Masina electrica speciala cu rol dublu de starter si generator pentru automobil si sistemul ei de comanda si control

INTRODUCERE

Principalele masini electrice au fost descoperite cu peste 100 de ani in urma, iar structura lor actuala s-a consacrat la inceputul secolului trecut. O revigorare in domeniul masinilor electrice a fost determinata cu decenii in urma de dezvoltarea electronicii de putere bazata pe dispozitive semiconductoare si a platformelor de calcul pe care se pot implementa diferitele strategii de comanda. Astfel se poate afirma, ca in domeniul masinilor electrice, ca si in multe alte ramuri ale stiintei, in ultimii ani nu s-au putut observa realizari radicale de rasunet, care sa revolutioneze acest domeniu. Nu s-au descoperit tipuri noi de masini, iar principalele aplicatii ale masinilor au ramas preponderent cele cunoscute. Numerosii specialisti implicati in acest domeniu au lucrat mai mult la imbunatatirea performantelor masinilor electrice deja existente si la adaptarea mai potrivita a diferitelor strategii de control. In momentul actual pentru fiecare mica imbunatatire adusa caracteristicilor functionale sau energetice ale masinilor electrice trebuie depus un efort insemnat [

Aceasta stare de saturatie a fost perturbata de industria de automobile (o industrie foarte insemnata, cu o productie de peste 20 milioane de unitati pe an) unde se preconizeaza schimbari radicale care vor avea efect si asupra masinilor electrice [

Cresterea confortului si a sigurantei automobilului a atras dupa sine atat marirea numarului de motoare electrice instalate (care este in medie de 30 in momentul de fata), cat si cresterea puterii electrice instalate pe un automobil. Pentru acoperirea acestui necesar marit de putere s-a hotarat trecerea treptata de la tensiunea de alimentare de 14 V la 42 V [

Astfel s-a produs o schimbare insemnata pe piata masinilor electrice, ceea ce a facut ca multi specialisti sa se ocupe de gasirea celor mai bune solutii pentru noile cerinte. In aceasta categorie doresc sa se inscrie si membrii echipei noastre de cercetare.

Dintre toate masinile electrice existente astazi pe un automobil electric schimbarea cea mai importanta se preconizeaza pentru sistemul starter-alternator. In prezent acesta este realizat cu doua masini electrice, un motor uzual de curent continuu conventional sau fara perii, ca starter, si un generator sincron cu excitatie cu magneti permanenti, sau in constructie cu poli gheara si excitatie electromagnetica ca alternator.

La cresterea puterii instalate puterea necesara a generatorului de asemenea creste si nu se mai poate aplica constructia sa actuala. In plus nu se mai justifica prezenta a doua masini electrice de dimensiuni destul de mari, din care una, starterul, este utilizat numai la pornire. In consecinta, se urmareste utilizarea ca si la avioane, numai a unei singure masini electrice care sa indeplineasca ambele functii [

Masina electrica, care are dublul rol de starter si de generator intr-un automobil, trebuie sa satisfaca cateva cerinte esentiale cum ar fi [

o greutate si un volum minim,

un cuplu de pornire cat mai mare,

o functionare in regim de generator, la o tensiune limitata, pe o plaja larga de turatii.

Conditia ultima impune functionarea masinii cu un camp inductor variabil, deci cu posibilitatea slabirii fluxului la cresterea turatiei.

S-au obtinut o serie de produse disponibile la inceputul anilor 2000 pe piata, dar sunt si foarte multe variante in studiu, sau in faza de prototip de laborator.

In continuare in tabelul 1.1 prezentam cateva dintre cele mai semnificative produse realizate pe plan mondial.

Tabelul 1.1. Cele mai semnificative starter-alternatoare realizate

Alte produse de referinta de amintit din acest domeniu sunt FAS (Flywheel Alternator Starter) produs de Aura System Inc., El Segundo, CA, USA, sistem care utilizeaza o masina sincrona cu magneti permanenti sau starter-alternatorul care alimenteaza Nissan's Minimal Hybrid, un motor-generator functionand la 42 V fabricat in doua variante: cu masina de inductie, respectiv cu masina sincrona cu magneti permanenti.

Compania americana Visteon Corp. a realizat VISTEON SpeedStart12, un starter-alternator antrenat printr-o curea de transmisie proiectat pentru alimentarea de 12 V, cu ajutorul caruia se poate obtine o reducere atat a consumului automobilului de pana la 5%, cat si diminuarea emisiilor nocive ale masinii [

Companiile Valeo si Ricardo si-au unit fortele pentru realizarea starter-alternatorului numit i-MoGen (Intelligent Motor Generator) aplicat la masinile de clasa C (de exemplu Opel Astra). Unitatea combinata realizata de aceste firme este capabil sa genereze o putere de 6 kW, de trei ori mai mult decat alte produse de acest gen [

Se poate afirma ca toate companiile mari angrenate in aceasta ramura (pe langa cele mentionate deja se pot aminti Delphi Corporation, SIEMENS, Visteon, etc.) a industriei si-au initiat propriile cercetari din domeniu, ceea ce subliniaza din nou importanta acestei teme de cercetare.

Dintre masinile speciale aplicabile in vizorul specialistilor se afla masina cu reluctanta variabila comutata electronic (SRM-Switched Reluctance Motor), care a fost incercata in mai multe variante [ ]. Deocamdata aceasta masina are un nivel de zgomot prea ridicat [ ]. Se fac incercari de reducere a zgomotului si a vibratiilor, si in conditiile in care acestea reusesc, masina cu reluctanta variabila comutata electronic are sanse foarte mari sa castige competitia [

Si alte masini speciale, cum ar fi masina sincrona reactiva sau masina cu flux transversal pot fi utilizate ca starter-alternator, actualmente facandu-se incercari vizand realizarea unor prototipuri competitive [

Rezultate publicate in ceea ce priveste realizarea sistemului starter-alternator, sistem care cuprinde masina electrica, electronica de alimentare, comanda si control si sursa primara, adica acumulatorul, sunt destul de putine, si vizeaza in general fie o solutie finala, deci care exista ca prototip, si se ofera spre vanzare, fie diverse solutii care nu au condus la rezultate asteptate.

La noi in tara, dupa informatiile pe care le detineam la initierea acestui grant de cercetare, nu existau rezultate notabile in acest domeniu, sau cel putin nu s-au publicat pana in momentul respectiv astfel de rezultate. Sunt realizate multe cercetari pe tipurile de masini utilizabile pentru starter-alternator, dar ele nu sunt directionate pentru obtinerea performantelor cerute de o astfel de aplicatie, avand in vedere si constrangerile impuse.

In cursul derularii prezentului grant de cercetare s-a adoptat o abordare sistematica a studiului privind variantele posibile pentru starter-generator integrat.

S-au avut in vedere in primul rand cele trei tipuri de actionare si anume:

Cuplat direct pe axul motor cu sau fara volant (figura 1.1a)

Cuplat cu axul motor prin roti dintate

Cuplat cu axul motor prin curea de transmisie (figura 1.1b).

In prima varianta nu se multiplica cuplul produs de masina electrica dar se simplifica constructia mecanica.

Decisiva este, pana la urma, analiza din punct de vedere al costului raportat la performantele obtinute, dar se urmareste si reducerea greutatii si a volumului starter-generatorului.

Din cercetarea bibliografica realizata a rezultat ca starter-generatorul trebuie sa asigure un cuplu de pornire la axul motor de cca. 200 Nm la pornire pentru un motor avand cilindreea de pana la 3 litri si functionand cu motorina. Puterea debitata de generator la turatia nominala, trebuie sa fie cuprinsa intre 4 kW si 6 kW, depinzand de bateria de acumulatoare, de consum si de diverse sisteme existente, sau nu, pe autovehicul.

Tinand cont de toate acestea s-a ajuns la stabilirea unor date clare de proiectare pentru starter-generator:

cuplul minim de pornire: 200 Nm

puterea medie debitata ca generator: 5 kW

puterea medie in regim de motor: 5 kW

capacitatea de supraincarcare in ambele regimuri 20%

cuplu maxim la pornire 250 Nm.

S-a urmarit in proiectarea fiecarei variante obtinerea unui randament cat mai mare si reducerea volumului si a greutatii. Pe baza acestor date de proiectare s-au proiectat si analizat diferite variante de masini.

Variantele de masini analizate

La fiecare tip de masina proiectata s-au avut in vedere, pe langa obtinerea performantelor impuse si compararea intre variante cu actionare directa si respectiv cu transmisie, considerand diferite rapoarte de transmisie uzuale. Dimensiunile exterioare maxime s-au impus ca fiind cele uzuale astazi, adica diametrul exterior 0,32 si lungimea totala a partii active 0,09 m. In cele ce urmeaza sunt prezentate pe scurt principalele avantaje si dezavantaje ale fiecarei solutii.

2.1. Masina de inductie

Principalele avantaje ale masinii de inductie sunt robustetea, constructia simpla si posibilitatea utilizarii a unor subansamble (tole, ax, etc.) din productia curenta. Variantele analizate au aratat urmatoarele elemente mai slabe ale acestei masini:

In toate variantele functionarea in regim de generator este deficitara, specific acestei masini.

Densitate de cuplu, deci raportul cuplu / greutate relativ scazut.

In varianta de actionare directa fara volant nu se obtin, la dimensiunile limita impuse, conditiile cerute de functionare.

Randament si factor de putere scazut.

Cu toate aceste puncte slabe evidente s-au dezvoltat sisteme integrate starter-generator cu masina de inductie, dar apreciem ca nu acestea reprezinta solutia optima.

2.2. Masina de curent continuu cu colector

Functional masina de c.c. cu colector poate indeplini toate cerintele, dar prezinta un punct slab evident si anume prezenta colectorului mecanic. Datorita performantelor bune aceasta masina ramane inca o solutie viabila, care a fost foarte usor eliminata din competitie. Totul depinde de fiabilitatea colectorului si de conditiile de mediu asigurate. Trebuie mentionat si faptul ca pretul de cost este mai ridicat iar volumul este la limita, existand chiar necesitatea extinderii lungimii totale, o solutie posibila, dar nu o prima optiune.

2.3. Masina sincrona

S-au analizat mai multe variante constructive de masini sincrone [ ], si anume:

Masina sincrona cu excitatie electromagnetica si poli inecati pe rotor.

Masina sincrona cu excitatie cu magneti permanenti in doua variante - magneti in intrefier si respectiv magneti ingropati cu concentrare de flux [

Masina sincrona cu excitatie hibrida in trei variante (figura 2.1).

Masina sincrona cu rotor pasiv si reluctanta variabila, figura 2.2a.

Masina sincrona cu 'memorie', figura 2.2b.

O comparatie intre performantele diferitelor tipuri de masini sincrone este data in tabelul 2.1.

Dupa cum se vede din tabelul 2.1 cele mai bune performante sunt realizate de motoarele cu memorie si de cele cu magneti permanenti interiori si concentrare de flux. La ultima varianta slabirea de flux este practic foarte redusa si volumul si costul magnetilor permanenti destul de mare. Aceste doua variante reprezinta unele dintre cele mai bune solutii pentru constructia starter-generatorului integrat.

2.4. Masina cu poli aparenti pe ambele armaturi

In aceasta categorie se pot include mai multe variante, dar ne-am oprit la doua. Acestea SRM (Switched Reluctance Motor) si TFRM (Transverse Flux Reluctance Motor) sunt intrucatva similare si sunt cele mai reprezentative pentru aceasta clasa de masini. Exista deja prototipuri realizate cu SRM care are avantajul, ca si TFRM de altfel, asigurarii unui cuplu de pornire foarte mare raportat la volum.

Ambele masini au nevoie de putere reactiva si la ambele factorul de putere are valoare mica, sub 0,7. TFRM are un raport bun intre cuplu si volum, dar fiind realizat cu module independente de faza are lungime mare. Ambele masini reprezinta solutii variabile dar nu optime in constructia actuala.

2.5. Masina cu flux transversal si magneti permanenti

Motorul cu flux transversal si magneti permanenti, PMTFM (Permanent Magnet Transverse Flux Motor) are o constructie complicata in toate variantele cunoscute, dar are o densitate de cuplu foarte mare [ ]. PMTFM se comporta ca o masina sincrona cu excitatie cu magneti permanenti, dar are o structura de tip homopolar in stator, structura ce permite un numar mare de perechi de poli si o densitate foarte mare de cuplu (de cca 3 ori mai mare ca la masinile conventionale).

S-au luat in considerare doua structuri, ambele cu un singur stator, una cu trei faze si una cu doua faze dispuse toroidal. Structura cu trei faze, cu rotor exterior, oarecum clasica, este data in figura 2.3. In tabelul 3 este facuta o comparatie intre o astfel de masina si SRM, respectiv TFRM pentru puterea de 25 kW. Rezultatele sunt semnificative si dovedesc ca PMTFM poate fi o solutie buna pentru realizarea unui starter-generator integrat.

Compararea variantelor analizate

Din analiza amanuntita a variantelor prezentate au rezultat ca cele mai bune solutii, considerand numai performantele masinii, sunt masina reactiva cu flux transversal (TFRM) , precum si masina sincrona cu magneti permanenti tot in doua variante, cu excitatia hibrida, respectiv cu memorie. Stabilirea solutiei finale depinde evident de alimentare, comanda si costul total. Pentru argumentarea suplimentara a celor afirmate in tabelul 2.2 este prezentata o comparatie intre principalii competitori si masina de inductie considerata ca martor.

Fiecare competitor are avantaje si dezavantaje care trebuiesc atent cantarite si analizate. Trebuie mentionat ca toate masinile cu magneti permanenti au densitate de cuplu mai mare decat masina de inductie si toate cer un curent de pornire mai mic. Toate cer insa senzor de pozitie si toate au o tehnologie de constructie complicata.

In tabelul 2.3 este facuta o comparatie intre PMTFM, SRM si TFRM la puterea de 25 kW si se vede clar ca SRM la turatie joasa si numar redus de poli nu este un competitor real.

In concluzie s-au confirmat ca solutii posibile doar trei variante de masini:

masina sincrona cu excitatie hibrida,

masina sincrona cu "memorie", adica cu magneti permanenti ce se pot demagnetiza si remagnetiza,

masina reactiva cu flux transversal, aceasta fiind cea mai reprezentativa masina reactiva avand performantele cele mai bune.

dintre care urmeaza sa se aleaga varianta 'castigatoare', adica care se va analiza in continuare si al carui prototip se va realiza.

In continuare se vor prezenta cele mai semnificative rezultate obtinute in urma analizei celor trei variante de masini electrice propuse pentru un starter-alternator integrat.

3.1. Studiul masinii sincrone cu excitatie hibrida

Utilizarea magnetilor permanenti in structura masinilor sincrone determina o crestere semnificativa a randamentului si compacticitatii masinii (raport cuplu-volum bun). In acelasi timp insa, utilizarea magnetilor permanenti prezinta o problema legata de natura fluxului lor de excitatie. Pentru masinile alimentate de la convertizoare comandabile este posibil ca prin comanda curentului indusului sa se reduca fluxul total si sa se mareasca plaja de functionare in viteza. Trebuie in acelasi timp ca reactia magnetica a indusului sa fie comparabila cu cea a fluxului produs de magneti, ceea ce este foarte greu de realizat, si cu riscuri suplimentare in privinta solicitarii magnetilor. Pentru a remedia aceasta problema, mai multe echipe de cercetare au propus mai multe structuri zise cu excitatie hibrida (sau cu dubla excitatie) [ ]. In acest caz, fluxul de excitatie este creat de doua surse diferite: una prin magneti permanenti, iar cealalta cu ajutorul infasurarilor de excitatie [

Masinile cu dubla excitatie pot fi utilizate in producerea energiei electrice [ ], dar si ca motoare de antrenare pentru vehiculul electric, permitand in acelasi timp si o mai buna functionare a ansamblului convertizor masina [ ]. Avand aceste caracteristici aceasta masina sincrona pare fi o solutie buna pentru starter-alternatorul integrat de realizat in cadrul acestui contract de cercetare.

Pentru studierea fenomenologica a masinilor sincrone cu excitatie dubla s-au propus trei modele de masina sincrona in structura inversa (cu rotorul la exterior) dublu excitata, facandu-se si un studiu comparativ al performantelor lor, rezultatele obtinute fiind satisfacatoare.

In functie de modul cum sunt asezate cele doua circuite de excitatie, se pot defini doua categorii de masini sincrone cu excitatia hibrida:

cu dubla excitatie serie (fluxul de excitatie al bobinei traverseaza magnetii)

cu dubla excitatie paralela

Principalele variante de excitatii hibride sunt prezentate in figura 3.1.

In cazul excitatiei hibride serie (figura 3.1a) fluxul generat de bobina traverseaza magnetii permanenti. Fluxurile create pe cele doua cai urmaresc aceeasi cale. Reducerea fluxului in intrefier este realizata injectand in bobinele de excitatiei un curent care creeaza o solenatie care se opune celei create de magnetii permanenti. Alimentarea bobinelor este bidirectionala in curent, ceea ce mareste costul acestei alimentari si chiar costul global.

In cazul dublei excitatii paralele fluxul magnetilor si cel al bobinei nu urmaresc aceeasi cale tot timpul, iar dubla excitatie paralela ofera mai multe posibilitati de amplasare a celor doua circuite de excitatie. Fluxul bobinei de excitatie nu traverseaza magnetii ceea ce reduce riscul demagnetizarii magnetilor permanenti. Dubla excitatie paralela ofera mai multe posibilitati de amplasare a celor doua circuite de excitatie. In structura din figura 3.1b magnetii permanenti si bobina de excitatie se gasesc pe rotor. Daca bobina de excitatie nu este alimentata, magnetii sunt scurtcircuitati la rotor, infasurarea indusului nu primeste nici un flux, cu exceptia unui flux de scapari. Pentru a face masina sa functioneze trebuie alimentata bobina de excitatie. In acest caz se genereaza o solenatie care sa se opuna celei create de magnetii permanenti. In acest caz bobina de excitatie este alimentata in curent unidirectional, ceea ce simplifica circuitul de alimentare. Slabirea de flux este eficace in special in cazul pierderii controlului, cand este suficient de a anula curentul de excitatie pentru a elimina toate riscurile de functionare in supratensiune a statorului. In consecinta nu exista riscul demagnetizarii magnetilor.

In cazul variantei din figura 3.1c exista doua excitatii pe rotor: una cu magneti permanenti si cealalta cu bobine. Cele doua circuite rotorice sunt plasate sub acelasi bobinaj de indus si sunt legate intre ele printr-o jonctiune nemagnetica. Reducerea fluxului in intrefier este realizata prin modificarea curentului de excitatie si a sensului alimentarii bobinelor de excitatie. Alimentarea bobinelor de excitatie este bidirectionala. Acest tip de excitatie dubla este eficienta in termeni de control la nivelul fluxului de excitatie. Dezavantajele acestei variante sunt legate de lungimea activa mare a partii bobinate a rotorului, care nu este neglijabila in raport cu lungimea totala a masinii, respectiv randamentul masinii scade mult la slabire de flux ca urmare a cresterii pierderilor in fier [ ]. Pierderile in fier cresc direct proportional cu cresterea vitezei masinii, deoarece cresterea vitezei se datoreaza slabirii de flux [

Luand toate acestea in considerare s-au propus 3 solutii de masini sincrone cu excitatie hibrida. Toate cele trei variantele au fost proiectate pe baza aceluiasi algoritm de proiectare, din care se prezinta in continuare doar formulele cheie, similare pentru toate variantele.

Diametrul in intrefier (masurat la jumatatea intrefierului) este:

. (3. )

Intrefierul de calcul este exprimat tinand cont ca magnetul permanent mareste intrefierul real cu . In aceste conditii intrefierul efectiv este:

(3. )

Coeficientul lui Carter este dat de :

(3. )

Inductia magnetica in intrefier este:

(3. )

unde intrefierul de calcul se poate determina cu ajutorul relatiei:

(3. )

Reactantele pe cele doua axe ortogonale sunt date de:

(3. )

(3. )

unde reactantele de magnetizare, respectiv de scapari sunt:

(3. )

(3. )

Pentru structurile care nu au crestaturi pe rotor sau magneti plasati pentru concentrare de flux,

(3. )

rezultand

(3. )

Performantele electrice si mecanice ale masinii proiectate se pot determina cu ajutorul relatiilor:

(3. )

(3. )

(3. )

(3. )

(3. )

(3. )

(3. )

(3. )

In relatiile de mai sus s-au utilizat urmatoarele relatii [

B_r, H_c μ_r, h_m, b_m reprezinta inductia remanenta, campul coercitiv; permeabilitatea magnetica relativa, inaltimea si latimea a magnetului permanent.

p, numarul de perechi de poli, t_p, pasul polar.

B_g, inductia in intrefier, g_c, intrefierul de calcul modificat de coeficientul lui Carter, R_g, raza in intrefier; μ₀ permeabilitatea aerului.

m, numar faze statorice, q, numar de crestaturi pe pol si faza, f_s, frecventa, N_s, numar spire pe faza, k_ws, factorul de infasurare.

R_si, raza statorica interioara; R_cr, raza miezului rotoric; l, lungimea activa a masinii.

X_m, reactanta de magnetizare, Λ_σ, suma permeantelor de scapari, X_σ reactanta de scapari, E_ph, tensiunea electromotoare indusa, Φ_m, fluxul magnetului permanent, U_f, tensiunea de faza, I_f, curentul de faza, I_d, I_q, curentul in axele d si q ale masinii; P_e, puterea electrica absorbita; cosφ, factor de putere; ψ, unghiul intern; Ω_s, viteza electrica.

P_m, puterea mecanica, T, cuplul motor, η, randamentul.

k_ad, k_aq, coeficienti de forma in axele d si q, k_sd, k_sq, coeficientii de saturatie in axele d si q, k_di coeficient de demagnetizare ireversibila.

In cazul solutiei prezentate in figura 3.2 diminuarea fluxului in intrefier este realizata alimentand bobina de excitatie pentru a crea un flux care se opune celui creat de magneti. Statorul si rotorul pot fi constituite din tole de otel de buna calitate. Datorita faptului ca magnetii si bobinele sunt in serie, reducerea de flux in intrefier si in acelasi timp in fier este atat locala cat si globala [

In cazul solutiei prezentate in figura 3.3 diminuarea fluxului in intrefier este realizata alimentand bobina de excitatie pentru a crea un flux care se opune celui creat de magneti. Si in acest caz este vorba de circuit dubla excitatie serie, dar bobina de excitatie este plasata pe stator, eliminand astfel contactul alunecator.

Controlul si comanda unui astfel de motor este mult mai complicata. Daca pentru prima solutie am avut de a face cu alimentare continua si unidirectionala, in cazul de fata bobinele de excitatie sunt dispuse ca o infasurare trifazata, urmand ca pe masura ce rotorul se invarte, sa schimbam alimentarea bobinelor de excitatie.

In cazul solutiei prezentate in figura 3.4, avem de a face cu o structura de masina sincrona cu magnetii dispusi astfel incat sa realizeze concentratie de flux. Si in acest caz bobina de excitatie este plasata pe stator, alimentarea ei realizandu-se ca si in cazul anterior. Este vorba de un motor cu numarul de poli 4. Motivul pentru care incercam si aceasta alternativa, cu numar mai mic de poli, este dat de faptul ca, marirea numarului de poli determina cresterea pierderile in fier. Pentru o viteza de rotatie data, cresterea lui p determina cresterea frecventei electrice si, in consecinta, pierderile in fier.

In vederea evaluarii performantelor celor trei variante de masini sincrone cu excitatie hibrida prezentate s-a efectuat analiza numerica de camp pe structura lor. Dintre multiplele rezultate obtinute folosind pachetul de programe Flux 2D in continuare se vor prezenta doar cele mai semnificative: hartile colorate cu repartitia inductiei magnetice si variatia inductiei in intrefierul masinilor.

Repartitia inductiei magnetice in interiorul celor tei variante de masini sincrone cu excitatie hibrida sunt date in figura 3.5.

In figura 3.6 sunt reprezentate variatiile inductiei magnetice prin intrefierul celor trei variante de masini sincrone cu dubla excitatie studiate.

In concluzie in tabelul 3.1 se prezinta comparativ performantele acestor topologii propuse, atat din punctul de vedere al eficientei defluxajului, cat si din punctul de vedere al investitiei, posibilitatii controlului si randamentului.

Principalele observatiile pe care le putem face citind acest tabel sunt urmatoarele: desi avem excitatia plasata pe rotor si exista o mai mare probabilitate de demagnetizare a magnetilor, totusi, prima solutie pare mai avantajoasa, la acest moment, in ceea ce priveste randamentul, masa partii active si investitia facuta. In cazul celei de a treia solutii exista perspective mai largi de optimizare: lucrand cu un numar mai mare de poli, sase sau opt, caz in care fenomenul concentrarii de flux este mai clar, iar slabirea fluxului mai usor de realizat. S-ar parea ca optimizarea celei de a doua solutii nu ar imbunatatii foarte mult performantele acesteia.

3.2. Studiul masinii sincrone cu 'memorie'

Masina sincrona cu memorie este mai putin citata in literatura de specialitate. Din aceasta cauza o vom descrie aici mai detaliat.

Masinile electrice cu magneti permanenti conventionale sunt construite astfel incat sa se previna demagnetizarea magnetilor permanenti in conditii normale de functionare. Acest lucru este datorat faptului ca magnetii permanenti nu pot fi remagnetizati in masina, daca ar fi cazul. Se presupune ca acestia isi pastreaza proprietatile magnetice pe intreaga durata de viata a masinii electrice. Pe de alta parte masinile electrice cu magneti permanenti neconventionale se bazeaza pe functionarea acestora in regim de demagnetizare-remagnetizare fie ocazional, fie permanent. Din punctul de vedere al motoarelor cu memorie exista doua tipuri de masini electrice neconventionale cu magneti permanenti care prezinta interes, si anume cu magneti complet demagnetizabili si poli delimitati prin materialele utilizate, sau inductie si masinile cu magneti permanenti cu slabire de flux [

Principiul de functionare al masinii cu magneti complet demagnetizabili si poli delimitati prin inductie e identic cu cel al benzii magnetice si prin urmare este cunoscut de cateva decenii. La masina cu magneti permanenti cu slabire de flux, pe fiecare pol se monteaza trei magneti unul langa altul pe suprafata rotorului. Magnetul din centru este AlNiCo in timp ce magnetii exteriori sunt pe baza de ferita. Starea de magnetizare a magnetului central (AlNiCo) se modifica prin variatia valorii curentului statoric i_d rezultand o modificare a fluxului total pe pol.

Avand in vedere ca magnetii permanenti cu inductie remanenta scazuta sunt folositi in intrefierul ambelor tipuri de masina prezentate, inductia magnetica din intrefier nu poate ajunge la valorile tipice pentru masinile electrice uzuale daca nu se realizeaza o constructie care sa permita concentrarea fluxului in intrefier.

Concentrarea fluxului in intrefier permite obtinerea unor inductii in intrefier de valori ridicate, peste inductiile normale in masinile de inductie sau cele sincrone cu excitatie electromagnetica.

Masinile sincrone cu memorie pot fi construite fie ca masini cu flux variabil, sau ca masini cu numar variabil de poli.

Caracteristicile specifice ale unui motor cu memorie cu flux variabil sunt:

Fluxul creat in intrefier de magneti poate fi modificat in functie de frecventa curentului statoric. Curentul de remagnetizare este inferior valorii nominale a curentului masinii

Curentul de sarcina i_q nu poate demagnetiza magnetii permanenti.

Cand magnetii permanenti sunt magnetizati motorul cu memorie are densitate de cuplu si factor de putere mare. Slabirea de flux, deci extinderea domeniului de turatie, se realizeaza prin demagnetizarea partiala sau totala a magnetilor permanenti cu ajutorul componentei pe axa d a campului exterior, componenta demagnetizanta in fapt. In functionarea normala, ca motor sincron cu magneti permanenti, motorul este comandat cu orientare dupa fluxul rotoric, deci componenta de curent pe axa d, si in consecinta fluxul de reactie pe aceasta axa este nul. Pentru magnetizarea magnetilor permanenti din rotor trebuie asigurata o componenta magnetizanta a curentului si a fluxului statoric pe axa d.

O varianta de astfel de motor cu memorie, propus in [ ] este prezentata in figura 2.2b. Magnetii permanenti utilizabili la acest motor trebuie sa aiba inductie de saturatie si camp coercitiv mic, si caracteristica de revenire liniara, conditii perfect indeplinite de magnetii permanenti realizati pe baza de ferite. Aceasta constructie cere o topologie rotorica complicata cu magnetii permanenti dispusi radial si cu bariere de flux, care directioneaza fluxul de reactie si asigura o concentrare de flux in intrefier.

In continuare se prezinta o parte din rezultatele analizei campului electromagnetic ale unei variante proiectate a motorului cu memorie. Se dau liniile de camp (figura a), distributia inductiei magnetice pe structura masinii (figura b), variatia componentei normale ale inductiei din intrefier de-a lungul unei linii aflate in mijlocul intrefierului (figura c) si continutul de armonici ai acesteia obtinute in urma simularii regimului dinamic (figura d), pentru cazul in care masina se roteste cu turatia nominala.

3.3. Studiul masinii reactive cu flux transversal

Masinile reactive cu flux transversal sunt masinile cu cea mai simpla topologie din aceasta categorie de masini electrice speciale [31].

Din punctul de vedere constructiv si functional prezinta multe asemanari cu SRM-urile [ ]. Rotorul masinii este pasiv si este construit din poli aparenti feromagnetici plasati echidistant pe un suport magnetic sau nemagnetic. Ambele armaturi ale masinii pot fi confectionate din tole obisnuite plasate axial sau din compozite magnetice (SMC - Soft Magnetic Composites) [ ]. Masina are o infasurare inelara de tip homopolar. Fiecare faza reprezinta un modul independent. Modulele de faza sunt plasate succesiv pe directie axiala. Atat pe stator, cat si pe rotor exista acelasi numar de poli.

Masina functioneaza pe baza principiului reluctantei magnetice minime. In cazul in care bobina statorica este parcursa de un curent, rotorul se va roti intr-o pozitie in care polii sai vor fi aliniati cu polii statorici. Alimentand succesiv fazele motorului se poate obtine o deplasare continua.

Structura unei singure faze cu poli aliniati a unei astfel de masini avand doar sase poli e prezentata in figura 3.8.

S-a proiectat o masina reactiva cu flux transversal avand puterea de 6 kW, 36 de poli si 3 faze independente. Principalele dimensiuni si marimi caracteristice ale masinii sunt date in Tabelul 3.2, iar modul de plasare a polilor statorici si rotorici, respectiv a bobinei fazei sunt prezentate in figura 3.9.

Structura proiectata a fost analizata utilizand calculul de camp tridimensional (3D FEM). Dintre multiplele rezultate obtinute aici, in figura 3.10 se prezenta doar doua: distributia inductiei magnetice la un curent de faza total de 463 A.

Variatiile inductiei magnetice in intrefierul masinii reactive cu flux transversal avand polii aliniati sunt date in figura 3.11.

Precum se poate observa din figura 3.11 inductia magnetica in intrefier este aproape constanta si are valoarea in jur de 1 T.

In final se prezinta variatia cuplului dezvoltat de un pol al masinii in functie de pozitia rotorica, figura 3.12.

Cuplul mediu obtinut pe un pol este de 0,358 Nm, ceea ce inseamna ca la 36 de poli se obtine 12.89 Nm. La curentul nominal cuplul motor mediu este egal cu 54.6 Nm, cuplul maxim fiind de aproximativ 90 Nm. Din toate acestea rezulta faptul ca constructia masinii este relativ simpla iar performantele obtinute permit aplicarea sa la realizarea unui starter-alternator integrat.

In urma comparatiilor celor trei variante de masini electrice studiate, respectiv luand in considerare si posibilitatile date pentru construirea unui prototip s-a decis ca se va continua studiul doar cu masina sincrona cu excitatie hibrida.

Comanda masinii sincrone cu excitatie hibrida

In termenii cei mai generali lantul actionarii electrice in cazul unei masini sincrone este dat in figura 4.1.

Orice tip de masina sincrona avand excitatia cu magneti permanenti este controlat prin intermediul unui invertor de tipul celui din figura 4.2.

Pentru un motor sincron cu magneti permanenti (MSMP), din punctul de vedere al alimentarii, putem vorbi despre: alimentare cu forma de unda sinusoidala a curentului (sau alimentare la 180 , unde toate cele trei faze sunt alimentate in acelasi timp, si deci trei tranzistori permit trecerea curentului in acelasi moment) si alimentare in forma de unda trapezoidala a curentului (sau alimentare la 120 , unde doua infasurari ale motorului sunt alimentate in acelasi timp, si deci doua tranzistori permit trecerea curentului in acelasi moment) - vezi figura 4.3.

Masina sincrona cu excitatie hibrida proiectata si realizata in cadrul acestui grant de cercetare poate fi comandata in mod asemanator cu un MSMP, pentru excitatia auxiliara ne fiind necesara o comanda de comutatie suplimentara.

Infasurarea auxiliara dispusa pe rotor necesita contact glisant, iar prin controlul curentului de excitatie se realizeaza demagnetizarea directa a magnetilor, si deci slabirea fluxului. O atentie speciala trebuie indreptata asupra limitei de demagnetizare ireversibila a magnetilor. Din punctul de vedere al invertorului se poate realiza alimentare sinusoidala sau trapezoidala [

In ceea ce priveste realizarea sistemul de comanda si control solutiile posibile, accesibile din punctual de vedere al costului, au fost limitate. Astfel s-a optat pentru un convertizor static de frecventa din productia curenta a firmei Siemens, seria SIMOVERT MASTERDRIVE - Motion Control avand curentul nominal de 10 A si o frecventa de iesire variind intre 0 si 400 Hz. Pe axul masinii sincrone hibride se va monta un traductor incremental de pozitie de tipul ERN 1387, produs de compania dr. Johannes Heidenhain GmbH din Germania. Prevederea acestui traductor este absolut necesara pentru incercarile pe stand a prototipului. In automobil acest traductor exista inerent, sigur intr-o alta varianta constructiva, deci nu este necesara prevederea sa.

Alegerea variantei constructive a masinii sincrone dublu alimentate

Prima structura de masina sincrona cu excitatie hibrida dintre cele trei studiate si prezentate in subcapitolul 3 (cea cu bobina de excitatie plasata in rotor) a oferit performantele cele mai bune in privinta slabirii fluxului. Drept urmare, pentru realizarea unui model experimental, care sa se poata studia experimental, s-a adoptat structura normala a masinii, cu rotorul in interior. Masina s-a construit pe structura unei masini de inductie produse in serie de 5,5 kW, la 1500 rot/min, 380 V (tensiune de linie). Astfel s-au putut pastra tolele statorice, simplificand in mare masura construirea modelului experimental.

In figura 5.1 este reprezentata in vedere tridimensionala structura propusa spre realizare.

Principalele caracteristici ale variantei ce se va realiza si practic sunt date in Tabelul 5.1.

Modelul matematic al MASINII SINCRONE CU EXCITATIE HIBRIDA

Studiul oricarui sistem fizic necesita o modelare. Acesta permite simularea comportamentului sistemului din punct de vedere electric, magnetic, cat si mecanic. Fenomenele fizice inerente functionarii sistemului pot fi partial sau total luate in considerare intr-un model, luandu-se in considerare sau nu mai multe ipoteze, cum ar fi: considerarea saturatiei, a pierderilor etc. De asemenea, o modelare precisa a sistemului in cauza este realizata prin FEM (Finite Element Method), analiza prin element finit.

Pentru analiza s-a folosit un model general de tip circuit pentru masina dublu excitata in structura normala (rotor la interior). Ipotezele simplificatoare luate in considerare pentru acest model sunt: neglijarea saturatiei, a pierderilor si a rezistentei statorice.

In figura 6.1 se poate vedea circuitul electric echivalent in axa d si q in reperul Park.

Pornind de la acest circuit echivalent se pot deduce ecuatiile de alimentare ale masinii dublu excitate in regim permanent, scrise sub forma matriciala:

(5.1)

Componentele pe cele doua axe ale modulului curentului indus si a tensiunilor de alimentare pe cele doua axe sunt:

(5.2)

(5.3)

(5.4)

unde:

I_d, I_q - componentele curentului indus pe directia axelor d si q.

V_d, V_q - tensiunea de alimentare pe cele doua axe ale motorului, d si q.

Φ_exc - fluxul dublei excitatii (insumand fluxul magnetului si al bobinei auxiliare)

L_d, L_q - inductanta ciclica de reactie a indusului axelor d si q.

- raportul inductantelor pe cele doua axe.

Expresiile puterii, modulului tensiunii de alimentare si a cuplului electromagnetic sunt:

(5.5)

(5.6)

(5.7)

unde p reprezinta numarul de perechi de poli.

Dubla excitatie se traduce prin faptul ca este variabil si functie de curentul de excitatie, conform relatiei:

(5.8)

unde:

- curent de excitatie

- inductanta mutuala a circuitului modelat

- fluxul de magnetizare al magnetilor permanenti

- coeficientul excitatiei

- modulul maximal al fluxului de excitatie in masina.

Coeficientul de excitatie depinde de posibilitatea slabiri fluxului utilizand bobina auxiliara. Pentru o masina unde este posibila anularea totala a fluxului magnetilor, avem . Anularea fluxului de excitatie a magnetilor nu este tot timpul posibila, atunci avem . Pentru masina sincrona cu poli aparenti, datorita cuplului reluctant, k_f poate fi si negativ pentru functionarea in regim de motor.

SIMULAREA ANSAMBLULUI MOTOR-ALIMENTARE-COMANDa

Pentru simularea intregului ansamblu motor-alimentare-comanda analiza numerica bazata pe metoda elementelor finite (FEM) este strict necesara. Aceasta analiza a fost realizata cu ajutorul modulului de cuplaj Flux2D-Simulink, dezvoltat de cei doi producatori de soft Cedrat si Mathworks [

Schema principala a programului SIMULINK care modeleaza comportamentul tranzitoriu al masinii sincrone cu excitatie hibrida este prezentata in figura 7.1.

Elementele principale ale schemei bloc sunt:

la intrare: blocul care controleaza secventa de comutatie a invertorului, doua module pentru controlul curentului pe cele doua bobine de excitatie, bloc de control al cuplului rezistent al masinii (la demaraj se poate considera un cuplu rezistent egal cu cel nominal, urmand ca la viteza nominala doar inertia si frecarile cu aerul sa mai constituie rezistenta), si pozitia rotorului (in grade electrice) functie de care se realizeaza comutatia;

etajul median (intermediar): este reprezentat prin blocul de legatura intre Flux2D si SIMULINK, si contine numele aplicatiei din Flux2D, parametrii de intrare, parametrii de iesire si pasul simularii (vezi figura 7.2).

la iesire se regasesc parametrii de iesire, si anume viteza, cuplul si pozitia rotorica mecanica, aceasta din urma fiind parametrul de reactie dupa care se realizeaza comanda si controlul masinii.

In schema bloc din figura 7.1 primul bloc din stanga realizeaza controlul masinii. Geometria masinii considerata pe lungimea unui singur pol, respectiv modelul circuitului ambele elaborate in programul Flux 2D sunt date in figura 7.3.

Secventele de comutatie si simularea intreg ansamblului studiat sunt realizate in SIMULINK. Blocurile destinate generarii secventelor comutatiilor, precum si logica de comanda care comanda deschiderea si inchiderea intrerupatoarelor din partea de electronica de putere sunt reprezentate in figura 7.4.

Deoarece in Flux 2D ca si marime de intrare putem avea doar marimi electrice (rezistenta, inductanta, tensiune, curent) si mecanice (viteza, cuplu, pozitie, inertie, frecare), tranzistorii din schema de electronica de putere au fost inlocuiti cu rezistori, care permit trecerea curentului (valoare mica a rezistentei), sau o blocheaza (valoarea mare a rezistentei). Comutatia se face in functie de pozitia rotorica.

Cu acest program de simulare cuplat, realizat intr‑o structura modulara in doua medii de programare, Flux 2D si Matlab-Simulink, se poate studia comportarea masinii sincrone cu excitatia hibrida si la excitatii variabile.

Modificarea excitatiei se face prin modificarea in modulul de camp a programului a valorii curentului din excitatie.

Dintre rezultatele numeroaselor simulari efectuate cu ajutorul programului descris anterior in continuare se dau rezultatele simularii a doua regimului dinamice: pornirea masinii, respectiv functionarea sa la viteza constanta, impunandu-se un cuplu de sarcina egal cu sarcina nominala de 35 Nm.

In figura 7.5 sunt date secventele de comutatie ale intrerupatoarelor statice din invertor in functie de pozitia rotorica (figura 7.5a), precum si curentul pe faze si cel absorbit de la sursa (figura 7.5b).

In figura 7.6 sunt date principalele marimile mecanice (cuplul, viteza si deplasarea unghiulara) pentru doua regimuri tranzitorii: pornirea si functionarea la viteza nominala.

Ar fi de mentionat faptul ca in graficele cuplului, valoarea acestuia este doar la un sfert din valoarea reala, deoarece doar un sfert din motor a fost considerat si simulat.

Precum se poate observa din figura in regim tranzitoriu, viteza se stabilizeaza in jurul valorii vitezei nominale, iar cuplul rezistent nominal impune cuplul la arbore.

Cu ajutorul programului de simulare cuplat s-au ridicat diverse caracteristici ale masinii studiate pentru functionarea la diferiti curenti de excitatie.

Astfel s-a putut studia variatia inductiei in intrefier, rezultatele fiind date in figura 7.7a. De asemenea s-a studiat efectul slabirii de camp asupra pierderilor in fier (figura 7.7b) si asupra vitezei in regim de motor (figura 7.7c).

Precum se poate observa din figura, castigul de viteza obtinut de masina sincrona cu excitatia dubla studiata este pana de 3 ori viteza nominala. De asemenea se evidentiaza avantajul major al acestui tip de masina, care consta in diminuarea pierderilor la functionarea in slabire de flux.

Realizarea modelului experimental al masinii sincrone cu excitatia hibrida

Din ratiuni financiare si luand in considerare posibilitatile de manufacturare a unui model experimental de laborator, pentru realizarea masinii sincrone cu excitatia hibrida utilizabila si ca starter-generator integrat s-a considerat statorul unui motor de inductie de productie serie, urmand ca rotorul sa fie proiectat.

Masina are o putere de 5,5 kW la turatia nominala de 1500 rot/min.

La realizarea modelului experimental si-au adus contributia S.C. Bega Electromotor S.A. Timisoara (realizare armaturi, carcasa, bobinaj, masuratori privind scaparile, lipire magneti permanenti) si ICPE-CA Bucuresti (achizitionare magneti permanenti).

Masina sincrona cu excitatia hibrida realizata, respectiv rotorul sau sunt date in fotografiile din figura 8.1.

TESTAREA modelului experimental al masinii sincrone cu excitatia hibrida

Cu ajutorul masinii sincrone cu excitatia hibrida realizata s-au facut o serie de experimente de laborator.

Pentru acesta s-a elaborat un stand de testare (figura 9.1) format din masina studiata si o masina de c.c. cuplate intre ele. Un sistem de achizitii avansat s-a utilizat pentru masurarea principalelor marimi electrice (tensiuni si curenti). Masina s-a studiat atat in regim de motor (alimentat de la retea, respectiv de la un convertizor de frecventa), cat si in regim de generator.

Caracteristica generatorului la mers in gol a fost obtinuta pe baza calculelor de camp efectuate in prealabil, cat si pe baza masuratorilor de laborator. Rezultatele sunt trecute in tabelul 9.1. Pe baza acestor date s-au trasat cele doua caracteristici date in figura 9.2.

Precum se poate observa si din figura 9.3, rezultatele obtinute pe cele doua cai sunt foarte apropiate, ceea ce evidentiaza buna concordanta intre calcule si masuratori, validand algoritmul de proiectare dezvoltat. Aceste caracteristici evidentiaza influenta curentului din bobina auxiliara si slabirea, respectiv intarirea, fluxului dat de magnetii permanenti.

O alta caracteristica tipica regimului generator este reprezentarea grafica a tensiunii electromotoare induse functie de viteza de rotatie (figura 9.4). Datele pe baza caruia s-a ridicat aceasta caracteristica sunt date in tabelul 9.2.

Caracteristicile externe ale masinii sincrone cu excitatie mixta functionand in regim de generator sunt date in figura 9.5. Ca si in cazul caracteristicilor din figura 9.2 si in acest caz sunt reprezentate atat caracteristicile obtinute pe baza calculului de camp cat si cele obtinute experimental.

In figura 9.6 este data caracteristica de reglaj a masinii sincrone cu excitatie hibrida functionand in regim de generator la tensiunea de iesire egala cu 190 V si un factor de putere unitar. Aceasta caracteristica din urma este foarte importanta in realizarea sistemului de comanda a masinii sincrone cu excitatia dubla functionand ca si starter-generator integrat.

In etapa urmatoare a masuratorilor s-a studiat masina sincrona cu excitatie hibrida construita in regim de motor, celalalt regim de functionare a unui starter-alternator integrat.

Determinarea caracteristicilor de functionare in regim de motor a fost realizata considerand o sarcina rezistenta la arborele masinii. Marimile masurate au fost obtinute prin metoda clasica. Masina sincrona a fost pornita in regim de generator antrenata fiind de masina de curent continuu cuplata pe arborele masinii sincrone. La incercari s-au masurat tensiunea de alimentare, curentul si puterea absorbita, precum si indicatia (masa) cantarului pe care calca bratul fixat de statorul suspendat pe suporti al masinii de c.c. Pe baza acestor valori masurate s-au calculat factorul de putere, cuplul, puterea utila, precum si randamentul masinii. In tabelul 9.3 sunt date rezultatele masuratorilor, precum si valorile calculate pe baza acestora

Pe baza acestor rezultate experimentale s-au ridicat diverse caracteristici date in figura 9.7. In toate cele patru cazuri s-au reprezentat si caracteristicile obtinute pe baza rezultatelor calculului analitic.

Erorile dintre valorile masurate si calculate determinate pentru valorile nominale sunt urmatoarele: 10.2% caracteristica curentului, 7% caracteristica puterii electrice, 8.2% la factorul de putere, respectiv 8,7% la randament. Cum se poate observa, erorile sunt cu preponderenta sub 10%, astfel incadrandu-se in limite acceptabile.

Precum s-a mai precizat in prealabil, masina sincrona cu excitatia hibrida construita a fost testata si alimentata de la un convertizor de frecventa. In continuare se dau rezultatele inregistrate la masuratorile efectuate in aceste conditii. Alimentarea motorului s-a realizat in bucla deschisa dupa o parametrizare adecvata a dispozitivului electronic. Cu invertorul utilizat nu s-a putut face controlul excitatiei auxiliare, deci s-a controlat numai motorul sincron prin metoda controlului direct in cuplu.

Au fost realizate mai multe incercari cu diferiti parametri de pornire si franare. Aici se vor prezenta doar un set de rezultate: caracteristicile viteza, cuplu, curent in axele q si d in functie de timp in cazul unui ciclu complet de miscare: pornire, deplasare cu viteza constanta nominala, franare si oprire. Masuratorile s-au efectuat cu ajutorul utilitarului soft SIMOVIS, o parte componenta a pachetului de programe destinat convertoarelor de frecventa fabricate de compania Siemens . [

Analizand rezultatele date in figura 9.8 se poate constata faptul ca motorul sincron cu excitatia dubla s-a comportat conform asteptarilor teoretice, adica un curent practic zero in axa d si comanda realizata prin curentul de pe axa q.

De remarcat amplitudinea oscilatiilor marimilor de pe caracteristicile trasate. Acestea sunt datorate pe de o parte vibratiilor mecanice, dar pe de alta parte si faptului ca nu s-a reusit izolarea adecvata a sondei de achizitie.

Comportarea in regim dinamic a MSDE a fost corespunzatoare, si la valori diferite de zero ale curentului de excitatie, valori care s-au stabilit si nu au fost controlate.

Concluzii

Cercetarea realizata a raspuns unei cereri stringente a pietei. Tema abordata este de mare interes si actualitate tinand cont de faptul ca noile generatii de automobile hibride sunt in productie curenta deja, iar automobilul electric complet nepoluant ,se transforma rapid din deziderat in realitate. In etapele parcurse pentru derularea acestui proiect a fost necesar un studiu bibliografic pentru gasirea solutiilor care raspund cel mai bine cerintelor. Principalele criterii de alegere fiind randamentul si un raport maxim intre cuplul dezvoltat si greutatea masinii, s-a optat pentru o masina sincrona cu magneti permanenti. Solutia care a rezultat din analiza mai multor variante posibile este Masina Sincrona Dublu Excitata (MSDE). Este o solutie originala si poate asigura satisfacerea tuturor cerintelor specifice Starter-Generatorului Integrat(ISG).

S-a pornit de la un studiu bibliografic al topologiilor de masini care sa functioneze in plaja larga de viteze, fiind analizate trei structuri de MSDE care au fost dimensionate si performantele lor au fost verificate atat prin calcul analitic, cat si prin calcul numeric de camp. A rezultat ca MSDE cu infasurarea de excitatie auxiliara plasata in rotor raspunde foarte bine cerintelor si prezinta avantajul ca prototipul de laborator se poate construi utilizand in mare parte elemente componente ale unei masini de inductie cu rotorul cu bobine din productia curenta a S.C. Bega Electromotor Timisoara.

Pe structura disponibila de la masina de inductie de serie s-a reproiectat analitic masina, modificandu-se lungimea pachetului de tole si infasurarea statorica si, realizand o structura complet noua pentru rotor. Pentru aceasta structura rezultata a MSDE s-a realizat un studiu complet de analiza numerica a comportamentului ansamblului convertizor-masina. Studiul efectuat prin metoda elementelor finite s-a facut cu ajutorul modulului de cuplaj Flux2D-Simulink. Rezultatele obtinute fiind bune, s-a pregatit caietul de sarcini pentru constructor si s-a acordat asistenta necesara la realizarea practica a prototipului de MSDE. La realizarea masinii au fost angrenati S.C. Bega Electromotor Timisoara (realizare armaturi, carcasa, bobinaj, masuratori privind scaparile, lipire magneti permanenti) si ICPE-CA Bucuresti (producerea magnetilor permanenti).

Pentru validarea studiului analitic si numeric masuratorile au fost esentiale. Testarea pe stand de incercari a masinii sincrone dublu excitate in regim de generator si motor a permis punerea in valoare a performantelor MSDE realizate. O buna concordanta intre rezultatele calculate, simulate si masurate experimental poate fi remarcata. In acelasi timp, alimentarea de la convertizor intregeste studiul experimental efectuat la Laboratorul de Masini Electrice a Facultatii de Inginerie Electrica din cadrul Universitatii Tehnice din Cluj-Napoca. Printre rezultatele care pun in valoare actualul proiect si care subliniaza faptul ca scopul cercetarii a fost atins sunt castigul de viteza a MSDE, de trei ori viteza nominala, si diminuarea pierderilor in fier in timpul functionarii in regim de slabire de flux, de pana la trei ori.

Rezultatul cercetarii este un produs original si competitiv, adus pana la nivelul de prototip de laborator si validat prin testele efectuate pe stand. Varianta propusa pentru ISG, adica MSDE cu excitatia pe rotor, poate fi o solutie practica, ea asigurand performante ridicate si satisfacand cerintele unei astfel de actionari.

BIBLIOGRAFIE

] ***: Electric Motors: Markets, Trends, and Applications, EPRI Report TR-100423, 1992.

Dorr, G.: Trends and Developments of Electrical Machines in the 21st Century, Record of the 15th International Conference on Electrical Machines (ICEM '2002), Bruges (Belgium), paper 561.pdf.

] Sebastian, T. - Mir, S. - Islam, M.: Electric Motors for Automotive Applications, Proceedings of the 10th International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC '2002), Cavtat & Dubrovnik (Croatia), 2002, paper on CD-ROM: SSSB‑04.pdf.

] Hartmann, H.D.: Standardisation of the 42V PowerNet History, Current Status, Future Action, HDT Conference '42V-PowerNet: The first Solutions', Villach (Austria), 1999.

] Hillyer, M.J.: Small Electric Motor/42 Volt Opportunities, MIT Industry Consortium Report, 1999.

] Kassakian, J.G.: The Role of Power Electronics in Future 42 V Automotive Electrical Systems, Proceedings of the 10th International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC '2002), Cavtat & Dubrovnik (Croatia), 2002, paper on CD-ROM: KEY‑02.pdf.

] Vareilhias, F.: SMARTMOS^TM in 42V Automotive System, Proceedings of the 9th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), Graz (Austria), 2001, on CD-ROM: PP00592.pdf.

] Davis, R.I. - Lorenz, R.D.: Engine Torque Ripple Cancellation with an Integrated Starter Alternator in a Hybrid Electric Vehicle: Implementation and Control, Conference Record of the 2002 IEEE Industry Applications Conference (37^th IAS Annual Meeting, Pittsburgh, 2002), paper on CD-ROM: 51P2.pdf.

] Miller, J.M. - Stefanovic, V.R. - Levi, E.: Prognosis for Integrated Starter Alternator Systems in Automotive Applications, Proceedings of the 10^th International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC '2002), Cavtat & Dubrovnik (Croatia), 2002, paper on CD-ROM: T5‑001.pdf.

] Viorel, I.A. - Szabó, L. - Löwenstein, L. - Stet, C.: Integrated Starter-Generators for Automotive Applications, Acta Electrotehnica, vol. 44, no. 3, 2004, pp. 255-260.

] ***: Integrated Starter Generator Hybrid, Volvo Car Corporation, 1999. https://www.swedespeed.com/news/1999/03_99/03_09_99_7.html.

] ***: Continental Automotive Systems Selects LiveDevices' Realogy Real-Time Architect for its Revolutionary Integrated Starter Alternator Damper (ISAD), Live Devices 11, 17 July 2002, pp. 1- 3. https://www.realtime-info.be/VPR/layout/ display/pr.asp?PRID=3432.

] ***: What's New at SAE 2001, 8^th February 2001, Society of Automotive Engineers, Warrendale (PA, USA), https://www.sae.org/congress/2001/whatsnew/feb8.htm.

] ***: Starter generators: The electric power in your car, Robert Bosch GmbH, 2002, https://www.bosch.de/k/en/start/news_0204_4/.

] ***: Visteon SpeedStart12 Improves Fuel Economy, Reduces Emissions, Visteon Corporation, Kerpen (Germany), Press Release, July 30, 2003, https://www.visteon.com/newsroom/press/2003/03story77.shtml.

] Broge, J.L.: Valeo and Ricardo team for 42-V diesel vehicle, Automotive Engineering International Online, Focus on Electronics, 11/2001. https://www.sae.org/automag/electronics/11-2001/index.htm.

] Arumugam, R. - Lowther, R.A. - Krishnan, R. - Lindsay, F.J.: Magnetic Field Analysis of a Switched Reluctance Motor Using a Two Dimensional Finite Element Method, IEEE Trans. Magn., Vol. MAG-21 ( September 1985), No. 5., pp. 1983-1985.

] Faiz, J.- Finch, J.W.: Aspects of Design Optimisation For Switched Reluctance Motors, Proc. of IEEE Trans. on Energy Conversion, Volume 8, no. 4, 1993, pp. 704-713.

] Gu, Q.S. - Stiebler, M.: Scaling and Dimensioning of Switched Reluctance Machines, ETEP, vol. 7, no. 5, Sept./Oct. 1997, pp. 301-309.

] Henneberger, G. - Viorel, I.A.: Variable Reluctance Electrical Machines, Shaker Verlag, Aachen (Germania), 2001.

] Conlon, B.: A Comparison of Induction, Permanent Magnet, and Switched Reluctance Electric Drive Performance in Automotive Traction Applications, PowerTrain International, Vol. 4, No. 4 (Fall 2001).

] Gallegos-Lopez, G. - Walters, J. - Rajashekara, K.: Switched Reluctance Machine Control Strategies for Automotive Applications, Proceedings of the SAE Conference, 2001, record 2001-01-0955.

] Blissenbach, R. - Henneberger, G. -Schäfer, U. - Hackmann, W.: Development of a Transverse Flux Traction Motor in a Direct Drive System, Proceedings of the 14th International Conference on Electrical Machines (ICEM' 2000), Vol. 3, pp. 1457-1460.

] Bork, M. - Henneberger, G.: New Transverse Flux Motor Concept for Direct Drive of Electric Vehicle, ISATA, Florenz, 1997.

] Henneberger, G. - Blissenbach, R.: Transverse Flux Motor With High Specific Torque and Efficiency for a Direct Drive of an Electric Vehicle. Proceedings of the 32^nd International Symposium on Automotive Technology and Automation (ISATA '99), pp. 429‑436.

] Henneberger, G. - Viorel, I.A. - Blissenbach, R.: Single-sided transverse flux motor. Proceedings of EPE-PEMC '2000, Kosice, Slovak Republic, vol. 1, pp. 19-26.

] Wallmark, O.: Control of a Permanent Magnet Synchronous Motor with Non-Sinusoidal Flux Density Distribution, MS Thesis, Department of Electric Power Engineering, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, 2001.

] Bae, B.-H. - Sul, S.-K.: Practical design criteria of interior permanent magnet synchronous motor for 42V integrated starter-generator, Proceedings of the IEEE International Electric Machines & Drives Conference, Madison (WI, USA), 2003, pp. 656-662.

] Magureanu, R. - Vasile, N.: Motoare sincrone cu magneti permanenti si reluctanta variabila, Editura Tehnica, Bucuresti, 1982.

] Henneberger, S.: Design and Development of a Permanent Magnet Synchronous Motor for a Hybrid Electric Vehicle Drive. Dissertation, Faculteit Toegepaste Wetenschappen, Katholieke Universiteit Leuven (Belgia), 1998.

] Viorel, I.A. - Henneberger, G. - Blissenbach, R. - Lövenstein, L.: Transverse Flux Machines. Their behavior, design, control and applications, Mediamira Publisher, Cluj-Napoca, 2003.

] Chao-hui Zhao - Yang-guang Yan: A review of development of hybrid excitation synchronous machine, Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE '2005), vol. 2, 2005, pp. 857‑862.

] Wang Huijun - An Zhongliang - Tang Renyuan - Niu Yingli: Design of a Hybrid Excitation Permanent Magnet Synchronous Generator with Low Voltage Regulation, Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS '2005), vol. 1, 2005, pp. 480‑483.

] Luo, X. - Lipo, T.A.: A synchronous permanent magnet hybrid ac machine, Proc. of IEEE IEMDC '99, Seattle (USA),1999, pp. 19-21.

] Amara, Y. - Lucidarme, J. - Gabsi, M.: A new topology of hybrid synchronous machine, IEEE Transaction on Industrial Applications, vol. 37, no. 5, pp. 1273-1281.

] Fodorean, D. - Djerdir, A. - Miraoui, A. - Viorel, I.A.: Flux Weakening Performances for a Double-Excited Machine, Proceedings of the 16th International Conference on Electrical Machines - ICEM'04, Cracovia (Polonia), Paper no. 434, pe CD-ROM, 2004.

] Fodorean, D. - Viorel, I.A. - Djerdir, A. - Miraoui, A.: Double-Excited Synchronous Motor with Wide Speed Range: Numerical and Experimental Results, Iranian Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), paper 344, 2006, in print.

] Guman, M. - Viorel, I.A. - Fodorean, D. Stet, C.: Different Variants of Permanent Magnet Synchronous Motors with Field Weakening Possibilities, Oradea University Annals, Electrotechnical Fascicle, 2005, pp. 150-153.

] Fodorean, D. - Viorel, I.A. - Djerdir, A. - Miraoui, A. - Gutman, M.: On the performances of a synchronous motor with different rotor configurations, Oradea University Annals, Electrotechnical Fascicle, 2004, pp. 105-109..

] Ostovic, V.: Memory motors - a new class of controllable flux PM machines for a true wide speed operation, Conference Record of the 2001 IEEE Industry Applications Conference, vol. 4, 2001, pp. 2577-2584.

] Ostovic, V.: Memory motors, IEEE Industry Applications Magazine, vol. 9, no. 1 (Jan.-Feb. 2003), pp. 52‑61.

] Crivii, M. - Viorel, I.A. - Jufer, M. - Hussain, I: 3D to 2D Equivalence for a Transverse Flux Reluctance Motor, Conference Record of the International Conference on Electrical Machines ICEM '2002, Brugge (Belgia), pe CD-ROM: 254.pdf.

] Szabó L. - Viorel, I.A. - Iancu, V. - Popa, D.C.: Soft Magnetic Composites Used in Transverse Flux Machines, Oradea University Annals, Electrotechnical Fascicle, 2004, pp. 134-141.

] Bíró, K.Á. - Viorel, I.A. - Szabó, L. - Henneberger, G.: Masini electrice speciale, Editura Mediamira, Cluj-Napoca, 2005.

] Fodorean, D. - Djerdir, A. - Miraoui, A. - Viorel, I.A.: Double-Excited Synchronous Motor Performances using the Flux-Simulink Coupling Technique, Flux Magazine, 2006, in print.

] Viorel, I.A. - Szabó L.- Ciorba, R.C. - Barz, V.: Intelligent Compact Drive System with a Synchronous Variable Reluctance Motor, Advances in Electrical and Electronic Engineering (Slovacia), no. 2, vol. 3, 2004, pp. 47-50.