De keuze voor de juiste elektromotor

De keuze voor de juiste elektromotor Door Edward Hage [email protected] 1 feb 2011

© FMTC 2009 Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com). Please register to remove this message.

Inhoud presentatie • • • •

Wie ben ik Wat doet Confirmat Wat is specAmotor Keuze motor aan de hand van voorbeeld – – – – –

Motorkarakteristiek Invloed motortemperatuur op karakteristiek Duty cycle in de karakteristiek Elektrische, Mechanische en Thermische modellen Resultaten en tijdsimulatie

Created with novaPDF Printer (www.novaPDF.com). Please register to remove this message.

Wie ben ik • Edward Hage – ZZP-er vanaf 2004 • 2001-2004 gewerkt bij ASML • 1,5 jaar als researcher van mechatronische systemen bij FMTC te Leuven, België – Multibody modeleren en multi-domain modeleren – Koppeling FEM-modellen met rigid body (Modelica) modellen


Wat doet Confirmat • Mechatronische productontwikkeling voor de high-tech industrie Modelbased design Rol als Architect Sterk in conceptuele ontwikkeling van mechanismen zoals robots Modeleren en simuleren van fysische systemen (mechanica, elektromechanische actuatoren) ter ondersteuning (conceptueel) ontwerp in Modelica – Specificaties en technische budgetten opstellen op systeemniveau en van deelgebieden (mechanisch, software, elektrotechniek) – – – –


Wat is specAmotor

• Catalogus met meer dan 10.000 motors/transmissies van 21 fabrikanten, gegevens verzameld en gevalideerd (quality index). • Motoren met permanente magneten; te weten – Borstel- gelijkstroommotoren – Borstelloze motoren (trapezium-winding) – Synchrone wisselstroommotoren (sinus-winding)

• Rekengereedschap om juiste motor te selecteren • Te vinden op: http://www.specamotor.com (of .nl of .de)


Keuze motor aan de hand van voorbeeld


Resultaten scherm


Werkpunt in motorkarakteristiek Constante klemspanning, Steilheid S

Temperatuur waarbij kar. gegeven is


Motortemperatuur invloed op de motorkarakteristiek

Conclusie: Hogere temperatuur geeft kleinere Steilheid: Rechts van draaipunt zijn hogere koppels haalbaar (en ook een hogere topsnelheid), Links van draaipunt lagere koppels. Waarom?

k2 S R


S 

k  k  R

Koppelconstante en weerstand • R en k vaak foutief constant verondersteld (De naam koppelconstante zet je op het verkeerde been) α = 0.00393 K-1 voor koperdraad R[Ω] L I [A]


Duty Cycle in de motorkarakterisitek

Conclusie: Kleinere DC staat grotere stroom toe (maar voor kleinere tijd uiteraard)


Weerstand R, koppel-constante k en motortemperatuur

R[Ω]

L

I2 R

k

U [V] I [A] Elektrisch Tfricω Thermisch

Telec

Tfric Jrotor Mechanisch


T

Telec I

Verschil borstelmotor en borstelloos – thermisch Borstelloze motor

Borstelmotor

koper warmte

huis

huis magneten

koper op rotor

warmte

magneet op rotor

Bij borstelmotor energiestroom door magneten en daarom thermische weerstand (luchtspleet) tussen koper en magneten (huis). Bij borstelloze motor is rotor thermische capaciteit. De rotor warmt op tot kopertemperatuur (flow van rotor naar buiten laag), daarom: Borstelloze motor meer last van demagnetisatie


Thermische modellen (borstel en borstelloos)


Temp [oC]

We bekijken 2 werkpunten: (T,ω,DC)=(0.1Nm,2300rpm,10%) en (0.1Nm,2300rpm,30%)

Cumulatief k en R geeft onstabiliteit

DC=10% andere tijdschaal 59oC

DC=30%

DC=10%

Tijd [sec]


5τ = 42.5 s

Ohmse weerstand in de tijd DC=30%

Steady state 5.154 Ohm DC=10% Tijd [sec]


Koppelconstante k in de tijd DC=10% Steady state 0.0374 Nm/A

DC=30%

Tijd [sec]


Stroom in de tijd

DC=30% DC=10%

Tijd [sec]


Voltage motor in de tijd

DC=10% Voltage HETE motor zakt door kleinere Steilheid

Tijd [sec]


Voltage @ 0Nm, 2300rpm

DC=30%

Vermogen en rendement motor


Conclusies specAmotor • Temperatuur-ontwikkeling is belangrijke ontwerpparameter bij motorkeuze • Een kleine verhoging in belasting kan een veel grotere dissipatie en motortemperatuur veroorzaken. Kies daarom veilig. • Slechte controller-keuze kan ook substantieel bijdragen in dissipatie (hogere harmonischen stroom). • specAmotor geeft advies over motorkeuze waarbij de motor nog voldoende “koel” blijft. Gedetailleerde datasheets zijn te downloaden. • Alleen voor statische situaties (workaround voor versnellen)


Gratis boek van specAmotor website

Bij registratie op de site gratis boek te downloaden (geschreven door prof. J. Compter) http://www.specamotor.com


Beyond specAmotor • Controller-keuze en effecten van versnellen/vertragen (inertia meenemen) vereist modeleren stijfheden en massa’s (1D-model vs 3D-model): de door specAmotor gekozen motor kan daarbij als startpunt dienen • Parametrische optimalisatie om transmissie te kiezen: Keuze mechanica bij motor i.p.v andersom, criteria: inertial match , of energetische optimalisatie, vereist modeleren massa’s en wrijving (gedaan voor badmintonrobot) • Datasheets van specAmotor te gebruiken voor maken modellen






Koppel modellen (multiphysics) om regelaar en efficiency te bepalen Mechanisch

Thermisch R[Ω]

L

U [V] Elektrisch


Nog vragen ??


Hoe is Duty Cycle gedefinieerd Tload

“idle”

Tfric, motor DC % 100% Setup-time << τthermal

K   sW   thermal s  Rth ,total    Cth  W   K 

Conclusie: Let op dat wrijving van de motor tijdens “idle”-tijd 0 wordt verondersteld. Als je periodieke belasting hebt maar wel een constante snelheid dan heb je ook wrijving tijdens de “idle” periode en zal de stroom hoger zijn en de eindtemperatuur ook.


Tijd-simulatie motor voor gegeven werkpunt Constante omgevingstemperatuur

Stroombron



+

Integrator -

Snelheidsprofiel

• • • • •

PD Controller

Koppel-last Positieopnemer

Om tijdsimulatie te doen missen we Cth,total dus die stel ik 1 sW/K, dus τ=8.5 sec. Nu kunnen we ontwikkeling R, k en Power zien in de tijd We bekijken 2 werkpunten: (T,ω,DC)=(0.1Nm,2300rpm,10%) en (0.1Nm,2300rpm,30%) Start = motortemperatuur 200C, omgevingstemperatuur 220C (constant) Eindeloos met profiel periode 1 seconde (0.1 s aan vs. 0.3 s), hier blijft machine op snelheid

K   sW  REMINDER :  thermal s  Rth ,total    Cth  W   K 


De keuze voor de juiste elektromotor

Recommend Documents