بخشی از مقاله
چکیده- به طور کلی با بکارگیری ابررسانای دمای بالا در ماشینهای دوار، میتوان چگالی جریان بالا و تلفات سیمپیچی پایین را بدست آورد. هدف از مقاله ارائه شده بررسی طراحی و آنالیز یک توپولوژی جدید از موتورهای آهنربای دائم شار شعاعی است که در آن از ابررساناهای دمای بالا استفاده شده است به طوریکه بجای سیمپیچی مسی در استاتور از سیمپیچی ابررسانا استفاده شده است بنابراین در این موتور میتوان شاهد افزایش راندمان، گشتاور و چگالی توان در مقایسه با موتور معمولی بود که از نکات حائز اهمیت در این مقاله افزایش گشتاور بوده که محاسبات نشان میدهند که با استفاده از سیمپیچی ابررسانای دما بالا در موتور آهنربای دائم، گشتاور در حدود 42درصد نسبت به موتور آهنربا دائم متداول افزایش داشته است.
-1مقدمه
ماشینهای الکتریکی که در ساختار آنها از تکنولوژی ابرساناها استفاده شده است، بدلیل برخی از مشکلات از قبیل بحث خنککنندگی و هزنیه بالای تعمیرات و نگهداریشان موجب گشته که پیادهسازی این تکنولوژی در ماشینها پیچیده شود که به واسطه این مشکلات، ماشینهای الکتریکی ابررسانا زیاد شناخته شده نیستند و تاکنون تلاشی قابل توجهی برای آنالیز عمیق و دقیق عملکرد این ماشینها صورت نگرفتهاست.[1-3] با توجه به اینکه مواد ابررسانا میتوانند چگالی جریان خیلی بالایی از خودشان عبور دهند، استفاده از این مواد میتواند سبب پیادهسازی ماشینهایی شود که با استفاده از این تکنولوژی، چگالی توان یا چگالی گشتاور بالایی داشته باشند.
[4-5] علاوه بر این مواد ابررسانا بدلیل اینکه از اندوکتانس کمتری نسبت به سایر مواد برخوردار هستند زمانیکه در ماشین ها بکار گرفته شوند مقدار پراکندگی به مراتب کمتری خواهند داشت. از طرفی با استفاده از این مواد تلفات گرمایی به طور کامل از بین خواهد رفت چون در مواد ابررسانا به دلیل عدم وجود تلفات اهمی، گرمایی در سیمپیچها ایجاد نخواهد شد.[6-8] می توان هدف اصلی این مقاله را، استفاده از ابررساناهای دما بالا در ساختار موتور بیان کرد که در اصل تولید نیروی محرکه مغناطیسی توسط جریان ابررساناها می باشد.
مبنا بر این است که در موتور آهنربای دائم شار شعاعی ساختاری جدید بهکار گرفته شود[9]، به طوری که گشتاور و توان افزایش یابد که میتوان بیان کرد به واسطه بر هم کنش شار بین یک ماده غیر فعال که آهنربا است و یک ماده فعال که ابررسانا می باشد سبب تولید گشتاور بیشینه خواهد شد.[10-11] از دیگر نوآوری این مقاله نوع سیمپیچی است که در این موتور به که کار گرفته خواهد شد و نیز نوع شکل دندانهها و شیارهای موتور است و مقایسه آن با موتور آهنربای دائم شار شعاعی با سیمپیچی مسی است که برای آنکه نتایج حاصل شده از دو موتور آهنربای دائم شار شعاعی، هم سیمپیچی شده با ابررسانای دمای بالا و هم سیم پیچی شده با مس قابل مقایسه باشند بارگذاری مغناطیسی را برای هر دو موتور یکسان فرض شده است و تنها نوع بارگذاری الکتریکی، تغییر داده شده است.
به این صورت که، در موتور ابررسانای دما بالا تعداد دورهای کمتر ولی دامنهی جریان بسیار بالاتر در نظر گرفته شده است زیرا میتوان با ابررساناها چنین دامنه ی جریانی بالایی را ایجاد نمود اما برای سیم پیچی مسی از تعداد دور بیشتر با دامنهی جریان پایینتر در نظر گرفته شده است. باید به این نکته نیز اشاره نمود که ضرب تعداد دور در دامنهی جریان را برای هر دو موتور تقریباً یکسان در نظر گرفته شده که این امر سبب گردید که این دو موتور با یکدیگر مقایسه شوند.
باید دقت کرد که تفاوتی که بین سیم پیچ های حالت ابررسانای دمای بالا و سیمپیچهای مسی وجود دارد فقط شکل سیمپیچ های آنها و مادهی استفاده شده در سیمپیچها میباشد پس از لحاظ قرارگیری آنها بدین نحوه است که در هر شیار استاتور دو سیمپیچ قرار میگیرد به عبارت دیگر دو سر سیمپیچ دو کنارهی سیمپیچ قرار گرفته تفاوتی نمیباشد.[12] از نکاتی که در این طراحی مشهود است، استفاده از ساختاری با قطب بالا میباشد که سبب گردیده که حجم موتور بزرگتر از حد معمول شود به این علت که ابررساناها نیاز به یک محیطی بزرگ برای تعبیهی یک سیستم خنککننده که همان نیتروژن مایع است دارند تا این نیروژن مایع در بین ابررساناها جریان داشته باشد و آنها را زیر دمای ابررسانایشان نگه دارد .[13]
-2روش طراحی
موتور آهنربای دائم استفاده شده در این مقاله یک موتور آهنربای دائم شار شعاعی سه فاز است[14]که مجموعاً از سه گروه سیمپیچی استفاده شده است که این گروههای سیم پیچی A، B و C به ترتیب روی دندانههای استاتور پیچیده شدهاند و استاتور نیز به روش متمرکز سیمبندی شده است. نوع تحریک سیمپیچها شش پلهای است و فازها هر 120 درجه ی الکتریکی به ترتیب دو تا دو تا تحریک میشوند.[15] در طراحی این موتورهای آهنربای دائم شار شعاعی، تنظیم و انتخاب دندانههای روتور و استاتور بر اساس کاهش گشتاور دندانهای و پایین آوردن هارمونیک ولتاژهای برگشتی انتخاب میشوند.[16-18]
در این طراحی از الگوی 3 به 4 برای طراحی موتور 3 فاز استفاده شده است. در این الگو به ازای هر سه دندانهی استاتور چهار قطب برای روتور در نظر گرفته میشود. برای آنکه بتوان این الگو را به موتور پیشنهادی اعمال کرد، اندازه و محدودیتهایی که نوارهای ابررسانا به طراحی اعمال می کنند اهمیت پیدا میکنند. برای این طراحی از نوار ابررسانایی با عرض 13 میلیمتر و صخامت 0/1 میلیمتر استفاده شده است. با توجه به آنکه امکان خم کردن ابررسانا محدود می باشد نیاز به آن وجود داشت که راستای شعاعی شیارها تا حد امکان موازی هم باشند، به عبارتی قطر داخلی استاتور بزرگ باشد و اندازه ابعاد دندانههای استاتور به نسبت کوچک باشد برای این موضوع عرض هر دندانه استاتور را 8 درجه در نظر گرفته شده است.
برای بدست آوردن ابعاد طراحی روش مستقیمی وجود ندارد یا میتوان گفت که ورش های کلاسیک آنقدر پارامترهای در اختیار طراح قرار میدهند که عملاً می توان گفت طراحی به سعی و خطا انجام می گیرد. هرچند که ابعاد موتور باید روابط فیزیکی حاکم بر موتور که در بالا بحث شد را رعایت کنند . به همین علت سه متغییر طراحی مجهول در نظر گرفته میشود و با تغییر آنها در بازه های معقول، خروجیهای طرح با استفاده از فرمولهای بسته بدست میآید تا بهترین ترکیب برای پارامترهای ورودی حاصل شود.
