Voditelj projekta: Prof.dr.sc . Damir Žarko

PREDSTAVLJANJE PROJEKTAPermanent Magnet Machine Technology for Boosting the Energy Efficiency in Traction and Marine Applications (MAGEF)

Voditelj projekta: Prof.dr.sc. Damir Žarko

OPERATIVNI PROGRAM ZA REGIONALNU KONKURENTNOST 2007-2009FOND ZA ULAGANJE U ZNANOST I INOVACIJE

Ovaj projekt financira EUThis project is funded by the EU

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet elektrotehnike i računarstvaUniverza v Mariboru, Fakulteta za energetiko

MAGEF – Predstavljanje projekta 2Ovaj projekt financira EUThis project is funded by the EU

Operativni program za regionalnu konkurentnost 2007-2009

Program IPA (Instrument for Pre-Accession Assistance) uspostavljen je Uredbom Vijeća EU. Osnovni ciljevi programa su pomoć državama kandidatkinjama i državama potencijalnim kandidatkinjama u usklađivanju nacionalnog zakonodavstva i provedbi pravne stečevine EU te priprema za korištenje strukturnih i kohezijskog fonda.

Komponente(1) Pomoć u tranziciji i izgradnja institucija(2) Prekogranična suradnja(3) Regionalni razvoj

Podkomponente: IIIa PrometIIIb Zaštita okolišaIIIc Regionalna konkurentnost MAGEF projekt

(4) Razvoj ljudskih potencijala(5) Ruralni razvoj

http://ec.europa.eu/enlargement/how-does-it-work/financial-assistance/instrument-pre-accession_en.htm

http://ec.europa.eu/enlargement/how-does-it-work/financial-assistance/instrument-pre-accession_en.htm


Fond za ulaganje u znanost i inovacije

Opći cilj ove sheme financiranja je izgraditi kapacitete visokoškolskih ustanova i javnih istraživačkih organizacija za transfer tehnologije i komercijalizaciju kako bi se doprinijelo održivom regionalnom razvoju i industrijskoj konkurentnosti gospodarskih sektora visoke dodane vrijednosti te na znanju utemeljenog malog i srednjeg poduzetništva.

Konkretan cilj ovog natječaja je podržati komercijalizaciju inovacija u javnom sektoru istraživanja i razvoja kako bi se premostio jaz između predkomercijalne i komercijalne faze istraživanja u Hrvatskoj i time stvorio produktivan okoliš gdje inovacijski kapacitet može rasti i razvijati se.

Na području inovacija i transfera tehnologije jedan od najvažnijih alata predviđenih u Operativnom programu za regionalnu konkurentnost je „Fond za ulaganje u znanost i inovacije“ (eng. Science and Innovation Investment Fund - SIIF).


Prioriteti programa

Prioriteti ovog natječaja uključuju• Jačanje suradnje između znanosti i gospodarstva kako bi se omogućilo visokoškolskim ustanovama i javnim istraživačkim organizacijama učinkovito komuniciranje s poslovnim sektorom, a time i bolje služenje potrebama industrije.

Posebni sektori ili teme na koje se akcije moraju odnositi:• Usmjeravanje aktivnosti visokoškolskih ustanova i javnih istraživačkih organizacija potrebama gospodarstva.

• Omogućavanje pristupa znanstvenim dostignućima i olakšavanje njihove industrijske eksploatacije, što bi moglo imati značajan utjecaj na razvoj konkurentnog nacionalnog gospodarstva.


Glavne aktivnosti

Aktivnosti u sklopu realizacije projekta mogu uključivati sljedeće:a) Istraživačke aktivnosti

1. Pomoć i savjeti u svrhu identifikacije mogućnosti za istraživanje i razvoj u korist gospodarskih subjekata

2. Industrijski primijenjeno istraživanje i razvoj u suradnji s poslovnim subjektima3. Razvoj u svrhu dokazivanja novog koncepta4. Razvijanje prototipa i njegova komercijalizacija u suradnji s industrijskim

partnerom5. Ispitivanje prototipa u suradnji s industrijskim partnerom6. Tehnički razvoj koji će ponuditi konkurentnu prednost7. Primjena nove tehnologije u postojećem proizvodu, usluzi ili procesu8. Istraživanje tržišta koje potvrđuje komercijalnu strategiju i put do tržišta9. Procjena potencijalno konkurentskih tehnologija za određivanje jedinstvenih

prodajnih točaka10.Demonstracija proizvoda potencijalnim kupcima ili vrednovanje tehnologije od

strane potencijalnih krajnjih korisnika


Glavne aktivnosti

b) Širenje informacija i umreženostVažni su za prepoznavanje ciljeva projekta u širem okruženju, doprinose razvoju partnerstva, omogućavaju izravan pristup ciljanoj publici i učinkovitiji prijenos znanja i tehnologije unutar ekonomskog sustava. Umrežavanje treba obuhvatiti glavne sudionike: znanstveno-istraživačka zajednica, poslovna zajednica, ali i lokalne/regionalne zajednice i mreže, te nacionalne i međunarodne mreže.Aktivnosti:1.Razvoj i širenje informacija i reklamnih materijala (letci / brošure / bilteni)2.Organizacija konferencija, radionica te širenje materijala u svrhu (i) promicanja industrijskog iskorištavanja novih tehnologija i (ii) jačanje tržišne orijentacije visokoškolskih ustanova i javnih istraživačkih organizacija

3.Osposobljavanje za industrijsku eksploataciju tehnologije za specifične tehnološke sektore

4.Organizacija aktivnosti umrežavanja s tvrtkama, sveučilištima, istraživačkim institutima, financijskim institucijama, i slično.

5.Izrada web stranice projekta6.Nastup u javnim medijima (novine, televizija)


Projekt MAGEF - predlagatelj

Predlagatelj projektaSveučilište u Zagrebu, Fakultet elektrotehnike i računarstvaVoditelj: Prof.dr.sc. Damir ŽarkoProjektni timStjepan Stipetić, dipl.ing. – analitičko i numeričko modeliranje, elektromagnetski i termički proračuni, optimizacija

Marinko Kovačić, dipl.ing. – učinska elektronika, pretvarači, elektronički sklopovi, mjerenje i obrada signala

Zlatko Hanić, dipl.ing. – analitičko i numeričko modeliranje, mehanički proračuni, optimizacija

Marijan Martinović, mag.ing. – projektiranje i ispitivanje električnih strojeva, sudjeluje u svim fazama realizacije projekta

Tino Jerčić, mag.ing. – projektiranje energetskih pretvarača, razvoj algoritama upravljanja, sudjeluje u svim fazama realizacije projekta


Projekt MAGEF - partner

Partner projektaSveučilište u Mariboru, Fakultet za energetiku, KrškoKoordinator u partnerskoj instituciji: Prof.dr.sc. Bojan Štumberger

Projektni timJedan novozaposleni suradnik s ekspertizom u područjima

• elektromagnetskih proračuna,• mehaničkih proračuna,• termičkih proračuna,• ispitivanja električnih strojeva.


Projekt MAGEF - suradnici

Suradnici na projektu (mala i srednja poduzeća)1. Tema d.o.o.,

Voltića 14, 52100 Pula, http://www.tema.hr/Kontakt osoba: Dr. sc. Branimir RužojčićProizvodni program: razvoj, konstrukcija i proizvodnja električnih motora i automatiziranih sustava

2. Končar Električna vozila d.d.Velimira Škorpika 7, 10090 Zagreb, http://www.koncar-kev.hr/hrvKontakt osoba: Josip Ninić, dipl.ing.Proizvodni program: lokomotive, tramvaji, elektromotorni vlakovi, modernizacija vozila, oprema i komponente za vozila, ispitivanje vozila i opreme

http://www.tema.hr/

http://www.koncar-kev.hr/hrv


Projekt MAGEF – trajanje i financijska sredstva

Trajanje projekta: 2 godine

Prihvatljiva financijska sredstva: €

279.572,00

Udio financiranja od strane EU (85 %) : €

237.636,00


Kako MAGEF zadovoljava ciljeve, prioritete i glavne aktivnosti

predviđene ovim natječajem?


Opći ciljevi MAGEF projekta

Jačanje istraživanja, razvoja, proizvodnje i iskorištavanja električnih strojeva s trajnim magnetima u Hrvatskoj u svrhu:1.Razvoja ekološki prihvatljivih, energetski učinkovitih, po performansama i cijeni optimiranih prijevoznih sredstava u kopnenom i vodenom transportu

2.Povećanja kapaciteta za prijenos tehnologije između visokih učilišta i hrvatskih proizvođača prijevoznih sredstava i električnih strojeva

3.Povećanja konkurentnosti hrvatskog gospodarstva


Konkretni ciljevi MAGEF projekta

Jačanje kapaciteta sveučilišta za kontinuirano pružanje znanja, inovacija i stručnih usluga malim i srednjim poduzećima u području projektiranja i ispitivanja strojeva s trajnim magnetima za vuču, brodsku propulziju, obnovljive izvore energije i druge industrijske primjene.Prikaz glavnih značajki i prednosti tehnologije trajnih magneta će biti ostvaren kroz projektiranje, izradu i ispitivanje dva prototipa tipičnog vučnog motora za pogon tramvaja.Jedan prototip će biti izrađen u tehnologiji trajnih magneta na bazi NdFeB (odlična magnetska svojstva, visoka cijena), a drugi na bazi feritnih magneta (slabija magnetska svojstva, vrlo niska cijena).Potencijal tehnologije trajnih magneta će biti demonstriran u usporedbi s asinkronim motorom kao glavnim industrijskim standardom u suvremenim elektromotornim pogonima.


Ciljane grupe i krajnji korisnici

• Sveučilišta i javni istraživački instituti•Proizvođači električnih strojeva (motori za razne industrijske primjene, generatori za obnovljive izvore energije)

•Proizvođači transportnih sredstava (vlakovi, tramvaji,električni automobili)

•Brodogradnja (pogon turističkih i brzih brodova za prijevoz putnika, te manjih transportnih brodova, pomoćni potisnici na velikim brodovima)


Očekivani rezultati

•Poboljšano znanje i sposobnost sveučilišta za obavljanje najsuvremenijih istraživanja u području projektiranja i razvoja električnih strojeva s trajnim magnetima te razvoj kapaciteta za pružanje usluga i transfer tehnologije malim i srednjim poduzećima

•Povišena kvaliteta obrazovanja iz područja električnih strojeva na sveučilištima

•Podignuta svijest proizvođača prijevoznih sredstava i električnih strojeva o potencijalima tehnologije trajnih magneta za daljnji razvoj i povećanje konkurentnosti njihovih proizvoda


Aktivnosti na projektu

Aktivnosti su podijeljene u 7 radnih paketa (engl. Work Packages – WP) Godina 1 Godina 2

Provedbeno tijelo

Semestar 1 Semestar 2 Semestar 3 Semestar 4

Aktivnost Mjesec 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Mjesec

1-6 Mjesec 7-12

WP1. Analiza elektromehaničkih karakteristika tipičnih sustava električne vuče i brodske propulzije

Predlagatelj, Partner, Suradnik 1, Suradnik 2

WP2. Razvoj softvera za projektiranje motora s trajnim magnetima

Predlagatelj, Partner

WP3. Projektiranje motora s trajnim magnetima za verifikaciju osnovne ideje

Predlagatelj, Partner, Suradnik 1

WP4. Izrada prototipova motora s trajnim magnetima

Predlagatelj, Podizvođač

WP5. Nadogradnja industrijskog sustava za ispitivanje električnih strojeva u laboratoriju Predlagatelja

Predlagatelj, Partner

WP6. Ispitivanje prototipova motora s trajnim magnetima

Predlagatelj, Podizvođač

WP7. Diseminacija rezultata Predlagatelj, Partner


WP1 - Analiza elektromehaničkih karakteristika tipičnih sustava električne vuče i brodske propulzije

Osnovni ciljDetaljna analiza elektromehaničkih karakteristika vučnih i brodskih pogonskih sustava u svrhu utvrđivanja načina za njihovo poboljšanje korištenjem motora s trajnim magnetimaTrajanje3 mjeseca


WP2 - Razvoj softvera za projektiranje motora s trajnim magnetima

Osnovni ciljRazvoj i izrada specijaliziranog softvera za efikasno povezivanje elektromagnetskog, termičkog i meha-ničkog proračuna s matematičkom optimizacijom u svrhu projektiranja motora s trajnim magnetimaTrajanje6 mjeseci


WP3 - Projektiranje motora s trajnim magnetima za verifikaciju osnovne ideje

Osnovni ciljIdentifikacija i dimenzioniranje konfiguracija motora s NdFeB i feritnim trajnim magnetima najprikladnijih za unapređenje elektromehaničkih sustava električne vučeTrajanje6 mjeseci


WP4 - Izrada prototipova motora s trajnim magnetima

Osnovni ciljKonstruiranje mehaničkih dijelova i sklopova motora, detaljna razrada i dokumentiranje svih dijelova, mjerne skice, nabava materijala, izrada dijelova, montažaTrajanje8 mjeseci


WP5 - Nadogradnja industrijskog sustava za ispitivanje električnih strojeva u laboratoriju Predlagatelja

Osnovni ciljProjektiranje mjernog sustava i sustava energetskog napajanja, razvoj algoritma upravljanja energetskim pretvaračem, razvoj sustava za prihvat i obradu mjerenih podataka, nabava i montaža mjerne, akvizicijske i energetske opreme, testiranje sustavaTrajanje8 mjeseci


WP6 - Ispitivanje prototipova motora s trajnim magnetima

Osnovni ciljMjerenje parametara (otpori namota, induktiviteti, konstanta elektromotorne sile, moment inercije itd.) i karakteristika (moment, snaga, faktor snage, gubici i korisnost kao funkcija brzine vrtnje), određivanje optimalne trajektorije vektora struje pri svim brzinama vrtnje, pokus opterećenja, simulacija dinamičkog režima rada u tramvajskom pogonuTrajanje3 mjeseca


WP7 – Diseminacija rezultata

Osnovni ciljJavna promocija prednosti i potencijala koje tehnologija trajnih magneta nudi u razvoju pogonskih motora za električna vozila i brodsku propulziju te mogućnosti koje se razvojem i primjenom te tehnologije otvaraju proizvođačima električnih strojeva, električnih vozila, brodova, kao i raznim drugim granama industrije .Informiranje o potencijalnoj koristi za povećanje konkurentnosti hrvatske privrede.Trajanje24 mjeseca


Usporedba asinkronog i motora s trajnim magnetima – prednosti i nedostaci

ASINKRONI MOTORPrednosti

• niska cijena• robusnost

Nedostaci• ograničena korisnost zbog gubitaka u rotoru• kvadratna ovisnost prekretnog momenta o brzini vrtnje za brzine veće od nazivne (ograničen raspon brzina

vrtnje u području slabljenja polja)

MOTOR S TRAJNIM MAGNETIMAPrednosti

• visoka korisnost (vrlo mali gubici na rotoru)• veća gustoća momenta (moment po jediničnom volumenu)• širi raspon brzine vrtnje u režimu slabljenja polja (važno za električnu vuču)• olakšano hlađenje

Nedostaci• visoka cijena magneta• osjetljivost magneta na visoke temperature• mogućnost demagnetizacije poljem statora u slučaju kvara (kratki spoj)• nemogućnost rada bez slabljenja polja na brzinama većima od nazivne (problem prenapona na istosmjernom

međukrugu pretvarača)


Definicija nazivnih podataka prototipa motora

Prednosti tehnologije trajnih magneta će biti demonstrirane na primjeru razvoja vučnog motora za pogon tramvaja. Razvit će se dva prototipa, jedan s magnetima na bazi rijetkih zemalja (NdFeB ) i drugi s feritnim magnetima.Cilj je definirati nazivne podatke prema vučnim karakteristikama tramvaja TMK 2200 uzimajući u obzir činjenicu da motori s trajnim magnetima imaju u istim uvjetima hlađenja gustoću momenta 1,5-3 puta veću nego asinkroni motor. Mogućnosti koje iz toga slijede su razvoj motora:- istih dimenzija kao i postojeći asinkroni, ali veće snage tako da se pogon tramvaja može ostvariti

s 4 umjesto sa 6 motora,- iste snage kao i asinkroni, ali manje nazivne brzine s ciljem smanjenja struje motora, a time

ujedno i struje pretvarača u fazi zaleta (područje konstantne maksimalne vučne sile),- iste snage kao i postojeći asinkroni, ali manjih dimenzija i mase,- istih dimenzija i snage kao postojeći asinkroni, ali povećane korisnosti.

Pregled tipova motora i njihovih nazivnih podataka u tramvajima različitih proizvođača

Proizvođač Model Tip motora Nazivna snaga Nazivna brzina Maksimalna brzina

Alstom Citadis X02 asinkroni 120 kW 2600 min-1 4560 min-1 Končar - Električna vozila TMK 2200 asinkroni 85 kW 1700 min-1 4580 min-1

Škoda ForCity Prague Tramcar trajni magneti 46-135 kW - 5576 min-1 Bombardier Flexity Outlook asinkroni 105 kW - - Kinki Shario ameriTRAM asinkroni 120 kW 2370 min-1 - Siemens S70 Streetcar asinkroni 130 kW - -


Karakteristike trajnih magneta

Parametar MjernaJedinica NdFeB Ferit

Curie temperatura C 310370 450Toplinska vodljivost W/(m·K) 515 2,9Koeficijent termičkog istezanja(paralelno sa smjerom magnetiziranja)

10-6/K 49 14

Koeficijent termičkog istezanja(okomito na smjer magnetiziranja) 10-6/K -20 10

Maksimalna radna temperatura C 50230 250Specifični otpor mm2/m 1,11,7 108

Gustoća g/cm3 7,67,8 4,95,1Remanencija T 1,051,47 0,20,45Koercitivna sila kA/m 7801100 125350Relativna permeabilnost 1,05 1,051,2Temperaturni koeficijent Br %/C -0,12 -0,1 -0,2Temperaturni koeficijent Hci %/C -0,7 -0,5 0,3Tvrdoća po Vickersu HV 500700 480580Youngov modul elastičnosti kN/mm2 140170 180Vlačna čvrstoća MPa 34Tlačna čvrstoća MPa 6001250 895Dozvoljeno naprezanje na savijanje MPa 120400 62

Okvirna cijena po kg EUR 150 300 10

Ferit

NdFeB


Osnovni podaci tramvaja TMK 2200


Osnovni podaci elektromotornog pogona tramvaja TMK 2200

NAČELNA SHEMA GLAVNOG EMP-a TRAMVAJA KONČAR TMK 2200

Pretvarač PGP-130Nazivni ulazni napon: 600 V DC, +20/-30%Nazivna izlazna struja: 3x320 AMaksimalna izlazna struja: 3x670 AFrekvencija izlaznog napona: 0...143 HzDimenzije: 1800x1000x556 mmHlađenje: prisilno zrakomMasa: 420 kg

Pogonski kavezni asinkroni motor Maksimalna snaga: 85 kWNapon: 440 VMaksimalna struja: 159 ANazivna brzina: 1705 min-1

Maksimalna brzina: 4580 min-1

Klasa izolacije: 200Mehanička zaštita: IP 20Hlađenje: IC01Masa: 450 kgStandard: IEC 60349-2


Ulazni podaci za proračun vučne karakteristike tramvaja TMK 2200Parametri proračunaSnaga u vuči 520,00 kWSnaga u el. kočenju 520,00 kWMaks. vučna sila 67,00 kNMaks. kočna sila 67,00 kNMaks. brzina 70,00 km/hMasa - prazan 42,00 tBroj putnika 240,00Masa - pun 61,20 tBroj pogonskih osovina 4,00Masa po pogonskoj osovini 10,20 tDodatna rotirajuća masa 4,20 tBrzina do koje je sila maksimalna 27,94 km/hGradijent el. vučne/kočne sile 50,00 kN/sGradijent sile za vremenski korak 25,00Ubrzanje sile teže 9,81 m/s2Maksimalni koeficijent adhezije 0,33Vremenski korak 0,50 sMax. deceleracija -1,20 m/s2Max. akceleracija 1,20 m/s2Koeficijent rotirajućih masa 0,10 m

Parametri dioniceMaksimalna brzina 70 km/hDužina dionice 1000 m


Vučna karakteristika tramvaja TMK 2200

-80,00

-60,00

-40,00

-20,00

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0Sila

, kN

vrijeme

v (km/h)

R (kN)

F mv kor (kN)

Adhezija za odabranu Fmax

F na obodu kotača

Vučna sila i brzina u ovisnosti o vremenu


Vučna karakteristika tramvaja TMK 2200

Vučna sila u ovisnosti o brzini

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

Vučn

a sil

a, k

N /

Otp

or g

iban

ja, k

N

Brzina , km/h


Primjer tramvaja pogonjenog motorima s trajnim magnetima – Škoda ForCity Prague Tramcar

Pogonski motor s površinskim magnetima snage 46 kWOkretno postolje s jednim pogonskim motorom po svakom

kotaču – izravni pogon bez reduktora


Osnovne varijante karakteristika vučnog motora u sustavu vozila

nnmaxnnnMmax

In

Imax

fn

Mn

Mmax

Un

M, U, I, f

U

M

If

Mali motor, veliki pretvarač- u fazi zaleta motor se forsira strujom

većom od nazivne- nazivna struja pretvarača određena je

maksimalnom strujom motora- nazivna brzina motora je veća od brzine pri

kojoj počinje režim konstantne snage vučnog pogona

Veliki motor, mali pretvarač- u režimima konstantne vučne sile i

konstantne snage motor je opterećen nazivnom strujom

- nazivna struja pretvarača jednaka je nazivnoj struji motora

- nazivna brzina motora jednaka je brzini pri kojoj počinje režim konstantne snage vučnog pogona

nnmaxnn

In

fn

Mn

Un

M, U, I, f

U

M

If


Neki tehnički izazovi i nepoznanice u realizaciji projekta•Mehanička zaštita magneta u rotoru otvorene izvedbe od atmosferskih utjecaja vakuum tlačna impregnacija rotora?

• Izvedba statora s otvorenim utorima, namotom u klasi izolacije 200, profilnim vodičima i magnetskim klinovima ili izvedba s poluzatvorenim utorima bez utorskog klina i namotom od okrugle lakirane žice u klasi izolacije H?

• Smještaj resolvera i njegov rad u uvjetima otvorene izvedbe motora?

•Potreba za dodatnom mehaničkom zaštitom resolvera?•Mogućnost zatvorene izvedbe motora?


Preliminarni dizajn tramvajskog motora s trajnim magnetima

Osnovni presjek bez rashladnih kanalaMagnetsko polje i indukcija u motoru u

nazivnoj radnoj točki


Osnovni podaci motora

Moment i snaga za cijeli raspon brzina vrtnje

Parametar Vrijednost Brzina vrtnje, min-1 1700 Snaga na osovini, kW 109 Linijski napon, V 449,7 Struja, A 162,6 Faktor snage 0,89 Korisnost, % 96,8 Razvijeni elektromagnetski moment, Nm 333,0 Razvijeni reluktantni moment, Nm 283,9 Broj utora 36 Broj polova 8 Vanjski promjer statora, mm 320 Duljina paketa, mm 250 Promjer osovine, mm 70 Duljina zračnog raspora, mm 1 Debljina jedne pločice magneta, mm 5,2 Širina jedne pločice magneta, mm 10,6 Ukupna masa magneta, kg 6,5 Masa bakra, kg 17,6 Masa željeza paketa, kg 109,8 Korak svitka 4 Broj vodiča u utoru 12 Broj paralelnih grana 2 Faktor punjenja utora 0,4 Gustoća struje, A/mm2 7 Strujni oblog, kA/m 54,96 Indukcija u zubu statora, T 1,80 Indukcija u jarmu statora, T 1,29 Induktivitet Ld, mH 2,80 Induktivitet Lq, mH 1,0 Omjer = Lq/ Ld 2,8 Snaga na brzini od 5100 min, kW 110,6

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

n, min-1

Ppu

, M

pu

Pn=109 kW

Mn=612 Nm


Animacija rotacije pri nazivnom opterećenju

Documents

Voditelj projekta: Prof.dr.sc . Damir Žarko