Analiza porównawcza parametrów maszyn prądu stałego wzbudzanych magnesami trwałymi

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ELEKTRYKA z. 82 ,

______ 1982 Nr kol. 723

Ignacy DUDZIKOWSKI, Ysldessar STACHOWIAK

Instytut Układów Elektromaszynowych Politechniki Wrocławskiej

ANALIZA PORÓWNAWCZA PARAMETRÓW MASZYN PR^DU STAŁEGO YZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

Streszozenie. Zainieszozono wyniki obliczeń silników prądu stałe

go o mooacb 0,8; 3,7» 7,5; 22 i 50 kW wzbudzanych ferrytowymi magne

sami trwałymi oraz magnesami z metali pierwiastków ziem rzadkioh.Po

równano parametry obliozonyoh maszyn z parametrami aktualnie produ

kowanych maszyn wzbudzanyoh elektromagnetycznie o tyoh samych siooeoh i napięciu zasilania. Opracowano analizę porównawczą mas,objętości, kosztów wytwarzania i kosztów eksploatacji obliozonyoh maszyn wzbu

dzanych magnesami trwałymi oraz maszyn produkowanych o wzbudzeniu elektromagnetycznym. Analiza dotyozy maszyn budowy zamkniętej przeznaozonyoh do pracy oiągłej zasilanych napięciem U = 220 V.

1. WSTĘP

W ostatnich łatach w Polsce rozwinęła się produkcja mikromaszyn prądu stałego wzbudzanych magnesami ferrytowymi. Ich produkcja osiąga rocznie kil

ka milionów sztuk. Produkowane są również na lioenoji firmy H.K.Porter ma

szyny specjalne do napędu posuwu obrabiarek ¡[ó], Brak jest natomiast pro

dukcji maszyn wzbudzanyoh magnesami trwałymi, przeznaczonyoh do ogólnego zastosowania. Tymozasem na świeoie produkowane _{s ą} silniki prądu stałego _o mocy doohodząoej do kilkuset kW. Silniki prądu stałego, wzbudzane magnesa

mi trwałymi o mooy do 10 kW, produkowane są od 1963 r. Od 1973 r. produ

cenci oferują silniki na napięoie 230 V o mocy do 1 0 0 kW [ V ).Silniki wzbu

dzane magnesami trwałymi nadają się szczególnie do współpracy z regulowa

nymi prostownikowymi źródłami zasilania. Wynika to z możliwości ogranicze

nia prądu rozruobowego i tym samym uniknięoia niebezpieczeństwa rozmagne

sowania. Należy także podkreślić łatwość ragułaoji i liniowość oharaktory- styk momentu i prędkości w funkoji prądu.

W niniejszej pracy zamieszczono wyniki elektromagnetycznych obliozeń sil

ników o mocy 0,8; 3,7; 7,5; 22 i 50 kW wzbudzanyoh anizotropowymi magne

sami ferrytowymi oraz magnesami z metali pierwiastków ziem rzadkich (CeMMOoj). Porównano objętości, masy materiałów elektromagnetycznie czyn- nyoh i koszty produkoji maszyn wzbudzanyoh magnesami trwałymi z parametra

mi aktualnie produkowanych maszyn o tyoh samyoh mocach, napęciaob i pręd

(2)

128 I . D u d zik o w sk l. V . Stach ow iak

kościach znamionowych, wzbudzanych elektromagnetycznie. Analizę kosatć*

wytwarzania ograniozono do maszyn o mocy 0,8 — 7,5 kW.

2. WŁASNOŚCI WSPÓŁCZESNYCH MATERIAŁÓW MAGNETYCZNIE TWARDYCH

Współcześnie, wiele firm produkuje różnorodne gatunki magnesów. Magne

sy te podzielić można na cztery grupy: magnesy typu Alnioo, magnesy fer

rytowe, magnesy z metali pierwiastków ziem rzadkich oraz ze stopu Pt-Co.

Tablioa I

Porównanie parametrów i cen magnesów różnych gatunków ¡]»5j

Lp, Materiał

Br T

Hc kA/m

(b h)max kJ/m^

Cena SFr/kg

Uwagi

1 Ferryt strontu 0,2-0,39 132-263 8 -2 7 3-5 koszt materiału i produkcji 2 Alnioo 0 ,6-1 ,3 45-116 10 -56 10 -30 0

3 PtCo 0 , 6 364 6k 35000-

-k o o o o

k Ce?'MCo_ 0 ,7 8 536 108 50 koszt raaterialu

5 SmCo„

/

5

^0,87

680 144 800

_

W tablicy I zestawiono parametry i oeny (we frankach szwajcarskich) różnych gatunków magnesów. Z porównania danych wynika, że magnesy ferry

towe są około 40 razy tańsze od magnesów typu Alnioo. Z kolei magnesy z pierwiastków ziem rzadkich są 2—5 razy droższe od Alnioo. Nie dotyozy to magnesu CeMMCo,,*^, który mająo korzystniejsze parametry od Alnioo jest trzykrotnie tańszy od tego materiału. Według Jokscha [5J najbardziej o- biektywnym wskaźnikiem ekonomioznym jest cena magnesu na jednostkę stru

mienia magnetycznego. Również pod tym względem magnesy ferrytowe są naj

tańsze. Ioh koszt jest 20 razy niższy od magnesów Alnioo i 60 razy od mag

nesów z materiału SraCOj. Pod względem wymagań teohnioznyoh najbardziej raia.

rodajne są dwa parametry: natężenie koeroji Ho i iloczyn Magnesy ferrytowe mają natężenie koeroji kilkakrotnie większe niż Alnioo,zaś ilo

czyn (BH) porównywalny. Dobre parametry i własnośoi fizyozne,niska oe- moje

na oraz prostoliniowoś6 charakterystyki odmagnesowania B = zadeoydo- wały o tym, że od 1970 r. faworyzowanymi przez producentów maszyn są mag

nesy ferrytowe. Ioh rola będzie się utrzymywać lub nawet wzrastać. Wynika

MM - metal mieszany - stop będąoy mieszaniną pierwiastków ziem rzadkioh

(3)

Wynikiobliozerimaszynwzbudzanych magnesami trwałymi orazdaneprodukowanyoh maszyno wzbudzeniu elektromagnetycznym A - wzbudzenie elektromagnetyczne,B - wzbudzenie magnesemferrytowym,C - wzbudzenie magnesemCeMHCo-

Analiza porówoawoza parametrów maazyn.. ₁₂₉

(—1

i

£

£ n a E

0 o m

O

p o\ 'o

O O m m 'O >o co o co - m co

m « .» p - — a . o. >© p — cn *p

« « m « w o c v — o m ,

On ,

«

*n en p o\ p* f' —

o w m p - — aa • ' O O e v « ' o

m cv « m — co o -o os p

ON

•<

O m o — p

o -3 m o — a l P - « m no

o « m p o co co o cn en o l

m m m m m .» —

«

« u

<v

O O P P ^ NO 00 O » O n

« « — -3 — fa p NO • WN 00 On

cv « — vo O w » « P 3 en n© •

p O « — — —

n

<© W CO -7

O - O oo — fc *n o 3 « m o

« « n p ® W » O « P cn C-N ON

« « — o en On On

— « —

•<

O O O m 3 3 « P

N « » Ifl » — tu 1 *n » V© - *

« « >n *0 N3 CO 3 3 On m o l

— oo en — <x> no

— <n

m p o

00 00 P- 3

m o o n »o o — m <o <n — — o co m

- « » On Cn w *■ CO » - « m

p « P p o « c n o

en « «

aa

m o ® — m P' o p-

. « » N O — — CD cn O •© CM « On O

P « N© ©N CM W

en « On o CV O P 3

— «

<

O O P » « « « ' O «

n » o « On « N ON n© * — CO a • On 00 - _T 3N -T CP p* •

p « n « z en en « oo

i ___

p en

o

p ao co co « m m n o

p o » n o — aa *© « o p o c o c o

» CV 00 O On Ot -3- -

en « - - en ® O — « « O

aa

3 O m v© cn en n© on «

p o - p - — a e n 3 o e n o ‘© m

« « ® p — w * ^ «r

en « — « On O — p- ^ ^

<

¿ t o p co 3 m © o

p o * - « - — co i n© 3 - - >n •

» « C\ P 3 OT n© » m O

cn « — Ol 00 — • •

co o “ u

3 co m no jt cn p m

oo o — on - — a \o - «n m. cn »© m

* « — On P OT - O - - - -

o « - 3 « so o — o — o m

CQ

— 0 - 3 GD « _

co o m co - a - -j- p •£ £' £

<M - On O OT - -3 - -3 « O »P

O « 3 « 90 ° ^ - 'O

•« » 8 ii g * - n i a “i s s s

° S 2 ~ ° -o « « 1

U

e 8

en

a c^E 0B

S s» < ^ n* i • * - * " o ,o S’ £ 0u

'O NO 0 M H

•

>

. . .

#

*» 1

aj ►, * ® °s> n>

o, p h a o S b ^{r n} ^aa ^c. T4 „ _

■O « S O -rt o H cni O 5 ^

iŁ s:: w "a

v

u° o <,

a

— « en -3- m N© P ao On o — ^ i? ^

(4)

130 I . D u d zikow ski, V. Stachow iak

Tablica III

Zestawianie kosztów maszyny o mocy 7,5 kW wzbudzanej elektromagnetycznie i magnesami ferrytowymi

Lp. Szt. Nazwa zespołu lub oześci

Wzbudzenie elektromagnet, Wzbudzenie magne

sami trwałymi mate

riał

robo

cizna razem mate

riał

dobo—

ci zna raz on

1 1 Kadłub 610,87 37. W 668.31 51 37 88

2 k Biegun główny

uzwo J, 118 6 .8 0 7 6 .26 1263.06 3 9 Biegun z magne

sów trwałych ^«. 508 10 518

4 ił Biegun komuta

cyjny uzwojony 630.26 25.8 6 656.08

_ _

5 1 Wymiennik ciepła 135.80 2.99 138.79 27 4 31 6 1 Tarcza łożysko

wa pK 16 5.OO 7.98 15 2.9 8 55 6 61

7 1 Tarcza łożysko

wa K 130.0 0 8.29 138.29 50 7 57

8 1 Uzwojenie wir

nika 563.95 19.50 583.45 703 20 723

9 1 Pakiet wirnika 873.60 36.32 907.92 611 31 642

10 1 Komutator 707.75 57.47 765.22 315 28 343

11 - Zespoły i czę-

śc i wspólne 1157.85 180.35 1338.20 1158 180 1338 Maszyna kompletna 6281.86 650,62 6732.28 3478 323 3801

100$ 56$

Tabiioa IV

Koszty wytwarzania maszyn wzbudzanych elektromagnetycznie (a) i magnesami ferrytowymi (b)

Dane 0,8 kW 3,' kW 7,5 kW

Kos zty A B A B A B

Materiały 1589,5 1096 2941,6 2160 6281,8

*1 3478

Roboc i zna 211,3 180 318 223 450,4 323

Maszyna kompletna 1800,8 1276 3259,6 ¿2383 6732 3801

100$ 71$ 100$ 73$ 100$ 56$

(5)

Analiza porówoawoza parametrów .'.a.szyn. .

to stąd, Ze sarowoe do ich produkcji są powszechnie dostępne, a niezależ- nie od fluktuaoji oen materiałów na rynkach światowy oh, ceny Żelaza i mie

dzi stale rosną £7 ] w stosunku do oso magnesów ferrytowyoh. Należy także zwrócić uwagę na zwiększająoe się znaczenie magnesów z metali pierwiastków ziem rzadkich, szozególnie w zastosowaniu do maszyn, w których głównym wy«

maganiem jest minimalna masa 1 objętość, a koszty wytwarzania mają znacze

nie drugorzędne.

3. WYNIKI ELEKTRONAGNETYCZNYGH' OBLICZEŃ SILNIKÓW WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

Obliczenia wykonano dla silników budowy zamkniętej o mooaoh 0 ,8,,,5OkV, przeznaozonyoh do praoy oiągłej o napięolu znamionowym 220 V. Napięcie za

silania, moce, prędkości znamionowe i klasa izolaojl cbliozaayoh maszyn z magnesami trwałymi są takie same Jak produkowanych aktualnie i porównywa

nych maszyn wzbudzanyob elektromagnetycznie. V obliozeniaoh silników wzbudzanyoh magnesami ferrytowymi korzystano z katalogowych magnesów firmy Philips ^8] oraz z magnesów stosowanyoh w lioenoyjnya silniku firmy K.K.

Porter.

W tablicy II zamieszozono wyniki obliczeń elektromagnetycznych maszyn wzbudzanyob magnesami trwałymi oraz dane produkowanych maszyn o wzbudze

niu elektromagnetycznym. Projektowane maszyny miały konstrukcję z magne

sem stanowiącym biegun bez nabiegunnika. Obliozenia obwodu magnetycznego wykonano według sposobu przedstawionego w praoy [2J . Porównywane maszyny wzbudzane magnesami trwałymi nie były optymalizowane.

V tablioy III zamieszozono zestawienie kosztów produkoji maszyny o mo- oy 7 ,5 kW dla obydwóoh rodzajów wzbudzenia, a w tablioy IV podano koszty materiałów i koszty robocizny pozostałych maszyn. Analizę kosztów wytwa

rzania ograniczono do maszyn o zakresie mocy O,8...7,5 kW. Analizę tę o- praoowano w Zakładzie Maszyn Komutatorowyoh Branżowego Ośrodka Badawczo- Rozwojowego Maszyn Elektryoznyob w Katowioaoh w trakcie realizaoji wspól

nej praoy [3] z Instytutem Układów Elektromaszynowych Politechniki Wro

cławskiej. Koszty wytwarzania maszyn wzbudzanych magnesami trwałymi okre

ślono dla warunków zakładu produkującego maszyny o wzbudzeniu elektromag

netycznym.

k. ANALIZA WYNIKÓW

W tablioy V porównano główne parametry, wymiary i masy porównywanych maszyn. Jak wynika z porównania zastosowanie magnesów ferrytowyoh w raaszy-

/

(6)

parametrów,wskaźnikówoiężarowyohi objętoóoiowyohmaszyno te,1 samejmooyprzyróżnymwzbi nieelektromagnetyczne,B - wzbudzeniemagnesemferrytowym,C - wzbudzeniemagnesemCeMMCo

132 1» Dudzikowski, W. Stachowiak

TD

3

ffl

1,02

N r-

0 0,88 cn

.©

0

O ir> W

en 0

n o

»Ti m O*

O

O"

\ CQ

CM

O r-

0*

JTi O*

w- cv 0* B

\ O

er O

ir\

Ol NO O*

r^

X cT

cn 0* CM

-i

\ O

»n O

00 'O er 0

.©

er • 0

m

0"

<

>

CM O

in

0*

CM

*r\

O*

er 0

U r^

O*

0

00 On

*\

O

er cn co O*

cn CM er 0"

r—1

r^-

<

\ O

er 0

00

cT

.©

CM O

Cn

O*

* c a

\ B

0 cn

0"

ON CM O

O * en O

® I

0 \

0 co On 0

m r^

0 0*

00 co

0“

0 NO O T.

cn <

\ 0

vO O

00

*- 0*

CM O

CM O"

<

£ CO 0

fN- ef 0"

" NO

CM O*

Cn O"

0 On O

Ci vO cT

er en On c

Cn NO 'O O*

CO

0 0

VO

ef cn

<v 0"

m en O

CO CM O

B

»n 0

n o cn O*

00en

cT

NO 5

cT

so 0

ę*

li J *

T»

O l

•’-j

•O 0 ^-*~V

o *r

•H H C •

® CM

•O H

• CM

H C

•H O

£ £ * 0 * 0 4> o l o

*

©

© E

©

•H C

®

•H

0

«3 E c ? S g

N ot -r

« Q n w

CM Q

N **»! © J3

» © n o

•n-rł 60

II X0

Zmniejsz miedzi u

3 O

3

- CM r\ ef

\

(7)

łnallza porównawcza parametrów maszyn.. 133

saob prądu stałego w porównaniu z maszynami wzbudzanymi elektromagnetyoz- oie daje następująoe korzyśoi:

• sprawność maszyn wzrasta o 2-,.8?ó, . masa miedzi zmniejszą się o 58...79^,

. nasa materiałów czynnych elektromagnetycznie (bez komutatora) ulega zmniejszeniu o

-objętość zewnętrzna zmniejsza się o 25...64ife,

. koszt wykonania maszyn w zakresie mocy 0,8...7,5kW zmniejsza się o 29. .46^.

Zmniejszają się koszty eksploatacji maszyny na skutek zwiększenia spraw

ności} np. dla maszyny o mooy 3*7 kW oszozędność energii w ciągu 5000 go

dzin pracy wynosi 1625 kWh, co stanowi około 505« kosztów produkoji maszy

ny.

Z porównania parametrów maszyn wzbudzanych magnesami ferrytowymi i ma

gnesami z metali pierwiastków ziem rzadkioh wynika, Ze zastosowanie tyoh ostatnioh daje następująoe efekty:

- objętość zewnętrzna ulega zmniejszeniu o 32...62^,

-masa materiałów ozynnyoh elektromagnetycznie (bez komutatora) ulega zmniejszeniu o 7...21/Ó,

- masa miedzi ulega zmniejszeniu o 33...k9^,

. przyrost sprawności jest stosunkowo mały lub nawet występuje jej zmniej

szenie na skutek wzrostu strat w żelazie,

- wstępnie oszaoowany koszt maszyn wzbudzanyob magnesami z metali pierwia

stków ziem rzadkioh (dla zakresu mooy 0,8. -.7,5 kW) jest około 40. ..505ś wyższy od kosztu maszyn wzbudzanyob magnesami ferrytowymi.

5. WNIOSKI

1. Stosowanie magnesów trwałyoh w maszynaoh prądu stałego należy uznać za oelowe zarówno ze względów teohnioznyoh, jak i ekonomicznych w oałym zakresie analizowanych mooy.

2. Zastosowanie anizotropowych magnesów ferrytowych daje zdeoydowane zmniejszenie zewnętrznej objętości maszyny, masy materiałów elektroma

gnetycznie ozynnyoh oraz kosztów wytwar-jt*nia i eksploataoJi,

3. Zastosowanie magnesów z metali pierwiastków ziem rzadkioh powoduje dal

szą poprawę wskaźników objętośoiowyoh i ciężarowych, przy jednoozesnym zwiększeniu kosztów wytwarzania wynikających z oeny magnesów.

(8)

13

^h I. Eudzlkowskl, V. Stachowiak

LITERATURA

[ij Baohman K.: Permanent magnets. Engieniering materials and design. May 1973.

£2] Dudzikowaki I.: Metoda obliozania obwodu magnetycznego maszyn prądu stałego wzbudzanych magnesami trwałymi. Referat na konf. "Maszyny elek

tryczne o magnesach trwałyoh". Katowice 9-11.X.1979.

[3] Dudzikovski I., Karwacki V*9 Kłosiński J.: Analiza możliwości i celo

wości opracowania odmiany maszyn elektrycznych serii Pc z magnesami trwałymi w zakresie wielkości meohanicznoj 160. Raport nr 162 Inst.

Ukł. Elektromaszynowych PWr 1977.

Farley J.E. : Application of Permanent Magnet DC !'otors at Republio Stal’s 8b-ia Hot Strip Mill. IEEE TRANSACTION ON INDUSTRY. Vol. IA-Q.

No 2 1973.

[5] JOKSCH H.: Die Dauermagnetenwikklung von Kohlenstoffstahl bis zum Sa- raarium-Kobalt. Feinwerktechnik + micronic 77. 1973. Heft 8.

£ój Koźraian J, , Gryko S.: Konstrukcja i technologia silników prądu stałe

go na lioencji H.K. Porter Maszyny elektryczne — Zeszyty Problemowe Nr 27/1976. Katowioe.

[7] Philips Teohnioal note 005.

[8] Philips Cataloque. Permanent magnet materials. 1977.

Recenzent: doc. dr hab. in*. Władysław Mizia

Wpłynęło do redakcji 5.IV.1982 r.

CPABHHTEJIhma AHAJIH3 IIAPAMETPOB HAM H IIOCTOHHHOrO TOKA, B03EyaąAKHliX nOCTOHHHUMH MArHHIAMH

P e 3 10 u e

B p a 6 o x e npH BeaeH U p e 3 y ji b x a x u p a c ą e iO B f lB H r a ie jie f t n o c iO H H H o ro TOKa i i o ą - H OCTbB 0 , 8 } 3 , 7 ; 7 , 5 } 2 2 h 5 0 k B i , B 0 3 6 y a y ;a e iiH X $eppHXOBHMH nocioaH H H M H M a- rH H TaM H , a T a k x e M arim xaM H H3 p e flK 0 3 eM eA b H H X u e i a j u i O B . C o n o c T a B Jie H K n a p a u e - i p u p a c c n u x a H H u x uamEH c n a p a u e ip a M H H 3 r o i o B jia e i i H x b H a c x o ju n e e B p e u H s j i e i c - t pnqecK H B 0 3 C y a y ;a e M b ix ManHH x a n a x ace M om H ocieił u laKH M ace H anpaaceH H eM n a - la H H a . P a s p a ó o T a H cpaBHH TejibHhiił aH aJiH 3 M a c e , o G ie M a , 3 a i p a x H a n p o n 3 B O ,ą c iB O y. Ha S K c n J iy a ia ip iio p a c c n h t aHH&x u ć liih h , B 0 3 G y a c ia e u u x iio c io h h h h m h u a r H K T a iiH , a Taicace n a n n H , H 3 r o io B A H e » m x c s a e K ip o u a r H H iH H M B 0 3 6 y s fle H H e M . A H ajiH 3 o i h o c h i - c h k uaaH H aM 3a u K H y t o r o c x p o e H M , n p e flH a 3 H a ą e H H U ii a j i a H enpepuBBO fi p a G o x u m - x a e u t m H anpaaceHH eM u = 2 2 0 B .

(9)

iniallsa poréwnawcza paraaetrdw naavyB..

A COMPARATIVE ANALYSIS OF PARAMETERS

OF D.C. MACHINES EXCITED WITH PERMANENT MAGNETS

S a ■ n a r y

Results of oaloulatlons of d.o. motors of 0,8; 3,7; 7,3; 22 and 50 kW poover exoited with ferrite permanent magnets and magnets made of rare- eaarth metals are presented. Parameters of the oaloulated machines are oont- psared with the currently produced electromagnetioally excited machines of thhe same powers and supply ooltagen. A comparative analysis of the bulk, tbhe volume and the produoting and exploitation costs of the oaloulated per- mnanent magnet exoltation machines and of the currently produced machines wiitb electromagnetic excitation is conduoted. The analysis can be applied too close—structure machines designed for continuons running and supplied wilth voltage V = 220 V.