1. Introducere Acum câteva sute de ani, roţile volante erau folosite doar pentru a face ca maşinăriile să funcţioneze bine de la un ciclu la altul, astfel putând apărea revoluţia industrială. În acea perioadă, câteva forme şi modele au fost implementate, dar a durat până la începutul secolului 20 când formele de rotor ale volantei şi efortul rotaţional au fost analizate în detaliu. Mai târziu, în anii ’70, stocarea de energie cu ajutorul volantei a fost propusă ca un obiectiv primar pentru vehiculele electrice şi energia staţionară de rezervă. În acelaşi timp, rotoare din materiale compozite erau construite, şi în anii ’80 au început să apară rulmenţii magnetici. În acest fel, potenţialul folosirii volantei ca instrument de stocare a energiei a fost stabilit prin teste ample. Există o serie de atribute ce fac volantele utile în aplicaţii în care alte sisteme de stocare a energiei sunt folosite: - densitate de putere mare; - densitate a energiei mare; - nu există degradare a capacităţii, durata de viaţă a unei volante este aproape independentă de nivelul de descărcare şi de ciclul de descărcare; - nivelul de încărcare poate fi măsurat uşor, fiind dat de viteza de rotaţie; - nu necesită întreţinere constantă; - timp de reîncărcare mic; - impact asupra mediului scăzut.
Transcript
1. Introducere
Acum câteva sute de ani, roţile volante erau folosite doar pentru a face ca maşinăriile să
funcţioneze bine de la un ciclu la altul, astfel putând apărea revoluţia industrială. În acea perioadă,
câteva forme şi modele au fost implementate, dar a durat până la începutul secolului 20 când
formele de rotor ale volantei şi efortul rotaţional au fost analizate în detaliu. Mai târziu, în anii ’70,
stocarea de energie cu ajutorul volantei a fost propusă ca un obiectiv primar pentru vehiculele
electrice şi energia staţionară de rezervă. În acelaşi timp, rotoare din materiale compozite erau
construite, şi în anii ’80 au început să apară rulmenţii magnetici. În acest fel, potenţialul folosirii
volantei ca instrument de stocare a energiei a fost stabilit prin teste ample.
Există o serie de atribute ce fac volantele utile în aplicaţii în care alte sisteme de stocare a
energiei sunt folosite:
- densitate de putere mare;
- densitate a energiei mare;
- nu există degradare a capacităţii, durata de viaţă a unei volante este aproape
independentă de nivelul de descărcare şi de ciclul de descărcare;
- nivelul de încărcare poate fi măsurat uşor, fiind dat de viteza de rotaţie;
- nu necesită întreţinere constantă;
- timp de reîncărcare mic;
- impact asupra mediului scăzut.
Unul dintre avantajele majore ale volantei este abilitatea de a manevra niveluri mari de
tensiune. Aceasta este o calitate de dorit în cazul, spre exemplu, vehiculelor, unde este nevoie de o
tensiune mare în timpul accelerării şi, dacă sunt folosite frâne electrice, în care se generează o
cantitate mare de energie pentru o perioadă scurtă când se frânează, ceea ce implică o utilizare mai
eficientă a energiei, rezultând într-un consum scăzut de combustibil.
Volantele individuale sunt capabile să stocheze până la 500 MJ şi să atingă niveluri de
tensiune de la kilowatt la gigawatt.
Timpul de răspuns rapid al volantei le face potrivite pentru a echilibra frecvenţa reţelei.
Odată cu creşterea aportului de energie de la surse neregulate de energie regenerabilă, aceasta poate
fi o calitate importantă care va creşte în utilitate.
Uneltele folosite pentru proectarea motoarelor/generatoarelor se îmbunătăţesc şi ele
continuu pentru a crea o imagine mai corectă a procesului de inducţie.
1.1. Noţiuni de bază
O volantă stochează energie într-o masă rotativă. În funcţie de inerţie şi de viteza de rotaţie
a acelei mase, o energie cinetică dată este stocată ca şi energie de rotaţie. Volanta este aşezată într-o
încăpere vidată pentru a elimina pierderile cauzate de frecarea cu aerul şi suspendate de rulmenţi
pentru o operare stabilă. Energia cinetică este transferată în şi din volantă cu o maşină electrică care
funcţionează fie ca motor, fie ca generator în funcţie de unghiul de fază (defazaj). Când acţionează
ca motor, energia electrică furnizată către înfăşurarea statorică este convertită în cuplu mecanic şi
este aplicat motorului, făcându-l să se rotească mai repede şi să obţină energie cinetică. Figura 1
prezintă structura de bază a unui sistem de stocare a energiei cu volantă. În afară de volantă, este
necesară putere adiţională pentru a controla nivelul de putere care intră şi iese, viteza, frecvenţa etc.
Energia cinetică stocată într-o volantă este proporţională cu masa şi cu pătratul vitezei de
rotaţie, conform ecuaţiei (1):
E k=12
I ω2 (1)
unde Ek este energia cinetică stocată în volantă, I este momentul de inerţie şi ω este viteza
unghiulară a volantei. Momentul de inerţie pentru orice obiect este o funcţie dintre forma şi masa
acestuia. Pentru rotoarele de oţel, forma predominantă este un cilindru solid având următoare
expresie pentru I:
I=12
r2 m=12
r4 πaρ (2)
unde r este raza cilindrului, a este lungimea cilindrului, m este masa cilindrului şi ρ este densitatea
materialului.
Ecuaţia (1) ne arată că cel mai eficient mod de a creşte nivelul de energie stocată este să
accelerăm volanta. Limita de viteză este stabilită de efortul dezvoltat în roată datorată sarcinii
inerţiale, numită rezistenţă la rupere σ. Materiale mai uşoare dezvoltă sarcini inerţiale mai joase la o
viteză dată, aşadar materialele compozite, cu densitate mică şi cu rezistenţă la rupere mare sunt
excelente pentru stocarea de energie cinetică. Densitatea maximă de energie în raport cu volum şi
masă este:
eV=K ∙σ ;em=K ∙σρ
(3)
unde eV şi em este energia cinetică pe unitatea de volum sau de masă, K este factorul formei, σ este
nivelul maxim de efort al volantei, şi ρ este densitatea masei. În cazul efortului planar, dacă
2
Rulmenţi
Cadru
Rotorul volantei
Motor/Generator. Rotor
Motor/Generator. Stator
Vid sau Presiune foarte scăzută
Rulmenţi
înălţimea discului este mai mică în comparaţie cu diametrul, şi dacă este folosit un material izotrop
omogen cu rata Poisson de 0.3 (oţel), factorii K sunt daţi în Tabelul 1.
Fig. 1. Structura de bază a unui sistem de stocare a energiei cu volantă
Tabel 1. Factorul de formă K pentru diferite eforturi ale geometriilor planare
Geometria volantei Secţiune transversală Factor de formă K
3
Disc
Disc modificat pentru efort constant
Disc conic
Disc plat negăurit
Tub subţire
Sub formă de bară
Cadru cu reţea
Bară singulară
Bară plată găurită
1.000
0.931
0.806
0.606
0.500
0.500
0.400
0.333
0.305
Într-un obiect tridimensional va exista interacţiune tridimensională de efort al materialului.
Pentru un rotor construit dintr-un material anizotrop, cum ar fi compozit armat cu fibre,
interacţiunea eforturilor va limita posibilităţile practice ale dimensiunii. Luând în considerare
problemele legate de siguranţă, proiectarea volantei rezultante se bazează pe un cilindru tubular, în
care efortul materialului creat de efectele tridimensionale sunt minimizate. În proiectări mici, cele
două eforturi principale sunt cele radiale şi cele circulare (fig. 2). Pentru un material izotrop, efortul
radial este exprimat de ecuaţia (4):
σ r=3+v
8ρ ω2(r e
2+r i2−
r e2r i
2
r2−r2) (4)
unde ρ este densitatea masei, ω este viteza rotorului, v este rata Poisson, re este raza exterioară a
rotorului, ri este raza interioară a rotorului şi r reprezintă orice rază din cadrul rotorului.
Efortul circular este exprimat prin ecuaţia (5):
σ θ=3+v
8ρω2(re
2+ri2−
re2 ri
2
r2−1+3 v
3+vr2) (5)
În Tabelul 2 sunt prezentate caracteristicile pentru materialele obişnuite pentru construcţia
rotorului.
4
Creând rotoare din materiale compozite armate cu fibre orientate pe circumferinţă, volanta
este predispusă la fisuri circulare, şi este o probabilitate mult mai scăzută de a se crea proiectile din
fragmente în cazul unui eşec catastrofal. În majoritatea proiectărilor, o scădere a vitezei de rotaţie cu
50% este permisă, şi energia disponibilă este de 75% din energia stocată. Cu alte cuvinte,
profunzimea de descărcare este de 75%. Per ansamblu, geometria şi viteza volantei determină
capabilităţile de stocare a energiei, în timp ce starea de motor sau de generator împreună cu
circuitele electronice pentru gestionarea puterii electrice, determină capabilităţile de putere.
Fig. 2. Efort radial şi circular într-un tub cilindric scurt care se roteşte în jurul propriei, cu viteză unghiulară ω
MaterialDensitate(kg/m3)
Rezistenţă la rupere(MPa)
Densitate de energie maximă(pentru 1 kg)
Cost$ / kg
material monoliticoţel 4340CompozitSticlă-ESticlă-S2
Tabel 2. Informaţii pentru materiale diferite utilizate în construcţia rotorului
1.2. Rulmenţi magnetici
Rulmenţii mecanici folosiţi în trecut nu pot fi adaptaţi la volantele care au o viteză foarte
mare, din cauza frecării mari şi a duratei de viaţă scurte. În schimb, un sistem de rulmenţi magnetici
permanenţi sau electro-permanenţi este folosit. Rulmenţi magnetici electro-permanenţi nu au nici un
contact cu axul, nu au părţi mobile, au o foarte mică uzură şi nu au nevoie de lubrifiere. Este compus
din magneţi permanenţi, care susţin greutatea volantei prin forţele de respingere, şi electromagneţi
sunt folosiţi pentru a stabiliza volanta, deşi au nevoie de un sistem de ghidare complex. Un mod mai
uşor de stabilizare este folosirea de rulmenţi mecanici la capătul axului volantei, lucru posibil
deoarece magnetul permanent levitează volanta şi, aşadar, reduce frecarea. Cei mai performanţi 5
Efort radial
Efort rotaţional
rulmenţi sunt cei superconductori la temperaturi înalte (HTS), care pot situa în mod automat volanta
fără a fi nevoie de electricitate sau de sisteme de control a poziţionării. Totuşi, aceşti rulmenţi au
nevoie de răcire criogenică cu azot lichid.
2. Consideraţii tehnice pentru volantă
De decenii, majoritatea inginerilor au folosit conceptul de stocare a energiei cinetice într-o
masă rotativă pentru a-şi uşura operaţiile. Până de curând majoritatea vastă a volantelor erau
alcătuite din roţi de oţel cuplate la un motor/generator, unde inerţia cauzată de viteza mare permitea
o durată mai mare de funcţionare în timp, fără vreo schimbare semnificativă în viteza rotaţională a
roţii. Din moment ce schimbarea vitezei rotaţionale reflectă direct frecvenţa electrică, puterea de
livrare a energiei a acelor volante a depăşit rar 5% din energia stocată.
2.1. Motor/generator
Cerinţele pentru putere electrică standardizată au făcut majoritatea proiectanţilor de sisteme
de volante să aleagă generatoare de curent alternativ de viteză variabilă (pentru a acomoda
încetinirea graduală a volantei în timpul descărcării) şi diode pentru a livra curent continuu. Cele
6
două tipuri majoritare de maşini folosite sunt cele cu magneti permanenţi prin flux axial şi flux
radial (AFPM, respectiv, RFPM). Sunt numeroase alternative pentru proiectarea unei maşini AFPM,
cum ar fi rotorul intern, stator intern, multidisc, stator cu cu sau fără fante, rotoare cu magneţi
montaţi la interior sau la suprafaţă. Spre deosebire de maşinile radiale, maşinile axiale pot avea două
suprafeţe de funcţionare. Fie două rotoare combinate cu un stator, fie un rotor combinat cu două
statoare. Beneficiul folosirii a unei maşini cu două suprafeţe de funcţionare îl reprezintă nivelul de
putere livrată. Maşinile axiale par a avea mai multe avantaje faţă de cele radiale, cum ar fi: o fantă
planară ajustabilă şi o aranjare pentru răcire mai eficientă, ceea ce este important când lucrezi în
condiţii de joasă presiune. Figura 3. a) arată configurarea o maşină AFPM cu un rotor şi două
statoare fără înfăşurările din statoare. Poate fi observat că magneţii permanenţi sunt parte integrantă
a rotorului volantei şi că statoarele sunt fixate în carcasă.
Fig. 3. (a) maşină AFPM şi (b) maşină RFPM
Fig. 4. Secţiune transversală a unei matrici de dipoli interni, pentru n = 8
Un alt tip de motor/generator este cel cu dipoli interni, cu matrice de magneţi, de tip
Halbach, în care magneţii permanenţi se învărt cu volanta şi interacţionează cu un set de bobine
7
Magnet permanentRulmenţi
Stator Magnet permanent
staţionare ce produc cuplu. Într-o matrice Halbach, n segmente de magneţi permanenţi formează o
carcasă cilindrică în jurul unei axe creând dipolul intern. O secţiune a unei matrici de dipoli interni
cu 8 segmente, unde M este nivelul de magnetizare, este prezentată în fig. 4, înăuntrul unui stator cu
două faze.
Motorul de tip Halbach poate fi şi de tip cu mai mulţi poli. Unul din avantajele acestei
configuraţii îl reprezintă câmpul magnetic extern scăzut produs când o învelitoare de oţel este
plasată în afara magneţilor. În interiorul carcasei o configuraţie de tip dipol crează un flux constant B.
B=Brem log [ r 2
r 1]K (6)
K=sin( 2 π
p )2 πp
(7)
unde B este rezultanta fluxului uniform, Brem este fluxul remanent în mangeţii permanenţi, r2 este
raza exterioară şi r1 este raza internă, şi p este numărul de poli.
Cuplul generat este apoi proporţional cu rotaţiile amperajului şi a razei din centrul rotaţional.
T=B∙ i ∙ l ∙r (8)
unde T reprezintă cuplul, B este fluxul magnetic, l este lungimea conductorului, i este intensitatea
curentului, şi r este raza.
Astfel s-a reuşit construirea de maşini care pot produce între 70-400 V.
2.2. Tensiune mare
Deşi diferitele modele de volante constuite astăzi beneficiază de progresele recente în
tehnologie, există un lucru pe care toate le au în comun: incapacitatea de a produce direct tensiune
mare (> 36 kV). Aşa numitele volante pentru „tensiuni înalte” au fost constuite. Totuşi, cea mai
mare tensiune obţinută până acum este cu o maşină cu magneţi permanenţi cu 10 poli, care a produs
6.7 kV şi un vârf de tensiune de 10 kV. Rezultatul este că pentru aplicaţii reale de tensiune înaltă a
fost nevoie de un transformator, producând astfel şi mai multe pierderi nedorite.
În afară de motorul/generatorul cu magneţi permanenţi folosiţi în aproape toate roţile
volante există şi posibilitatea folosirii unui motor/generator sincron cu reluctanţă. În 1996 o volantă
ce producea 60 kW folosind acest tip de motor a fost creată. În Tabelul 3 sunt prezentate avantajele
şi dezavantajele pentru magneţi permanenţi şi maşini de inducţie.
8
2.3. Numărul de poli
Alegerea numărului de poli pentru a fi folosiţi într-o maşină este esenţială pentru
performanţa de ansamblu. Două motoare/generatoare sunt obişnuite în maşini cu viteză mare, în
principal pentru a menţine o tensiune scăzută, dar mai are şi alte proprietăţi bune. În funcţie de
configuraţia axială sau radială, un rotor cu mai mulţi poli poate avea forţe electromagnetice
substanţiale axiale sau radiale, cauzate de înfăşurările statorului, dacă este o atracţie netă între o
pereche de poli şi stator. Totuşi, într-un rotor cu doi poli, cei doi poli sunt opuşi direct unul altuia,
rezultând o forţă netă asupra rotorului aproape zero. Eliminarea aceste forţe reduce necesarul de
sarcină asupra rulmenţilor, ceea ce este important în special dacă sunt folosiţi rulmenţi magnetici.
Tabel 3. Avantaje şi dezavantaje cu maşini cu magneţi permanenţi si cele cu inducţie.
Maşină de tensiune înaltă cu magneţi permanenţi
Maşină cu magneţi permanenţi
Maşină cu inducţie
Avantaje
- Capacitate mare de suprasarcină datorată de unghiul de încărcare mic şi intensitatea mică a curentului din stator.
- Câmpul magnetic este produs fără pierder de excitaţie.
- Proiectare mai puţin complexă a rotorului, fără nevoie de fire electrice în rotor.
- Posibilitate de a obţine o eficienţă mare de ansamblu.
- Câmpul magnetic este produs fără pierderi de excitaţie.
- Proiectare mai puţin complexă a rotorului, fără nevoie de fire electrice în rotor.
- Posibilitate de a obţine o eficienţă mare de ansamblu.
- Nicio grijă privind demagnetizarea.
- Nu există câmp de excitaţie la cuplu zero, deci nu există pierderi electromagnetice ale rotaţiei.
- Poate fi construită din materiale ieftine şi rezistente.
Dezavantaje - Riscul demagnetizării şi o coercivitate intrinsecă scăzută odată cu creşterea temperaturii.
- Maşinile cu fier în stator suferă pierderi electromagnetice la cuplu zero.
- Riscul demagnetizării şi o coercivitate intrinsecă scăzută odată cu creşterea temperaturii.
- Maşinile cu fier în stator suferă pierderi electromagnetice la cuplu zero.
- Pierderi ale transformatorului în timpul excitaţiei câmpului magnetic.
- O proiectare mai complexă a rotorului, datorată nevoii de fire şi conexiuni electrice
9
- Forţa de rupere scăzută a materialelor magneţilor permanenţi au nevoie de suport structural împotriva forţelor centrifuge, limitând proiectarea de rotoare de viteză mare şi de putere mare.
- Forţa de rupere scăzută a materialelor magneţilor permanenţi au nevoie de suport structural împotriva forţelor centrifuge, limitând proiectarea de rotoare de viteză mare şi de putere mare.
ale periilor la rotor.- Capabilitate
scăzută la suprasarcină din cauza curentului mare din stator.
2.4. Munca desfăşurată până în prezent
2.4.1. La scară mică
Sistemele de stocare prin volantă la scară mică au cifre specifice pentru energie relativ
scăzute, odată ce volumul şi greutatea conţinutului este format. Dar puterea specifică mare posibilă,
limitată doar de maşina electrică şi de interfaţa convertorului de putere, fac această tehnologie mai
potrivită pentru aplicaţii de stocare tampon. Dezvoltarea de vehicule cu sisteme de surse de putere
duale alternative, care combină vârful de putere a volante cu o sursă de energie de tip baterie este în
desfăşurare.
2.4.2. Tampoane ale vârfurilor de putere
Utilizarea de volante ca şi tampon pentru puterea electrică într-un vehicul electrul poate
reduce semnificativ curenţii de vârf extraşi din sursa de energie stocată (bateria). Eliminarea acestor
vârfuri va prelungi viaţa bateriei.
2.4.3. Generator eolian diesel cu un sistem de stocare a energiei prin volantă
În anul 2000 o simulare a unei instalaţii de generator eolian diesel, cu o unitate de stocare a
energiei cinetice a fost prezentată şi s-a pornit construirea ei. Obiectivul acestui sistem este o unitate
în care oscilaţiile obişnuite ale vântului sunt compensate de generatorul diesel şi de volantă. Volanta
de 0.6 kWh, 50 kW este capabilă să suplinească puterea activă şi reactivă pentru a compensa şi
frecvenţa, şi tensiunea din reţea. Unitatea este proiectată să livreze puterea totală în timpul unei
perioade de 1.8 minute cu o tensiune nominală de 750 V şi o intensitate maximă de 102 A.
2.4.4. Volante pentru sistemele fotovoltaice
În 2001 a fost simulat un sistem de integrare fotovoltaică cu un sistem de stocare a energiei
printr-o volantă cu un magnet permanent de două ori mai proeminent decât până atunci. Prin
10
adăugarea unei volante la acest sistem de integrare fotovoltaică al unei clădiri situată în Hong Kong,
timpul de alimentare pentru încărcare a fost prelungit de la orele 9-15, la 8-16.
2.4.5. Armonici
Diferite sisteme cu volante pentru compensarea armonicilor au fost comparate şi analizate
în reţele de energie cu tensiuni scăzute (~400 V). A fost realizată o scădere de până la 50% până la a
unsprezecea armonică.
2.4.6. Volante în reţeaua de distribuţie
În anul 2000 a fost testat un sistem de stocare a energiei prin volante de 10 MJ folosit
pentru menţinerea unei calităţi mari a puterii electrice ce garanta o sursă de putere stabilă pentru
reţeaua de distribuţie. Sistemul cu volantă a fost capabil să menţină tensiunea de distribuţie între
98-102% şi a avut abilitatea de a livra 10 kW de putere pentru 15 minute.
2.4.7. Sisteme UPS de putere mare
În anul 2001 a fost investigat un sistem de stocare de 50 MW/650 MJ, bazat pe 25 de
volante stabilite industrial. Posibile aplicaţi ar fi pentru livrarea de energie în experimentele cu
plasmă, accelerarea de mase rapide (catapulte pentru avioane pe port-avioane, pre-accelerarea a
navelor spaţiale) şi sisteme UPS mari. Vârful de putere de 50 MW poate fi livrat pentru aproape 13
secunde, cu o eficienţă de 91-95%. Volantele sunt conectate în paralel într-o legătură de 1200V de
curent continuu. Volante asemănătoare cu magneţi permanenţi au fost testate înainte în autobuzele
din traficul urban şi în sistemele feroviare, cu o economisire de energie de până la 40%.
2.4.8. Sisteme UPS
Un studiu de caz a fost desfăşurat pe o reţea de putere medie existentă, în care diferite
scenarii de perturbare au fost simulate (căderi de tensiune, porniri etc.). Planul era să se conecteze la
reţeaua de distribuţie de 20 kV patru sisteme de 1.6 MVA cu volante bazate pe UPS-uri dinamice,
combinate cu un generator diesel, rezultând astfel o îmbunătăţire a calităţii puterii. Rezultatele
simulării au indicat că abordarea este fezabilă, şi arată o îmbunătăţire semnificativă în calitatea
11
puterii. Un transformator este necesar între sistemul de stocare a energiei şi reţeaua de tensiune
medie.
2.4.9. Aplicaţii aerospaţiale
A fost testat un motor/generator sincron trifazat cu magneţi permanenţi şi doi poli cuplat la
o volantă. Unitatea de stocare a energiei cu volantă este intenţionată să înlocuiască unitatea de
stocare cu baterii de la bordul Staţiei Spaţiale Internaţionale. Motorul este evaluat la 7 kVA, 80 V,
50 A şi 1000 Hz. O comparaţie între sistemele cu volantă şi cele cu baterie NiH 2 pentru o navetă
EOS-AMI a arătat că sistemul cu volantă ar fi cu 35% mai uşoară şi cu 55% mai mică în volum.
2.4.9. Aplicaţii aerospaţiale
În anul 2001 a fost construită o maşină cu magneţi permanenţi cu 10 poli, cu o tensiune
constantă de 6.7 kV şi un vârf de tensiune de 10 kV, pentru folosirea lor în sistemele de luptă
electrice hibride. Volanta de 25 MJ este pentru a produce o putere continuă de 350 kW (pierdere de
2.4 kW), precum şi pulsuri intermitente de 5 MW, pierderea utilizării în gol este calculată să fie în
jurul a 250 W. Pentru a face faţă căldurii produse, statorul este răcit cu ulei de 70°C sau 90°C.
Izolarea cablurilor este compusă din umplutură epoxidică (tipul 1) şi din tuburi FEP înconjurate de
răşină (tipul 2), ca în figura 5. Dimensiunea şi greutatea de ansamblu este de 0.28 m3, respectiv, 519 kg.
Fig. 5. Secţiunea transversală a statorului de 6.7 kV
2.5. Pierderile
12
Motorul/generatorul integrat are un design de formă de câmp rotativ, unde câmpul este
furnizat fie de electromagneţi, fie de magneţii permanenţi rari. Proprietăţile magneţilor permanenţi
de câmp mare creează densităţi de flux, suficient de mari pentru a permite existenţa maşinilor fără
înfăşurări ale armăturii fără fantă, cunoscute ca înfăşurări gol-de-aer, fără un stator magnetic.
Absenţa materialelor feromagnetice din stator au două mari impacturi asupra performanţei unui
motor/generator. În primul rând, permeabilitatea scăzută va reduce rapid puterea câmpului magnetic
când se îndepărtează de magnet. Ca rezultat, tensiunea indusă devine mai scăzută, aşadar diminuând
puterea generată. În al doilea rând, nu vor fi pierderi de căldură în miezul statorului din cauza
efectelor histerezis. Pierderile histerezis sunt de altfel prezente când sunt expuse materiale
feromagnetice la fluxuri magnetice. Este clar că frecvenţele mai mari produc mai multe pierderi şi
că pierderile histerezis din miezul statoric vor avea un impact sever în timpul stocării energiei cu
volantă pe timp îndelungat. Fără pierderile histerezis, pierderile din funcţionarea în gol sunt foarte
mici şi limitate celor de pierderi din rulmenţi sau prin scurgeri de curenţi eddy.
Rezistenţa scăzută la rupere a magneţilor comparate cu cele ale volantelor din materiale
compozite limitează plasarea lor în vecinătatea butucului. Ca şi consecinţă, numărul de poli, şi deci
rata de schimbare a fluxului magnetic, trebuie selectată cu grijă pentru a obţine tensiunea dorită. În
Tabelul 4 sunt prezentate rezistenţa la rupere a materialelor magnetice obişnuite.
Feritele folosite în mod obişnuit sau nu, datorită conductivităţii mici, creează curenţi eddy
induşi la suprafaţă. Totuşi, unele din materialele rare sinterizate, au o conductivitate mare, şi deci
suferă din cauza acestor probleme. Curenţii eddy de la suprafaţa magneţilor apar când câmpurile
magnetice din stator interacţionează cu magneţii şi sunt sub forma:
Jmagnet=σ
lmagnet
∙d Φstator
dt (9)
unde Jmagnet este densitatea de curent de la suprafaţa magnetului, σ este conductivitatea magnetului,
lmagnet este lungimea magnetului, şi Φstator este fluxul magnetic al statorului. Deoarece fluxul magnetic
din stator este proporţional cu curentul care trece prin înfăşurările statorului şi pierderile de curenţi
eddy sunt dependenţi de frecvenţă, este necesar să se minimizeze armonicile.
O mare parte din pierderile totale de la motor sunt pierderi magnetice (ohmice) din
înfăşurările statorului. Este clar că acestea pot fi diminuate fie prin adăugarea de material conductiv
(de obicei cupru), astfel scăzând rezistenţa, fie prin scăderea curentului prin stator. Sunt câteva
dezavantaje evidente asociate cu adăugarea de cantităţi de materiale conductive, cum ar fi creşterea
greutăţii, a costuului şi a spaţiului. Pot creşte şi curenţii turbionari induşi de frecvenţă mare în stator,
13
în funcţie de configuraţie. Scăderea curenţilor din stator, va duce inevitabil la tensiuni mai mari dacă
puterea totală este menţinută. Până acum a fost imposibil să se crească tensiunea din cauza riscului
unei căderi de tensiune, dar dacă o tensiune mai mare poate fi gestionate, pierderile de curent pot fi
scăzute.
Tabel 4. Informaţii pentru diferite materiale magnetice
