Analiza własności i synteza projektowa silnika synchronicznego z magnesami trwałymi do rozruchu bezpośredniego (LSPMSM) z wykorzystaniem metod polowych i optymalizacji

mgr inż. Marcin Bajek

Promotor: dr hab. inż. Wiesław Jażdżyński, prof. nadzw. AGH
Dyscyplina: Elektrotechnika


Rozprawa doktorska dotyczy zagadnienia procesu projektowania i analizy własności silnika synchronicznego z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim (z ang. LSPMSM), charakteryzującego się zdolnością samorozruchu oraz pracy z prędkością ustaloną synchroniczną. Celem rozprawy było stworzenie narzędzia do analizy i projektowania LSPMSM w postaci modelu analitycznego w środowisku Matlab, który można zaimplementować w automatycznej procedurze optymalizacyjnej. Model ten uwzględnia parametry geometrii, uzwojenia stojana i właściwości użytych materiałów.

Zaprezentowano metodę określania ważniejszych parametrów modelu wykorzystującą zastępczą przenikalność magnetyczną obwodu magnetycznego modelu, prowadzącą do przybliżenia nieliniowego charakteru magnesowania ferromagnetycznych części rzeczywistej maszyny, przy pomocy jego aproksymacji odpowiednio skonstruowanym modelem magnetycznie liniowym.

Obliczenia wykonywane przy pomocy przedstawionego modelu analitycznego zostały zweryfikowane przy pomocy obliczeń polowych w programie Flux 2D, wykorzystującym metodę elementów skończonych (z ang. FEM). Weryfikacja w początkowych etapach tworzenia modelu pozwoliła także na jego udokładnienie.

Opracowane narzędzie w postaci modelu analitycznego posłużyło do działań optymalizacyjnych ukierunkowanych głównie na takie kryteria, jak zwiększenie sprawności maszyny (optymalizacja skalarna) oraz zwiększenie sprawności przy zachowaniu jak najniższych kosztów wytworzenia maszyny (optymalizacja bikryterialna).

Jak wykazano w rozprawie, stworzony model analityczny pozwala na dobre odwzorowanie własności maszyny (m.in. przebiegu składowej normalnej indukcji w szczelinie, strat w żelazie oraz generowanego hałasu), a w zastosowaniu w procedurze optymalizacyjnej umożliwia zaprojektowanie maszyny o sprawności spełniającej najwyższe normatywne i nieformalne klasy sprawności. Cel ten osiągnięto i zweryfikowano doświadczalnie na wykonanym prototypie silnika LSPMSM.

Pełna wersja autoreferatu MB_autoreferat.pdf

1. M. Bajek, T. Bąk, W. Jażdżyński „Analiza własności silnika indukcyjnego synchronizowanego (LSPMSM) metodą obliczeń polowych”, 2005, Zeszyty Studenckiego Towarzystwa Naukowego Nr 7: Referaty Laureatów XLII Sesji Studenckich Kół Naukowych Pionu Hutniczego Akademii Górniczo-Hutniczej, Wydawnictwo Studenckiego Towarzystwa Naukowego, Kraków, str. 53÷57
2. W. Jażdżyński, M. Bajek, T. Bąk, M. Majchrowicz „Modelowanie i przykłady analizy własności silnika asynchronicznego synchronizowanego (LSPMSM) oraz reluktancyjnego (SRM) z wykorzystaniem programu FLUX 2D”, 2005, Materiały Konferencyjne XLI Międzynarodowego Sympozjum Maszyn Elektrycznych SME '2005, 14-17 czerwiec, Opole-Jarnotłówek, str. 136÷141
3. M. Bajek „Analiza własności silnika indukcyjnego i asynchronicznego synchronizowanego metodą polową”, 2006, praca magisterska, Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie
4. W. Jażdżyński, M. Bajek „Wybrane konstrukcje silników indukcyjnych synchronizowanych (LSPMSM) – analiza porównawcza”, 2006, Materiały Konferencyjne XLII Międzynarodowego Sympozjum Maszyn Elektrycznych SME '2006, 3-6 lipiec, Kraków, str. 207÷210
5. M. Bajek „Wybrane problemy silników indukcyjnych synchronizowanych z magnesami trwałymi (LSPMSM)”, 2007, Elektrotechnika i Elektronika, wyd. AGH, tom 26, zeszyt 1-2, str. 1÷6
6. M. Bajek „Analiza własności jednofazowego silnika z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim”, 2008, Automatyka, wyd. AGH, tom 12, nr 1/2008, str. 19÷27
7. W. Jażdżyński, M. Bajek „Wpływ struktury wirnika na niektóre własności silnika synchronicznego z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim (LSPMSM)”, 2008, Przegląd Elektrotechniczny, luty, tom 84, str.117÷121
8. W. Jażdżyński, M. Bajek „Obliczenia analityczne silnika synchronicznego z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim (LSPMSM) z pominięciem zjawisk nieliniowych„, 2009, Maszyny elektryczne. Zeszyty Problemowe Bobrme-Komel, Katowice, nr 83, str. 73÷76
9. M. Bajek „Analiza silnika LSPMSM z magnesami w kształcie „C” oraz wpływu nasycenia żelaza na jego własności”, 2010, Maszyny elektryczne. Zeszyty Problemowe Bobrme-Komel, Katowice 2010, nr 88, str.75÷80
10. W. Jażdżyński, M. Bajek „Wyznaczanie i analiza granicznych własności optymalizowanego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim (LSPMSM)”, 2010, Maszyny elektryczne. Zeszyty Problemowe Bobrme-Komel, Katowice, nr 87, str. 91÷94
11. W. Jażdżyński, M. Bajek „Optimization of construction of a line start permanent magnet synchronous motor with the use of a magnetically linear analytical model„, 2010, Przegląd Elektrotechniczny, tom 86, nr 7/2010, str. 330÷337
12. W. Jażdżyński, M. Bajek „Modeling and bi-criterial optimization of a line start permanent magnet synchronous machine to find an IE4 class high-efficiency motor”, 2010, International Conference on Electrical Machines and Systems, ICEM 2010, Rzym, Włochy, 6-8 wrzesień, artykuł RF-002232, str. 1÷6, materiały konferencyjne
13. W. Jażdżyński, M. Bajek „Comparison of FEM and lumped parameter models in application to optimization of a LSPMSM construction„, 2011, Maszyny Elektryczne. Zeszyty Problemowe Bobrme-Komel, Katowice, nr 92, str. 39÷44
14. M. Bajek „Determining LSPMSM model parameters - a comparison of FEM and analytical approach with respect to optimization”, 2011, XV International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering, ISEF2011, Madera, Portugalia, 1-3 wrzesień
15. W. Jażdżyński, M. Bajek „A comparison of operation properties of a high-efficiency squirrel-cage induction motor and LSPMSM”, 2012, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej Nr 66, tom 1, str. 238-243.