HÖLL, J. Vysokomomentové elektromotory pro pohony nezávislé trakce v oboru manipulační techniky [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2010.
Ing. Jan Höll, narozen 25.4.1981, je absolventem VUT FEKT Brno v roce 2006. Studentem doktorského kombinovaného studia je od 28.6.2006. Pojednání k disertační práci s názvem "Vysokomomentové elektromotory pro pohony nezávislé trakce" obhájil 21.5.2009. Téma disertační práce je "Vysokomomentové elektromotory pro pohony nezávislé trakce v oboru manipulační techniky" a jejím cílem je návrh motoru pro přímý pohon manipulačního vozíku. Ing. Höll zpracoval poznatky z oblasti synchronních motorů s permanentními magnety, dva prototypy motorů připravil k výrobě. Připravil a zpracoval množství výpočtů včetně optimalizací, inovoval testovací pracoviště pro měření mometů. Výsledky a poznatky publikoval na mnoha konferencích, je spoluautorem patentů a účastnil se několika projektů, např. grantového projektu MPO. V průběhu svého doktorandského studia projevil vysokou dávku samostatnosti, pečlivosti a iniciativy. Kladně hodnotím spolehlivost, dodržování termínů, vstřícnost, pečlivost. Disertační práci doktorand zpracoval samostatně. Doporučuji práci k obhajobě a navrhuji po její úspěšné obhajobě udělení Ing. Jan Höllovi titul Ph.D v oboru Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika.
Prof. Ing. Otakar Kurka, CSc., emeritní profesor Univerzity obrany Bellova 23 623 00 BRNO ------------------------------------------- OPONENTNÍ POSUDEK doktorské disertační práce Ing. Jana Hölla, VUT- FEKT- ÚVEE, "Vysokomomentové elektromotory pro pohony nezávislé trakce v oboru manipulační techniky" Předložená disertační práce v rozsahu 122 stran s 50 obrázky, 13 tabulkami a 4 roz-sáhlými přílohami shrnuje výsledky několikaleté rešeršní, studijní, teoretické a realizační činnosti disertanta v oblasti elektromagnetického návrhu speciálních elektrických strojů v souvislosti s jeho více než pětiletou výzkumnou a vývojovou činností v podniku JULI Motorenwerk, který je zaměřen na trakční elektrické pohony manipulačních vozíků. V úvodních částech práce autor krátce shrnuje historii technického rozvoje v této specifické oblasti nezávislé trakce, kde vývoj postupně směřuje od nízkonapěťových stejnosměrných strojů přes asynchronní stroje až k reluktančním a synchronním strojům buzeným permanentními magnety. Ty se ukazují jako vhodné zejména pro přímý pohon pojezdu vozíku s vysokým nárokem na moment při limitně nízkých otáčkách s extrémně nízkou hladinou hluku ve srovnání s dosud převážně používaným pohonem přes převodovku. Na základě těchto zjištění autor zaměřil téma své disertační práce na elektromagnetický návrh synchronních motorů s permanentními magnety s radiálním a transversálním tokem s využitím v pohonu pojezdu manipulačních vozíků. Cílem práce byla analýza současného stavu v oblasti vysokomomentových motorů, výběr řešení vhodných pro přímý pohon pojezdu, optimalizovaný návrh motoru přímého pohonu tak, aby mohl být náhradou dosavadního převodovkového řešení a ověření teoreticky zjištěných předpokladů měřením na realizovaných strojích. S tímto zaměřením byl také současně řešen grantový projekt, na nějž získalo autorovo pracoviště finanční dotaci od MPO na roky 2008 až 2010 a domnívám se, že autorovo zdůvodnění přispělo ke kladnému hodnocení navrhovaného projektu a k jeho přijetí výběrovou komisí MPO. V etapě analytického řešení byly jako vhodné vybrány synchronní motory s radiálním tokem s permanentními magnety na rotoru a motory s transversálním tokem. Pro obě skupiny pak autor vykonal poměrně rozsáhlé analytické práce zahrnující koncepční řešení, elektromagnetický návrh a výpočet. Na ně pak navazovalo konstrukční a technologické řešení, realizace navržených strojů, jejich laboratorní měření a instalace do pohonu. Vzhledem k požadovaným nízkým otáčkám byly u synchronních motorů s permanentními magnety zvoleny stroje se zlomkovým jednovrstvým vinutím s roztečí jednoho zubu. Vlastní návrh byl proveden nejprve pomocí analytických nástrojů, optimalizační procedury byly poté prováděny metodou konečných prvků. Při návrhu byla posuzována řešení s vnitřním i vnějším rotorem a s různým umístěním budicích permanentních magnetů. Nakonec bylo pro oba motory zvoleno konstrukčně jednodušší provedení s vnějším rotorem s magnety na vnitřním povrchu rotoru. V obou případech byly navržené stroje výrazně větší než v současné době používané pohony. Ukázalo se také, že vlivem velkého počtu cívek zapojených do série a nutností použití vysokého proudu v oblasti rozjezdu vozíku pracují přímé pohony s mnohem nižší účinností než v současné době používané převodové pohony s asynchronními motory. Pro skupinu motorů s transversálním tokem byla vypracována obsáhlá analýza zahrnující většinu dosud známých konfigurací těchto motorů. Vzhledem k velké konstrukční náročnosti bylo rozhodnuto zabývat se pouze nejjednoduššími variantami (s magnety na povrchu rotoru a s koncentrací toku), které sice nedosahují nejvyšší hustoty momentu, ale jsou vyrobitelné. Vlastní elektromagnetický návrh těchto motorů je velmi komplikovaný a nelze jej řešit analytickými metodami. Návrh i optimalizace magnetického obvodu byly provedeny metodou konečných prvků ve 3D. Většinu realizačních prací na motorech s transversálním tokem a zejména stavbu funkčního vzorku na základě autorova elektromagnetického řešení je možno považovat za svým způsobem unikátní. V České republice není známo vědecko-výzkumné pracoviště, které by se motory s transverzálním tokem prakticky zabývalo a věřím i autorovu tvrzení (str. 10 dole), že jde o jeden z prvních TFM motorů vyrobených mimo akademickou půdu v České republice i v zahraničí. Výsledky práce lze shrnout tak, že navržený 34-pólový SMPM s vnějším rotorem splňuje většinu požadavků kladených na přímý pohon, dosahuje vysoké hustoty momentu vztažené na objem motoru a je proto vhodnou náhradou současného řešení pohonu pojezdu s asynchronním motorem a mechanickou převodovkou. S tímto motorem byl také pohon pojezdu vozíku realizován. U 36-pólového TFM s permanentními magnety na povrchu rotoru se i přes náročnou optimalizaci nepodařilo dosáhnout požadovaného maximálního momentu a vyhovující momentové přetížitelnosti. Výroba magnetického obvodu statoru je značně komplikovaná. Naopak výhodou TFM proti SMPM je úspora aktivních materiálů, která může podle autorových údajů dosáhnout až 40% u mědi a 20% u PM při stejném objemu motoru. Na základě autorova elektromagnetického návrhu byl realizován celkový návrh pohonu včetně podrobného tepelného výpočtu, řešení brzdy přímého pohonu, jeho napájení a řízení. Pohon byl ověřen řadou měření a při závěrečném oponentním řízení byl projekt hodnocen oponenty a oponentní radou MPO jako vynikající. Jsem přesvědčen, že k takovému výsledku přispělo i to, že podstatná část připravované disertační práce byla převzata do závěrečné výzkumné zprávy o řešení projektu v programu MPO TANDEM FT TA3/120 "Přímý pohon manipulačního vozíku". Považoval bych za vhodné, aby se disertant při obhajobě své práce vyjádřil k následujícímu: " proč dochází (podle závěrů práce) u TFM k úspoře až 40% mědi a 20% PM ve srovnání s SMPM při stejném objemu motoru? " je zřejmé, že celkově jde o práci řešitelského týmu. Jaký je osobní podíl autora práce? Předloženou práci, její obsah, způsob zpracování, dosažené výsledky, aktivity disertanta a jeho osobnost hodnotím následovně: " námět práce odpovídá oboru disertace a je z hlediska současného stavu vědy a praktického využití aktuální. O jeho aktuálnosti svědčí soustavná snaha světových firem včetně mateřských německých podniků firmy JULI o zdokonalování manipulačních vozíků a jejich pohonů s využitím stále novějších technologií. " za původní originální přínos práce považuji umožnění přechodu od asynchronního motoru s hlučnou převodovkou k bezhlučnému pohonu pojezdu manipulačních vozíků se SMPM s radiálním tokem a výhledově s dosud unikátním TFM. " jádro disertační práce bylo na potřebné úrovni publikováno na 4 mezinárodních a zahraničních konferencích, na průmyslovém kolokviu JULI 2007 a v závěrečné zprávě o řešení projektu "Přímý pohon manipulačního vozíku". " jedná se o pracovníka s vědeckou erudicí, s dobrými předpoklady k úspěšné vědecko-výzkumné práci s výraznou tendencí k praktické realizaci díla, což vyplývá z jeho přístupu k řešení úkolu, ze způsobu zpracování DP, z dosud realizovaných výsledků výzkumné práce, z formy a obsahu publikovaných referátů a dalších aktivit. V souvislosti s řešením uvedeného grantového projektu zpracoval nebo se podílel na zpracování 9 interních technických a výzkumných zpráv. . Předloženou práci hodnotím celkově jako velmi zdařilou, odpovídající obecně uznávaným požadavkům na doktorskou disertační práci v oboru Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika. Práci doporučuji k obhajobě a po jejím úspěšném obhájení doporučuji udělení akademického titulu Ph.D jejímu autoru Ing. Janu Höllovi. Prof. Ing. Otakar Kurka, CSc. V Brně, dne 15. listopadu 2010
Oponentský posudek disertace Ing. Jan Höll: Vysokomomentové elektromotory pro pohony nezávislé trakce v oboru manipulační techniky disertace zpracována na FEKT VUT v Brně Posudek vypracoval: Doc. Ing. Petr Voženílek, CSc., FEL ČVUT v Praze, Technická 2, 166 27 Praha 6 Předložená disertační práce o rozsahu 122 stran obsahuje 105 stran textu, 3 strany obsahují seznam použité literatury a seznam publikací autora, souvisící s disertační prací a 13 stran příloh. Textová část disertace je členěna do 8 kapitol. Disertace se zabývá nepříliš propracovanou oblastí aplikace synchronních motorů s permanentními magnety v oblasti manipulační techniky přesto, že střídavé motory v sou-časné době doznávají značného rozšíření i v trakci. Ve srovnání se stejnosměrnými motory tyto stroje vyžadují náročnější napájení a regulaci při zachování plynulosti provozu. Cílem disertace je návrh motoru pro přímý pohon manipulačního vozíku. Motor má být uložen v náboji pojezdového kola a proto autor zvolil provedení s vnějším rotorem. Pro požadovanou aplikaci autor zvolil dva typy motorů, synchronní motor s permanentními magnety na vnějším rotoru a motor s transversálním tokem, které v práci popsal. Prototypy obou typů strojů byly podle autorova návrhu vyrobeny a jejich vlastnosti byly ověřeny laboratorním měřením. Z charakteristiky současného stavu uvedeného v 1. kapitole lze usoudit, že disertant má široký přehled o dané problematice a je schopen tvůrčím způsobem aplikovat poznatky z řešení i jiných oblastí techniky. Základní problémy a cíle disertace jsou jasně formulovány ve 2. kapitole. Zároveň je řešení rámcově rozvrženo do čtyř fází řešení: - Analýza současného stavu v oblasti vysokomomentových motorů. Analýza je popsána v 3. kapitole. Autor pojednává o dosavadním vývoji synchronních motorů s permanentními magnety (SMPM). Popisuje princip, konstrukční uspořádání synchronních motorů s PM na rotoru - s radiálním, axiálním a transversálním tokem. Srovnává jejich vlastnosti s motory s elektronickou komutací (BLDC). - Volba řešení vhodných pro přímý pohon pojezdu je pojednán ve 4. kapitole. Kromě provoz-ních parametrů daného manipulačního zařízení mají na návrh vliv i ekologické parametry, v prvé řadě hluk, daný především převodovkou u pohonu s asynchronním motorem. Přímý pohon pojezdového kola motorem v náboji kola umožní převodovku vyřadit z hnacího řetězce pojezdu, což do značné míry omezí vlastní kmity konstrukčních částí motoru a tím možné rezonance vhodnou volbou řídicího algoritmu napájecího měniče. Po analýze různých variant autor pro návrh zvolil nejvýhodnější varianty, synchronní motor s radiálním tokem s vnějším rotorem s permanentními magnety na rotoru a motor s transversálním tokem. - Návrh a optimalizace motoru, vhodného k náhradě stávajícího pohonu. Tímto se zabývá 5. a 6. kapitola. Při návrhu vinutí vnitřního statoru disertant analyzoval vlastnosti troj-fázového jednovrstvého a dvouvrstvého vinutí. Jako jednoznačně výhodnější na str. 36 až 38 konstatuje dvouvrstvé vinutí, přesto v dalším uvažuje pouze s použitím vinutí jedno-vrstvého. Pro výpočet variant motoru a jejich optimalizaci použil analytický program SPEED a program FLUX 3D. S prokazatelnou znalostí souvislostí věnoval pozornost návrhu rozměrů permanentních magnetů, rozměrům statorové drážky, volbě průměru a velikosti vzduchové mezery. Z podkladů vytvořených disertantem byly vyrobeny proto-typy, na nichž byly při ověřovacích zkouškách, zjištěny překvapivě nepatrné rozdíly ve srovnání s vypočtenými parametry, zvláště u stroje SMPM. Větší rozdíly mezi naměřenými - Ověření výsledků na funkčním vzorku. Výsledky testů motoru typu SMPM a TFM jsou podrobně srovnány v 7. kapitole. Z formulovaných závěrů vyplývá, že vyššího momentu v poměru k objemu jsou schopny stroje SMPM, srovnává-li se však poměr momentu k hmotnostem aktivních materiálů, jsou výhodnější stroje TFM. Rozhodujícími faktory pro volbu motoru SMPM pro náhradu stávajícího pohonu je podle závěrů práce na str. 101 lepší poměr momentu k objemu, vyšší momentová přetížitelnost a menší technologická náročnost, tj. nižší pořizovací cena. Předloženou disertaci, dosažené výsledky a osobnost disertanta hodnotím takto: Námět předložené práce odpovídá oboru disertace a z hlediska současného stavu vědy v oboru elektrických pohonů v širším kontextu je vysoce aktuální. Pro svůj nezanedba-telný význam pro vývoj a výrobu a pro svůj vědecký potenciál je tedy zpracovávané téma plně disertabilní. Původním přínosem předložené práce je komplexní zpracování poznatků z oblasti synchronních motorů s permanentními magnety. Disertant na základě vlastních výpočtů a optimalizačních zásahů připravil k výrobě dva prototypy motorů, umožňujících přechod k bezhlučnému pohonu pojezdu manipulačního zařízení. Navíc autor dovybavil testovací stanoviště pro měření momentů při extrémně nízkých otáčkách. Jádro disertace bylo na požadované úrovni publikováno. Na základě uvedeného seznamu publikací souvisících s disertací, který čítá 9 publikací, prezentací na tuzemských i zahraničních mezinárodních konferencích (Španělsko, Francie). Disertant je odborník na vysoké vědecké úrovni, má dobré předpoklady k úspěšné vědecké a výzkumné činnosti. Navíc oplývá vysokou kulturou společenskou i kulturou písem-ného projevu. Toto prokázal mj. při zpracování písemné části disertace, která je pečlivě zpracována a připravena, psána přehledně, srozumitelně a prakticky se v ní nevyskytují chyby formálního rázu. Dotazy: 1. Prosím zdůvodnit obsah tzv. "třetích" harmonických (3., 9., 15. ...) v trojfázovém vinutí. Tyto zpravidla v trojfázových vinutích chybí. 2. Co vedlo autora k úvahám o náhradě stávajícího pohonu evidentně složitějším motorem typu TFM, jehož cena bude podstatně vyšší, než motoru SMPM? Závěr: Disertační práci pana Ing. Jana Hölla doporučuji k obhajobě pro řízení k udělení doktora a po jejím úspěšném obhájení doporučuji udělení akademicko-vědeckého titulu PhD. v oboru Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika. V Praze dne 20.11.2010 Doc. Ing. Petr Voženílek, CSc.
eVSKP id 34406