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Tema V Diseño de máquinas con imanes permanentes
TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICASDISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICASDISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICASDISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAShttp://webs.uvigo.es/lbcalmaq
Dimensionamiento del imán.Características del imán
Efecto de la desmagnetización (reacción de inducido)
Características de imanes
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Características de imanesEfecto de la temperatura en la desmagnetizaciónMotores de imanes permanentes (PM)Control de posición-alimentación
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1) Until now, the reduced part converters have been applied mainly to ac inductionmotor drives. However, these days, the Brushless Direct Current (BLDC ) motor isattracting much interest, due to its high efficiency, high power factor, high torque,simple control, and lower maintenance.
1) IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 18, NO. 1, JANUARY 2003On the Feasibility of Four-Switch Three-Phase BLDC Motor Drives for Low Cost Commercial Applications: Topology and Control
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Byoung-Kuk Lee, Member, IEEE, Tae-Hyung Kim, Student Member, IEEE, and Mehrdad Ehsani, Fellow, IEEE
Permanent Magnet Synchronous motors (PMSM) are considered up to 30% more compact than otherclassical motors.
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*) The Squirrel-Cage Induction Motor is extremely robust and cheap,and its overloading capability (and consequently the field weakeningcharacteristics) is good. However, its main problem is an alwayslagging power factor, which means that it can produce typically only70−90 % of the torque produced by a comparable PMSM with thesame current.
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*) Jussi PuranenINDUCTION MOTOR VERSUS PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR IN MOTION CONTROL APPLICATIONS: A COMPARATIVE STUDY - 2006
Due to the introduction of the NdFeB (Neodymium-Iron-Boron) magnets andthe vector control methods for PMSMs in the early 1990s, during the pastdecade, PMSM has become more common in dynamically demandingapplications than IM. Because of the rotor permanent magnetization ofPMSMs, a physically smaller motor and an inverter with a smaller currentrating can be chosen.
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Permanent Magnet Motors (BLDC & PMSM) compared to classical motors(rotor wound synchronous and induction motors), rotor losses are eliminated. In addition, both power density and efficiency are improved and vibrationsare reduced in PM motors.
However, some aspects of the PM motors still arduous such as the risk of
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*) Jussi PuranenINDUCTION MOTOR VERSUS PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR IN MOTION CONTROL APPLICATIONS: A COMPARATIVE STUDY - 2006
However, some aspects of the PM motors still arduous such as the risk of demagnetization under high operating temperature. Because of the highinertia, a noncontrolled short-circuit current is the major drawback.
Moreover, despite the reduction in magnet cost, PM motors still more expensive than induction motors.
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Br
Bm
BCortocirtuito
Circuito en carga
Dimensionamiento del imán
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H
- Hc - Hm
Hg
Hc = Hg
Circuito abierto
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Br
Bm
B
Recta de carga en vacío
Dimensionamiento del imán
Imán
Material magnéticamente
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H
- Hc - Hm
magnéticamenteblandos
Bm = - µ0 [K1 Kr (sg/sm) (lm/lg)] Hm
K1 : Coeficiente de dispersión
Kr : Coeficiente de reluctancia. Pondera la FMM invertida en el material magnéticamente blando del circuito.
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Br
Bm
B
Recta de carga en vacío
Dimensionamiento del imán
Imán
Material magnéticamente
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H
- Hc - Hm
magnéticamenteblandos
Bm = - µ0 [K1 Kr (sg/sm) (lm/lg)] Hm
Coeficiente de permeancia: Pc
Pc
Bg = (Bm Hm) µ0 (Vm/Vg)(1/K1Kr)4/22
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La curva normal muestra la densidad de campo total BM en
La curva intrínseca muestra la polarización intrínseca J.
J = µ0 M
Características de magnetización de materiales magnéticos
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densidad de campo total BM en función de la intensidad magnética HM y de la magnetización intrínseca M del material.
BM = µ0HM + J
BM = µ0(HM + M)
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(J=0)
(curva de polarización magnética J)
Curva J = B – ( µµµµo H)
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La curva normal muestra la densidad de campo total BM en
MLa curva intrínseca muestra la polarización intrínseca J.
J = µ0 M
Características del imán
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densidad de campo total BM en función de la intensidad magnética HM y de la magnetización intrínseca M del material.
M
BM = µ0HM + J
BM = µ0(HM + M)
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Características del imán
Bi = µo χm H
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B = µoµr H
M = Magnetización , es el campo magnético generado por el material , por la orientación de los campos magnéticos generados por corrientes a nivel atómico o molecular, por el movimiento de electrones en su órbitas o por el giro sobre sí mismos (spin).
χχχχm = susceptibilidad , es característica de cada material
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Campo coercitivo intrínseco Hci: es el valor dela fuerza de desmagnetización que es necesarioaplicar para reducir la polarización intrínsecahasta cero, J = 0.
Campo Coercitivo Hc: es el valor de fuerza desmagnetización que es necesario aplicar para reducir la densidad de flujo hasta cero, B = 0.
Características del imán
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reducir la densidad de flujo hasta cero, BM = 0.
Límite o codo de la fuerza de magnetización Hk: es el valor de HM del segundo cuadrante para el cual la curva J/ HM se vuelve no lineal. Si el punto de trabajo está a la izquierda de Hk entonces parte de la desmagnetizació n del material es irreversible y sólo se puede eliminar con una re-magnetización.
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Efecto de la desmagnetización (reacción de inducido)
Los imanes utilizados en ME está sometidos a las desmagnetización como consecuencia de la reacción del inducido.
El efecto de la FMM de desmagnetización suele estudiarse con la curva intrínseca de desmagnetización.
La desmagnetización actúa contra el flujo creado por el imán en el
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La desmagnetización actúa contra el flujo creado por el imán en el entrehierro. Sin embargo, el propio imán sufre una modificación del punto de trabajo, traduciéndose en un menor campo una vez el campo externo desaparece.
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Efecto de la desmagnetización (reacción de inducido)
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Efecto de la desmagnetización (reacción de inducido)
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Imanes permanentes
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Efecto de la temperatura
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Efecto de la temperatura
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Influencia de la temperatura al NdFeB12/22
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The design of PM motor The free parameters (number of magnet poles, the number of slots and the magnet span).
A high number of poles yields to reduce the stator and rotor yoke heights. Indeed, the magnetic flux through the yokes is reduced. However the mechanical constraints
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However the mechanical constraints and the increase of the manufacturing cost due to a high number of slots, limits this degree of freedom.
The magnet span is chosen considering a compromise between average torque, torque ripples and magnets cost.
In addition, segmenting the magnets yields to reduce eddy-currents losses and an appropriate choice of the number of magnet blocks over a pole may reduce the cogging torque
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The design of PM motor Neodymium-Iron-Boron (NdFeB) magnets have higher remanence at room temperature and are generally cheaper than Samarium-Cobalt (SmCo) magnets. However, their main characteristics (remanence and coercitivity) are more sensitiveto temperature variation, increasing the demagnetization risk.
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PMSM IM
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Motores de imanes permanentes
DC
Brushless (DC, AC)
Ventaja en motores miniatura. Diámetros < 70mm
Imanes de campo en el estator
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Brushless (DC, AC)
¿Reducción de costes?
Eliminación de escobillas y colectorReducción de peso y volumenMejor comportamiento térmicoMejor rendimiento
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Brushless (DC, AC)
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Brushless (DC)
Componentes del BDC
- Estator devanado- Rotor con excitación permanente - Eliminación del colector -> Sensores de posición
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T, I
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N S
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Brushless (DC, AC)
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Brushless (DC, AC)
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N S
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Brushless (DC, AC)
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Brushless (DC)
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Brushless (DC)
101
100
110
010
011
001
a b c ab ac bc ba ca cb
G1 G1 G3 G3 G5 G5
S1
S2
S3
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a b cG1G6
G1G2
G3G2
G3G4
G5G4
G5G6
060
60120
120180
180240
240300
300360
Angulo de posición del ejeS1
S2
S3
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