Klasické indukčné motory sú bežne spájané s prevodovkou a ak si aplikácia vyžaduje nízke otáčky a vysoký krútiaci moment. Toto však môže byť riešené aj pomocou synchrónneho motora s permanentnými magnetmi, ktorý pracuje pri nízkych otáčkach, tzv. priamym pohonom synchrónnym motorom s PM.

Elektromobily sa objavili na cestách koncom 19. storočia vďaka pokroku vo vývoji elektrických motorov a akumulátorov. Keď sa zaoberáme históriou elektromobilov, nemôžeme nespomenúť spoločnosť Jacob Lohner & Co vo Viedni. Táto spoločnosť vyrábala elektromobily od roku 1898 do roku 1906. Jedným zo zamestnancov v Jacob Lohner & Co bol aj Ferdinand Porsche, rodák z Čiech, z Vratislavic nad Nisou. Ten už ako 23-ročný skonštruoval prvé auto na základe Lohner Electric Chaise (obr. 1). Toto auto bolo významné aj tým, že ako prvé na svete malo pohon predných kolies. Na batérie  auto prešlo až 40 míľ, čo bol tých čias svetový rekord. Zaujímavosťou však bolo to, že už vtedy boli elektromotory umiestnené priamo v nábojoch kolies. Detail elektromotora umiestneného v náboji kolesa je zobrazený na obr. 2.

V príspevku je prezentovaný elektromagnetický návrh synchrónneho elektromotora s vonkajším rotorom s permanentnými magnetmi, ktorý bol optimalizovaný na prácu s vysokým krútiacim momentom a navrhnutý na prevádzku priamo v kolese. Na základe geometrických rozmerov bol vytvorený 3D model v programe ANSYS/Maxwell a bol urobený aj konštrukčný návrh prototypu elektromotora.

Návrh a simulácia synchrónneho elektromotora

Základné elektrické parametre motora boli navrhnuté na základe požiadaviek na činnosť elektromotora: P_n = 2,5 kW,U_n = 83 V (Y),n_n = 750ot/min.

Elektromagnetický návrh motora bol počítaný v programe ANSYS/RMxprt a následne optimalizovaný na základe požadovaných elektrických parametrov a geometrických rozmerov, ktoré vyplývajú z požiadaviek na uloženie elektromotora. Model elektromagnetického obvodu synchrónneho stroja s permanentnými magnetmi bol simulovaný aj v programe ANSYS/Maxwell 3D (transientny výpočet) Vektory magnetickej indukcie v objeme motora sú zobrazené na obr. 3. Ide o stav naprázdno. Závislosti vnútorného výkonu, účinnosti a prúde na záťažnom uhle sú zobrazené na obr. 4.

Konštrukcia elektromotora je navrhnutá tak, aby bolo možné motor jednoducho umiestniť a pripevniť do klasického plechového disku kolesa o rozmere 14". Rez motorom je zobrazený na obrázku 5.

Funkčná vzorka synchrónneho elektromotora

Na základe konštrukčného návrhu motora uvedeného vyššie bola vyrobená funkčná vzorka motora, ktorá je zobrazená na obr. 6.

Na tejto funkčnej vzorke motora budú urobené merania na zistenie jeho skutočných parametrov a ich porovnanie s navrhovanými.

Záver

Synchrónny elektromotor s PM a vonkajším rotorom motor bol optimalizovaný pre prácu s vysokým krútiacim momentom pri nízkych otáčkach a jeho konštrukcia je navrhnutá tak, aby bolo možné motor umiestniť a jednoducho upevniť do klasického plechového disku kolesa. 3D model motora bol vytvorený v programe ANSYS/Maxwell a elektromagnetický návrh bol počítaný a optimalizovaný v programe ANSYS/RM-xprt. V príspevku sú uvedené výsledky simulácie magnetického poľa motora a jeho prevádzkových charakteristík a je tu zobrazené aj konštrukčné riešenie motora. Bola vyrobená aj funkčná vzorka motora, na ktorej budú urobené merania na overenie jeho elektrických parametrov a prevádzkových charakteristík.

Poďakovanie

Tento príspevok bol vypracovaný za podpory Agentúry na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy číslo APVV-0138-10.

TEXT/FOTO Doc. Ing. Želmíra Ferková, CSc., Ing. Ján Kaňuch, PhD., Technická univerzita v Košiciach, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra elektrotechniky a mechatroniky

Literatúra:

[1] HRABOVCOVÁ, V.; RAFAJDUS, P.; FRANKO, M.; HUDÁK, P.: Meranie a modelovanie elektrických strojov. EDIS – vydavateľstvo Žilinskej univerzity, 2004. 335 strán. ISBN 80-8070-229-2.

[2] PYRHÖNEN, J.; JOKINEN, T.; HRABOVCOVÁ, V.: Design of Rotaring Electrical Machines. John Wiley & Sons, Ltd, 2008. 512 strán. ISBN 978-0-470-69516-6.

[3] PISTELOK, P.; KADZIOLKA, T.: Nowa seria wysokosprawnych dwubiegunowych generatoróv synchronicznych wzbudzanych magnesami trwalymi. Maszyny elktriczne – Zeszyty problemowe. 2013,  č. 100/4. s. 65 – 69. ISSN 0239-3646.

[4] Dostupné na internete: http://stuttcars.com/about-porsche/ferdinand-porsche.