بخشی از مقاله
چکیده –
در این مقاله روش کارا و جدیدی با استفاده از تحلیل مرتبه سیگنال جریان استاتور برای تشخیص عیب لنگی روتور موتور BLDC در شرایط کاری غیرایستا پیشنهاد شده است. جریان استاتور موتور سالم و با عیب لنگی روتور توسط روش اجزاء محدود دوبعدی محاسبه شدهاند. سیگنال جریان بر اساس زاویه چرخش روتور نمونهبرداری شده است. با این کار سیگنال جریان در شرایط کاری غیرایستا نیز ایستا شده و دیگر نیازی به استفاده از تکنیکهای پردازش سیگنال پیچیده و حجیم که از لحاظ پیادهسازی با مشکل مواجه میشوند، نمیباشد. با روش تحلیل مرتبه سیگنال جریان موتور سالم و معیوب و مقایسه نتایج تحلیل آنها با همدیگر، عیب لنگی روتور تشخیص داده میشود.
-1 مقدمه
موتورهای BLDC، مزایای زیادی نسبت به موتورهای DC و القائی دارند. برخی از آنها عبارتند از مشخصههای سرعت-گشتاور بهتر، پاسخ دینامیک بالا، بازدهی بالا، عمر کاری طولانی، عملکرد بدون نویز و گسترههای سرعت بالاتر. هم-چنین، نسبت گشتاور تحویلی به اندازه موتور بالاتر، آن را برای کاربردهایی که فضا و وزن مؤلفههای حیاتی هستند، قابل استفاده میسازد.
بنابراین ماشینهای BLDC اغلب در کاربردهای حیاتی و نیازمند عملکرد خیلی خوب مورد استفاده قرار میگیرند. بنابراین عیبیابی و پایش وضعیت این موتورها از اهمیت زیادی برخوردار است. پایش وضعیت بنا بر تعریف عبارتست از ارزیابی پیوسته سلامتی تجهیزات در طول عمر کاری آن- ها.
توانایی تشخیص عیبها هنگامی که در حال رشد هستند از اهمیت بالایی برخوردار است. به این کار تشخیص خرابی در حال رشد1گفته میشود. یک هشدار که باعث شود تجهیزات تعمیر شوند، میتواند از خرابیهای فاجعهبار و از کارافتادگیهای طولانی و بسیار ضررده جلوگیری کند.
همچنین تشخیص زودهنگام و بهموقع خرابیهای موتور یک محیط کاری سالم را مهیا میسازد. عیبهای بالقوهای که در موتورهای BLDC ممکن است رخ بدهند را میتوان به چهار نوع تقسیمبندی کرد. عیبهای استاتور، عیبهای اینورتر، عیبهای روتور و عیبهای یاتاقان.
عیبهای بالقوه در روتور ماشینهای BLDC عبارتند از لنگی روتور، مگنتهای آسیبدیده و سنسورهای هال آسیب دیده.
تمام این عیبها مشکلاتی چون نویز و ارتعاش ایجاد میکنند. آنها همچنین میتوانند مشکلات دینامیکی چون اضافه شدن به ضربان گشتاور موتور ایجاد کنند. در یک ماشین ایدهآل، مرکز روتور با مرکز استاتور و همچنین مرکز چرخش کاملاً بر مرکز استاتور منطبق است
لنگی روتور وضعیتی است که فاصله هوائی که بین روتور و استاتور وجود دارد نابرابر است. لنگی میتواند دو نوع استاتیک و دینامیک باشد.
شکل: 1 موتور الکتریکی ایدهآل - فاصله هوائی یکنواخت -
در حالت لنگی استاتیک، موقعیت و طول شعاعی فاصله هوائی حداقل در فضا ثابت است. یکی از عوامل ایجاد لنگی استاتیک جاسازی نادرست روتور یا استاتور در مرحله ساخت میشود. لنگی دینامیک هنگامی اتفاق میافتد که مرکز روتور بر مرکز چرخش منطبق نیست و فاصله هوائی حداقل همراه با چرخش روتور میچرخد. یعنی لنگی دینامیک تابعی از زمان و مکان است. از عوامل ایجاد لنگی دینامیکی میتوان به شفتهای خمیده، رزونانس مکانیکی در سرعتهای مهم و سائیدگی یاتاقان اشاره کرد. شکل 2 چگونگی چرخش روتور را در صورت هر کدام از لنگیها نشان میدهد.
شکل: 2 لنگی روتور استاتیک و دینامیک
هنگامی که لنگی بزرگتر شود، برایند نیروهای شعاعی نامتعادل - که به آنها نیرو مغناطیسی نامتعادل2هم گفته میشود - میتوانند باعث کشیده شدن و خوردگی استاتور به روتور شوند و در نتیجه به روتور و استاتور آسیب برسانند.
در حالت لنگی استاتیک، یک نیرو ثابت و دائمی در یک جهت وجود دارد. این امر باعث میشود که UMP در لنگی استاتیک به سختی تشخیص داده شود مگر این که تجهیزات ویژهای استفاده شوند که البته این کار برای موتورها در حین کار غیرعملی میباشد. در صورتی که لنگی دینامیک UMP ای را تولید میکند که با سرعت چرخش موتور میچرخد و مستقیماً بر روی روتور تأثیر میگذارد.
بنابراین تشخیص UMP در حالت لنگی دینامیک به وسیله روشهایی مانند پایش ارتعاش یا جریان سادهتر است.[4]
-2 تحقیقات انجامشده بر روی پایش لنگی روتور
موتور BLDC
پایش جریان استاتور، حس کردن شار فاصله هوایی، اندازه- گیری ولتاژ و جریان شفت، پایش سیگنالهای بازخوردی
- برای مثال بازخورد موقعیت سنسور هال در موتور - BLDC همگی در دستهبندی پایش الکتریکی قرار میگیرند. این روشها برای تشخیص انواع مختلف عیبهای ماشین و اینورتر استفاده میشوند. رایجترین شکل تکنیک تحلیل سیگنال که در پایش الکتریکی استفاده میشود، تحلیل طیفی جریان که اغلب با نام تحلیل علائم جریان موتور3 شناخته شده است، میباشد.
در [6] نشان داده شده است که رابطهای بین ارتعاش مکانیکی یک ماشین و اندازه جریان استاتور در هارمونیکهای متناظر وجود دارد. با افزایش ارتعاشات مکانیکی، اندازه مؤلفههای متناظر جریان استاتور نیز افزایش مییابد. علت این پدیده را میتوان اینطور شرح داد که ارتعاش مکانیکی فاصله هوائی را در همان فرکانس ویژه تغییر میدهد. این مؤلفههای فرکانسی، خود را در اندوکتانس استاتور و در نهایت در جریان استاتور نشان میدهند.
به این دلیل است که از روش MCSA میتوان برای تشخیص عیبهای روتور و یاتاقان استفاده کرد. به علت اینکه چگالی شار در فاصله هوائی با حاصلضرب نیرو محرکه مغناطیسی4 سیمپیچی در نفوذپذیری فاصله هوائی تعریف شده است، بنابراین تغییر هر کدام از این دو عامل باعث غیرطبیعی شدن توزیع شار میشود. تغییرات در MMF سیمپیچی بستگی به توزیع سیمپیچی دارد. در حالی که نفوذپذیری فاصله هوائی بستگی به عوامل مختلفی مانند اسلاتهای استاتور، لنگی روتور، ارتعاشات شفت که ناشی از یاتاقان یا عیبهای بار است، دارد.
هدف MCSA
تشخیص تغییرات در نفوذپذیری ماشین با امتحان کردن سیگنالهای جریان است. MCSA از طیف جریان ماشین برای شناسایی هر کدام از فرکانسهای مشخصه عیبها استفاده میکند. طیف هم با استفاده از FFT سیگنال جریان به دست میآید. فرکانسهای عیب که در طیف جریان موتور اتفاق میافتد برای هر عیب ویژه و یکتا هستند.[8]در [9] نشان داده شده است که از روش MCSA میتوان برای تشخیص لنگی روتور در یک موتور PMSM از پایش مؤلفههای فرکانسی fde زیر استفاده کرد.
تحقیق یکسانی دوباره در [9] بر روی موتورهای BLDC انجام شده است. در آنجا نشان داده شده است که از همان فرکانسهای معادله 1 میتوان برای تشخیص عیب لنگی روتور موتور BLDC بهره برد.
در [8] برای تشخیص عیبهای روتور موتور BLDC که در شرایط کاری غیرایستا کار میکنند، از تحلیل ویولت و نمایشهای زمانیفرکانسی کلاس کوهن استفاده شده است.
البته در همان تحقیق نشان داده شده است که این روشها با مشکل حجم زیاد محاسباتی در مرحله پیادهسازی و تجاریسازی مواجه شدهاند.
-3 مدلسازی موتور BLDC
در این تحقیق یک موتور 550 BLDC وات، 220 ولت، شش قطبی سهفاز، با سرعت نامی 1500 دور در دقیقه، دارای 24 اسلات استاتور، با قطر خارجی استاتور 140 میلیمتر و قطر روتور 89 میلیمتر و طول محوری موتور 65 میلیمتر با استفاده از نرمافزار RMxprt طراحی شده است.
مدل دوبعدی این موتور در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل: 3 مدل دوبعدی موتور
هنگامی که موتور طراحی شد و مدل هندسی آن آماده شد، تحلیل اجزاء محدود در MAXWELL2D انجام میشود و مدار درایو موتور طراحی میشود.
استاتور و روتور از جنس steel و به شماره M19_24G و قطبها هم از جنس XG196_96 انتخاب میشوند. سپس مراحل زیر در MAXWELL انجام میشود.
1. تولید مش اجزاء محدود، که بخشی از آن به صورت خودکار و بخشی نیز به صورت تعریف توسط کاربر انجام میپذیرد - شکل . - 4 در اینجا تعداد اجزاء مدل برابر 7292 است.
2. محاسبه حل میدان و کمیتهای مخصوص مانند نیرو، گشتاور، جریان و سرعت به صورت تکراری تا رسیدن به نتیجه مطلوب.
3. با استفاده از EMpulse حرکت گذرا در سیستم شبیهسازی میشود.
4. تحلیل، دستکاری و نمایش حلهای میدان.
شکل: 4 مش مدل دوبعدی موتور
