Efecto de las propiedades del material en las pérdidas de hierro del motor DC Brushless de

imán permanente.

Por:Juan Fernando Rojas Zuluaga.

Curso de máquinas eléctricas I.

Departamento de ingeniería eléctrica.Facultad de ingeniería.

Universidad de Antioquia.

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Introducción.

Con el paso de los años las empresas se esfuerzan por construir maquinas mas eficientes minimizando cada vez mas las perdidas. Los motores brushless tienen perdidas muy bajas en el cobre. El estudio se basa en calcular las perdidas en hierro que se dan en estos motores para así llegar a una conclusión de que tan eficientes pueden llegar a ser.

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Motor Brushless.

Imagen 1. Componentes del motor Brushless [2]

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Funcionamiento del motor brushless.

Imagen 2. Funcionamiento motor brushless controlado por microcontrolador [3]

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Especificaciones del Motor utilizado.

Tabla 1. Especificaciones del motor utilizado. [1]JFR-5

Articulo Especificación

Tipo de motor Brushless

Potencia de salida 300w

Entrada de voltaje 48v

Número de polos 8

Dimensiones del rotor odФ74*h23mm

Dimensiones del estator odФ178 * idФ75 * h23 mm

Devanado 3Ф conexión en estrella

4 bobinas/fase

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Propiedades magnéticas del material de laminación.

Material

Espesor

(mm)

Resistividad

(ohms)

W15/50(w/kg)

W10/400

(W/kg)

B50(T)

50JN230 0.5 59 2.31 20.3 1.65

50JN400 0.5 47 2.95 26 1.69

50JNA350 0.5 32 3.56 34.1 1.74

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Tabla 2. Propiedades magnéticas de los aceros eléctricos no orientados . [1]

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Pruebas realizadas (1).• Las perdidas en el hierro del estator se calculan a partir de

las formas de onda de densidad de flujo

• Se realizó un análisis de serie de elementos finitos de tiempo escalonado (FE) para obtener formas de onda de densidad flujo en cada elemento de la laminación del estator.

• La pérdida de hierro del motor y la densidad de flujo en un cuerpo diente se midieron mediante la aplicación de carga de par.

 

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• Las pérdidas por fricción y ventilación se midieron en función de la velocidad de rotación mediante un motor simulado.

• Las pérdidas en el hierro debido al flujo rotacional se calcularon utilizando las componentes de densidad de flujo radial y tangenciales, y los resultados se suman.

• Las constantes de pérdida , α y y se determinaron por el ajuste de curva de datos de pérdida de hierro medidas en muestras de anillo.

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Pruebas realizadas (2).

Perdida total en el hierro (1).

+ ()+

.

• son el pico de densidad de flujo de la frecuencia, la frecuencia y el período eléctrico, respectivamente.

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• , y son la conductividades eléctricas, la densidad de masa y la espesor de la laminación, respectivamente.

• y son constantes de pérdida de histéresis.

• es la constante de perdidas por corrientes de remolino.

• Donde es la variación de la densidad de flujo durante la excursión alrededor de un bucle menor.

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Perdida total en el hierro (2).

Resultados

Figura2: Perdidas en el hierro del motor al aumentar los vatios por kilogramos para W15/50 y para W10/400 con y sin recocido [2]

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Forma de onda en un cuerpo de diente.

Figura 3: Forma de la onda de la fuerza electromotriz medida en un cuerpo de diente [1]

Se puede observar que hay fuertes impulsos en la forma de onda fundamental. La intensidad de estos pulsos era más fuerte con el aumento de la corriente del inducido.

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Ampl

itud

Tiempo

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Figura 4: Influencia de la corriente de armadura en el rotor en la forma de onda de la fuerza electromotriz inducia [1]

Forma de onda para la back-fem inducida.

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A. b

ack-

fem

Tiempo

A. b

ack-

fem

Grafico comparativo de datos medidos y calculados.

Figura 5: Comparación de los valores de densidad de flujo medidos y calculados (material: 50JN230)[1]

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Tabla de perdidas de datos medidos y calculados

Tabla 2: Comparación de los valores de densidad de flujo medidos y calculados (material: 50JN230)[1]

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Material Pérdidas en el hierro medida

(w)

Pérdidas en el hierro

computador(w)

Pérdidas por histéresis

(w)

Pérdidas por Foucault

exceso de pérdida de Foucault

50JN230 8.72 8.40 3 3.49 1.91

50JN400 11 12.01 4.47 4.90 2.64

50JNA350 17.38 17.88 5.66 8.04 4.18

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Conclusiones (1).

• El aumento de la corriente provoca pulsos fuertes en la forma de onda fundamental y que estos pulsos tienen una gran efecto en la pérdida de hierro del motor.

• Pérdidas por corrientes parásitas clásicas y el exceso aumentaron cuando la resistividad del material utilizado fue menor.

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• Se puede decir que la pérdida de hierro motor tiene una fuerte correlación con la de alta frecuencia pérdida de material de hierro W10/400. en lugar de la pérdida de hierro material convencional W15 / 50 aunque la frecuencia síncrona del motor es de aproximadamente 100 hz.

• El motor brushless es una excelente opción en ahorro de perdidas si se trabaja con laminas de buena resistividad a frecuencias 100 hz .

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Conclusiones (2).

Referencias.

• [1] Hiroaki Toda, Kunihiro Senda, and Masayoshi Ishida “ Effect of Material Properties on Motor Iron Loss in PM Brushless DC Motor ”.

• [2]http://www.tecnoficio.com/electricidad/velocidad_de_motores_electricos3.php

• [3] Brushless DC Motor Control Made Easy. Ward Brown. Microchip Technology Inc. 2002

• [4] F. Fiorillo and A. Novikov, “An improved approach to power losses inmagnetic laminations under nonsinusoidal induction waveform,” IEEE Trans. Magn., vol. 26, no. 5, pp. 2904–2910, Sep. 1990.

• [5] Ward Brown, “Brushless DC Motor Control Made Easy” 2002 Microchip Technology Inc.

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