Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 80/2008
159
Emil Król, Robert Rossa
BOBRME Komel, Katowice
PR
DNICE SYNCHRONICZNE Z MAGNESAMI TRWAA
YMI
UMIESZCZONYMI WEWN
TRZ WIRNIKA
INTERIOR PREMANENT MAGNEST SYNCHRONOUS GENERATORS
Abstract: In the paper two kinds of permanent magnet synchronous generator constructions are compared.
The first one is generator with the arc-segment permanent magnets mounted on the rotor surface (Surface
Permanent Magnet  SPM construction). The second one is generator with the block-segment permanent
magnets mounted inside the rotor s laminated core (Interior Permanent Magnet  IPM construction). The
results of laboratory tests for both kinds of generators operating stand-alone are presented and discussed. It can
be concluded from these test results and discussions, that IPM generator is characterized by a lower voltage
variations and higher efficiency in the entire range of loads. It is also characterized by higher mechanical
strength and higher reliability comparing to the SPM construction.
1. Wstęp
Maszyny z magnesami trwałymi są znane już W prądnicach z wirnikiem o konstrukcji z mag-
nesami mocowanymi na powierzchni cylin-
od ponad 150 lat [1]. Początkowo były to
głównie silniki prądu stałego z niskoenerge- drycznego jarzma wirnika (skrót ang. SPM od
tycznymi magnesami trwałymi. Wraz z roz- Surface Permanent Magnet) zmienność napięcia
wojem technologii materiałów magnetycznych, jest na poziomie 8 � 20 %, natomiast w prąd-
w szczególności magnesów z pierwiastkami nicach z magnesami umieszczonymi wewnątrz
ziem rzadkich (NdFeB, SmCo), zaczęto produ- wirnika (skrót ang. IPM od Interior Permanent
kować silniki i prądnice z magnesami trwałymi Magnet) można uzyskać kilkuprocentową
wysokoenergetycznymi. zmienność napięcia.
Prądnice z magnesami trwałymi są najczęściej
wykorzystywane w elektrowniach wiatrowych
i wodnych. Od kilku lat w Europie, jak również
w Polsce, obserwuje się coraz intensywniejszy
rozwój tej właśnie metody pozyskiwania
energii. Powstają zarówno małe przydomowe
siłownie wiatrowe, jak i duże farmy z elektro-
wniami wiatrowymi. Produkowana energia
elektryczna z wiatru może być odsprzedawana
Rys. 1. Przykładowe prądnice z magnesami
do sieci energetycznej jak również zużywana na
trwałymi wykonane z wykorzystaniem części
własne potrzeby w gospodarstwie.
standardowych silników asynchronicznych
Przy pracy samotnej na biegu jałowym prądnice
2. Budowa prądnic z magnesami trwa-
z magnesami generują napięcie o wartości
skutecznej i częstotliwości liniowo zależnych łymi
od prędkości obrotowej wirnika. Przy pracy
Produkowane w kraju prądnice z magnesami
samotnej pod obciążeniem, wartość skuteczna
trwałymi w większości bazują na rozkrojach
napięcia zależy od prędkości obrotowej wir-
blach stojanów stosowanych w silnikach asyn-
nika, charakteru obciążenia oraz od wartości
chronicznych. Podyktowane jest to głównie
skutecznej prądu obciążenia. Układy regulacji
względami ekonomicznymi oraz dużą dostę-
napięcia prądnicy z magnesami trwałymi są
pnością części koniecznych do budowy prą-
skomplikowane i małoefektywne, dlatego nale-
dnicy.
ży dążyć do tego by przy zmianach obciążenia
Wirniki prądnic z magnesami trwałymi projek-
zmienność napięcia na zaciskach prądnicy była
towane są indywidualnie i wykonywane jako
możliwie niska, co w wielu aplikacjach poz-
lite dla wirników SPM lub pakietowane z bla-
wala wyeliminować układ regulacji napięcia.
chy elektromagnetycznej dla wirników IPM.
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 80/2008
160
3. Model matematyczny prądnicy z mag- zależność między reaktancjami magnetycznymi
w osiach podłużnej i poprzecznej ma zwykle
nesami trwałymi
postać: Xmd < Xmq. Wpływ reakcji twornika
Charakterystyki zewnętrzne prądnic synchro-
w tych konstrukcjach prądnic jest znacznie
nicznych obliczane są najczęściej metodami
silniejszy w osi magnetycznej q niż w osi d.
obwodowo-polowymi [3] bazującymi na klasy-
W wyniku tego, przy obciążeniu R lub RL,
cznych równaniach maszyny synchronicznej,
charakterystyka Uwy= f(Iwy) jest bardziej  płas-
wynikających z jej schematu zastępczego oraz
ka , a dla małych lub średnich prądów obcią-
wykresu wskazowego dla układu współrzęd-
żenia uzyskuje się nawet wyższą wartość
nych d-q-0 (rys. 2).
skuteczną napięcia na zaciskach niż dla biegu
rotation
jałowego prądnicy.
q axis
jIq Xmq 5. Badania laboratoryjne prądnicy typu
PMGg 132 S4
jId Xmd
E0
Badania prądnicy przeprowadzono w laborato-
Ei jI1 X1
rium BOBRME Komel. Do badań przygoto-
wano prądnicę o wzniosie mechanicznym 132
I1 R1
o długości czynnej żelaza 100 mm oraz dwa
jI1 Xobc
rodzaje wirników: wirnik z magnesami moco-
�i
wanymi na powierzchni (SPM) i wirnik z ma-
V1
�
gnesami umieszczonymi wewnątrz rdzenia
�
I1 Robc
wirnika (IPM).
I1
�
d axis
Uwy =f(P m) dla f=50Hz
25
Rys. 2. Wykres wskazowy prądnicy synchroni-
cznej
20
Parametry wykresu wskazowego, mające zasa-
15
dniczy wpływ na pracę prądnicy: reaktancja
magnesująca w osi podłużnej Xmd, reaktancja
10
magnesująca w osi poprzecznej Xmq oraz
Wirnik IP M
napięcie indukowane w uzwojeniu twornika
Wirnik S P M
5
przez wirujące magnesy trwałe E0, obliczane są
w metodach obwodowo-polowych z wykorzy-
0
0 1000 2000 3000 4000 5000
staniem dwuwymiarowej, stałoprądowej analizy
P m [W ]
rozkładu pola magnetycznego w maszynie
metodą elementów skończonych [4], [5].
Rys. 3. Charakterystyki napięcia wyjściowego
4. Wpływ konstrukcji wirnika na charak-
w funkcji mocy na wale dla prędkości n=1500
terystyki zewnętrzne prądnicy
obr/min
Przy stałej prędkości obrotowej, zmienność
Iwy =f(P m) dla f=50Hz
napięcia występująca na zaciskach prądnicy
180
pod wpływem zmian charakteru lub mocy
160
obciążenia, zależy w istotny sposób od
140
konstrukcji wirnika prądnicy. W przypadku 120
100
wirników, dla których reaktancje magnesujące
80
w osiach podłużnej d i poprzecznej q wirnika są
60 Wirnik IP M
jednakowe: Xmd = Xmq lub zbliżone, wzrost
40 Wirnik S P M
obciążenia o charakterze rezystancyjnym R lub
20
rezystancyjno-indukcyjnym RL powoduje spa-
0
dek wartości skutecznej napięcia, wzrastający
0 1000 2000 3000 4000 5000
P m [W ]
ze wzrostem prądu obciążenia. W przypadku
konstrukcji wirników, w których magnesy
trwałe nie są mocowane na powierzchni jarzma, Rys. 4. Charakterystyki prądu wyjściowego
lecz wewnątrz rdzenia magnetycznego wirnika,
w funkcji mocy na wale dla n=1500 obr/min
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 80/2008
161
E ta =f(P m) dla f=50Hz Iwy =f(P m) dla f=90Hz
95 180
90 160
85 140
80 120
75 100
70 80
60
65 Wirnik IP M Wirnik IP M
40
60 Wirnik S P M Wirnik S P M
55 20
50 0
0 1000 2000 3000 4000 5000 0 2000 4000 6000 8000 10000
P m [W ] P m [W ]
Rys. 5. Charakterystyki sprawności prądnicy Rys. 7. Charakterystyki prądu wyjściowego
w funkcji mocy na wale dla n=1500 obr/min w funkcji mocy na wale dla n=2700 obr/min
E ta =f(P m) dla f=90Hz
Uwy =f(P m) dla f=90Hz
95
45
90
40
85
35
80
30
75
25
70
20
65 Wirnik IP M
15 Wirnik IP M
60 Wirnik S P M
10 Wirnik S P M
55
5
50
0
0 2000 4000 6000 8000 10000
0 2000 4000 6000 8000 10000
P m [W ]
P m [W ]
Rys. 8. Charakterystyki sprawności prądnicy
Rys. 6. Charakterystyki napięcia wyjściowego
w funkcji mocy na wale dla n=2700 obr/min
w funkcji mocy na wale dla n=2700 obr/min
Uwy =f(P m) dla f=141Hz
Z charakterystyk przedstawionych na rys. 3 � 8
62
wynika, że umieszczenie magnesów wewnątrz
60
wirnika nie tylko poprawiło mechaniczne
parametry prądnicy, ale również jej paramenty
58
elektryczne. W całym zakresie prędkości
56
obrotowych sprawność prądnicy z wirnikiem
IPM jest wyższa. Jest to spowodowane m.in. 54
Wirnik IP M
małą zmiennością napięcia, czyli mniejszym
52
spadkiem napięcia zwłaszcza przy wyższych
50
obciążeniach, a co za tym idzie mniejszym
0 5000 10000 15000
prądem obciążenia przy tej samej mocy
P m [W ]
generowanej.
Dla prądnicy z wirnikiem IPM przeprowadzono
Rys. 9. Charakterystyka napięcia wyjściowego
również próbę przy prędkości 4230 obr/min.
w funkcji mocy na wale prądnicy IPM, dla
(rys. 9 � 11). Ponieważ ten wirnik posiada
prędkości n=4230 obr/min, z uwidocznieniem
magnesy umieszczone wewnątrz wirnika, moż-
pozytywnego wpływu asymetrii wirnika:
na uzyskać obroty na poziomie 8000 obr/min,
Xmd < Xmq (widoczny dla średnich obciążeń
co dla wirników z magnesami umieszczonymi
wzrost wartości skutecznej napięcia powyżej
na powierzchni wirnika (SPM) jest trudne do
wartości odpowiadającej biegowi jałowemu)
osiągnięcia bez stosowania dodatkowego
zabezpieczenia magnesów przed odpadnięciem
z powierzchni wirnika.
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 80/2008
162
dowane dużą liczbą mostków magnetycznych,
Iwy =f(P m) dla f=141Hz
120
które muszą zostać nasycone strumieniem od
magnesów. W wirnikach z magnesami na
100
powierzchni taki problem nie występuje.
80
Dlatego zasadne wydaje sie być projektowanie
i produkowanie prądnic wolnoobrotowych
60
z wirnikami na powierzchni, natomiast prądnic
40
Wirnik IP M powyżej 500 obr/min z magnesami umieszczo-
20
nymi wewnątrz wirnika. Prądnice z wirnikami
IPM mają znacznie większą wytrzymałość
0
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 mechaniczną i są bardziej niezawodne. Wirnik
P m [W ]
maszyny IPM nie jest narażony za uszkodzenie
zewnętrze magnesów mogące powstać podczas
Rys. 10. Charakterystyka prądu wyjściowego
montażu lub demontażu. A
atwiej jest
w funkcji mocy na wale dla prędkości n=4230
zaprojektować i wykonać maszynę IPM dosto-
obr/min
sowaną do wysokich prędkości obrotowych.
Prądnice z wirnikami IPM można poddawać
E ta =f(P m) dla f=141Hz
większym chwilowym obciążeniom prądowym
90
bez narażania magnesów na rozmagnesowywa-
85
nie a zarazem utrzymują one niewielką zmien-
80
ność napięcia. Niewielka zmienność napięcia
75
jest uzyskana dzięki niesymetryczności obwodu
70
elekromagnetycznego wirnika Xmq > Xmd.
65
Wirnik IP M
60 7. Literatura
55
[1]. Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbudzane
50
magnesami trwałymi. Wydawnictwo Politechniki
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Śląskiej, Gliwice 2002.
P m [W ]
[2]. Bernatt J.: Wykorzystanie prądnic synchronicz-
nych do budowy małych elektrowni wiatrowych.
Rys. 11. Charakterystyka sprawności prądnicy
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne. Nr
w funkcji mocy na wale dla prędkości n=4230
68/2004, s. 125-128. Wyd. BOBRME Komel,
obr/min Katowice.
[3]. Ping Zhou, T.E. McDermott, Z.J. Cendes, M.A.
6. Podsumowanie
Rahman, Steady state analysis of synchronous
generators by a coupled field-circuit method,
Prądnice z magnesami trwałymi są obecnie
Electric Machines and Drives Conference Record,
bardzo często wykorzystywane w odnawialnych
IEEE International, 18-21 May 1997, Milwaukee,
z
ródłach energii, dlatego ich wysoka sprawność
USA, Pages: WC2/2.1 - WC2/2.3.
i niezawodność są priorytetowymi parametrami.
[4]. M.A. Rahman and P. Zhou, Determination of
Prądnice z magnesami trwałymi spełniają te
Saturated Parameters of PM Motors Using Loading
wymagania. Przede wszystkim nie posiadają
Magnetic Fields, IEEE Trans. Magn., vol. 27, no. 5,
węzła szczotkowego, co wpływa korzystnie na pp. 3947-3950, Sep. 1991.
[5]. M.A. Rahman and P. Zhou, Field-Based
ich wysoką niezawodność. Brak wzbudzenia
Analysis for Permanent Magnet Motors, IEEE
elektromagnetycznego obniża straty prądnicy,
Trans. Magn., vol. 30, no. 5, pp. 3664-3667, Sep.
a tym samym podnosi ich sprawność. Prądnice
1994.
z magnesami trwałymi umieszczonymi na
powierzchni wirnika są już od kilku lat
Autorzy
produkowane przez BOBRME Komel i są one
mgr inż. E. Król
cały czas doskonalone. Kolejnym krokiem
dr inż. R. Rossa
poprawy parametrów prądnic jest zastosowanie
[e-mail]
wirników z magnesami wewnątrz. Zastosowa-
Branżowy Ośrodek Badawczo-Rozwojowy
nie wirnika IPM w prądnicach wolnoobroto-
Maszyn Elektrycznych  KOMEL
wych (poniżej 500 obr/min) wymaga znacznego
40-203 Katowice, Al. Roz
dzieńskiego 188.
zwiększenia objętości magnesów trwałych
w stosunku do wirnika SPM, co jest spowo-