa că forța magnetomotoare datorită conductorilor “a” și “ a’ ” se află de-a lungul axei marcate cu axa A. În mod similar, forța magnetomotoare datorită “b” și “ b’ ” și “c” și “ c’ ” se află de-a lungul axei B și respectiv C. Ca circuit electric, statorul poate fi reprezentat ca trei înfășurări care corespund celor trei faze, așa cum se arată în figura 4. Tensiunile instantanee de curent trifazat și curenții în înfășurările statorului sunt reprezentate ca și . Conform convenției generatoarelor, curenții din înfășurările statorului sunt considerați pozitivi în cazul în care curenții în înfășurările rotorului sunt considerați pozitivi.
Aplicând a 2-a teoremă a lui Kirchhoff pentru circuitul electric statoric, se pot scrie următoarele ecuații:
(1.1)
(1.2)
(1.3)
unde, este rezistența statorului și se presupune că este aceeași în toate cele trei faze. Fluxul de legătură în fazele a, b și c sunt reprezentate ca . Rata de schimbare a fluxului de legătură în fazele a, b și c conduc la o tensiune electromotoare indusă care este egală cu tensiunea fazei la terminale plus căderea de tensiune pe rezistența statorului (deoarece folosim convenția generatorului), așa cum poate a se vedea din ecuațiile (1.1) – (1.3). Aplicarea TK II la înfășurările rotorului d și q va da următoarele expresii:
(1.4)
(1.5)
(1.6)
(1.7)
unde, , , , și corespund câmpului magnetic rotoric și sunt rezistențele bobinajului și fluxul de legătură.
Pentru funcționarea mașinii sincrone în regim staționar stabilizat, în continuare se va prezenta diagrama de fazori a mașinii.
Pentru funcționarea în gol:
și , deci și , deci pentru regim de funcționare staționar:
(1.8)
Pentru funcționarea în sarcină:
(1.9)
(1.10)
Se va construi astfel diagrama de fazori după ecuația:
(1.11)
și (1.12)
Unde, și este reactanța fluxului de legătură, respectiv reactanța fluxului de pierderi.
Figura 1-5 Diagrama de fazori
Specificația de testarea a inductanțelor sincrone Ld, Lq
Scopul specificației de testare
Scopul specificației de testare este definirea unei proceduri pentru măsurarea inductanței directe și quadratură () a motorului BLDC, astfel de parametri ai motorului fiind necesari pentru a caracteriza motorul și pentru a defini un dispozitiv de comandă adecvat.
Măsurarea rezistenței bobinajului
Motoarele trebuie să fie condiționate la temperatura camerei timp de cel puțin 12 ore pentru a stabiliza temperatura motorului. Rezistența bobinajului trebuie măsurată cu multimetrul folosind metoda cu 4 fire. Trebuie măsurată temperatura camerei pentru a permite ajustarea rezistenței la temperatura de referință de 20℃.
(1.13)
Unde,
= rezistența de referință la temperatura de 20℃
= rezistența măsurată la temperatura ambientală a camerei
= 234.5 bobinaj Cupru, 225 bobinaj Aluminiu
Măsurarea Ld
Scopul testului este de a măsura inductanța axei directe în funcție de curentul motorului. Fazele motorului trebuiesc conectate conform figurii 6. Rotorul este lăsat liber să funcționeze și motorul este alimentat de tensiunea de intrare DC cu următoarea polaritate:
– terminalul 1 (+)
– terminalele 2-3 (-)
Figura 1-6 Schema de măsurare Ld
Cu această conexiune de fază și polaritatea de alimentare, rotorul este aliniat cu axa d. Rotorul este apoi blocat în poziție aliniată cu axa d prin sistemul mecanic sau cu ajutorul unei frâne cu capacitate suficientă de cuplare pentru a preveni mișcarea sau vibrația ușoară a rotorului în timpul măsurării. Odată ce rotorul este fixat, testul continuă în conformitate cu următorii pași. Motorul conectat ca în figura 6 și este alimentat de o sursă de curent alternativ monofazată cu frecvența f. Tensiunea de curent alternativ este reglată pentru a seta curentul rms prescris I. Testul trebuie efectuat la o valoare diferită a curentului de rms, măsurând pentru fiecare punct:
Tensiunea de alimentare rms ;
Curentul de alimentare rms ;
Frecvența de alimentare ;
Puterea activă ;
Puterea reactivă .
La finalul secvenței de testare se măsoară și rezistențele de fază pentru stator:
Cu datele măsurate se vor face următoarele calcule:
Impedanța echivalentă: (1.14)
Rezistența statorică: (1.15)
Reactanța sincronă axei d: (1.16)
Inductanța sincronă axei d: (1.17)
Alternativ rezistența statorică poate fi măsurată ca (1.18)
Metodă alternativă:
Impedanță echivalentă:
Factorul de putere: (1.19)
Reactanța sincronă axei d: (1.20)
Inductanța sincronă axei d: (1.21)
Sursa de tensiune trebuie să respecte:
Tensiunea de alimentare:
Frecvența de alimentare:
Măsurarea Lq
Scopul testului este de a măsura inductanța axei cuadratură în funcție de curentul motorului. Fazele motorului trebuiesc conectate conform figurii 7. Rotorul este lăsat liber să funcționeze și motorul este alimentat de tensiunea de intrare DC cu următoarea polaritate:
– terminalul 3 (+)
– terminalul 2 (-)
Figura 1-7 Schema de măsurare Lq
Cu această conexiune de fază și polaritatea de alimentare, rotorul este aliniat cu axa q. Rotorul este apoi blocat în poziție aliniată cu axa q prin sistemul mecanic sau cu ajutorul unei frâne cu capacitate suficientă de cuplare pentru a preveni mișcarea sau vibrația ușoară a rotorului în timpul măsurării. Odată ce rotorul este fixat, testul continuă în conformitate cu următorii pași. Motorul conectat ca în figura 7 și este alimentat de o sursă de curent alternativ monofazată cu frecvența f. Tensiunea de curent alternativ este reglată pentru a seta curentul rms prescris I. Testul trebuie efectuat la o valoare diferită a curentului de rms, măsurând pentru fiecare punct:
Tensiunea de alimentare rms ;
Curentul de alimentare rms ;
Frecvența de alimentare ;
Puterea activă ;
Puterea reactivă .
La finalul secvenței de testare se măsoară și rezistențele de fază pentru stator:
Cu datele măsurate se vor face următoarele calcule:
Impedanța echivalentă:
Rezistența statorică:
Reactanța sincronă axei d: (1.22)
Inductanța sincronă axei d: (1.23)
Alternativ rezistența statorică poate fi măsurată ca
Metodă alternativă:
Impedanță echivalentă:
Factorul de putere:
Reactanța sincronă axei d: (1.24)
Inductanța sincronă axei d: (1.25)
Sursa de tensiune trebuie să respecte:
Tensiunea de alimentare:
Frecvența de alimentare:
Controlul vectorial al motorului sincron cu magneți permanenți
Controlul vectorial, numit și controlul orientat pe câmp (FOC), este o metodă de control al frecvenței variabile (VFD), în care curenții statorici ai unui motor electric trifazat sunt identificați drept două componente ortogonale care pot fi vizualizate cu un vector. O componentă definește fluxul magnetic al motorului, iar celălalt cuplul. Sistemul de comandă al unității calculează referințele componentelor curente corespunzătoare din referințele fluxului și momentului de torsiune date de comanda de turație a unității. În mod obișnuit, controlorii proporțional-integral (PI) sunt utilizați pentru a păstra componentele măsurate actuale la valorile lor de referință. Modulația în lățimea impulsurilor a unității de frecvență variabilă definește comutarea tranzistorului conform referințelor de tensiune ale statorului, care sunt ieșirile controlorilor de curent PI.
FOC este utilizat pentru a controla motoarele sincrone AC și de inducție. Acesta a fost inițial dezvoltat pentru aplicații cu motor de înaltă performanță, care trebuie să funcționeze fără probleme pe întreaga gamă de turații, să genereze un cuplu complet la viteză zero și să aibă performanțe dinamice ridicate, inclusiv accelerație și decelerare rapide. Cu toate acestea, devine din ce în ce mai atrăgător pentru aplicațiile de performanță mai scăzută, precum și datorită dimensiunii motorului, a costurilor și a reducerii consumului de energie al FOC. Este de așteptat ca, odată cu creșterea puterii computaționale a microprocesoarelor, în cele din urmă va dispărea în mod aproape universal un control scalar volt-per-hertz (V/f) unic-variabil.
Figura 1-8 Schema bloc a controlului FOC
Cu capacitatea sporită a microcontrolerelor de astăzi, industria extinde limitele privind implementarea algoritmilor de control de vârf, cum ar fi controlul orientat pe câmp (FOC). Implementarea FOC permite funcționarea mai eficientă a motorului BLDC (factor de putere mare și eficiență mai bună a sarcinii de lumină), cu un răspuns dinamic rapid (performanțe dinamice mai bune la încărcare și schimbări de viteză). Controlul FOC face ca statorul și câmpul magnetic al rotorului să fie ortogonale unul cu altul pentru a atinge cuplul electromagnetic maxim. Acesta utilizează un control decuplat al fluxului și al cuplului, datorită căruia poate permite motorului să circule deasupra vitezei nominale utilizând tehnica de slăbire a câmpului.
Control vectorial cu controler Texas Instruments
Motorul BLDC cu trei faze are nevoie de un invertor cu sursă de tensiune trifazat (VSI) pentru a alimenta curentul de curent alternativ la motor. Întrerupătoarele acestui VSI sunt în general tranzistoare cu efect de câmp (FET) pentru aplicații de tensiune joasă (sau tranzistoare bipolare cu izolație la intrare – IGBT-uri pentru aplicații de mare putere), care sunt conduse de driverul de poartă. Majoritatea driverelor de poartă disponibile astăzi necesită componente externe ale porții (rezistențe și diode Zener) pentru funcționare și protecție. Cu toate acestea, tehnologia Smart Gate Drive (SGD) a TI elimină componentele externe ale porții, așa cum se arată în figura 1. Prin arhitecturile de acționare a porții reglabile, controlul ratei gateway oferă flexibilitate în reducerea interferențelor electromagnetice (EMI). Folosind TI Smart Gate Drivers Vashist Bist, arhitectura analogică a motorului optimizează timpul mort pentru o mai bună eficiență, protejând în același timp FET-urile pentru a evita orice condiții de împrăștiere. Se adaugă, de asemenea, un curent puternic de împrăștiere pentru prevenirea oricărei porniri false de tip dv / dt.
Figura 1-9 Driver TI pentru implementare controlului FOC
Control vectorial cu controler TOSHIBA
TMPM370FYFG este un microcontroler ARM Cortex ™ -M3 bazat pe 32 de biți de înaltă performanță, care oferă un control vectorial precis, bazat pe hardware, al aplicațiilor motrice de vârf și trifazate. Ideal pentru controlul mișcării în aparatele de uz casnic și în aplicațiile industriale, reduce nevoia de componente suplimentare, oferind în același timp beneficii semnificative față de controlul vectorial bazat pe software care rulează pe un microcontroler. Este un dispozitiv compact, extrem de eficient, care poate simplifica aplicațiile care necesită un control precis al motoarelor cu curent continuu trifazat (BLDC) fără senzori și fără senzori sau a motoarelor cu trei faze de inducție AC.
Figura 1-10 Schema bloc controler TOSHIBA
Nucleul procesorului (ARM Cortex-M3)
Frecvența maximă de funcționare: 80MHz (PLL x8)
Tensiune de operare: I / O periferice = 4.5V ~ 5.5V
Debug circuit: JTAG sau SWD
Funcția de economisire a energiei
Unelte de ceas (pentru divizarea ceasului la 1/2, 1/4, 1/8 sau 1/16)
Modul de așteptare (IDLE / STOP)
Funcții încorporate
PMD3 + (control programabil al motorului)
Timer pentru comanda motorului: 2 canale
Motor vector: 1 unitate
Intrare codor: 2 canale
OP-Amplificator: 4 unități
Comparator pentru oprire de urgență: 2 unități
Convertor A / D pe 12 biți: 2unit (22ch)
Contor cu temporizator pe 16 biți: 8 canale
Interfață serială: UART / SIO: 4 canale
Resetare pornire (POR)
Detectarea tensiunii (VLTD)
STADIUL ACTUAL ÎN DOMENIUL PROIECTĂRII ASISTATE DE CALCULATOR
Proiectarea mecanică asistată de calculator
Una dintre activitățile-cheie în orice proces de proiectare a produsului este de a dezvolta un model geometric al produsului din ideile conceptuale, care pot fi apoi completate cu alte informații de inginerie referitoare la domeniul de aplicare. De exemplu, modelul geometric al unui proiect poate fi elaborat pentru a include informații despre materiale și de fabricație, care pot fi ulterior utilizate în activitățile de planificare și producție a proceselor asistate de calculator (CAPP / CAM). Un model geometric este, de asemenea, o necesitate pentru orice analiză de inginerie, cum ar fi. (FEA). În termeni matematici, modelarea geometrică este preocupată de definirea obiectelor geometrice folosind geometria computațională, care este adesea reprezentată prin software-ul de calculator sau mai degrabă un kernel de modelare geometrică. Geometria poate fi definită cu ajutorul unui model de cadru cu fir (wireframe), model de suprafață sau model solid. Modelarea geometrică a devenit acum o parte integrantă a oricărui sistem de proiectare asistată de calculator (CAD). În acest capitol, vor fi discutate diferite abordări de modelare geometrică, cum ar fi modelarea wireframe, suprafața și modelarea solidă. Sunt date metode geometrice computationale de bază pentru definirea entităților simple, cum ar fi curbe, suprafețe și solide. Sunt explicate conceptele sistemelor CAD parametrice, variate, bazate pe istorie și istorie. Aceste subiecte sunt discutate în acest capitol de deschidere deoarece (a) CAD a fost prima tehnologie dezvoltată de calculator și (b) tehnicile și metodele sale au fost pervasive în alte subiecte conexe, cum ar fi producția asistată de calculator. Acest capitol discută doar sistemele CAD din punct de vedere al aplicației.
Informațiile geometrice despre un obiect includ, în esență, tipuri de suprafețe, muchii și dimensiunile și toleranțele acestora. Înainte de disponibilitatea sistemelor comerciale CAD, această informație a fost reprezentată pe planuri de către un raportor, deci într-o formă bidimensională (2D). Această formă de reprezentare are trei probleme acute. În primul rând, este greu să înțelegi geometria complexă printr-o formă de descriere 2D. Acest lucru este valabil în mod special în cazul ansamblurilor care au multe componente, de ex. un ansamblu de motoare. În al doilea rând, informațiile de proiectare în această formă sunt dificil de arhivat pentru o perioadă mai lungă de timp și este dificil să se caute. În al treilea rând, se consideră improprie pentru industria modernă de producție în care gestionarea datelor este în mare parte în format electronic. Pe măsură ce procesul de fabricație intră rapid în era digitală, accentul se pune pe integrarea fără hârtie și totală. Adică, se caută mijloacele pentru transferarea directă a informațiilor geometrice dintr-o bază de date CAD într-o bază de date CAPP / CAM (uneori este necesar un flux de date bidirecțional) pentru a permite fabricarea ulterioară a piesei. În acest fel, dezvoltarea produselor și fabricarea timpului de producție poate fi scurtată semnificativ. Pentru a răspunde nevoilor discutate mai sus, o reprezentare precisă, eficientă și eficientă a informațiilor complete despre un design devine o condiție prealabilă pentru multe aplicații ulterioare. Restul capitolului oferă o descriere detaliată a diferitelor abordări de modelare geometrică și modalitățile prin care sistemele CAD de astăzi utilizează aceste abordări de modelare.
Dezvoltarea modelării geometrice este cuplată cu trei departamente de științe și tehnologii. Acestea sunt tehnici de grafică pe calculator, scheme 3D de reprezentare geometrică (3D) și avansuri de hardware pe computer. Cercetarea a început în anii 1960. Abordările fundamentale de modelare geometrică utilizate în sistemele CAD / CAM de astăzi sunt modelarea sârmei, suprafața și soliditatea. În următoarele secțiuni este prezentat un cont de bază al acestor abordări pentru modelarea geometrică.
Modelarea wire-frame
În istoria de modelare a geometriei, firul-cadru este primul dezvoltat și este, de asemenea, metoda cea mai de bază a tehnicilor de modelare geometrică. Tehnicile au fost inițial dezvoltate în special pentru versiunea pe calculator a unui obiect 3D. Entitățile de bază dintr-un model de cadru cu fir pot include puncte, linii, arce și cercuri, conice și alte tipuri de curbe. Figura 1 prezintă reprezentarea cadrului cu fir al unei părți. Interpretarea cadrului poate fi privită ca o extindere într-o a treia dimensiune a tehnicilor utilizate pentru redactarea 2D. Tehnicile de construcție utilizate pentru definirea geometriei ramei de sârmă sunt, din nou, în mare măsură similare cu cele pentru redactarea 2D. Prin urmare, schema cadru-fir este relativ simplă de utilizat și este cea mai economică dintre schemele 3D în ceea ce privește cerințele de timp și de memorie pentru calcul. Acesta este motivul pentru care fir-cadru a fost, de asemenea, potrivite pentru modelele timpurii de hardware de calculator, care a fost, probabil, doar suficient de capabil să se ocupe de reprezentări cadru de sârmă. Schema a fost găsită și se dovedește a fi utilă în special în anumite aplicații care implică vizualizarea mișcării unor simple foi (de exemplu, în animarea mișcării unui mecanism). Cu toate acestea, prezintă o serie de deficiențe grave atunci când este folosit pentru a modela artefacte mai complexe de inginerie (Singh, 1996).
Figura 2-1 Reprezentare wire-frame
Acestea includ:
• Ambiguitatea în reprezentare și obiecte cu posibile greseli (Figura 2);
• Deficiențe în reprezentarea imaginară;
• Abilitatea limitată de a calcula proprietățile mecanice și intersecțiile geometrice;
• Valoare limitată ca bază pentru fabricare sau analiză.
Figura 2-2 Model wire-frame ambiguu
Modelarea cu suprafețe
După cum sugerează și numele, un model de design de suprafață constă în principal dintr-un set de fețe. Atunci când se utilizează wireframe pentru a reprezenta o față, doar limita unei fețe poate fi reprezentată cu precizie, nu proprietatea geometrică reală a feței în sine. Pentru fețe, cum ar fi planul și suprafața cilindrică, este posibil să nu apară o problemă. Pentru alte tipuri de suprafețe mai generale însă, acest lucru creează probleme. O întrebare evidentă pe care o întrebăm este "care sunt proprietățile geometrice ale unei anumite suprafețe reprezentate?" O schemă de model de suprafață poate presupune reprezentarea modelului prin specificarea matematică a tuturor suprafețelor unei componente. Reprezentarea implică în general o serie de entități geometrice, fiecare suprafață formând o singură entitate. Acestea sunt adesea construite din marginile suprafeței și curbele de pe suprafață, alături de proprietățile geometrice ale suprafeței. Prin urmare, reprezentările de suprafață sunt adesea amestecate cu sau reprezentate de wire-frame. Multe dintre ambiguitățile modelelor cu cadru de sârmă pot fi depășite prin utilizarea schemei de reprezentare a suprafeței. În general, părțile reale sunt reprezentate folosind geometria suprafeței printr-un ansamblu de patch-uri (sau pături) de suprafață "(Figura 3).
Figura 2-3 Modelarea cu suprafețe cu (stanga) și fără (dreapta) limite de frontieră
Un corp complet al mașinii, de exemplu, poate necesita câteva sute de patch-uri. Modelarea suprafețelor a generat mari provocări în ramurile ingineriei, cum ar fi fabricarea de automobile sau de mucegai și fabricarea morului, unde utilizarea extensivă a fost făcută în mod tradițional de modele fizice de forme complexe. În industria automobilelor, de exemplu, modelele din lut de dimensiuni de formă ale caroseriei sunt utilizate în scopuri de styling și, ulterior, pentru a furniza modele principale pentru a defini forma vehiculului. Modelarea suprafețelor a permis ca aceste modele să fie capturate și utilizate pentru modelele inginerești și pentru pregătirea instrucțiunilor de fabricare, de exemplu, matrițele pentru prelucrarea tablei. Un model de suprafață al unui obiect poate fi utilizat pentru a determina calea de tăiere a unei operații de prelucrare, în timp ce un cadru de sârmă de obicei nu poate. În astfel de sisteme de modelare a suprafeței, un utilizator poate introduce vârfurile și marginile unei piese de prelucrat într-un mod care conturează sau limitează o față în același timp. Sistemele de modelare a suprafețelor oferă, de asemenea, o mai bună interacțiune grafică, deși modelele sunt mai greu de creat decât modelele cu cadru. Reprezentările de suprafață nu sunt totuși fără dezavantajele lor. În general, acestea necesită mai multă abilitate în construcții și utilizare. Modele de orice complexitate sunt greu de interpretat dacă nu sunt văzute cu suprafețe ascunse eliminate. Ca și în cazul reprezentărilor de cadre, nu există nimic inerent în schema de modelare a suprafeței pentru a preveni modelele greșite sau greșite. Nu există niciun indiciu cu privire la care parte a unei suprafețe este partea "solidă". Cu alte cuvinte, reprezentarea unui obiect este pur și simplu în termenii unei colecții de suprafețe fără informații superioare despre obiectul solid. Un sistem de modelare a suprafeței perfect construit poate să nu garanteze că utilizatorul a proiectat un obiect realizabil; adică colecția de suprafețe nu poate defini o parte fizică valabilă.
Modelarea solidului
Reprezentările geometrice discutate până acum sunt în esență modele parțiale, adică reprezentarea tridimensională a marginilor și / sau a suprafețelor. Forma solidă a unui obiect trebuie dedusă din aceste modele și nu este posibil ca forma solidă completă a unui obiect să poată fi obținută întotdeauna dintr-un model de cadru de sârmă sau de suprafață. Cu toate că în multe scopuri tehnice sunt satisfăcătoare modelele de sârmă și de suprafață, utilizarea crescândă a computerelor în analiza de inginerie sau generarea de informații de inginerie diferite înseamnă că reprezentarea unui obiect ar trebui să fie cât mai completă posibil. Din acest motiv, au fost dezvoltate reprezentări solide ale modelului și au devenit o formă predominantă de reprezentare a designului. Figura 5 prezintă cele două interpretări ale unui model solid descris inițial ca în figura 4.
Figura 2-4 Randarea unei părți solide a unui model
Un model solid este o reprezentare "completă informațional" și în cuvintele lui Requicha (1980, 1982) "permite (cel puțin în principiu) orice proprietate geometrică bine definită a oricărui solid reprezentat să fie calculată automat". Cu cât reprezentarea este mai completă, cu atât este mai mică cerința de transcriere între modelele umane și, astfel, cu atât mai redus este riscul de eroare în transcriere. Într-un termen mai simplu, "forma solidă" a informațiilor despre un obiect 3D este tipul de informație care poate defini în mod unic două spații, unul denotând interiorul obiectului și celălalt denotând exteriorul obiectului. Datorită "integrității" informațiilor conținute într-un model solid, este relativ simplu ca un computer să facă o imagine de linie cu linii ascunse îndepărtate așa cum se vede în Figura 1.5 (a), precum și o vedere în timp real, umbrite observată în Figura 1.5 (b). Modelele de modelare a cadrului firului și a suprafeței, așa cum sa menționat anterior, au aplicații inginerești limitate. Modelarea solidă a identificat acum aplicații largi care traversează granițele funcționale, cum ar fi utilizarea modelelor solide cu analiza elementelor finite și analiza fluxului de lichide în proiectarea conceptuală a produselor, programarea pieselor de comandă numerică (NC) pentru producția asistată de calculator și generarea de planuri de procesare asistată de calculator. În plus, modelele solide pot fi utilizate cu ușurință pentru a evalua dimensiunea, forma și greutatea produselor devreme în faza de proiectare conceptuală. Într-un sistem solid de modelare, obiectele sunt deseori definite direct prin forme primitive numite blocuri de construcție sau primitive solide, în loc de suprafețe, muchii și vârfuri utilizate în modelarea sârmei și a suprafeței. Există o serie de scheme de reprezentare pentru modelarea solidă, cum ar fi reprezentarea granițelor (B-rep), geometria solidă constructivă (CSG), geometria solidă distructivă (DSG), reprezentarea maturării, instanțializarea primitivă parametrizată, descompunerea celulelor, ocuparea spațială (voxel) , și modelare solidă analitică. B-rep și CSG sunt cele mai răspândite scheme de reprezentare. Pentru aplicații diferite, unul poate fi mai potrivit decât celălalt. De exemplu, B-rep este mai potrivit pentru a reprezenta desene complexe, în timp ce cu CSG, modelele sunt ușor de creat și sunt de obicei utilizate în reprezentarea obiectelor relativ simple. La unii modele, este utilizată o schemă hibridă care utilizează atât B-rep, cât și CSG. Aceste scheme de reprezentare sunt discutate mai detaliat în secțiunile următoare.
Software-uri de proiectare mecanică asistată de calculator
CATIA V5 – folosit în modelarea geometriei
Figura 2-5 Logo CATIA
CATIA (acronimul aplicației interactive tridimensionale asistată de calculator, pronunțat / kətiə /) este o suită software multi-platformă pentru proiectarea asistată de calculator (CAD), fabricarea asistată de calculator (CAM), ingineria asistată de calculator (CAE) , PLM și 3D, dezvoltat de compania franceză Dassault Systèmes.
În mod obișnuit, CATIA este susținută de mai multe etape de dezvoltare a produselor (CAx), printre care conceptualizarea, proiectarea (CAD), ingineria (CAE) și fabricarea (CAM). CATIA facilitează ingineria colaborativă între diferitele discipline din jurul platformei sale 3DEXPERIENCE, incluzând proiectarea suprafețelor și a formei, proiectarea sistemelor electrice, fluide și electronice, ingineria mecanică și ingineria sistemelor. CATIA facilitează proiectarea sistemelor electronice, electrice și distribuite, cum ar fi sistemele HVAC și fluide, până la producerea documentației pentru fabricare.
CATIA permite crearea de piese 3D, de la schițe 2D, table metalice, compozite, piese turnate, forjate sau de scule până la definirea ansamblurilor mecanice. Software-ul oferă tehnologii avansate pentru suprafețe mecanice și BIW. Oferă instrumente pentru definirea finală a produsului, inclusiv toleranțe funcționale, precum și definiția cinematică. CATIA oferă o gamă largă de aplicații pentru proiectarea sculelor, atât pentru sculele generice cât și pentru matrițe și matrițe. În cazul ingineriei aerospațiale, un modul adițional denumit design metalografic din tablă aerospațială oferă utilizatorului posibilitatea de a combina capacitățile de proiectare generoasă cu tablă și de proiectare a suprafeței generatoare.
În realizarea proiectării motorului s-a folosit CATIA V5, atât pentru desenele 2D, 3D și ansamble de părți 3D.
Pro: Acest software poate satisface nevoile tuturor utilizatorilor. De la modelarea corpului solid și desene, la modelarea suprafețelor și mai mult.
Contra: Terminologia este diferită de majoritatea celorlalte servicii CAD. Aceasta durează un timp pentru ca clientul să se acomodeze. Cu toate acestea, după familiarizarea cu fotografiile sau cu cheile de scurtă durată, acest lucru nu va fi o problemă prea mare.
În general: Este o provocare placută de a învăța acest software. Este diferit de majoritatea celorlalte servicii, dar încă foarte capabil. Este recomandabil oamenilor care sunt foarte familiarizați cu software-ul CAD deja, deoarece nu este prietenos cu incepătorii. Mai ales dacă aveți de gând să utilizați mai târziu un alt software.
CREO
Figura 2-6 Logo CREO
Creo este cea mai recentă evoluție a lucrătorului din industrie: Pro/Engineer. După mai mult de 30 de ani de dezvoltare, Creo este, fără îndoială, cel mai complet pachet CAD disponibil. Cele mai recente versiuni au făcut ca această putere să fie mai accesibilă decât oricând pentru a crea departamente atât mari cât și mici. Abonamentul de prețuri aduce puterea lui Creo până la o investiție inițială de doar 2.200 de dolari licența. Creo poate deschide direct și exporta date din cele mai comune sisteme CAD.
Pro: Funcționalitate similară în comparație cu alte programe 3D de modelare / vizualizare. Animarea și redarea imaginilor preferate față de alte programe software. Detectarea contactului cu obiecte mai puțin glitch decât alte programe de modelare 3D.
Contra: Este nevoie de o curbă de ânvățare. Are nevoie de mai multe condiții de intrare înainte de a afișa previzualizarea. Crearea pieselor pentru ansambluri poate fi consumatoare de timp și nu actualizează întotdeauna fișierele de asamblare.
SolidWorks Premium
Figura 2-7 Logo SolidWorks
CAD-ul mecanic, validarea designului, managementul datelor de produs, comunicarea de proiectare și instrumentele de productivitate CAD într-un singur pachet.
Pro: Fluxul de lucru este foarte neted și intuitiv. Este posibil să faceți proiectarea parametrică, de jos în sus sau de sus în jos. Construcția pieselor și a ansamblurilor din schițele cinematice este foarte ușoară. Îl folosesc în mai multe clase universitare pentru a consolida conceptele și pentru a permite proiecte de design. De asemenea, folosim instrumentele de simulare pentru analiza forței și a sarcinii.
Contra: Ocazional există erori ciudate care pot fi dificil de identificat. Lipsa unui generator construit în g-cod este, de asemenea, un dezavantaj. În caz contrar, există puține în alte pachete software pe care Solidworks nu le face.
Autodesk Mechanical Desktop
Figura 2-8 Logo AUTOCAD
Începând cu anul 1982, Autodesk a inaugurat tehnologii de ultimă generație 2D și 3D, care permit clienților să vizualizeze, să simuleze și să analizeze performanțele reale ale ideilor lor la începutul procesului de proiectare. Software-ul AutoCAD® Mechanical este un program AutoCAD® destinat fabricării pentru a accelera procesul de proiectare mecanică, păstrând în același timp experiența utilizatorului AutoCAD. Cu biblioteci cuprinzătoare de piese și instrumente bazate pe standarde pentru automatizarea sarcinilor comune de proiectare, acesta oferă câștiguri semnificative de productivitate față de software-ul AutoCAD de bază și salvează nenumărate ore de timp de proiectare.
Proiectarea electrică asistată de calculator
Proiectarea electrică asistată de calculator este continuarea proiectării mecanice asistate de calculator. În capitolul 2.1. s-au descris tehnicile de realizare a geometriei modelului 2D sau 3D ce va reprezenta baza geometriei pentru problema de electrotehnică ce se vrea a fi rezolvată. Geometria poate fi creată direct în software-ul ce simulează promele de proiectare asistată de calculator sau poate fi importantă din software-uri dedicate pentru proiectarea mecanică.
Rezolvarea problemelor de elecrotehnică, ce necesită o multime de soluții ce ne oferă o detaliere a valorii mărimilor de stare ce caracterizează un model geometric cu proprietăți electromagnetice și condiții specifice impuse, necesită algoritmi matematici dedicați pentru rezolvarea problemelor de câmpuri vectoriale.
Metode analitice – Separarea variabilelor
Soluția cea mai satisfăcătoare a unei probleme de teren este una matematică exactă. Deși în multe cazuri practice nu se poate obține o astfel de soluție analitică și trebuie să recurgem la o soluție aproximativă numerică, soluția analitică este utilă în verificarea soluțiilor obținute prin metode numerice. De asemenea, cu greu apreciem nevoia de metode numerice fără a vedea mai întâi limitările metodelor clasice de analiză. Prin urmare, obiectivul nostru în acest capitol este de a examina pe scurt cea mai puternică metoda analitică este separarea variabilelor.
Metoda de separare a variabilelor (uneori numită metoda Fourier) este o metodă convenabilă pentru rezolvarea unei ecuații diferențiale parțiale (PDE). În esență, aceasta implică căutarea unei soluții care să se descompună într-un produs de funcții, fiecare dintre ele implicând doar una dintre variabile. De exemplu, dacă căutăm o soluție (x, y, z, t) unor PDE, avem nevoie de o formulare sub formă de produse:
(2.1)
Pentru a aplica metoda separării variabilelor trebuiesc urmați trei pași:
Separarea variabilelor independente;
Găsirea soluțiilor particulare ale ecuațiilor separate, ce satisfac o parte din condițiile de frontieră;
Combinarea acestor soluții pentru a satisface restul condițiilor de frontieră.
Începem aplicarea separării variabilelor prin găsirea soluției de produs din ecuația de undă scalară omogenă:
(2.2)
Soluția pentru ecuația lui Laplace poate fi derivată ca un caz special al ecuației de undă. Ecuația de difuzie și căldură poate fi tratată în același mod în care vom trata ecuația valurilor. Pentru a rezolva (2.2), este de preferat să separăm mai întâi dependența de timp.
(2.2)
Substituind (2.2) în ecuația (2.1):
(2.3)
Împărțind la UT obținem:
(2.4)
Partea stângă este independentă de t, în timp ce partea dreaptă este independentă de r; egalitatea poate fi adevărată numai dacă fiecare parte este independentă de ambele variabile. Dacă lăsăm o constantă arbitrară – k2 să fie valoarea comună a celor două părți, (2.4) sereduce la:
(2.5)
(2.6)
Astfel am reușit să separăm variabila spațială r de variabila de timp t. Constanta arbitrară k2 introdusă în cursul separării variabilelor se numește constanta de separare. Vom vedea că, în general, numărul total al constantelor de separare independente într-o anumită problemă este unul mai mic decât numărul variabilelor independente implicate.
Ecuația (2.5) este o ecuație diferențială ordinară cu soluția:
sau (2.7)
(2.8)
Metoda diferențelor finite
Este foarte rar ca problemele din viața reală să cadă într-o clasă care poate fi rezolvată prin metodele analitice prezentate în capitolul precedent. Abordările clasice pot eșua dacă:
PDE nu este liniar și nu poate fi linearizat fără a afecta serios rezultatul;
regiunea soluției este complexă;
condițiile de frontieră sunt de tip mixt;
condițiile de frontieră sunt variabile în timp;
mediul este neomogen sau anizotropic.
Tehnicile FDM (metodei diferențelor finite) se bazează pe aproximări care permit înlocuirea ecuațiilor diferențiale prin ecuații diferențiale finite. Aceste aproximări diferențiale finite sunt algebrice în formă; ele relatează valoarea variabilei dependente la un punct din regiunea soluției cu valorile la unele puncte învecinate. Astfel, o soluție de diferență finită implică în principal trei etape:
divizarea regiunii soluției într-o rețea de noduri;
aproximând ecuația diferențială dată prin echivalentul diferențelor finite corelează variabila dependentă la un punct din regiunea soluției cu valorile sale la punctele vecine;
rezolvarea ecuatiilor diferentiale supuse conditiilor limita si / sau conditiilor initiale prescrise.
Pașii descriși în cele în trei etape este dictat de natura problemei care trebuie rezolvată, de regiunea soluției și de condițiile limită. Cele mai frecvent utilizate modele de grilă pentru probleme bidimensionale sunt afișate în figura 9.
Figura 2-9 Rețele uzuale a) rectangular b) trapez c) triunghiular d) circular
Pentru a aplica metoda diferențelor finite pentru a găsi soluția unei funcții , vom divide regiunea soluției în planul în dreptunghiuri egale sau mesh-uri cu latura de și precum în figura 6. Considerăm coordonatele (x,t) a unei rețele de puncte sau noduri:
(2.8)
Valoarea funcției în punctul este:
(2.9)
Figura 2-10 Rețea de elemente finite pentru două variabile independente x și t
Cu această notație, aproximațiile diferenței centrale ale derivatelor la nodul (i, j) sunt:
(2.10)
(2.11)
(2.12)
(2.13)
Metoda elementelor finite
Deși metoda diferențială finită (FDM) și metoda momentelor (MOM) sunt conceptual mai simple și mai ușor de programat decât metoda FEM, FEM este o tehnică numerică mai puternică și mai versatilă pentru manipularea problemelor care implică geometrii complexe și medii neomogene . Generalitatea sistematică a metodei permite crearea unor programe informatice de uz general pentru rezolvarea unei game largi de probleme. În consecință, programele dezvoltate pentru o anumită disciplină au fost aplicate cu succes pentru a rezolva problemele într-un alt domeniu cu puțin sau fără modificări.
Analiza elementului finit al oricărei probleme implică în principal patru etape:
discretizarea regiunii soluției într-un număr finit de subregiuni sau elemente,
derivarea ecuațiilor care guvernează un element tipic,
asamblarea tuturor elementelor din regiunea soluției;
rezolvarea sistemului de ecuații obținute.
Discretizarea continuumului implică împărțirea regiunii soluției în subdomenii, numite elemente finite. Figura 11 prezintă câteva elemente tipice pentru problemele cu una, două și trei dimensiuni.
Figura 2-11 Elemente finite uzuale a) uni-dimensional b) bi-dimensional c) tri-dimenional
Ca o aplicație a FEM la probleme electrostatice, să aplicăm cele patru etape menționate mai sus pentru a rezolva ecuația lui Laplace, . În scopul ilustrării, vom urma cu strictețe cele patru etape menționate mai sus.
Pentru a găsi distribuția potențială V(x,y) pentru regiunea soluției bidimensionale prezentată în figura 12, împărțim regiunea într-un număr de elemente finite așa cum este ilustrat în figura 13. În figura 13, regiunea soluției este împărțită în nouă elemente finite nonoverlapping; elementele 6, 8 și 9 sunt patru-noduri quadrilaterals, în timp ce alte elemente sunt triunghiuri cu trei noduri. În situațiile practice, totuși, este preferat, pentru ușurința de calcul, să se aibă elemente de același tip în întreaga regiune. Aceasta este, în figura 8, am putea împărți fiecare patrulater în două triunghiuri, astfel încât să avem 12 elemente triunghiulare în totalitate. Subdiviziunea regiunii soluției în elemente se face de obicei manual, dar în situațiile în care este necesar un număr mare de elemente, se folosesc scheme automate.
Figura 2-12 Regiunea de discretizat
Figura 2-13 Regiunea discretizată cu elemente finite
Căutăm o aproximare a potențialului Ve într-un element e și apoi interrelaționăm distribuția potențială în diferite elemente, astfel încât potențialul să fie continuu peste granițele interelement. Soluția aproximativă pentru întreaga regiune este:
(2.14)
Considerăm un element triunghiular tipic precum în figura 10. Potențialele în nodurile 1,2,3 obțin ecuația:
(2.15)
(2.16)
Dacă A este aria elementului e, atunci:
(2.17)
Figura 2-14 Exemplu de element triunghiula
Software-uri de proiectare electrică asistată de calculator
Flux 12.3 – folosit în modelarea motorului
Figura 2-15 Logo Altair
Flux captează complexitatea fenomenelor electromagnetice și termice pentru a prezice comportamentul produselor viitoare cu precizie.
Flux este software-ul principal pentru simulări electromagnetice și termice. Pentru mai mult de 30 de ani, software-ul de simulare Flux a fost utilizat la nivel mondial în industriile de vârf și laboratoarele universitare. A devenit o referință pentru acuratețea ridicată pe care o oferă. Cu tehnologia sa de îmbunătățire continuă, Flux este un instrument versatil, eficient și ușor de utilizat, care va ajuta la generarea de produse optimizate și de înaltă performanță, în mai puțin timp și cu mai puține prototipuri. Împreună cu o rețea de suport de înaltă calificare și o comunitate puternică de utilizatori, echipa Altair și echipa Flux oferă expertiză recunoscută în ingineria electrică.
Deschis și intuitiv, Flux poate fi ușor inclus în fluxul de lucru al proiectului pentru a furniza rezultate de analiză fiabile. Cu cele mai avansate metode numerice disponibile, se ocupă de situații complexe de modelare.
Capacitățile sale multi-parametrice permit o căutare eficientă a spațiului de proiectare pentru o performanță optimă a dispozitivului. Personalizarea, automatizarea și conectarea la unelte CAD sunt disponibile pentru o productivitate maximă.
De-a lungul anilor, Flux și-a dovedit capacitatea de a se apropia de măsurători și de a reproduce cu mare acuratețe fenomene complexe. Fluxul generează rezultate, inginerii pot avea încredere în a le permite să se concentreze asupra inovației. Rezolvatorii de fluxuri sunt în mod constant îmbunătățiți pentru a aduce cea mai bună viteză de rezolvare, permițând evaluarea a mii de configurații de proiectare.
Deoarece fiecare simulare este unică, Flux poate fi ușor adaptat nevoilor specifice. Sunt disponibile diferite opțiuni pentru reglarea fină a modelelor și rezolvatorilor, obținând rezultate precise în cel mai eficient mod. Cu instrumentele de scripting încorporate și abilitatea de a scrie macro-uri, Flux captează procesele de simulare și le automatizează, sporind astfel utilizarea zilnică a software-ului.
Folosirea unui parametru pentru a defini o dimensiune geometrică sau o caracteristică fizică este unul dintre fundamentele fluxului. Legarea câtorva parametri împreună prin ecuații este, de asemenea, foarte ușoară și utilizatorii pot explora intuitiv influența oricărui parametru.
Flux beneficiază, de asemenea, de distribuția calculelor, permițând evaluarea numeroaselor configurații de proiectare cu un timp de calcul optimizat.
Conexiunea cu suita Altair permite utilizatorilor să lucreze într-un mediu creativ global. Fluxul poate fi cuplat la cel mai bun software de analiză 3D disponibil pentru a lua în considerare multifizica și a obține reprezentarea cea mai realistă a fenomenelor sau la instrumentele de simulare la nivel de sistem pentru a proiecta strategia de control.
COMSOL
Figura 2-16 Logo COMSOL
COMSOL Multiphysics este un software de platformă general pentru aplicații de modelare a aplicațiilor. Puteți utiliza singur pachetul de bază sau puteți extinde funcționalitatea acestuia cu orice combinație de module suplimentare pentru simularea designurilor și proceselor bazate pe electromagnetică, mecanică structurală, acustică, fluxul de fluid, transferul de căldură și comportamentul chimic al ingineriei. Modulele add-on și produsele LiveLink se conectează fără probleme printr-un mediu software integrat. Acest lucru înseamnă că fluxul dvs. de lucru pentru modelare rămâne același indiferent de ceea ce modelați. Puteți combina cât mai multe produse de expansiune de care aveți nevoie.
Aplicația Builder în COMSOL Multiphysics face posibil ca experții în simulare să creeze interfețe utilizator intuitive și dedicate pentru modelele lor de computer altfel – aplicații personalizate gata de utilizare. Puteți rula aplicații utilizând COMSOL Multiphysics sau COMSOL Server, care este un produs pentru implementarea, gestionarea și rularea aplicațiilor care au fost făcute cu Application Builder. Utilizați acest instrument pentru a face aplicațiile accesibile colegilor, partenerilor sau clienților din întreaga lume.
QuickField
Figura 2-17 Logo QuickField
QuickField este un mediu interactiv orientat pe calculator pentru analiza electromagnetică, termică și de stres. Tipurile standard de analiză includ:
Electrostatice.
Analiza conducerii DC și AC.
magnetice DC și magnetice tranzitorii liniar și neliniar.
magnetice AC (care implică analiza curentului turbionar).
Transferul și difuzia termică liniară și neliniară, staționară și tranzitorie.
Analiza stresului liniar.
Probleme asociate.
În timpul unei sesiuni de 15 minute, puteți descrie problema (geometria, proprietățile materialelor, sursele și alte condiții), obțineți o soluție cu o precizie ridicată și analizați detaliile câmpului în căutarea imaginii complete color. Cu QuickField, problemele de teren complicate pot fi rezolvate pe PC-ul dvs. în loc de mainframe mari sau stații de lucru.
PREZENTAREA MOTORULUI BLDC NIDEC ȘI A ACȚIONĂRII ACESTUIA
Prezentarea echipamentului electrocasnic
În acest capitol se vor prezenta caracteristicile funcționale și constructive ale unui motor sincron cu magneți permanenți, specificațiile electromecanice și aplicația pentru care motorul este proiectat, acționarea tamburului unei mașini de uscat rufe (dryer).
Mașina de uscat rufe este un aparat electrocasnic util în locuințele persoanelor ce necesită uscarea rapidă a rufelor după ce au fost spălate de o mașină de spălat. Mașina de uscat rufe, spre deosebire de mașina de uscat, folosește o turație constantă pe tot ciclul de funcționare ar oricărui program.
În funcție de clasa de eficiență în care mașina de uscat rufe este încadrată, se folosesc deobicei două tipuri de motoare pentru acționarea tamburului:
Motor cu inducție monofazat, are un cost redus, construcție mecanică foarte robustă, riscul de defectare este foarte mic, dar are o eficieță redusă (aprox. 65%);
Motor sincron cu magneți permanenți, are un cost ridicat, construcție mecanică aproape lafel de robustă ca cel cu inducție, vibrații pe frecvențe mai deranjante pentru urechea umana, dar funcționează cu o eficiență foarte mare (aprox. 85%)
De asemenea eficiența motoarelor diferă în funcție de aplicația pentru care sunt destinate. În figura 1 se prezintă performanța tipică pentru un motor cu inducție monofazat de tip condenser. În figura 2 se prezintă aceleași performanțe pentru un motor ventilație.
Figura 3-1 Performanțe motor cu inducție condenser
Figura 3-2 Performanțe motor cu inducție ventilație
Tot în funcție de clasa de eficiență a mașinii de uscat rufe, căldura produsă pentru uscare se obține în trei moduri, prin ventilare, după cum este prezentat în figura 1, prin condensare, figura 2 sau prin pomă de căldură, figura 3.
Figura 3-3 Dryer cu ventilator
1. Aerul rece este aspirat în mașină printr-un orificiu de admisie a aerului.
2. Un ventilator suflă aerul spre un element de încălzire (ș).
3. Ventilatorul este alimentat de motorul electric.
4. Aerul cald din elementul de încălzire intră în tambur.
5. Tamburul este rotit de o centură conectată la motorul electric.
6. Aerul care părăsește uscătorul trece printr-un filtru de scame care captează praful și bucățile de puf.
7. Aerul epuizat trece printr-un furtun de aerisire
Figura 3-4 Dryer cu condensare
1. Aerul înconjurător intră în uscător.
2. Aerul ambiental intră în schimbătorul de căldură împins de un ventilator și este încălzit.
3. Aerul încălzit iese din schimbătorul de căldură.
4. Aerul încălzit intră în tambur împins de un ventilator pentru a absorbi umiditatea și încărcătura uscată.
5. Aerul de proces (umed) intră în schimbătorul de căldură, este răcit eliberând umiditatea.
6. Aerul de proces (uscat) iese din schimbătorul de căldură.
7. Procesul de aer intră în încălzire și este încălzit.
Scurgere. Apa este colectată și pompată pentru a se scurge.
Figura 3-5 Dryer Pompă de căldură
1. Motorul electric împinge aerul fierbinte în tambur cu un ventilator.
2. Aerul încălzit intră în tambur pentru a absorbi umezeala.
3. Aerul umed trece printr-un condensator (4) și un evaporator (5) care formează circuitul pompei de căldură cu compresorul (6) Scurgerea. Apa este colectată într-un recipient dedicat.
Motorul prezentat în această lucrare este destinat unui dryer de tipul pompă de căldură.
Specificațiile motorului
Table 3-1 Specificațiile motorului
Construcția motorului
Modelarea motorului sincorn cu magneți permanenți s-a realizat în CATIA V5. În continuare se va prezenta componența motorului modelat în capitolul 4. În figura 6 se prezintă subansamblele principale ale motorului pentru uscătorul de rufe BLDC.
Figura 3-6 Desfășurare generala motor
În figura 7 se prezintă explozia detaliată a subansamblelor motorului. Principalele subansable vor fi prezentate în continuare, detaliind rolurile funcționale și particularitățile constructive.
Figura 3-7 Desfășurare detaliată motor
Subansamblu stator
Statorul mașinii sincrone este indusul mașinii. O desfășurare a subansamblului statoric în care se prezintă elementele componente principale, se prezintă în figura 8.
Figura 3-8 Desfășurare stator
Statorul este bobinat trifazat după schema de bobinaj prezentată în figura 9.
Figura 3-9 Schema de bobinaj
Statorul este bobinat în conexiune stea, neutrul nu este disponibil la borne.
Figura 3-10 Diagrama de conexiune
Detaliile bobinajului statoric sunt prezentate în tabelul 2.
Table 3-2 Date bobinaj
Geometria tolei este prezentată în figura 11. Aceasta a fost importată in Flux, în preprocesor. Pachetul statoric este format din tole laminate la 0.5mm grosime. Aceastea sunt puse într-un pachet care este gabaritat și prins cu agrafe. Pe capetele pachetului se pun tole izolante realizate din poliamidă. În crestături se introduc izolația de crestătură și izolația de inchidere realizate din poliester. Statorul se bobinează automat, se realizează conexiunea stea prin crimpare. Capetele de bobină sunt disponibile apoi în cutia de borne. Apoi tot subansamblul stator se introduce turnare de plastic poliamidă, operație numită overmolding, pentru a consolida subansamblul impotriva vibrațiilor datorate frecvenței de funcționare.
Figura 3-10 Geometria tolei statorice
Subansamblu rotor
Rotorul este indusul mașinii sincrone. Motorul BLDC crează câmpul magnetic rotoric cu ajutorul magneților permanenți. O desfășurare a subansamblului statoric în care se prezintă elementele componente principale, se prezintă în figura 11.
Figura 3-11 Desfășurare rotor
Acoperitoarea din oțel are rolul de a consolida magneții lipiți pe exteriorul rotorului. Acestia sunt supuși forței centrifuge și s-a constatat că există riscul desprinderii acestora în funcționare.
În figura 12 se prezintă geometria tolei rotorice.
Figura 3-12 Geometria tolei rotorice
În detaliu A se prezintă tehnica de presare a pachetului rotoric pe arborele prin cramponare.
MODELAREA MOTORULUI BLDC NIDEC
Scopul modelării
Modelarea motorului va conține două simulari are ce au ca scop determinarea parametrilor motorului sincron cu magneți permanenți:
Inductanțele sincrone directe sau longitudinale și cuadraturii sau transversale ( și ).
Tensiunea electromotoare indusă (BEMF).
Pentru aceasta se vor face două simulări ale motorului, câte una pentru fiecare obiectiv definit mai sus. Geometria modelului va fi comună pentru ambele simulări și de asemenea și discretizarea domeniului de calcul va fi aceeași. Pentru simularea ce determină inductanțele și problema va fi una magnetostatică, iar pentru simularea ce determină tensiunea electromotoare indusă va fi o problemă de regim tranzitoriu.
În vederea determinării parametrilor definitorii pentru un motor sincron cu magneți permanenți se va crea un model al acestuia in Flux. Geometria va fi creata direct în preprocesorul Flux, din puncte puncte, linii și fețe. Discretizarea domeniului de câmp va fi facută cu ajutorul mesh-ului din preprocesor. Solverul va rezolva ecuațiile cu derivate parțiale, iar în postprocesor vom urmări evoluția în spațiu și timp a mărimilor de câmp de interes.
Descrierea modelării
Modelarea cu motorului sincron cu magneți permanenți este realizată prin metoda elementelor finite (FEM) ce rezolvă ecuațiile cu derivate parțiale din domeniul electrotehnicii. Ecuațiile cu derivate parțiale sunt transformate în ecuații algebrice, a căror soluție ne oferă o aproximare a mărimilor de stare caracteristice modelului, în un domeniu discret de puncte al acestuia. Pentru a determina structura și evoluția parametrilor de câmp magnetic, respectiv starea instantanee și locală a vectorilor dintr-un domeniu de câmp definit, soluțiile ecuațiilor cu derivate parțiale sunt condiționate de condițiile de unicitate:
Condițiile inițiale, ce se descriu în orice punct al domeniului de calcul la momentul inițial;
Condițiile limită, ce descriu condițiile pe frontiera domeniului de calcul descrise de componentele normale și tangențiale ale mărimilor ce descriu câmpul electromagnetic;
Proprietăți de material, descrise prin ecuațiile specifice;
Caracteristicile surselor de câmp electromagnetic.
Sistemul de coordonate definește modul de introducere a entităților ce formează geometria motorului sincron cu magneți permanenți. Sistemul de coordonate folosit este de tip cartezian.
Geometria modelului
Geometria modelului este comună pentru ambele simulări și este una 2D. Datorită simetriei motorului sincron cu magneți permanenți aceasta poate fi definită doar pe sfert. Acest procedeu va reduce durata și puterea de calcul necesară rulării unei simulări a modelului.
Modelul are o geometrie ce constă într-un stator cu 12 crestături în miezul magnetic și un rotor cu arbore pe care se află miezul magnetic rotoric. Pe miezul rotoric sunt plantați superficial 8 magneți permanenți.
Definirea geometriei se definește prin stabilirea unui sistem de coordonate cartezian ales cu originea în centrul axului motorului. În referință de acesta se începe definirea punctelor geometriei. Unirea acestor puncte cu linii și arce de cerc conduce la crearea geometriei. Se va introduce punctul din centrul sistemului de coordonate, punctele ce definesc geometria rotorului și cea a statorului. Se vor indroduce liniile ce reprezinta entități ale geometriei ce unesc două puncte. Acestea pot reprezenta și zone de discontinuitate și separație intre diferite medii. După ce liniile geometriei formează contururi închise se pot atribui fețe ale geometriei. Fețele reprezinta zone fizice ale motorului sincron cu magneți permanenți aflate în secțiunea transversală a acestuia.
În figura 1 este prezentată geometria definită prin fețe, pe sfert a motorului sincron cu magneți permanenți.
Figura 4-4-1 Fețele geometriei modelului magnetostatic definite pe sfert
Discretizarea domeniului de calcul cu elemente finite
Mediul fizic real este un mediu continuu, ce conține un numar infinit de puncte. Pentru a putea rezolva problema de câmp electromagnetic sau de alte tipuri daca este cazul, geometria modelului trebuie realizată intr-un mediu discret, ce conține un numar finite de puncte ce formeaza elemente. Se va urmări o densitate mare de elemente finite în zona suprafețelor de discontinuitate, cum ar fi zona de intrefier, crestătura statorica, magneții de pe rotor. De asemenea pentru exactitatea rezultatelor simulării vor fi de preferat elemente cu o calitate cât mai buna, în cazul simulării noastre elementele sunt triunghiulare și sunt de dorit formele de triunghi echilateral.
Discretizarea domeniului de calcul formează o rețea (mesh) de elemente finite, în nodurile căreia se calculează necunoscuta problemei simușării. Se va face mesh pe linii apoi pe suprafețe si va urmări să avem peste 98% din elementele rețelei de bună calitate. Se va genera un mesh automatic de tipul AIDED mesh cu coeficientul 0.5, urmărind să avem cel puțin 2 elemente finite pe distanța intrefierului.
Mesh-ul pe linii și suprafețe pe sfertul geometriei modelului este prezentat în figura 2.
Figura 4-4-2 Mesh-ul geometriei modelului magnetostatic
Materiale atribuite modelului
Fiecare regiune a geometriei este definită ca materiale sau aer. În program se vor introduce noi materiale: aer, oțel, magnet, miez și cupru pentru bobinajul statoric.
Magnetul este introdus cu numele MAGNETE, se alege tipul magnet liniar din meniul B(H) la proprietăți magnetice. Acesta este descris de inducția remanentă . Tot în aceeași fereastră se intrduce și permeabilitatea magnetică relativă . Pentru magnetul folosit în producție:
Pentru proprietțile miezului magnetic statoric și rotoric se introduce materialul ERADEMIR (un furnizor de tablă silicoasă). Se vor introduce tabelar datele furnizate de producător ce completează caracteristica B(H). Pentru motorul studiat s-a folosit tablă M470 cu pierderi de la o inducție magnetică de 1T și cu o grosime de 0,5mm.
Pentru fiecare regiune a geometriei se va atribui câte un material definit anterior. Fiecare regiune va avea atribuită o culoare. Fiecare suprafață va avea atribuită regiunea din care face parte, până se completează intreaga geometrie a modelului.
În figura 3 se pot vedea toate regiunilie geometriei cu culoarea specifică. Figura va fi extrapolată pentru intreaga geometrie, generată prin simetrie în jurul axei Z. Poziția rotorului se află în poziția de reactanță sincronă directă sau longitudinală. Statorul este bobinat trifazat, fiecare crestătură conținănd jumătate de bobină de pe fiecare pol, o ramură de dus și alta de întors pentru curent. Astfel statorul are 6 bobine trifazate U,V,W deci 2 perechi de poli, 2p=4. În tabelul 1 se definesc regiunile geometriei în funcție de culorile alese pentru fiecare față.
Bobinajul motorului este trifazat și are 161 spire per pol statoric.
Table 4-4-1 Regiunile modelului în funcție de culoare
Figura 4-4-3 Regiunile geometriei
Se va introduce direcția de magnetizare pentru magneți. Aceasta este una laterlă și se setează orientarea lor din meniul Physics. În lista ce se afișează se introduc unghiurile dintre liniile de câmp create de magneții permanenți din geometrie. Cu ajutorul butonului display arrows on the magnet se poate verifica vizual dacă liniile de câmp sunt introduse corect.
Mecanica modelului
Pentru a simula modelarea, preprocesorul trebuie să cunoască ce regiuni din geometrie au poziție fixă față de sistemul de coordonate si ce regiuni sunt mobile. În modelul motorului sincron cu magneți permanenți se vor defini două părți, partea fixă și partea mobilă.
Din meniul Physics, optiunea Mechanical set se va crea o setare de tipul fixed pentru partea statorică și zona periferică a acestuia cu aer și frontieră. Acesta se va corela cu denumirea definită anterior pentru poziția fixă. Setarea de tipul rotațional se va defini în jurul unei axe ce este paralelă cu axa sistemului de coordonate OZ. În modelul prezentat se va alege chiar originea sistemului inițial de coordonate.
Pentru fiecare regiune a geometriei se va atribui setarea mecanică corespunzătoare din meniul Phsysics și se va atribui constrangerea mecanică corespunzătoare.
Table 4-4-2 Regiunile modelului în funcție de setările mecanice
Descrierea problemei pentru determinarea inductanței sincrone
Pentru determinarea inductanțelor sincrone problema simulării este de tip magnetostatic. Problemele magnetostatice sunt probleme în care câmpurile sunt invariabile în timp. În acest caz, intensitatea câmpului și densitatea fluxului magnetic trebuie să respecte:
(4.1)
(4.2)
Cei doi vectori fiind legați de legea specifică fiecărui material:
(4.3)
Dacă un material este neliniar (de exemplu, saturarea fierului sau magneți permanenți), permeabilitatea, μ este de fapt o funcție a lui B:
(4.4)
Flux converge spre găsirea unui câmp care satisface condițiile (5.1) și (5.3) printr-o abordare cu ajutorul pontențialului magnetic vector .
(4.5)
Acum, acestă definire a lui B satisface mereu condiția (5.2). Atunci ecuația (5.1) poate fi scrisă ca:
(4.6)
Pentru un material isotropic liniar (considerând condiția Coulomb, ), ecuația (5.6) se reduce la:
(4.7)
Flux păstrează forma lui (5.6), astfel încât problemele magnetostatice cu o relație B-H neliniară pot fi rezolvate. În cazul general 3-D, A este un vector cu trei componente. Cu toate acestea, în cazurile plane și axialometrice 2-D, două dintre aceste trei componente sunt zero, lăsând doar componenta în direcția "afară din pagină". Avantajul utilizării formulei de potențial vector este că toate condițiile care trebuie îndeplinite au fost combinate într-o singură ecuație. Dacă se găsește A, B și H pot fi apoi deduse prin diferențierea lui A. Forma lui (5.6), o ecuație diferențială parțială eliptică, apare în studiul multor tipuri diferite de fenomen inginerie.
Din meniul Flux se va defini tipul problemei, magnetic – magnetostatic 2D. Programul ne cere introducerea adâncimii domeniului de calcul. Motorul sincron cu magneți permanenți studiat are o lungime de 28mm. Se va selecta unitatea de măsură în milimetrii.
Periodicitatea modelului se va defini din meniul Physics și selectarea numărului de repetiții pentru 4 repetări. Rotația se va face în jurul axei Z aleasă odată cu sistemul de coordonate inițial. Numărul de poli ai modelului este par, deci se va selecta odd – anticyclic boundary conditions.
Rezolvarea problemei de magnetostatică
Pentru determinarea inductanțelor sincrone longitudinale sau directe respectiv transversale sau cuadratice modelul va avea o poziție variabilă a rotorului față de stator. În poziția pentru determinarea inductanței sincrone directe, axa polului magnetic rotoric trebuie să fie aliniată cu axa polului magnetic statoric. În poziția pentru determinarea inductanței sincrone cuadratice, axa polului magnetic rotoric trebuie să fie aliniată între axa polilor magnetici statorici. Pozițiile de inductanță sincronă directă sau cuadratică sunt expuse în figurile 4 și 5. Circuitul electric statoric este parcurs de un curent continuu de fază:
Pentru a vedea comportarea circuitului magnetic la excitația statorică se vor considera magneții nemagnetizați pentru a nu influența circuitul magnetic rotoric și statoric. Astfel pentru problema determinării reactanțelor sincrone, unde doar permeabilitatea magnetică relativă este importană, magneții permanenți plantați superficial pe rotor vor avea inducția magnetică remanentă.
În poziția de reactanță sincronă directă sau longitudinală magnetul va avea coordonata inițială (0,0), iar pentru poziția de reactanță sincronă cuadratică sau transversală rotorul va fi rotit cu 22.5° în poziția (0,22.5).
Figura 4-4-4 Rotorul în poziția de inductanță sincronă directă Ld
Figura 4-4-5 Rotorul în poziția de inductanță sincronă cuadratica Lq
Se va crea un scenariu nou din meniul Solving. Se va selecta numele parametrului ce se controleaza, în cazul nostru poziția rotorului. Se va defini intervalul de variație al parametrului controlat. Se va face simulare mai întâi cu rotorul aflat ăn poziția de coordonate (0,0), poziția inițială. În această poziție modelul se află în configurația de măsurare a înductanței sincrone Ld. Apoi se va roti rotorul cu 22.5 grade în jurul axei Z a sistemului de coordonate. Rotorul va fi în poziția de cuadratură și putem măsura inductanța sincronă transversală. Scenariul este prezentat în figura 6.
Figura 4-4-6 Scenariul solverului pentru problema magnetostatică
După creerea scenariului, acesta va fi memorat. Pentru a rezolva problema se selectează solve din meniul Solving si se va selecta scenariul creat anterior. Se va apăsa OK și problema va rula pentru rezolvare. Timpul de asteptare este proporțional cu numărul de necunoscute ale problemei, deci cu numărul de elemente finite și cu puterea de procesare a calculatorului pe care rulează simularea.
Descrierea problemei pentru determinarea tensiunii electromotare induse
Determinarea tensiunii electromotoare induse în înfășurările statorice de către rotația rotorului plantați cu magneți permanenți, ce sunt caracterizați de o inducție remanentă Br, este o problemă de regim tranzitoriu. Problema de regim tranzitoriu este o problemă în care câmpul electromagnetic are mărimi variabile în timp.
Ecuațiile ce guvernează regimul tranzitoriu magnetic sunt descrise în continuare. Modelul este calculat cu formularea câmpului magnetic, apoi în stare de funcționare tranzitorie. Ecuațiile Maxwell au ca rezultat utilizarea potențialului magnetic vector A și a unei ecuații diferențiale parțiale tip difuzie (5.8). Cu toate acestea, este necesar să se adauge starea de măsurare Coulomb (5.9) în această stare tranzitorie pentru a determina în mod corect și unic soluția.
(5.8)
(5.9)
Rezolvarea problemei de regim tranzitoriu
Se va defini în Flux problema ca fiind Transient Magnetic 2D, accesând meniul Aplication. Se va selecta tipul domeniului de calcul, în cazul modelului de față 2D plane, unitatea de măsură milimetrii și adâncimea domeniului 28mm.
Într-o problemă de regim tranzitoriu mărimile de stare ale câmpului eletromagnetic variază în timp. Ne propunem să obținem tensiunea electromotare indusă în înfășurările statorice în funcție de variația în timp a poziției rotorului cu magneți permanenți.
Figura 4-4-7 Geometria modelului de regim tranzitoriu
Figura 4-4-8 Mesh-ul modelului de regim tranzitoriu
Intrucât se va folosi același motor sincron cu magneți permanenți pentru a modela și problema de tensiune electromotoare indusă, geometria modelului, discretizarea domeniului de calcul cu elemente finite, materialele atribuite modelului și mecanica vor fi aceleași ca la modelarea anterioară, unde s-au determinat inductanțele sincrone ale motorului.
Pentru că avem o problemă de regim tranzitoriu magnetic cuplată cu un circuit electric, se va adăuga circuitul din meniul Physics. Se va deschide editorul și se vor desena circuitele electrice.
În figura 13 se prezintă circuitul electric cuplat la problema tranzitorie. Se observă cele 3 faze conectate în stea, cu neutrul conectat la masă. Fiecare fază constă într-o rezistență, inductanță și tensiune contraelectromotare. Rezistența paralel a fost introdusă cu o valoare foarte mare pentru a nu avea erori în simulare.
Figura 4-4-9 Circuitul electric atribuit modelului de regim tranzitoriu
Bobinajul motorului sincron cu magneți permanenți este prezentat în figura 14. Fiecare regiune are atribuită o fază, colorată conform tabelului 1.
Figura 4-10 Schema de bobinaj a motorului sincron cu magneți permanenți
Se vor introduce setările mecanice selectând axa de rotație în jurul axei Z pentru partea în mișcare de rotație denumită anterior ROT. În meinul Kinematics se va defini tipul ca Imposed Speed și turația dorită. În cazul modelului nostru se va face simularea la momentul t=0s conform procedurii de încercări la:
În meinul Region se vor crea 6 faze, câte două, una de dus și una de întors, pentru fiecare curent dîn fiecare fază. În meniul de editare a feței se va selecta regiune de conductor de bobinaj, materialul din care este fabricat conductorul, în cazul de față aluminiu. Sensul în care intră sau iese curentul din suprafață, pozitiv sau negativ, după cum este prezentat în figura 14, până ce sunt definite toate crestăturile, conductorul ce a fost creat în circuitul electric atașat modelării. Se va folosi un factor de umplere de 0.8 cu conductoare dispuse serie și un număr de spire:
În această modelare magneții vor avea inducția remanentă ca cea a modelului fizic:
Rezistența de fază a statorului bobinat este:
Se va crea un scnerariu de analiză în regim tranzitoriu în funcție de spațiu. Rotorul va fi poziționat în poziția inițială de (0,22.5) și rotit până în poziția finală (0,180) cu un pas de incrementare de 1°.
SIMULĂRI, REZULTATE ȘI INTERPRETĂRI
Problema de magnetostatică
În post procesorul flux se pot vedea rezultatele simulării. După simulare obținem o hartă a densității de flux magnetic, sau inducție magnetică B[T] arătată in figura 7.
Figura 5-1 Harta densității de flux magnetic pentru problema magnetostatică
În harta distribuției inducției magnetice se pot distinge cele 4 perechi de poli magnetici, după cum este prezentat în figura 7. Polii magnetici sunt vizibili în zonele de culoare deschisă reprezentâd o creștere a inducției magnetice. Se remarcă utilizarea tolei statorice uniform, nu sunt zone din tolă nefolosite, precum în cazul geometriei pătrate, unde colțurile triunghiului sunt nefolosite la inducția propriuzisă.
O altă reprezentare este cea a inducției magnetice prin săgeți, prezentată în figura 8. Săgețile de culoare aprinsă reprezintă zone cu inducție ridicată. De asemenea se observă fluxul magnetic de scăpări la periferia tolei statorice, în zona bobinelor.
Figura 5-2 Desitatea de flux magnetic reprezentată prin săgeți pentru problema de magnetostatică
Reprezentarea potențialului magnetic vector din figura 9, ne ajută să vizualizăm traseul liniilor de câmp. Acestea sunt linii inchise. Liniile de culoare deschisă arată sensul de intrare al curentului în crestătură, iar liniile de culoare inchisă reprezintă sensul de ieșire al curentului. Se remarcă câteva linii ce traversează crestătura reprezentând fluxul de scăpări în crestătură. De asemenea în încărcarea dintelui crestăturii există flux de scăpări la periferia acestuia.
Figura 5-3 Reprezentarea potențialului magnetic vector pentru problema de magnetostatică
Pentru a determina inductanțele sincrone, se va folosi funcția sensor a programului Flux. Se va selecta Senor-Magnetic Flux. Se selectează Stranded coil conductor, selectam conductor 1, el reprezintă faza U și apoi sweep current, care va face o rampa de curent cu incrementare cunoscută. Tipul de senzor este de tip flux magnetic. Rezultatul ne dă o dreaptă cu abscisa curentul incrementat prin bobinaj și ordonata inducția rezultantă. Raportul inducție magnetică/ curent inductor ne dă inducața cautată.
Se va poziționa rotorul în poziția (0,0) și se va rula simularizarea, senzorul va trasa graficul din figura 10, B=f(I). În scenariul solverului se va adăuga un nou parametru de control, curentul prin faza U. Acesta va fi definit cu valoarea inițială 0.1A și se va incrementa cu un pas de 0,25 până la valoarea de 1.2A, după cum se prezintă în figura 11.
Figura 5-4 Senzor curba B=f(I)
Figura 5-5 Parametri de control
Raportul inducție magnetică / curent excitand se menține aproape constant pe perioada incrementării și obținem o valoare simulată pentru inductanța sincronă directă afișată și în figura 9:
Simularea se va repeta cu poziția rotorului (0,22.5) față de sistemul de coordonate inițial. Cu rotorul aliniat în poziția de cuadratură obținem o valoare simulată pentru inductanța sincronă cuadratică:
Am măsurat conform procedurii descrise în capitolul 1.2 inductanțele sincrone directe și cuadratice un motor aflat în producție. S-a facut o rampă de curent de la 0.1A cu un pas de incrementare de 0.1 până la 5A și s-a calculat conform formulei 1.2 inductanța sincră directă și cuadratică.
Eroarea de simulare relativă la cea măsurată este:
În simulare se obțin rezultate mai mari pentru cele două inductanțe sincrone decât în masurători deoarece în modelul teoretic creat în flux capetele de bobine statorice nu sunt luate în considerare.
Aceasta nu inseamnă o simulare eronată deoarece această eroare este constantă pe măsura incrementării rampei de curent, deci poate fi considerată o constantă de model pentru viitoarele modelări cu parametrii geometrici, de material sau electromagnetici schimbați.
Problema de regim tranzitoriu
În post procesorul flux se pot vedea rezultatele simulării.
Analog ca în modelarea anterioară, dar ținând cont ca acum avem magnetții din rotor magnetizați și deci prezintă inducție remanentă, în figura 15 se prezintă harta inducției magnetice distribuită în modelul motorului sincron cu magneți permanenți în regim tranzitoriu. Se observă zonele cu cei patru poli statorici ce suportă o inducție de 1T, inducție aflată sub zona de saturație de 1.5T dată de tabla magnetică. De asemenea zona rotorică este folosită doar superficial , în zona magneților, fără pierderi semnificative în miezul rotoric sau axul motorului.
Figura 5-6 Harta densității de flux magnetic pentru problema tranzitorie
Reprezentarea prin săgeți a câmpului magnetic se prezintă în figura 16. Săgețile sunt mai dese în zona polilor statorici, reprezentați din bobinaj, și zona polilor rotorici, reprezentând magneții permanenți.
Figura 5-7 Desitatea de flux magnetic reprezentată prin săgeți pentru problema tranzitorie
În figura 18 se prezintă cuplu electromagnetic generat de rotor, definit ca ansamblu ROT. Acest cuplu este variabil în funcție de poziția relativă a statorului față de rotor și este numic cuplu de agățare. Acest cuplu parazit va scădea performanțele motorului și va cresște zgomotul produs. Acest cuplu este prezentat în figura 17. Pentru a scădea cuplul parazit de agățare se poate folosi metoda dezalinierii axei de simetrie statorice cu cea rotorice prin dezalinierea polilor statorici de cei rotorici sau, metoda folosită în proiectarea motorului prezentat, folosirea unui număr diferit de poli magnetici statorici față de numărul de poli magnetici rotorici. Statorul are 12 poli, iar rotorul 8 poli.
Figura 5-8 Cuplu de agățare
În urma postprocesării obținem figura 18 ce prezintă evoluția trifazată a tensiunii electromotoare induse în înfășurarea trifazată statorică măsurată în volți față de poziția unghiulară a rotorului. În figura 19 este prezentat fluxul magnetic produs de înfățurările statorice măsurat în Wb față de poziția unghiulară a rotorului.
În continuare vom analiza forma de undă a unei tensiuni de linie, între două faze aleatoare.
Frecvența vitezei de rotație este:
Frecvența tensiunii induse este:
Perioada unei sinusoide de tensiune induse este:
Figura 5-9 Tensiunea electromotare indusă în înfășurările statorice
Figura 5-10 Fluxul magnetic în înfășurările statorice
Din graficul prezentat în figura 18, se obține o tensiune electromotoare indusă valoare RMS:
În standul folosit pentur testarea BEFM (tensiunii electromotoare induse), pentru un motor sincron cu magneți permanenți identic cu cel modelat și antrenat din exterior la 1000rpm, obținem:
Figura 5-11 Tensiunea electromotoare indusă măsurată
Din rezultatele experimentale, media tensiunilor RMS pe cele 3 faze este:
Eroarea realivă a simulării față de măsurători este:
Eroarea se datorează neincluderii în simulare a capului de bobină, a geometriei imperfecte a modelului fizic și a neuniformității magnetizării magneților. Aceasta conduce la o valoare a distorsiunilor armonice totale măsurate de:
Aflate cu mult în limita de proiectare impusă de sub 2%.
CONCLUZII
Dezvoltarea producției de motoare electrice este intr-o continuă creștere a volumelor cerute de piață, dar și a nivelului de competitivate. Realizarea unui produs nou pe piața motoarelor electrice este o provocare atât tehnică cât și economică. Una dintre metodele de reducere a costurilor proiectării de noi motoare este proiectarea asistată de calculator.
Proiectarea clasică, folosind indrumare de proiectare, ce descriu motorul ca și comportament global este utilă pentru a ne da o idee despre performanțele generale pe care trebuie sa le atingă motorul, dar devine anevoioasă atunci cand se doresc optimizări locale, de exemplu optimizarea geometriei circuitului magnetic. Pentru a ușura această munca se folosește proiectarea asistată de calculator, care pentru partea mecanică rezolvă problemele de coliziuni în asambalarea dintre piese, determină centerele de greutate ale modelului, etc. Proiectarea electrică ne permite să vedem traseul liniilor de câmp pe care altfel ni-l putem doar imagina.
Această lucrare a avut ca scop compararea performanțelor unui motor incercat în laborator, având ca scop determinarea parametrilor definitorii pentru un motor BLDC, cu rezultatele simulării acestuia intr-un soft de proiectare asistată de calculator.
În prima simulare s-au verificat inductivitățile sincrone ale motorului, iar eroarea simulării a fost de sub 10%, procent ce se justifică prin ne luarea în considerație în modelul 2D al motorului a capului de bobină. Important este ca această eroare este constantă odată cu schimbarea parametrilor medelului și poate fi corectată prin considerarea ei ca fii o constantă de corecție.
În a doua parte a simulării s-a verificat tensiunea electormotoare indusă atunci când mașina BLDC funcționează în regim de generator. Această proba este importantă pentru verificarea magnetizării și plantării magneților permanenți de pe rotor. Rezultatele simulării au fost satisfăcătoare, având o eroare de sub 7% datorate anizotropiei magnetizării magneților și a plantării acestora. Această eroare reprezintă posibilitatea producției de a replica condițiile ideale ale unui model proiectat asistat de calculator.
În concluzie această lucrare tratează tehnicile de modelare și simulare a unui motor folosit în producția curentă de mașini de uscat rufe, a reprezentat un avantaj din punct de vedere al scutirii timpului și resurselor financiare folosite pentru realizarea de modele prototip, ce oferă soluții din aproape în aproape și reprezintă o vedere de ansamblu a modului în care activitatea de proiectare-dezvoltare a unei fabrici de motoare electrice moderne trebuie să se desfășoare.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: PROIECTAREA ASISTATĂ DE CALCULATOR A UNUI SISTEM DE ACȚIONARE CU MOTOR BLDC PENTRU ECHIPAMENTE ELECTROCASNICE [308311] (ID: 308311)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.