بخشی از مقاله
چکیده
موتورهای دیسی بدون جاروبک به دلیل داشتن مزایایی همچون نویز پائین، بازدهی بالا، عمر مفید طولانیتر و کنترل دقیقتر سرعت بطور گسترده در کابردهای حساس مانند صنایع فضایی، زیردریایی ها، دیسک درایو کامپیوترها و تجهیزات پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به اهمیت بالای بازدهی موتور، حجم موتور و هزینه ساخت موتور برای موارد بالا، در این مطالعه یک روش جدید براساس الگوریتم جستجوی ابرکرهای جهت طراحی بهینه موتور دیسی بدون جاروبک پیشنهاد شده است. هدف روش پیشنهادی، طراحی موتور به نحوی است که میزان تلفات، حجم و هزینه بطور همزمان به حداقل برسد.
روش پیشنهادی از دو بخش اساسی تشکیل شده است. در بخش اول، مشخصات موتور مانند تلفات، توان، بازدهی وسایر موارد براساس پارامترهای هندسی آن بیان شده اند. در بخش دوم، تابع هدف تعریف شده و الگوریتم جستجوی ابرکرهای جهت تعیین مقدار بهینه پارامترهای هندسی بکار گرفته خواهد شد. الگوریتم جستجوی ابرکرهای باید پارامترهای هندسی را طوری تعیین کند که مقدار تلفات، حجم و هزینه به حداقل مقدار ممکن برسد. به منظور ارزیابی روش پیشنهادی از مدل یک موتور دیسی بدون جاروبک واقعی استفاده شده است. نتایج شبیه سازی ها نشان داده که روش پیشنهادی از عملکرد بسیار خوبی برخوردار است.
مقدمه
موتورهای دیسی بدون جاروبک از خانواده موتورهای سنکرون هستند که در سال های اخیر کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف پیدا کرده اند. به غیر از مزایایی هم چون داشتن حجم کم، بازدهی بالا، نویز پائین، کنترل سرعت مناسب، قابلیت انعطاف بالا و نگهداری آسانتر، این موتورها به دلیل نداشتن جاروبک مشکلات مربوط به جاروبک را نیز ندارند
موتورهای دیسی بدون جاروبک به دلیل مزایای ذکر شده، در کاربردهای حساس مانند تجهیزات پزشکی، زیردریائیها و فضاپیماها کاربرد دارند. مسلما هر چه بازدهی این موتورها بالاتر و ابعاد آن ها کوچکتر باشد، استفاده از آن ها آسانتر و همراه با مزایای بیشتری بوده و در عین حال هزینه ساخت کمتری - به دلیل حجم مواد اولیه کمتر - خواهند داشت. از طرف دیگر افزایش بازدهی و کاهش حجم در تضاد با یکدیگر هستند. بدیهی است که با کاهش حجم، تلفات بیشتر شده و بازدهی کاهش می یابد. بنابراین موتور باید طوری طراحی شود که بیشترین بازدهی را داشته باشد، و از طرف دیگر ابعاد موتور نیز مد نظر قرار داده شوند تا در کوچکترین حجم ممکن ساخته شود
مسئله طراحی بهینه موتور دیسی بدون جاروبک، یک مسئله پیچیده غیرخطی با ابعاد بالا و تعداد زیاد قید و محدودیت می-باشد. در سال های اخیر استفاده از الگوریتمهای بهینهسازی تصادفی مانند الگوریتم ژنتیک و الگوریتم زنبور به دلیل اینکه نیاز به اطلاعات گرادیانی مسئله ندارند جهت طراحی ماشینهای الکتریکی مورد توجه بودهاند.
در مرجع - Rahideh et al, 2010 - محققان از الگوریتم ژنتیک جهت طراحی بهینه موتور دیسی بدون جاروبک استفاده کردهاند. نتایج بدست آمده نشان داده که الگوریتم ژنتیک توانسته پارامترهای هندسی را طوری بیابد که تلفات به کمترین حد برسد، و از طرف دیگر حجم و هزینه ساخت موتور نیز کوچک باقی بماند.
در مرجع - Shabanian et al, 2015 - نویسندگان از الگوریتم زنبور جهت طراحی بهینه موتور دی سی بدون جاروبک استفاده کرده اند. روش ارائه شده بر روی مدل موتور دیسی بدون جاروبک استفاده شده در مرجع - Rahideh et al, 2010 - تست شده و نتایج دو روش با یکدیگر مقایسه شده است. بررسی مطالعات عددی در مراجع مختلف نشان داده که الگوریتم زنبور عملکرد بسیار بهتری نسبت به الگوریتم ژنتیک دارد
نتایج مطالعه - Shabanian et al, 2015 - نیز نشان داده که عملکرد الگوریتم زنبور در طراحی بهینه موتور دیسی بدون جاروبک بسیار بهتر از الگوریتم ژنتیک است. به عنوان مثال در طراحی موتور با استفاده از الگوریتم ژنتیک مقدار تلفات، حجم و هزینه مواد اولیه به ترتیب 56,71 وات، 0,00164 مترمکعب و 68,86 دلار بوده که این مقادیر برای موتور طراحی شده توسط الگوریتم زنبور برابر 51,24 وات، 0,001183 متر مکعب و 65,64 دلار بوده است. نتایج بدست آمده برتری الگوریتم زنبور به الگوریتم ژنتیک را نشان می دهد.
در مرجع - Ilka et al, 2014 - از الگوریتم ژنتیک جهت طراحی بهینه موتور دیسی بدون جاروبک استفاده شده است. در روش ارائه شده، سه تابع هدف مختلف شامل مقدار تلفات، چگالی توان و ترکیب مقدار تلفات و چگالی توان مورد بررسی قرار گرفته اند. در مرجع - Messine et al, 1998 - محققین روشی بر پایه بهینهسازی سراسری و شاخه جبری برای بهینه سازی محرک های الکترومکانیکی موتور دیسی بدون جاروبک پیشنهاد داده اند.
در مرجع - Markovic and Ragot, 2007 - یک مطالعه مقایسه ای بین روش های بهینه سازی، شامل روش های عددی، روش جستجوی مستقیم و الگوریتم ژنتیک برای طراحی بهینه موتور جریان مستقیم بدون جاروبک ارائه شده است.
در مرجع شماره - Bianchi and Bolognani, 1997 - یک روش هوشمند بر پایه الگوریتم ژنتیک برای بهینه سازی موتور جریان مستقیم بدون جاروبک پیشنهاد شده است. در روش ارائه شده، موتور از لحاظ مشخصه های مغناطیسی، راندمان و حرارتی بررسی شده است.
در مرجع شماره - Hwang and Chang, 2009 - محققین از روش تحلیل میدان الکترومغناطیسی بر پایه متد اجزا محدود برای طراحی توان چگالی بالا و راندمان بالا در موتور جریان مستقیم بدون جاروبک استفاده کرده اند. در مطالعه انجام شده از موتور جریان مستقیم بدون جاروبک در وسایل الکتریکی کوچک استفاده شده است.
در مرجع شماره - Upadhyay and Rajagopal, 2005 - طراحی بهینه موتور دیسی بدون جاروبک بر پایه الگوریتم ژنتیک پیشنهاد داده شده است. در روش پیشنهادی بالا بردن راندمان موتور و کاهش وزن خالص آن مورد توجه بوده است.
بررسی های انجام شده نشان داد که روش های مبتنی بر الگوریتمهای بهینه سازی تصادفی عملکرد بهتری نسبت به سایر روشهای طراحی دارند. البته الگوریتمهای بهینه سازی نیز هر یک نقاط قوت و ضعف خود را دارند و در انتخاب الگوریتم باید دقت داشت . به عنوان مثال الگوریتم ژنتیک بسیار پیچیده است و دارای عملگرهای مختلفی مانند انتخاب نخبه، ادغام، جهش و چرخ رولت و ... می باشد که این بخشها باعث بالا رفتن حجم محاسبات میشوند.
الگوریتم پرندگان دارای سرعت و دقت خوبی است، ولی مکانیسمی جهت فرار از دام مینیممهای محلی ندارد و بنابراین به راحتی در دام مینیممهای محلی گیر می کند. الگوریتم جستجوی ابرکرهای یکی از جدیدترین الگوریتمهای بهینهسازی است که به توسط محققان ایرانی معرفی شده است و عملکرد خوب آن در حل مسائل بهینهسازی با ابعاد بالا و پیچیده به اثبات رسیده است . - Karami, 2014 - به همین دلیل در روش پیشنهادی، استفاده از الگوریتم جستجوی ابرکرهای جهت طراحی بهینه موتور دیسی بدون جاروبک پیشنهاد شده است.
الگوریتم جستجوی ابرکرهای
الگوریتم جستجوی ابر کرهای یک الگوریتم فرااکتشافی است که از مکانیسم جستجوی فضایی الهام گرفته شده و باعث می شود تا ذرات به سمت نقطه بهینه سراسری همگرا شوند. در این الگوریتم، جمعیت به دو نوع تقسیم بندی می شود: ذرات و مراکز ابرکره. جستجوی فضای داخلی ابرکره توسط مراکز ابرکره و ذرات مرتبط با آنها انجام می شود . - Karami, 2014 - فرایند جستجو در الگوریتم جستجوی ابر کرهای از چهار گام اساسی تشکیل شده است:
گام اول: مقداردهی اولیهی ذرات
گام دوم: جستجو
گام سوم: تغییر فضای جستجوی نامناسب
گام چهارم: تولید ذرات جدید
گام پنجم: آزمون همگرایی
اطلاعات بیشتر در رابطه با این الگوریتم، در مرجع - Karami, 2014 - آمده است.
تعریف روابط موتور دیسی بدون جاروبک بر اساس پارامترهای هندسی در شکل - - 1 ساختار موتور دیسی بدون جاروبک همراه با پارامترهای هندسی آن نشان داده شده است. در این شکل سه ناحیه مهم موتور یعنی سیم پیچی، یوک استاتور/روتور و سطح نصب شده آهنرباهای دائمی مشخص شده است.
شکل -1 ساختار موتور DC بدون جاروبک
