بخشی از مقاله
روش جديد کاهش ريپل گشتاور و تلفات جریان گردابي در موتور سنکرون مغناط يس دائم داخلي
چکيده —در اين مقاله ، يک روش جديد براي کاهش ريپل گشتاور و تلفات جريان گردابي با ايجاد بريدگي هايي روي سطح روتور معرفي شده است . اين روش در موتور سنکرون مغناطيس دائم داخلي تک لايه V شکل پياده شده است . ريپل گشتاور، گشتاور دندانه و تلفات جريان گردابي هسته استاتور و روتور براي تصديق روش پيشنهادي با استفاده از نرم افزار آناليز المان محدود Maxwell بررسي شده است . با بررسيهاي صورتگرفته مشخص شد که ، کاهش مؤلفه هاي هارمونيکي چگالي شار فاصله هوايي ناشي از آهنرباهاي دائم ، در کاهش ريپل گشتاور نقش زيادي دارد. همچنين ، کاهش مؤلفه هاي هارمونيکي چگالي شار فاصله هوايي ناشي از جريان محور مستقيم استاتور، در کاهش تلفات هسته مؤثر بوده است .
واژه هاي کليدي —موتور سنکرون مغناط ي س دائم داخل ي ؛ تلفات جریان گرداب ي ؛ ریپل گشتاور؛ گشتاور دندانه .
١. مقدمه
با توجه به اهميت ماش ين هاي مغناط ي س دائم داخل ي IPMSM(P F) و ويژگي هاي مناسب آن ها، براي استفاده در خودروهاي الکتريکي ، بهبود عملکرد آن ها ضروري به نظر مي رسد. اين موتورها، بهخصوص با آهنربا ي تک لايه P F، داراي چگالي شار توزيع شده مستطيل شکل و هارمونيک هاي مرتبه بالا ميباشد که باعث ريپل گشتاور P F، لرزش ، نويز و همچنين افزايش تلفات جريان گردابي P F در دندانه هاي استاتور مي شود [١].
از مزيتهاي موتور سنکرون مغناطيس دائم داخلي نسبت به موتور مغناطيس دائم سطحي ، تغيير آسان چگالي شار فاصله هوايي است . با اصلاح هارموني چگالي شار فاصله هوايي ميتوان تلفات جريان گردابي در دندانه - هاي استاتور و همچنين ريپل گشتاور را در موتور سنکرون مغناطيس دائم داخلي کاهش داد.
روشهاي مختلفي براي کاهش ريپل گشتاور و تلفات جريان گردابي وجود دارد که شامل بهينه کردن موانع شار روتور و اصلاح دندانههاي استاتور و يا اصلاح آهنرباهاي دائم روتور م باشد. به طور خاص ، موتورهاي سنکرون مغناطيس دائم با آهنرباي تک لايه ، داراي چگالي شار توزيعشده مستطيل شکل و هارموني هاي مرتبه بالا هستند [٢-٤].
ريپل گشتاور نتيجه اثر متقابل بين هارمونيک هاي استاتور و روتور است و مؤلفه هاي هارمونيک موج ريپل گشتاور، ضرايبي از شش هستند و فقط مؤلفه هاي هارمونيکي استاتور و روتور با مرتبه ١± m٦ در ريپل گشتاور مشارکت دارند. همچنين هارمونيک هاي مرتبه بالاي mmf، به طور نامناسب در دامنه ريپل گشتاور مشارکت دارند[١].
تلفات جريان گردابي هارمونيکي در دندانه هاي استاتور ماشين IPM به عنوان منبع اصلي تلفات هسته در سرعت هاي زياد شناخته شده است [٥, ٦].
با اينکه روتور ماشين IPM همزمان با مؤلفه اصلي ميدان مغناطيسي فاصله هوايي مي چرخد و داراي تلفات ناچيزي است ، ولي از آنجايي که شرايط انتقال حرارت در روتور معمولاً ضعيف است ، تلفات روتور مي تواند باعث گرماي قابل توجه و مغناطيس زدايي غيرقابل بازگشت آهنرباهاي دائم شود.
بنابراين با توجه به موارد ذکر شده ، در اين مقاله همراه با بررسي ريپل گشتاور، تلفات هسته نيز مورد بررسي وشبيه سازي قرار گرفته است . در ادامه روش پيشنهادي براي بهبود ريپل گشتاور و کاهش تلفات هسته آمده است .
٢.روش پي شنهادي
در شبيه سازي هاي انجام شده با استفاده از نرم المان محدود Maxwell بر روي ماشين سنکرون مغناطيس دائم داخلي که ابعاد آن در [٥] آمده است ، موانع شار اضافي داخل روتور (بريدگي هاي دايره اي در داخل روتور) در کاهش ريپل گشتاور و تلفات هسته مورد بررسي قرار گرفته است . همچنين گشتاور دندانه ، مؤلفه هاي هارمونيکي چگالي شار فاصله هوايي ناشي از آهنرباي دائم و چگالي شار فاصله هوايي ناشي از جريان محور مستقيم استاتور مورد بررسي قرار گرفته است .
مطابق با [١] ناپيوستگي رلوکتانس بين روتور و استاتور باعث ريپل گشتاور مي شود. همانطور که در شکل ١ مشاهده ميشود ناپيوستگي چگالي شار بيشتر در داخل روتور وجود دارد، با توجه به اين موضوع ، در روش پيشنهادي با ايجاد بريدگي هايي به صورت دايره اي در داخل روتور و مقابل آهنرباهاي V شکل ، کاهش ريپل گشتاور و تلفات هسته بررسي شده است .
شکل ١:شبيهسازي توزيع چگالي شار در موتور.سنکرون آهنرباي دائم داخلي
در شکل ٢ مقادير بهينه و قطر بريدگي هاي دايره اي با هدف کاهش ريپل گشتاور و تلفات هسته توسط بهينه ساز غيرخطي نرم افزار المان محدود Maxwell، بدست آمده است . روش پي شنهادي مطابق با شکل ٢ مي باشد.
شکل ٢: بريدگي هاي دايره اي در داخل روتور و مقابل آهنرباهاي V شکل در روش پيشنهادي
٣.نتايج بدست آمده از بهينه سازي و شیب سازي
با اجراي روش پيشنهادي در نرم افزار المان محدود Maxwell ، علاوه بر ريپل گشتاور و تلفات هسته ، طيف هارمونيکي چگالي شار فاصله هوايي ناشي از آهنرباهاي دائم و جريان محور مستقيم استاتور، گشتاور دندانه و اندوکتانس محور مستقيم استاتور براي بررسي بيشتر بدست آمده است .
مقادير بدست آمده از بهينه سازي بريدگي هاي داخل روتور، با هدف کاهش ريپل گشتاور و تلفات هسته در جدول ١ قرار داده شده است .
جدول ١: مقادير بدست آمده از بهينه سازي بريدگي هاي داخل روتور
در شکل ٣ تصوير مقطعي از روتور بهینه شده با بريدگي هاي دايره اي داخل روتور براي کاهش تلفات هسته و ریپل گشتاور نشان داده شده است .
جدول ٢ ميزان ريپل گشتاور در سرعت پايه و سرعت حداکثر و تلفات هسته استاتور و روتور در سرعت حداکثر را در حالات مختلف شبيه سازي و جدول ٣ نيز مقدار گشتاور را به ازاي سرعت پايه و سرعت حداکثر را در حالات مختلف شبيه سازي نشان ميدهد.
جدول ٢: نتايج حاصل از شبيه سازي روش پيشنهادي -(تلفات هسته روتور و استاتور بر حسب وات ميباشد)
جدول ٣: گشتاور بدست آمده از شبيه سازيها در سرعت پايه و ماکزيمم - (مقادير گشتاور بر حسب نيوتن متر ميباشد)
در شکل هاي ٤ و ٥ گشتاور حاصل از شبيهسازي موتور در حالت معمولي و بهينه شده براي کاهش ريپل گشتاور و تلفات هسته مقايسه شده است . در ادامه براي بررسي بيشتر حالتهاي بهينه شده ، چگالي شار فاصله هوايي ناشي از آهنرباهاي دائم و جريان محور مستقيم استاتور، مورد بررسي قرار گرفته است .
شکل ٥: مقاي سه گشتاور موتور معمولي و حالت بهينه شده براي کاهش تلفات هسته
٣.١.بررسي چگالي شار در فاصله هوايي در حالت - هاي پيشنهادي
شکل موج چگالي شار فاصله هوايي ناشي از آهنرباهاي دائم براي موتور معمولي و بهينه شده براي کاهش ريپل گشتاور و تلفات هسته ، در شکل ٦ برخي مؤلفه هاي هارمونيکي چگالي شار فاصله هوايي ناشي از آهنرباهاي دائم را طبق نمودار شکل ٧ و جدول ٤ کاهش دهد.
کاهش مؤلفه هاي هارمونيکي مرتبه سوم ، نهم ، سيزدهم ، هفدهم و نوزدهم شکل موج چگالي شار فاصله هوايي ناشي از آهنرباهاي دائم ، در موتور بهينه شده براي کاهش ريپل گشتاور در نمودار شکل ٧ نشان مي دهد که شکل موج چگالي شار فاصله هوايي ناشي از آهنرباها، به موج سينوسي نزديک تر شده است و اين باعث کاهش ريپل گشتاور شده است .
جدول ٤: مقاي سه مقادير THD چگال ي شار فاصله هوايي ناش ي از آهنرباهاي دائم در حالتهاي مختلف
