Geneza projektu

Stan wiedzy

Zrealizowane zadania

Energochłonność przemysłu wydobywczego
Przemysł wydobywczy jest bardzo energochłonny. Duże zużycie energii przez kopalnie węgla i miedzi prowadzi z jednej strony do wzrostu kosztów wydobycia oraz uszczuplenia zasobów mocy w systemie elektroenergetycznym. Z drugiej zaś strony wiąże się z większym zanieczyszczeniem środowiska spowodowanym zwiększoną emisją CO2. Każda kopalnia, oprócz podstawowych maszyn i urządzeń takich jak maszyny wydobywcze, transportowe wymaga zainstalowania, co najmniej kilkudziesięciu pomp i wentylatorów. Urządzenia te stosuje się aby spełnić wymogi stawiane środowisku pracy, odpompowywać zbierającą się wodę, wentylować pomieszczenia. W czynnych obecnie kopalniach miedzi czy węgla stosuje się napędy z silnikami elektrycznymi o niezadowalającej sprawności. Najczęściej są to silniki indukcyjne. Przy dużej ilości tego typu urządzeń już niewielka poprawa sprawności jednego rodzaju napędu sumarycznie pozwoli na duże oszczędności energii. Więcej

Wykonawcy projektu opracowali nowoczesne układy napędowe z silnikami elektrycznymi nowej generacji o dużej sprawności, dostosowane do pracy w warunkach kopalnianych, tj. w środowisku o dużej wilgotności i podwyższonej temperaturze. Realizacja projektu była związana z badaniami nad nowymi strukturami maszyn elektrycznych do napędów kopalnianych, nowymi układami sterowania, nowymi materiałami magnetycznym i izolacyjnymi. Opracowano nowe, bardzo wiarygodne metody obliczeń projektowych i optymalizacyjnych. Uwzględniono światowe tendencje powszechnego wykorzystywania w napędach maszyn elektrycznych o magnesach trwałych.
Wprowadzenie

Rozwój elektrycznych układów napędowych uzależniony jest od wyników badań nad układami energoelektronicznymi, materiałami magnetycznymi, materiałami izolacyjnymi i metodami obliczeń projektowych oraz optymalizacyjnych urządzeń elektromagnetycznych. W ostatnich latach osiągnięto znaczny postęp w wymienionych kierunkach badań. W rezultacie stworzone zostały znacznie szersze możliwości konstrukcyjne i projektowe elektrycznych układów napędowych, w tym układów z maszynami o ruchu wirowym. Osiągnięcia w energoelektronice i pracach nad materiałami magnetycznie twardymi doprowadziły do dużego zainteresowania maszynami o magnesach trwałych nazywanych też maszynami magnetoelektrycznymi. Maszyny magnetoelektryczne wypierają klasyczne maszyny synchroniczne o wzbudzeniu elektromagnetycznym i maszyny komutatorowe prądu stałego o komutatorze mechanicznym.

Więcej

Wprawdzie budowane są maszyny o magnesach trwałych w stojanie, ale współcześnie w celu uniknięcia niedogodności związanych z występowaniem styków ruchomych szerzej stosowane są maszyny o magnesach trwałych w wirniku. W klasycznych rozwiązaniach układów napędowych, dobrze dostosowanych do napędu wentylatorów i pomp kopalnianych wykorzystywane są maszyny o wirniku wewnętrznym. W związku z tym wykonawcy projektu koncentrowali się na maszynach o tego typu wirnikach. Zaprojektowano i wykonano prototypy serii energooszczędnych silników synchronicznych magnetoelektrycznych z myślą o zastąpieniu tymi silnikami obecnie stosowanych silników indukcyjnych o niższej sprawności. Maszyny indukcyjne są obecnie najpowszechniej używanymi maszynami w małej i średniej mocy napędach do wentylatorów i pomp kopalnianych. Podstawową zaletą tych maszyn są względnie niskie koszty produkcji, utrzymania i konserwacji, a także samodzielny rozruch. Wadą maszyn indukcyjnych w porównaniu z innymi maszynami prądu przemiennego jest stosunkowo mała sprawność, brak możliwości kontrolowania współczynnika mocy bez układu przekształtnikowego. Do wad należy też zaliczyć podatność „na zatarcie” z uwagi na małą szczelinę powietrzną między stojanem a wirnikiem. W związku z powyższym już od wielu lat prowadzone są badania nad nowymi napędami z silnikami magnetoelektrycznymi w zastępstwie silników indukcyjnych. Badania te nabrały dużego tempa w ostatnich latach z uwagi na osiągnięcia w technologii produkcji magnesów i wzrost zapotrzebowania na maszyny charakteryzujące się bardzo dobrymi parametrami funkcjonalnymi zarówno w zakresie pracy ustalonej, jak i w stanach nieustalonych, jak np. wysoką sprawnością i współczynnikiem mocy, małymi stałymi czasowymi, dużą przeciążalnością. 
Obecnie, podstawową zachętą do wdrażania układów napędowych z silnikami magnetoelektrycznymi jest konieczność oszczędzania energii. Maszyny synchroniczne o magnesach trwałych bardzo dobrze nadają się do napędów energooszczędnych. Koszty układów napędowych o regulowanej prędkości z maszynami magnetoelektrycznymi są mniejsze od kosztów układów z maszynami indukcyjnymi, nawet półtorakrotnie. 
Współcześnie wyodrębnia się dwa tryby pracy maszyny magnetoelektrycznej: praca jako maszyna synchroniczna (PMSM) i praca jako bezszczotkowa maszyna prądu stałego (BLDCM). Z uwagi na oszczędność energii i funkcjonalność korzystne jest łączenie tych dwóch trybów pracy. Na przykład, celowe jest wymuszanie pracy w trybie maszyny prądu stałego podczas rozruchu, a pracy synchronicznej w stanie ustalonym. Praca w takim reżimie wymaga stosowania układów zasilania z przekształtnikami energoelektronicznymi, co podraża koszty układu napędowego i może zmniejszyć jego niezawodność. W związku z tym poszukuje się prostszych rozwiązań konstrukcyjnych dostosowanych do konwencjonalnego zasilania jedno- i trójfazowego. Prace nad takimi rozwiązaniami prowadzi się głównie z myślą o układach napędowych niewymagających płynnej regulacji i sterowania prędkością obrotową. Do tego typu układów należą układy napędowe wentylatorów i pomp kopalnianych.
W ramach projektu prowadzono badania nad nowymi strukturami maszyn magnetoelektrycznych i optymalizacją struktur znanych, ale wykorzystujących nowe materiały magnetyczne i izolacyjne, a także badania nad nowymi metodami obliczeń projektowych i optymalizacyjnych tych maszyn, skuteczniejszych od metod już opanowanych. Rozpatrywano maszyny magnetoelektryczne specjalizowane o nietypowym rozkładzie pola w szczelinie powietrznej, zmiennej liczbie par biegunów i nietypowym magnesowaniu. Wyniki badań zostaną wykorzystane przy opracowywaniu i wdrażaniu nowych typów energooszczędnych maszyn elektrycznych do napędów wentylatorów i pomp. 
O zainteresowaniu nową generacją silników synchronicznych o zmiennej liczbie par biegunów i nietypowym magnesowaniu świadczą badania prowadzone w Stanach Zjednoczonych, gdzie pracownicy Precise Power Corporation i Electric Power Research Institute pracują nad maszynami magnetoelektrycznymi o biegunach wpisywanych ze specjalnym uzwojeniem magnesującym. Pomysły tego typu maszyn z magnesami ferrytowymi zostały nagrodzone prestiżowymi nagrodami, m.in. nagrodą Research and Development – R&D; Magazine i nagrodą National Society of Professional Engineers, przyznawaną czołowym wyrobom roku w USA. Uznano, że nowe rozwiązania zrewolucjonizują konstrukcję maszyn elektrycznych. Obecnie w Stanach Zjednoczonych maszyny z biegunami wpisywanymi są projektowane z myślą o zastosowaniu głównie w rolnictwie, w układach nawadniania, w dmuchawach suszarek, w siewnikach. 
W opracowanym w Stanach Zjednoczonych dokumencie poświęconym nowym wysokosprawnym technologiom w przemyśle przewiduje się, że maszyny magnetoelektryczne w tym maszyny z biegunami wpisywanymi wyprą w wielu układach napędowych maszyny indukcyjne. W literaturze prezentującej przyszłościowe technologie w elektrotechnice przewiduje się, że nowoczesne optymalne maszyny magnetoelektryczne będą miały sprawność o ponad 5% większą od odpowiadających im maszynom obecnie stosowanym. Na przykład, silniki z biegunami wpisywanymi o mocy 22 kW mają sprawność o około 3% większą od silników indukcyjnych klatkowych. 
Układy napędowe znacznej części pomp i większości wentylatorów kopalnianych pracują w systemie pracy ciągłej. W związku z tym nawet 3% wzrost sprawności silników napędowych prowadzi do znacznego zmniejszenia zużycia energii. Na przykład, wzrost sprawności o 3% jednego silnika 20 kW do napędu wentylatora spowoduje zmniejszenie zużycia energii o około 5200 kWh rocznie. W warunkach polskich ta wartość odpowiada zużyciu energii w ciągu roku przez ponad 2 gospodarstwa domowe. Oszczędność z tytułu zwiększenia sprawności silników produkowanych rocznie przez niewielki Zakład Przemysłowy ZEM Swarzędz zatrudniający około 20 osób odpowiada zużyciu energii przez gospodarstwa domowe małego miasta liczącego 6000 mieszkańców. Przy przewidywanych cenach energii w najbliższych latach zbliżonych do 500 zł za 1 MWh, roczne oszczędności z tytułu zainstalowania silnika o mocy 20 kW i sprawności o 3 % większej wyniosą blisko 2 500 zł. Natomiast roczne oszczędności na energii elektrycznej związane z zainstalowaniem, zamiast aktualnie produkowanych przez ZEM w Swarzędzu silników indukcyjnych, silników energooszczędnych wynosiłyby ok. 2 mln zł.
O nowatorskim charakterze omawianych maszyn świadczą badania prowadzone w wielu ośrodkach naukowych, np. w USA, Korei. W Polsce badania nad opracowaniem nowoczesnych maszyn magnetoelektrycznych są podejmowane między innymi w Politechnikach Śląskiej, Poznańskiej, Wrocławskiej, w Ośrodku Badawczo-Rozwojowym Maszyn Elektrycznych Komel w Katowicach. W OBR Komel opracowano serię silników magnetoelektrycznych o mocy od 1,4 do 35 kW z myślą o pracy w trybie BLDCM i o mocy od 1,4 do 60 kW do pracy w trybie PMSM. Przy opracowywaniu maszyn nie starano się dostosować ich parametrów i charakterystyk do specyfiki układów dla pomp i wentylatorów kopalnianych. Rozruch tych silników przy konwencjonalnym zasilaniu jest niemożliwy.
W projekcie zostały uwzględnione ostatnie tendencje kompleksowego projektowania energooszczędnych układów napędowych. W kompleksowym projektowaniu napędów maszynę elektryczną rozpatruje się łącznie z obciążeniem. Projektuje się maszynę o charakterystyce mechanicznej odpowiadającej charakterystyce obciążenia. Na przykład przy projektowaniu maszyny do wentylatora uwzględnia się, że moment rozruchowy maszyny nie musi być duży. 
Projekt ma charakter interdyscyplinarny. W ramach projektu zostały wykorzystane najnowsze osiągnięcia w dziedzinach techniki związanych z produkcją maszyn elektrycznych. Uwzględniono wiec osiągnięcia w badaniach nad:
- materiałami magnetycznymi, w tym materiałami na magnesy trwałe,
- materiałami na układy izolacyjne i spoiwami do elementów obwodu magnetycznego,
- nowymi metodami obliczeń symulacyjnych, projektowych i optymalizacyjnych maszyn elektrycznych, w tym nad metodami obliczeń polowych,
- poszukiwaniem nowych struktur maszyn elektrycznych o kształtowanych charakterystykach, dostosowanych do charakterystyk układów napędzanych,
- energooszczędnymi układami energoelektronicznymi zasilania silników elektrycznych.

Materiały magnetyczne miękkie

Do rozwoju nowych generacji maszyn elektrycznych przyczyniają się osiągnięcia w badaniach nad materiałami magnetycznymi, z których wykonywany jest rdzeń obwodu magnetycznego. Obwód maszyn magnetoelektrycznych zawiera elementy wykonane z materiałów magnetycznie miękkich i materiałów magnetycznie twardych. Poszukiwane są materiały umożliwiające łatwe kształtowanie obwodu magnetycznego, charakteryzujące się bardzo dobrymi właściwościami magnetycznymi oraz małymi stratami mocy przy przemagnesowywaniu zmiennym polem magnetycznym. Klasyczne materiały magnetyczne nie spełniają tych wymagań.

Więcej

W dotychczas produkowanych maszynach elektrycznych rdzenie wiodące strumień magnetyczny są składane z blach elektrotechnicznych wykonanych z materiału magnetycznie miękkiego. Rdzenie z blach charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami magnetycznymi. Wadą ich jest kosztowna technologia i trudności w formowaniu rdzeni o skomplikowanych trójwymiarowych kształtach, np. rdzeni o kształtach dostosowanych do liniowej maszyny tubowej. Obecnie badania w dziedzinie miękkich materiałów magnetycznych idą w kierunku związanym z rozwojem technologii metalurgii proszków. Poszukuje się skutecznych i tanich technologii wytwarzania rdzeni z materiałów w formie proszku. Rozwijane są dwie metody łączenia proszkowych materiałów magnetycznych: (a) metoda spiekania i (b) metoda łączenia ziaren proszku tworzywem. Druga metoda ma wiele zalet. Między innymi umożliwia kształtowanie właściwości fizycznych gotowego obwodu magnetycznego oraz wytwarzanie obwodów magnetycznych o skomplikowanych kształtach i dużej dokładności wymiarowej, bez dodatkowej obróbki mechanicznej. Materiałami magnetycznymi, stosowanymi przy wytwarzaniu obwodów magnetycznych są izolowane proszki żelaza o wysokiej czystości. Proszki te mogą być wytwarzane różnymi metodami, mogą być pokryte materiałami izolacyjnymi i klejącymi o różnym składzie i właściwościach. Elementy magnetycznie miękkie otrzymane metodą spajania proszku tworzywem noszą nazwę dielektromagnetyki lub SMC (soft magnetic composites).


Magnesy trwałe

Z materiałów magnetycznie twardych wykonywane są magnesy trwałe. W tradycyjnych maszynach elektrycznych najczęściej stosuje się odlewane magnesy Alnico oraz spiekane magnesy z ferrytu baru i ferrytu strontu. Gęstość energii magnetycznej magnesów Alnico wynosi około 50-60 kJ/m3. Magnesy tego typu charakteryzują się dużą wartością remanencji – do Br=1,3T, ale małą wartością koercji – Hc=60 kA/m. Gęstość energii magnetycznej magnesów ferrytowych wynosi ok. 30-40 kJ/m3, przy Br=0,4T i Hc=150-200- kA/m. 
Optymalizacja obwodów magnetycznych nowej generacji silników synchronicznych wiąże się z wprowadzaniem materiałów magnetycznie twardych o lepszych właściwościach. Współczesna technologia pozwala na wytwarzanie magnesów trwałych o bardzo dużej gęstości energii. Magnesy trwałe z materiałów proszkowych mogą być formowane metodą spiekania lub łączenie proszku magnetycznego tworzywem spajającym, tak jak w przypadku materiałów magnetycznie miękkich. Każda z wymienionych technologii wymaga stosowania proszku o innych właściwościach, wytwarzanych różnymi metodami, np. poprzez kruszenie stopu, rozdrabnianie wodorem, szybkie chłodzenie stopu ze stanu ciekłego. Nowe generacje materiałów magnetycznych na magnesy trwałe wytwarzane są głównie ze stopów pierwiastków ziem rzadkich z kobaltem np. samar-kobalt lub ze stopów trójskładnikowych z grupy neodym-żelazo-bor.

Więcej

Magnesy trwałe nowej generacji formowane metodą spiekania charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami magnetycznymi – gęstość energii magnetycznej tego typu magnesów trwałych wynosi 250-380 kJ/m3. Omawiane magnesy są anizotropowe, prasowanie odbywa się w obecności ukierunkowującego pola magnetycznego. Ich wadą jest stosunkowo wysoki koszt wytwarzania oraz efekty silnego skurczu materiału po procesie spiekania. Wad takich nie mają spajane magnesy trwałe, w tym cieszące się ostatnio szczególnym zainteresowaniem konstruktorów maszyn elektrycznych wiązane magnesy ze stopu Nd-Fe-B, nazywane też dielektromagnesami. Tego typu magnesy trwałe wytwarzane są z szybko chłodzonej taśmy ze stopu Nd-Fe-B o strukturze nanokrystalicznej. Wielkość ziarna stopu wynosi ok. 70nm. Technologia wytwarzania dielektromagnesów pozwala na dostosowanie właściwości fizycznych gotowego wyrobu do wymagań stawianych przez projektanta maszyny elektrycznej. Możliwe jest kształtowanie zarówno właściwości magnetycznych, jak i właściwości mechanicznych oraz elektrycznych. O właściwościach magnetycznych magnesu decydują przede wszystkim właściwości proszku magnetycznego, zaś o właściwościach mechanicznych zastosowane środki spajające. Od rodzaju środka spajającego zależy m.in. dopuszczalna temperatura pracy gotowego elementu i jego odporność na działanie czynników zewnętrznych, co jest bardzo istotnym elementem w przypadku pracy urządzeń z magnesami trwałymi w warunkach kopalnianych o podwyższonej wilgotności i temperaturze. Omawianym magnesom można nadawać nawet bardzo skomplikowane kształty. W przypadku magnesów izotropowych możliwe jest magnesowanie ich dwu lub wielobiegunowo w różnych kierunkach. Właściwości magnetyczne gotowego magnesu zależą głównie od rodzaju i ilości proszku magnetycznego oraz zastosowanej technologii wytwarzania. Stosuje się technologię polegająca na prasowaniu i spajania proszków tworzywem lub technologie wtryskiwania. Zaletą technologii prasowania i spajania proszków tworzywem jest możliwość wytwarzania obwodów magnetycznych o strukturze hybrydowej, składającej się z obszarów magnetycznie miękkich, magnetycznie twardych i niemagnetycznych. Unika się w ten sposób procesu klejenia, układ taki może być wykonany w jednym procesie technologicznym. Gęstość energii magnetycznej prasowanych magnesów Nd-Fe-B wynosi ok. 60-80kJ/m3 i choć jest wystarczająco duża dla wielu układów, to może być zbyt mała w zastosowaniu do energooszczędnych maszyn średniej mocy. W związku z tym przewiduje się opracowanie zupełnie nowych oryginalnych struktur hybrydowych, złożonych z silniejszych magnesów utworzonych metodą spiekania i dielektromagnesów o mniejszej gęstości energii magnetycznej. Badania nad takimi strukturami leżą w nurcie współczesnych badań związanych z poszukiwaniem magnetycznych materiałów kompozytowych i układów hybrydowych o zadanych właściwościach.


Materiały na układy izolacyjne i spoiwa do  elementów obwodu magnetycznego

O postępie w pracach nad poszukiwaniem nowych energooszczędnych napędów elektrycznych decydują w znacznym stopniu osiągnięcia w badaniach nad układami izolacyjnymi, środkami zabezpieczającymi, a w przypadku maszyn magnetoelektrycznych także nad tworzywami do spajania proszków magnetycznych. W ramach projektu poszukiwano optymalnych układów z rdzeniami o strukturze hybrydowej, utworzonej z materiałów proszkowych. Uformowanie tego typu struktur staje się obecnie możliwie dzięki nowym materiałom spajającym proszki. Z ostatnich doniesień literaturowych wynika, że najczęściej stosowanymi polimerycznymi materiałami spajającymi proszki magnetycznie twarde i magnetycznie miękkie są żywice epoksydowe, poliestrowe jak również elastomery i żywice termoplastyczne.

Więcej

Tworzywa do spajania magnesów wiązanych, elementów magnetycznie miękkich czy tworzywa zabezpieczające i klejące do rdzeni oraz uzwojeń silników elektrycznych w górnictwie powinny charakteryzować się duża odpornością na działanie zmiennego zakresu temperatur, bardzo dobrą odpornością na działanie wilgoci i innych agresywnych czynników środowiskowych oraz zmniejszoną palnością.
W przypadku magnesów wiązanych podstawową barierą ograniczającą zakres zastosowań jest odporność zastosowanego polimerycznego materiału wiążącego np.: maksymalna temperatura pracy magnesów wiązanych żywicą epoksydową wynosi ok. 100oC. Konwencjonalne polimeryczne materiały wiążące nie spełniają również takich istotnych wymagań jak odporność na działanie wilgoci i innych agresywnych czynników środowiskowych oraz zmniejszona palność. 
Polimerycznymi materiałami wiążącymi, które mogą dobrze nadawać się do spajania proszków magnetycznie twardych Nd-Fe-B oraz magnetycznie miękkich są polimery krzemoorganiczne potocznie zwane silikonami. W badaniach rozpatrzone zostanie także zastosowanie silikonów do łączenia materiałów na magnesy spiekane o bardzo dużej gęstości energii z dielektromagnetykami i dielektromagnesami. Silikony i zawierające krzem nanomateriały polimerowe ze względu na unikalne właściwości mają zazwyczaj istotne znaczenie wśród materiałów polimerowych o wysokiej efektywności. W projekcie uwzględnione zostaną najnowsze rezultaty badań nad właściwościami silikonów. Wynika z nich m.in., że silikony charakteryzują się: (a) odpornością cieplną w szerokim zakresie temperatur, (b) odpornością na działanie czynników atmosferycznych, promieniowanie UV i radiacyjne, (c) dobrą na ogół odpornością chemiczną (z wyjątkiem silnych kwasów i ługów oraz niektórych rozpuszczalników organicznych), (d) bardzo dobrymi właściwościami dielektrycznymi, (e) małą swobodną energią powierzchniową i napięciem powierzchniowym, (f) niewielką zmiennością właściwości fizycznych w szerokim zakresie temperatur.
Należy podkreślić, że silikony można z powodzeniem implementować w sprzęcie kopalnianym, bo charakteryzują się dużą odpornością na palenie: temperatury zapłonu i samozapłonu przekraczają odpowiednio 750oC i 450oC. Głównymi produktami spalania silikonu jest krzemionka, dwutlenek węgla i woda. W wyniku spalania krzemionki tworzy się popiół o doskonałych właściwościach dielektrycznych, co ogranicza awaryjność urządzeń z izolacją silikonową. 
Podstawową wadą układów spajanych silikonami są nieodpowiednie właściwości mechaniczne. Wada ta – w odniesieniu do nanokrystalicznych magnetycznie miękkich kompozytów z handlowym silikonem jako polimerycznym materiałem wiążącym – wynika ze zbyt małej adhezji polimerycznego materiału wiążącego do proszku magnetycznego. 
Prowadzone ostatnio badania zmierzają do poprawy właściwości silikonów poprzez stosowanie nanododatków. Prace nad materiałami z nanododatkami takimi jak nanokrzemionki, silseskwioksany, hydrotalkity należą do nurtu badań związanych z rozwojem nanomateriałów. Technologia stosowana przy wytwarzaniu nanomateriałów pozwala na modyfikowanie właściwości tworzyw, w tym na modyfikowanie różnego rodzaju nanokompozytów polimerowych. Prace nad tą technologią są prowadzone w Instytucie Chemii Przemysłowej (IChP). Na szczególną uwagę zasługują opracowane oryginalne sposoby otrzymywania niefunkcjonalizowanych i funkcjonalizowanych nanoproszków krzemionkowych o unikatowych właściwościach. Odpowiednie sterowanie opracowanym w IChP procesem zol-żel pozwala na uzyskanie nanocząstek krzemionkowych o założonym jednorodnym rozkładzie wielkości ziaren kulistych, określonej powierzchni właściwej oraz wybranym rodzaju i określonej zawartości grup funkcyjnych, co umożliwia wytworzenie nanokompozytu o oczekiwanych i zadawalających właściwościach.
Przewiduje się, że tworzywa silikonowe będą z powodzeniem stosowane nie tylko jako materiał układu izolacyjnego uzwojeń nowej generacji silników na napędów w górnictwie, ale także jako materiał zabezpieczający elementy konstrukcyjne.
W ramach projektu przeprowadzono badania nowoczesnymi metodami łączenia elementów rdzenia maszyn elektrycznych, np. nad mocowaniem magnesów trwałych. W badaniach wykorzystano wymienione wyżej osiągnięcia w technologii nanomateriałów. Wyniki prac nad tworzywami silikonowych wskazują, że mogą one znaleźć zastosowanie jako bardzo dobre środki klejące. 
W ramach badań nad energooszczędnymi napędami w górnictwie poszukiwano skutecznych materiałów do powłok ochronnych i powłok zwiększających współczynnik oddawania ciepła z obudowy maszyny elektrycznej. Wykonawcy wykorzystali w tym zakresie osiągnięcia w badaniach nad polimerami krzemoorganicznymi. Polimery krzemoorganiczne stosowane są od kilkudziesięciu lat w różnych dziedzinach techniki, m.in. w przemyśle elektrotechnicznym i energetyce ze względu na swoje doskonałe właściwości. Wyniki badań potwierdzają, że modyfikowane matryce polimerowe zawierające polimery krzemoorganiczne charakteryzujące się bardzo dobrą odpornością na warunki atmosferyczne mogą być też z powodzeniem stosowane jako różnego rodzaju powłoki ochronne.


Nowe metody obliczeń

Rozwój energooszczędnych maszyn elektrycznych jest związany również z doskonaleniem metod ich projektowania i optymalizacji. Doskonalenie metod projektowania i optymalizacji polegało na włączaniu do algorytmów obliczeniowych nowoczesnych procedur optymalizacyjnych oraz procedur wyznaczania rozkładu pola elektromagnetycznego i pola temperaturowego. Dążono do uformowania możliwie najbardziej wiarygodnych modeli matematycznych opisującego sprzężone zjawiska polowe. Modele wykorzystujące schematy zastępcze (modele obwodowe), na podstawie których wykonywano obliczenia większości produkowanych obecnie maszyn były przez wiele lat doskonalone z myślą o klasycznych strukturach. W związku z tym nie można było przyjmować, że po ich zastosowaniu uzyska się wiarygodne wyniki obliczeń maszyn magnetoelektrycznych o nietypowych, bardzo niejednorodnych strukturach, rozpatrywanych w ramach projektu. Na podstawie modelu obwodowego nie można między innymi dostatecznie dokładnie obliczyć momentu zaczepowego, który jest bardzo istotnym składnikiem całkowitego momentu elektromagnetycznego silników o magnesach trwałych.

Więcej

Obecnie coraz powszechniej obliczenia maszyn magnetoelektrycznych wykonuje się na podstawie modeli polowych, w których strumienie skojarzone z uzwojeniami i rozpływ prądów indukowanych oblicza się metodą elementów skończonych (MES). Obliczenia na podstawie modeli polowych są czasochłonne. W związku z tym w projektowaniu stosowano głównie dwuwymiarowe modele polowe. W dwuwymiarowych polowych modelach maszyn elektrycznych połączenia czołowe uzwojeń rozpatruje się „zerowymiarowo” jako elementy skupione, a więc tak jak w modelach obwodowych. W uproszczony sposób, modyfikując wymiary, uwzględnia się także reluktancję dla tej części strumienia głównego, która przenika poza rdzeń, np. przez obszar połączeń czołowych lub promieniowe kanały wentylacyjne. W ujęciu dwuwymiarowym niedokładnie odwzorowuje się skoszenie żłobków i magnesów. W związku z wymienionymi uproszczeniami i ograniczeniami, nawet w przypadku maszyn o strukturze walcowej, wyniki obliczeń na podstawie modeli dwuwymiarowych mogą być mało dokładne. 
W projekcie nowej generacji magnetoelektrycznych maszyn synchronicznych wykorzystano własne osiągnięcia w badaniach nad nowymi, skutecznymi metodami polowej analizy i syntezy układów z polem elektromagnetycznym oraz osiągnięcia w dostosowywaniu istniejącego oprogramowania komercyjnego do potrzeb obliczeń silników energooszczędnych w tym silników z magnetykami o dynamicznie formowanej krzywej odmagnesowania. Opracowano specjalizowany system komputerowy dostosowany do obliczania parametrów i charakterystyk rozpatrywanych maszyn na podstawie modelu trójwymiarowego. Wykorzystano nowe wielostopniowe ujęcie metody elementów skończonych (MESW), w którym element jest rozpatrywany jako węzłowy, krawędziowy i ściankowy. Do rozwiązywania równań MESW zastosowano procedury opracowane na podstawie własnych pomysłów wnioskodawców projektu, w tym szybkozbieżne metody poszukiwania jednego z rozwiązań nieoznaczonego układu równań MES dla sformułowań wykorzystujących potencjały wektorowe. Dzięki zastosowaniu MESW i szybkozbieżnych procedur obliczeniowych czasochłonność obliczeń uległa tak znacznemu zmniejszeniu, że obliczenia projektowe można było nawet wykonywać na podstawie modeli trójwymiarowych. 
Udoskonalone metody oraz algorytmy projektowania i optymalizacji, przy zastosowaniu nowych materiałów magnetycznie i elektrycznie czynnych, uwzględnieniu postępu w technologii wytwarzania maszyn, umożliwiły opracowanie nowych struktur energooszczędnych maszyn synchronicznych magnetoelektrycznych charakteryzujących bardzo dużą objętościową gęstością mocy. 
Proces projektowania przebiegał zgodnie z strategią stosowaną w przodujących ośrodkach badawczych i projektowych. Przed wykonaniem prototypów wyniki obliczeń projektowych, uzyskane na podstawie własnych metod i modeli zweryfikowano poprzez obliczenia wykonane przy użyciu komercyjnych systemów do obliczeń symulacyjnych, w tym systemu do wyznaczania rozkładu pól dla zagadnień sprzężonych.
W obliczeniach optymalizacyjnych uwzględniono najnowsze światowe osiągnięcia w dostosowywaniu algorytmów genetycznych do potrzeb syntezy układów opisanych modelami polowymi o stosunkowo dużej liczbie zmiennych decyzyjnych. Funkcja celu i ograniczenia uformowano tak, aby przy kosztach produkcji napędów nie większych od kosztów dotychczasowych uzyskać jak najmniejsze koszt eksploatacji związane ze zużyciem energii. 
Oprogramowanie do obliczeń projektowych przygotowano z myślą o wykorzystywaniu po zakończeniu projektu i łatwym dostosowaniu do obliczeń innych układów napędowych z maszynami magnetoelektrycznymi.

Uwagi o stanie wiedzy w zakresie poszukiwania nowych struktur maszyn elektrycznych o charakterystykach kształtowanych stosownie do charakterystyk układów napędowych
Maszynami elektrycznymi zużywającymi znaczne ilości energii elektrycznej w przemyśle wydobywczym są silniki napędzające wentylatory i pompy. Wynika to z liczby i mocy znamionowej tych maszyn. Możliwości zaoszczędzenia energii tkwią zarówno w wyborze typu silnika napędzającego jak i jego właściwościach eksploatacyjnych. Oszczędność wynika głównie z wyższej sprawności i większej wartości współczynnika mocy silników napędowych. W silnikach synchronicznych, szczególnie wzbudzanych magnesami trwałymi, zmniejszone w ten sposób jest zarówno zapotrzebowanie na moc czynną jak i moc bierną. Zmniejszenie zużycia energii można też uzyskać dostosowując charakterystyki silników do charakteru i trybu pracy maszyn wykonawczych. Przykładem mogą być wielobiegowe silniki synchroniczne o wzbudzeniu elektromagnetycznym umożliwiające skokową regulację prędkości, a więc również wydajności wentylatora i mocy elektrycznej pobieranej. Zmiana prędkości z 600 na 500 obr/min zmniejsza wydajność wentylatora o 17%, a moc pobieraną przez silnik o 42%. Tego typu silnik dwubiegowy zapewnia wymaganą regulację wydajności przepływu powietrza, pozwala na kompensację mocy biernej, łagodzi procesy rozruchowe, nie zniekształca napięcia zasilającego i nie zajmuje dodatkowej przestrzeni. Przebudowa silnika jednobiegowego na dwubiegowy jest do 10 razy tańsza od kosztów zastosowania do regulacji prędkości układów przekształtnikowych. Prace badawcze prowadzone na Politechnice Wrocławskiej zaowocowały opracowaniem nowej konstrukcji dwubiegowych silników synchronicznych o biegunach wydatnych, w których zmianę prędkości obrotowej uzyskuje się przez zmianę liczby biegunów pola magnetycznego twornika i magneśnicy. Zastosowanie dwubiegowych silników napędowych umożliwia skokową regulację prędkości obrotowej, a więc również wydatku wentylatora i mocy pobieranej przez silnik. W wyniku prac badawczych opracowano konstrukcje, wykonano modernizacje oraz wdrożono już do eksploatacji trzy typy silników dużej mocy o wzbudzeniu elektromagnetycznym napędzające wentylatory głównego przewietrzania kopalni miedziowych i węglowych.
Rozwinięciem koncepcji nowej generacji maszyn synchronicznych dla mniejszych mocy znamionowych mogą być dwubiegowe silniki synchroniczne o rozruchu bezpośrednim wzbudzane magnesami trwałymi. 
Do napędzania wentylatorów i pomp małej i średniej mocy, dla których nie ma potrzeby regulować prędkości opracowano w ramach projektu energooszczędne jednobiegowe silniki magnetoelektryczne o rozruchu własnym.
Najczęściej stosowanym sposobem rozruchu silników prądu przemiennego średniej i małej mocy jest bezpośrednie włączenie ich do sieci zasilającej. Dotyczy to przede wszystkim powszechnie stosowanych ze względu na prostą budowę i niezawodną eksploatację, silników indukcyjnych. Silniki synchroniczne ze wzbudzeniem elektromagnetycznym, mimo swych licznych zalet, są rzadko używane w napędach małych i średnich mocy. Wynika to z konieczności zastosowania dodatkowego źródła prądu stałego zasilającego obwód wzbudzenia. Rozwiązaniem konstrukcyjnym łączącym zalety silników synchronicznych i indukcyjnych jest silnik synchroniczny z magnesami trwałymi przystosowany do rozruchu bezpośredniego. Maszyny tego typu, dzięki zastosowaniu magnesów trwałych, charakteryzują się większą sprawnością oraz większym współczynnikiem mocy w porównaniu z maszynami asynchronicznymi. 
Specyfika budowy i sposobu rozruchu rozpatrywanych silników synchronicznych z magnesami trwałymi wymaga rozważenia szeregu zagadnień różniących te maszyny od innych maszyn prądu przemiennego. Zagadnienia te dotyczą przede wszystkim doboru magnesów, konstrukcji obwodów rozruchowych i technologii budowy wirnika zawierającego magnesy i odlewane uzwojenie rozruchowe. Istotnymi problemami wymagającymi lepszego rozwiązania jest zwiększenie momentu rozruchowego i ograniczenie pulsacji momentu wywołanych harmonicznymi pola magnetycznego.


Zastosowanie układów energoelektronicznych do zasilania silników elektrycznych

Silniki elektryczne o magnesach trwałych stosowane w układach przemysłowych wymagają do zasilania przekształtnika energoelektronicznego i układu sterowania zapewniającego: prawidłowy rozruch, regulację prędkości kątowej, regulację momentu elektromagnetycznego lub innych, wymaganych przez proces technologiczny, parametrów.
W zależności od wymagań dynamicznych i zakresu regulacji stosuje się: bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDCM) lub silniki synchroniczne o magnesach trwałych (PMSM). Silniki (BLDC) mają na ogół „trapezoidalny” przebieg siły elektromotorycznej (SEM) indukowanej w tworniku i zasilane są najczęściej z przekształtnika zapewniającego prostokątny przebieg prądu w uzwojeniach fazowych, co zapewnia małe tętnienia chwilowej wartości momentu elektromagnetycznego i prędkości kątowej wału silnika. Sterowanie ich jest stosunkowo proste i wymaga najczęściej umieszczenia na wale silnika czujnika położenia składającego się z trzech dyskretnych czujników optycznych lub magnetycznych. Parametry dynamiczne i zakres regulacji prędkości układów napędowych z silnikami BLDC jest na ogół mniejszy od układów z silnikami PMSM. W układach napędowych z silnikami PMSM indukowana w uzwojeniu twornika SEM ma przebieg „sinusoidalny” i prąd zasilający powinien również mieć przebieg sinusoidalny. Układy takie wymagają precyzyjnego pomiaru chwilowej wartości kąta położenia wirnika, co uzyskuje się poprzez zainstalowanie na wale silnika odpowiedniego czujnika (impulsatora – enkodera lub resolvera). Parametry dynamiczne i zakres regulacji takich układów napędowych są znacznie wyższe niż układów z silnikiem BLDC.

Więcej

Jako energoelektroniczne układy zasilające silnik, na ogół w całym zakresie mocy silników, stosowane są autonomiczne trójfazowe falowniki napięcia z modulacją szerokości impulsów –PWM. W zakresie dużych mocy stosowane są trójfazowe falowniki prądu z MWM i wielopoziomowe falowniki napięcia. Prowadzone są prace mające na celu zmniejszenie liczby elementów półprzewodnikowych w falownikach napięcia z PWM zasilających silniki BLDC. Zastosowanie tylko czterech zaworów (dwóch gałęzi falownika) prowadzi do prowadzi do zmniejszenia strat w przekształtniku i powiększenia sprawności układu napędowego.
Prowadzone są badania dotyczące zmniejszenia tętnień momentu elektromagnetycznego silnika BLDC i PMSM spowodowanych modulacja napięcia poprzez zastosowanie nowych algorytmów sterujących falownikiem napięcia. Obserwowaną w świecie tendencją jest eliminowanie czujników instalowanych na wale silnika (sterowanie bezczujnikowe) w celu obniżenia kosztu i poprawy niezawodności. Uzyskuje się to dzięki stosowaniu różnego symulatorów, estymatorów i obserwatorów.
Układy napędowe przewidziane do pracy w stanach częstych rozruchów i intensywnego hamowania elektrycznego (np. układy napędów koparek jednonaczyniowych, mechanizmów obrotów, dźwignic itp.) powinny posiadać zdolność zwrotu energii do sieci zasilającej. Takie wymagania doskonale spełniają układy z prostownikiem aktywnym i falownikiem prądu oraz układy z falownikiem napięcia i wejściowym falownikiem sieciowym z MSI.
W ramach badań nad energooszczędnymi układami napędowymi stosowanymi w górnictwie przeprowadzono analizę obwodu mocy składającego się z przekształtnika sieciowego AC/DC (prostownika), przekształtnika maszynowego DC/AC (falownika) i silnika prądu przemiennego wzbudzanego magnesami trwałymi pod względem najlepszych parametrów energetycznych. Strukturę układu przekształtnika maszynowego i sposób jego sterowania określa głównie konstrukcja obwodu magnetycznego energooszczędnych silników elektrycznych (sterowanie silnikami typu BLDC, PMSM, lub ich kombinacja) i wymagania procesu technologicznego (dopuszczalne tętnienia momentu elektromagnetycznego, zakres regulacji prędkości itd.). Natomiast topologię przekształtnika sieciowego głównie potrzeba hamowania odzyskowego oraz wymagania kompatybilności elektromagnetycznej (oddziaływania na sieć zasilającą).
Otrzymane wyniki prac umożliwiły opracowanie układu zasilania i sterowania spełniającego zarówno kryteria energooszczędności napędu jak zwiększone wymagania dotyczące zmniejszenia tętnień momentu elektromagnetycznego, zmniejszenie szumu silników spowodowanego zasilaniem odkształconym napięciem, powiększenie zakresu regulacji prędkości kątowej i dynamiki sterowania napędem.
W specjalnych rozwiązaniach celem stosowania układów sterujących może być uzyskanie „miękkiego” rozruchu silników magnetoelektrycznych z klatką rozruchową.


Zadanie 1

Analiza wymagań stawianych napędom wentylatorów i pomp pracujących w kopalniach.

Zrealizowane w ramach zadania prace miały na celu określenie szczegółowych ograniczeń w odniesieniu do optymalizowanych napędów wentylatorów i pomp kopalnianych. Zgodnie z celem głównym projektu kryterium optymalności jest zużycie energii w trakcie eksploatacji. Ze względu na eksploatację rozpatrywanych napędów w trudnych warunkach środowiskowych uwzględniane również będą bezpieczeństwo obsługi i niezawodność maszyn. Zadanie zostało zrealizowane przez Zespół Politechniki Wrocławskiej.

Więcej

W ramach zadania zrealizowano wymienione niżej badania.
A. Opracowanie zestawu parametrów i funkcji, stanowiących warunki ograniczające w procesie optymalizacji napędów wentylatorów kopalnianych. Przykładowe parametry środowiskowe to temperatura, wilgotność i zapylenie otoczenia. Funkcją ograniczającą może być np. wymagana charakterystyka obciążenia i jej zakres. 
B. Opracowanie zestawu parametrów i funkcji, stanowiących warunki ograniczające w procesie optymalizacji napędów pomp kopalnianych. Przykładowymi parametrami środowiskowymi mogą być temperatura, wilgotność i skład chemiczny powietrza. Parametrami eksploatacyjnymi mogą być: współczynnik mocy i sprawność całego układu napędowego. Funkcją ograniczającą mogą być np. charakterystyki rozruchowe. 
C. Zebranie danych dotyczących wartości parametrów i funkcji ograniczających dla napędów wentylatorów, których zestaw będzie wynikiem badań w punkcie A. Praca będzie realizowana częściowo w kopalniach podziemnych. Przewiduje się opracowanie zestawu danych dotyczących napędów wentylatorów kopalnianych na podstawie badań procesu technologicznego w 3. kopalniach.
D. Zebranie danych dotyczących wartości parametrów i funkcji ograniczających dla napędów pomp, których zestaw będzie wynikiem badań w punkcie B. Prace będą częściowo prowadzone w kopalniach. Przewiduje się opracowanie zestawu danych dotyczących napędów pomp kopalnianych na podstawie badań w 3. kopalniach.
E. Opracowanie zasad i przeprowadzenie szczegółowej klasyfikacji napędów wentylatorów i pomp z uwagi na warunki, charakter i bezpieczeństwo pracy. W klasyfikacji uwzględnione będą również wymagania dotyczące regulacji prędkości i rodzaju pracy (praca ciągła, przerywana lub dorywcza). 
Rezultatem prac i badań przeprowadzonych w ramach zadania będą metody i zestawy danych do klasyfikacji parametrów i funkcji definiujących wymuszenia i ograniczenia w obliczeniach projektowych i optymalizacyjnych napędów wentylatorów i pomp pracujących w środowiskach kopalń podziemnych. Opracowane zestawy danych będą przygotowane z myślą o zadaniu opracowania bazy wiedzy o napędach kopalnianych.


Zadanie 2

Opracowanie bazy wiedzy o napędach wentylatorów i pomp kopalnianych

Prowadzone w ramach zadania prace pozwoliły na zbudowanie bazy wiedzy o danych, dotyczących parametrów i charakterystyk funkcjonalnych napędów do wentylatorów i pomp kopalnianych. Zadanie zostało zrealizowane przez Zespół Politechniki Poznańskiej. W ramach zadania przeprowadzono wymienione poniżej badania.

Więcej

A. Zbudowanie komputerowej bazy wiedzy o wymaganiach stawianych napędom elektrycznym, z rozbudowanymi elementami dotyczącymi napędów wentylatorów i pomp kopalnianych. Przewiduje się, że w podczas realizacji projektu baza będzie na bieżąco uzupełniana.
B. Zbudowanie bazy wiedzy o strukturach i materiałach układów napędowych z maszynami elektrycznymi
C. Opracowanie wytycznych dotyczących projektowania napędów wentylatorów kopalnianych.
D. Opracowanie wytycznych dotyczących projektowania silników elektrycznych do napędów pomp kopalnianych i układów zasilających te silniki. Wykonawcy projektu uwzględnią, że silniki pomp kopalnianych pracują bardzo często w warunkach wymagających szczególnego sposobu doprowadzenia zasilania.
Rezultatem prac i badań przeprowadzonych w ramach zadania jest:
a) komputerowa baza wiedzy o elektrycznych napędach wentylatorów i pomp kopalnianych; b) baza wiedzy o strukturach i stosowanych w elektrycznych napędach kopalnianych materiałach; c) wytyczne dotyczące projektowania napędów wentylatorów; d) wytyczne dotyczące projektowania silników do pomp kopalnianych i układów zasilających te silniki.


Zadanie 3

Badanie materiałów magnetycznych przeznaczonych na obwody magnetyczne ze szczególnym uwzględnieniem narażeń występujących w napędach wentylatorów i pomp w warunkach kopalnianych

Prowadzone w ramach tego zadania prace miały na celu opracowanie i dobór magnetycznie miękkich i magnetycznie twardych części obwodu magnetycznego spełniających wymagania stawiane przez projektantów maszyn elektrycznych i wymagania stawiane urządzeniom narażonym na trudne warunki panujące w kopalniach. Zadanie zostało zrealizowane przez Zespół Badań nad Materiałami Magnetycznymi z Instytutu Tele- i Radiotechnicznego.

Więcej

W ramach zadania były prowadzone wymienione poniżej badania:
A. Opracowanie magnetycznie miękkich elementów obwodu magnetycznego, tj. dielektromagnetyków. Przewiduje się badania właściwości magnetycznych, mechanicznych i elektrycznych.
B. Opracowanie magnetycznie twardych części obwodu magnetycznego maszyny elektrycznej. Badania dotyczyć będą magnesów spiekanych oraz magnesów wiązanych, tj. dielektromagnesów. Prowadzone będą badania nad wpływem technologii wytwarzania na właściwości fizyczne takie jak właściwości magnetyczne, mechaniczne i elektryczne. 
C. Opracowanie i badania metod magnesowania magnesów trwałych. W zależności od konstrukcji maszyny elektrycznej opracowane zostaną magnesy trwałe o odpowiedniej biegunowości np. magnesy wielobiegunowe, magnesowane skośnie, promieniowo itd.
D. Badania klimatyczne opracowanych elementów obwodów magnetycznych. Badania środowiskowe muszą być prowadzone w warunkach odtwarzających warunki panujące w kopalniach. 
Rezultatem badań wykonywanych w ramach zadania są nowe rozwiązania technologiczne dielektromagnetycznych elementów obwodu magnetycznego dostosowane do magnetoelektrycznych silników w energooszczędnych układach napędowych pracujących w warunkach kopalnianych.


Zadanie 4

Opracowanie metod wytwarzania i badanie hybrydowych elementów obwodów magnetycznych

Zadanie zrealizowane przez Zespół Badań nad Materiałami Magnetycznymi z Instytutu Tele-i Radiotechnicznego. Prowadzone w ramach tego zadania prace miały na celu opracowanie i dobór hybrydowych elementów obwodów magnetycznych. Elementy takie wytworzone zostały metodą prasowania proszków o zróżnicowanych właściwościach fizycznych oraz metodą klejenia elementów o zróżnicowanych właściwościach fizycznych. Ponadto opracowano metody wklejania elementów obwodu magnetycznego do maszyny elektrycznej.

Więcej

Prace obejmowały: 
A. Opracowanie i badania układów hybrydowych składających się z elementów magnetycznie twardych o różnych właściwościach magnetycznych, elementów magnetycznie twardych i magnetycznie miękkich, a także układów z elementami o różnej przewodności elektrycznej. 
B. Opracowanie metod klejenia elementów obwodu magnetycznego i badania złączy klejonych. Technologia ta będzie obejmowała, w sposób kompleksowy, procesy przygotowania powierzchni, naniesienia promotorów adhezyjnych, montażu magnesów i innych elementów obwodu magnetycznego.
C. Badania klimatyczne złączy. Opracowane złącza muszą spełniać wymagania stawiane maszynom pracującym w warunkach kopalnianych. Przy badaniu złączy należy uwzględnić, że na działanie czynników klimatycznych odporne musza być nie tylko materiały magnetyczne, ale także kleje zastosowane do mocowania magnesów trwałych w maszynie elektrycznej. 
Rezultatem badań przeprowadzonych w ramach zadania będą nowe rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne hybrydowych: (a) magnesów trwałych złożonych z materiałów magnetycznie twardych o różnych właściwościach, (b) obwodów magnetycznych uformowanych z proszkowych materiałów magnetycznie twardych i miękkich o wmuszonych właściwościach. Uzyskane rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne będą wykorzystane w konstrukcjach energooszczędnych maszyn elektrycznych.


Zadanie 5

Opracowanie i badanie spoiw do materiałów magnetycznych oraz specjalizowanych środków izolacyjnych i zabezpieczających

Zadanie zrealizowane przez Zespół Instytutu Chemii Przemysłowej. W realizacji zadania wykorzystane zostały wieloletnie osiągnięcia w badaniach nad polimerami krzemoorganicznymi – silikonami.

Więcej

W ramach zadania prowadzone były badania nad:
A. Opracowaniem technologii wytwarzania nowej generacji nanokompozytów na osnowie polimerów krzemoorganicznych z wbudowanymi w strukturę nanododatkami. W wyniku realizacji tego zadania opracowano nanopolimeryczne materiały wiążące z zastosowaniem różnych nanododatków, m.in. nanokrzemionki o założonym jednorodnym rozkładzie wielkości ziaren kulistych, określonej powierzchni właściwej oraz wybranym rodzaju i określonej zawartości grup funkcyjnych. 
B. Opracowaniem technologii silanizacji cząstek proszku magnetycznego silanami karbofunkcyjnymi. Proces silanizacji umożliwia funkcjonalizację powierzchni cząstek proszku magnetycznego poprzez wprowadzenie grup funkcyjnych zwiększających adhezję do osnowy polimerowej. 
C. Opracowaniem materiałów spajających o dobrych właściwościach klejących i o dużej odporności na działanie czynników środowiskowych. 
D. Opracowaniem technologii środków zabezpieczających uzwojenia. Na podstawie przeprowadzonych badań zostaną dobrane najbardziej odpowiednie kompozycje polimerowe do zastosowania w konstrukcji nowej generacji energooszczędnych silników do pomp dla górnictwa i silników do wentylatorów dla górnictwa. Kompozycje te będą charakteryzować się bardzo dobrymi właściwościami dielektrycznymi i odpornością na trudne warunki pracy. W celu uzyskania odpowiedniej przyczepności warstwy zabezpieczającej do uzwojeń silników zostaną opracowane odpowiednie promotory zwiększające adhezję.
Rezultatem badań przeprowadzonych w ramach zadania są nowe technologie: a) wytwarzania nanokompozytów na osnowie polimerów, b) silikonizacji cząstek proszku magnetycznego, c) spajania proszków magnetycznych, d) formowania kompozycji polimerowych dla środków zabezpieczających uzwojenia i elementy układów napędowych pracujących w kopalniach.


Zadanie 6

Opracowanie i badanie nowych struktur maszyn magnetoelektrycznych dostosowanych do wymagań napędów kopalnianych

Poszukiwanie nowych struktur maszyn elektrycznych do napędów kopalnianych zdeterminowane było postawionym celem, a mianowicie uzyskaniem napędów energooszczędnych i niezawodnych. Uzyskanie silników napędowych o sprawności większej niż sprawność obecnie stosowanych energooszczędnych silników indukcyjnych wymagało użycia w ich strukturach nowoczesnych materiałów, a w szczególności magnesów trwałych. Ponadto silniki są przystosowane do zmiennego trybu pracy wentylatorów i pomp, czyli umożliwiają skokową lub ciągłą regulację prędkości obrotowej pozwalającą na racjonalizację zużycia energii. Niezawodność silników jest nie mniejsza niż silników indukcyjnych.

Więcej

W ramach zadania realizowanego przez Zespół Politechniki Wrocławskiej zostały wykonane wymienione niżej badania.
A. Opracowanie wysokosprawnych konstrukcji silników wzbudzanych magnesami trwałymi przeznaczonych do rozruchu bezpośredniego wentylatorów i pomp o odpowiednich dla tych urządzeń charakterystykach rozruchowych i eksploatacyjnych. Obliczeniowa weryfikacja (komercyjnym oprogramowaniem polowo-obwodowym) zasadności konstrukcji i jej podstawowych właściwości eksploatacyjnych.
B. Opracowanie konstrukcji i obliczeniowe, polowo-obwodowe badania dwubiegowych silników o przełączalnych uzwojeniach stojana, wzbudzanych magnesami trwałymi. Rozważano silniki jedno- i trójfazowe, oraz silniki przełączane z pracy trójfazowej na pracę jednofazową. Opracowano rozwiązania konstrukcyjne zapewniające wysoka sprawność i zwiększające moment rozruchowy dla obu prędkości obrotowych.
C. Opracowanie konstrukcji i badania symulacyjne silników z magnesami trwałymi do zasilania z przekształtników energoelektronicznych. Znaleziono rozwiązania konstrukcyjne i materiałowe ograniczające straty mocy w maszynie tak, by silnik o regulowanej płynnie prędkości stanowił wraz z przekształtnikiem układ wysokosprawny.
D. Obliczeniowe badania nowych struktur materiałowych (np. kompaktowy wirnik hybrydowy, magnesy hybrydowe) w zastosowaniu do maszyn wymienionych w pkt. A, B, C ze względu na ich przydatność do budowy silników wysokosprawnych.
Rezultatem prac i badań przeprowadzonych w ramach zadania są opracowane przez zespół nowe struktury energooszczędnych (wysokosprawnych) silników wzbudzanych magnesami trwałymi do napędu urządzeń o wentylatorowej charakterystyce obciążenia: jedno i dwubiegowych z rozruchem bezpośrednim, przystosowanych do zasilania z przekształtników napięcia z różnymi wirnikami kompaktowymi.


Zadanie 7

Opracowanie polowych algorytmów projektowania energooszczędnych silników do napędu pomp i wentylatorów

Zadanie zostało realizowane przez Zespół Politechniki Poznańskiej (Zespół OP PP). Wykorzystano wybitne osiągnięcia wieloletnich prac nad algorytmami polowej analizy i syntezy układów z polem elektromagnetycznym oraz osiągnięcia w projektowaniu nowych układów wykonawczych mechatroniki.

Więcej

W ramach zadania wykonano następujące wymienione poniżej badania. 
A. Opracowanie metod i algorytmów odwzorowania w przestrzeni elementów skończonych (węzłowych i krawędziowych) hybrydowych struktur układów niejednorodnie namagnesowanych magnesów trwałych. W badaniach wykorzystano najnowsze wielostopniowe ujęcie metody elementów skończonych. W zastosowanym ujęciu wykorzystanofunkcje interpolacyjne elementu krawędziowego i ściankowego. 
B. Opracowanie polowej metody odwzorowywania zjawisk elektromagnetycznych w silniku z biegunami wpisywanymi, o zmienianej w trakcie pracy polaryzacji magnetycznej. 
C. Opracowanie szybkobieżnych polowych algorytmów i procedur do analizy zjawisk cieplnych w silnikach energooszczędnych.
D. Opracowanie algorytmu i programu obliczeniowego do polowej analizy obwodu magnetycznego i wyznaczania parametrów funkcjonalnych silnika z biegunami wpisywanymi.
E. Wdrożenie algorytmu do wyznaczania rozpływu prądów indukowanych i obliczania sił i momentów w trójwymiarowych układach z wielospójnymi obszarami przewodzącymi. W ramach projektu analizowano silniki o rozruchu asynchronicznym. W wirnikach tych silników będą występują obszary z prądami magnetyzacji (magnesy trwałe) i obszary z indukowanymi prądami przewodnictwa, np. obszary z uzwojeniem klatkowym. 
F. Przygotowanie i zbadanie dodatkowych procedur dostosowujących oprogramowanie profesjonalne do potrzeb obliczeń silników magnetoelektrycznych z niejednospójnymi obszarami przewodzącymi.
G. Stworzenie środowiska programistyczno-obliczeniowego z oprogramowaniem własnym i profesjonalnym wykorzystującym klasyczną metodę elementów skończonych węzłowych do polowej analizy sprzężonych zjawisk elektromagnetycznych, cieplnych i mechanicznych w energooszczędnych silnikach magnetoelektrycznych. 
H. Opracowanie dla potrzeb projektowania procedur wyznaczania charakterystyk oraz parametrów funkcjonalnych silników o rozruchu własnym i częstotliwościowym na podstawie polowego modelu zjawisk.
I. Weryfikacja oprogramowania do analizy zjawisk sprzężonych i wyznaczania parametrów funkcjonalnych na dostępnych na rynku rozwiązaniach układów napędów z silnikami magnetoelektrycznymi.
J. Opracowanie algorytmów i procedur do analizy zjawisk wibracyjno-akustycznych w silnikach magnetoelektrycznych. Weryfikacyjne badania symulacyjne i laboratoryjne na dostępnych na rynku silnikach magnetoelektrycznych.
K. Opracowanie polowych algorytmów i procedur projektowania silników (a) przy zadanym wykroju blachy stojana oraz (b) przy projektowaniu wykroju blachy stojana. Proponowane ujęcie pozwala na uwzględnienie w procesie projektowania dążenia do minimalizacji kosztów wytwarzania silników przez wykorzystanie gotowych wykrojów blach oraz gotowych podzespołów produkowanych w Polsce trójfazowych silników indukcyjnych klatkowych. 
L. Opracowanie procedur parametryzacji danych w programach obliczeń polowych z myślą o obliczeniach projektowych. Parametryzacja objęto nie tylko typowe danye, jak np. wymiary obwodu magnetycznego, ale także dane dotyczące rozkładu wektora magnetyzacji (w silnikach o magnesach hybrydowych) i dane dotyczące rozkładu konduktywności środowiska wirnika (w silnikach o samodzielnym rozruchu asynchronicznym).
M. Opracowanie specjalizowanych procedur do optymalizacji obwodów magnetycznych nowej generacji energooszczędnych silników magnetoelektrycznych. Wykorzystane zostały oryginalne, własne pomysły łączenia algorytmów genetycznych z algorytmami obliczeń układów napędowych na podstawie polowego modelu zjawisk. 
N. Analiza pola magnetycznego w układach z magnesami wsuwanymi w rdzeń związana z poszukiwaniem rozwiązań ograniczających skutki bocznikowania magnesu i zamykania się linii strumienia magnetycznego w niepożądany sposób przez obwód magnetyczny. Rozpatrzone zostały struktury z materiałami o przenikalności równej przenikalności próżni.

Rezultatem prac i badań przeprowadzonych w ramach zadania jest: a) nowa metoda i algorytm odwzorowania niejednorodnie namagnesowanych magnesów w układach hybrydowych; b) nowa metoda odwzorowania zjawisk elektromagnetycznych w silniku o biegunach wpisywanych; c) szybkobieżny algorytm i procedura analizy zjawisk cieplnych; d) nowy polowy algorytm i program do analizy i wyznaczania parametrów funkcjonalnych silnika z biegunami wpisywanymi; e) nowe algorytmy i procedury do wyznaczania prądów indukowanych oraz obliczania sił i momentów w trójwymiarowych układach z wielospójnymi obszarami przewodzącymi; f) nowe procedury dostosowujące oprogramowanie profesjonalne do potrzeb obliczeń silników magnetoelektrycznych z niejednospójnymi obszarami przewodzącymi; g) nowe środowisko programistyczno-obliczeniowego z oprogramowaniem własnym i profesjonalnym do polowej analizy sprzężonych zjawisk elektromagnetycznych, cieplnych i mechanicznych; h) nowe polowe procedury wyznaczania charakterystyk oraz parametrów funkcjonalnych silników o rozruchu własnym i częstotliwościowym; i) nowe algorytmy i procedury do analizy zjawisk wibracyjno-akustycznych w silnikach magnetoelektrycznych; j) nowe oprogramowanie do polowej syntezy silników magnetoelektrycznych przy zadanym lub projektowanym wykrojem blachy stojana; k) procedury parametryzacji danych w programach obliczeń polowych; l) nowe specjalizowane procedury do optymalizacji obwodów magnetycznych; m) wytyczne odnośnie projektowania rdzeni w z magnesami wsuwanymi.


Zadanie 8

Wykonanie obliczeń projektowych i optymalizacyjnych serii prototypów silników

Zadanie zostało zrealizowane przez Zespół Politechniki Poznańskiej (Zespół OP PP). Jego celem było wykonanie obliczeń elektromagnetycznych i cieplnych dla opracowanych i wybranych w punkcie 8.1.6 struktur energooszczędnych silników do napędów pomp i wentylatorów. Na podstawie uzyskanego w wyniku realizacji zadania 8.1.2 zbioru wymagań i ograniczeń funkcjonalnych oraz zbioru ograniczeń materiałowo-technologicznych określonych w punktach od 8.1.3 do 8.1.7 sformułowano funkcję celu procesu optymalizacji.

Więcej

Przeprowadzono obliczenia projektowe i optymalizacyjne dla silników:
A. z klatką rozruchową, tj. silników przystosowanych do rozruchu bezpośredniego, w tym silników dwubiegowych,
B. przystosowanych do rozruchu częstotliwościowego i pracy z regulowaną prędkością obrotową,
C. z biegunami wpisywanymi,
D. o kompaktowym wirniku hybrydowym, wykonanym z trzech typów materiałów proszkowych: (a) dielektromagnetyku miękkiego pełniącego rolę ferromagnetycznego rdzenia, (b) materiału magnetycznie twardego, którego rolą, po namagnesowaniu, będzie wzbudzanie pola magnetycznego i (c) materiału z domieszkami przewodzącymi,
E. z magnesami hybrydowymi złożonymi z silniejszych magnesów wytwarzanych metodą spiekania i dielektromagnesów.
F. o zadanym wykroju blachy stojana (na celu uwzględnienie w procesie projektowania dążenia do minimalizacji kosztów wytwarzania silników przez wykorzystanie gotowych wykrojów blach oraz gotowych podzespołów produkowanych w Polsce trójfazowych silników indukcyjnych klatkowych).
G. o optymalizowanym wykroju blachy stojana dostosowanym do maszyny magnetoelektrycznej.
Obliczenia powtórzono dla wybranych wielkości mechanicznych serii silników modelowych. 
Po analizie uzyskanych wyników obliczeń projektowych i optymalizacyjnych:
A. wyselekcjonowano konstrukcje o najlepszych parametrach funkcjonalnych i
B. wykonano dokumentację techniczną modeli prototypowych wybranych konstrukcji silników. 
Rezultatem prac i badań przeprowadzonych w ramach zadania 8 są wyniki obliczeń projektowych i optymalizacyjnych silników magnetoelektrycznych: a) o rozruchu bezpośrednim, w tym silników dwubiegowych; b) przystosowanych do rozruchu częstotliwościowego i pracy z regulowaną prędkością obrotową; c) z biegunami wpisywanymi; d) o kompaktowym wirniku hybrydowym; e) z magnesami hybrydowymi złożonymi z magnesów spiekanych i dielektromagnesów; f) o zadanym i o projektowanym wykroju blachy stojana. Przewiduje się ponadto, że rezultatem prac będzie dokumentacja techniczna modeli prototypowych wybranych konstrukcji silników.


Zadanie 9

Opracowanie projektów układów sterujących

Zadanie zostało wykonane przez Zespół Politechniki Poznańskiej (Zespół US PP). Wykorzystując wieloletnie doświadczenia w zakresie zastosowań zaawansowanych metody sterowania napędami elektrycznymi (np. bazujących na teorii zbiorów rozmytych, sztucznych sieci neuronowych, filtrów Kalmana, czy też nietypowych struktur regulatorów liniowych) przeprowadzono prace mające na celu uruchomienie energooszczędnego napędu elektrycznego, zarówno z czujnikami wielkości mechanicznych, jak i bez nich, realizując metodę tzw. sterowania bezczujnikowego (bez czujników mocowanych na wale silnika).

Więcej

W ramach zadania zrealizowano następujące prace badawcze:
A. Wybór struktury przekształtników maszynowego i sieciowego odpowiednich do zastosowanych silników magnetoelektrycznych.
B. Wybór metod i struktur sterowania właściwych do zastosowania w napędach pomp i wentylatorów z silnikiem synchronicznym o magnesach trwałych.
C. Opracowanie teoretyczne i symulacyjne algorytmów sterowania oraz ocena ich pod względem energooszczędności, tętnień momentu silnika i właściwości dynamicznych.
D. Opracowanie metody odtwarzania położenia i prędkości obrotowej silnika w układzie bez czujników instalowanych na wale silnika (układzie bezczujnikowym). 
E. Zaprojektowanie struktury sterownika mikroprocesorowego. 
F. Projekt i konstrukcja stanowiska badawczego z modelem laboratoryjnym napędu. 
G. Opracowanie programów sterujących realizowanych na sterowniku mikroprocesorowym w czasie rzeczywistym.
H. Weryfikacja doświadczalna zaproponowanych algorytmów i rozwiązań konstrukcyjnych.
I. Końcowa ocena laboratoryjna uzyskanych właściwości napędu. 
Badania prowadzono na dwóch modelach laboratoryjnych: 
- z typowym silnikiem małej mocy (ca 1 kW) dostępnym na rynku,
- z silnikiem o konstrukcji specjalnej, opracowanym w ramach niniejszego projektu. 
Efektem końcowym prac zrealizowanych w ramach zadania jest działający model energooszczędnego napędu z silnikiem elektrycznym, zasilanym z przekształtnika energoelektronicznego, pracujący bądź to z czujnikami wielkości mechanicznych instalowanymi na wale silnika bądź bez tych czujników.


Zadanie 10

Opracowanie technologii wykonania silników

Zadanie zrealizowane zostało przez Zespół Politechniki Wrocławskiej. Na podstawie danych uzyskanych z polowych obliczeń projektowych i optymalizacyjnych wykonano modele prototypowe maszyn napędu wentylatorów i pomp kopalnianych. Technologia ich wykonania uwzględnia specyficzne właściwości materiałów użytych do budowy silników i zapewnia, stałość parametrów i właściwości wobec stosowanych procesów technologicznych. Na przykład właściwości magnetyczne stali elektrotechnicznej mogą się lokalnie pogorszyć w trakcie laserowego wykrawania blach na rdzenie magnetyczne, magnesy trwałe mogą zostać rozmagnesowane po przekroczenia temperatury Curie, podczas odlewania aluminiowego uzwojenia klatkowego. Opracowana technologia budowy silników elektrycznych o nowatorskiej strukturze została uzupełniona pracami badającymi skutki zastosowanych rozwiązań materiałowych i montażowych.

Więcej

W ramach zadania zostaną wykonano opisane niżej badania naukowe:
A. Opracowanie technologii produkcji silników wzbudzanych magnesami trwałymi, z klatką rozruchową, przeznaczonych do rozruchu bezpośredniego wentylatorów i pomp.
B. Opracowanie technologii produkcji dwubiegowych silników o przełączalnych uzwojeniach stojana, wzbudzanych magnesami trwałymi 
C. Opracowanie technologii produkcji silników przystosowanych do rozruchu częstotliwościowego i pracy z regulowaną prędkością obrotową.
D. Opracowanie technologii mechanicznego mocowania magnesów: a) poprzez wsuwanie w rdzeń magnetyczny i b) poprzez docisk w obszarach czołowych i zakleszczanie się w wyniku lokalnych sił elektromagnetycznych.
E. Opracowanie technologii produkcji kompaktowych wirników hybrydowych, wykonanych z trzech typów materiałów proszkowych: dielektromagnetyku miękkiego pełniącego rolę rdzenia ferromagnetycznego, materiału magnetycznie twardego wzbudzającego pole magnetyczne i materiału elektrycznie przewodzącego. Wirniki takie będą przeznaczone dla maszyn opisanych w pkt. A, B, C.
F. Opracowanie technologii produkcji wirników silników z hybrydowymi magnesami trwałymi przeznaczonych dla maszyn opisanych w pkt. A, B, C.
Rezultatem przeprowadzonych badań jest technologia wytwarzania, dostosowanych do pracy w kopalniach, jedno i dwubiegowych silników wzbudzanych magnesami trwałymi o przełączalnych uzwojeniach twornika, a także silników zasilanych bezpośrednio z sieci i zasilanych z przekształtników energoelektronicznych, z klatką rozruchową oraz z różnego typu wirnikiem hybrydowym.


Zadanie 11

Badania i ocena parametrów funkcjonalnych modeli układów napędowych

Zadanie zostało zrealizowane przez Zespół Politechniki Wrocławskiej. Na podstawie dokumentacji technicznej wykonano 3 modele fizyczne silników z dodatkowymi, zróżnicowanymi konstrukcją i materiałami, wirnikami. Skala modeli umożliwiła ocenę właściwości eksploatacyjnych danego typu silnika. Zbudowane modele silników zostały zbadane w laboratoriach Politechniki Wrocławskiej. Pomiarowo wyznaczono statyczne charakterystyki eksploatacyjne maszyn oraz dynamiczne charakterystyki rozruchowe. Wyznaczono również ich charakterystyki cieplne (krzywe nagrzewania uzwojeń i elementów konstrukcyjnych), a na ich podstawie i wytrzymałości cieplnej materiałów izolacyjnych i magnetycznych określono moc znamionowa. Dla mocy znamionowej wyznaczono znamionową sprawność i znamionowy współczynnik mocy. Badania laboratoryjne zweryfikowały poprawność idei nowych struktur silników napędowych, poprawność zastosowanych metod projektowania i optymalizacji oraz potwierdziły możliwość uzyskania założonych parametrów eksploatacyjnych.

Więcej

Dla realizacji tych celów w omówionym zakresie zostały wykonane niżej wymienione badania silników modelowych.
A. Badania eksperymentalne modelowego wysokosprawnego silnika prądu przemiennego wzbudzanego magnesami trwałymi i z rozruchem przez bezpośrednie włączenie napięcia.
B. Badania eksperymentalne modelowego silnika dwubiegowego o przełączalnych uzwojeniach stojana i z rozruchem bezpośrednim, wzbudzanego magnesami trwałymi.
C. Badania eksperymentalne modelowego silnika z magnesami trwałymi do zasilania z przekształtników energoelektronicznych.
D. Badania silników wymienionych w pkt. A z alternatywnymi wirnikami hybrydowymi.
Rezultatem badań są metody oceny parametrów energooszczędnych siników, a także zastawy wyników pomiarów charakterystyk statycznych i dynamicznych oraz parametrów wykonanych silników modelowych z magnesami trwałymi o rozruchu przez bezpośrednie włączenie napięcia. Wyniki dotyczą układów z silnikiem a) jednobiegowym, b) dwubiegowym o przełączalnych uzwojeniach stojana c) zasilanym z przekształtników energoelektronicznych. Rezultatem zadania jest także analiza porównawcza wyników pomiarów i obliczeń opracowanych nowych struktur energooszczędnych silników napędowych pomp i wentylatorów dla górnictwa.