مقاله طراحی و شبیه سازی موتور مغناطیس دائم شار محور APFM تک فاز ( ISCEE٢٠١٢ )

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

طراحي و شبيه سازي موتور مغناطيس دائم شار محور APFM تک فاز
(ISCEE٢٠١٢)
چکيده – موتور مورد مطالعه در اين مقاله ، يک موتور مغناطيسي دائم دو سو تغذيه بدون جاروبک APFM BLDC( DC) با استاتور قطب صاف است . سيم پيچ هاي موتور بصورت تک فاز متصل شود. هدف اين پژوهش تجزيه و تحليل و مقايسه عملکرد نتايج بهره برداري موتورهاي APFM BLDC در حالت تک فاز است . براي مطالعه موتور در حالت بهره برداري ، يک مدل ديناميکي رياضي (mathematical dinamice mold) معرفي شده است که پايه شبيه سازي با نرم افزار MATLAB.SIMULINK خواهد بود. محاسبات براي يک موتور خاص انجام شده که به عنوان يک پمپ آب با روتور مرطوب طرحي شده است . نتايج در قالب شکل موج هاي الکترومکانيکي در حالت پايدار ارائه شده است . زيرا مدل رياضي ارائه شده براي بررسي در حالت پايدار مناسب است . اين ويژگي باعث توجيه پذير شدن استفاده از اين موتور براي فن و پمپ و در جايي که نوسان گشتاور اهميت چنداني ندارد مي شود. موتور توسط اينورتري که ساختار آن به نوع سيم پيچ بستگي دارد، تغذيه مي شوند. از آنجايي که اينورتر از نوع ولتاژ است ، زاويه آتش ترانزيستورها روي بازده موتور تأثير به سزايي دارد. اين اثر در مورد هر دو موتور مورد مطالعه قرار گرفته است . اين مطالعات نشان مي دهد بالاترين بازده وقتي است که متوسط زاويه آتش برابر است .
کليد واژه : شبيه سازي ديناميکي ، طراحي موتور، موتور مغناطيس دائم DC،APFM .
١- مقدمه
موتورهاي DC متعارف بسيار کارآمد هستند، اما داشتن کوموتاتور و جاروبک و در نتيجه سايش و نياز به تعمير عيب اين موتورها محسوب مي شود. اين نقص موتورهاي DC متعارف به وسيله نسل جديدي از درايور موتور DC که موتورهاي DC بدون جاروبک را بدون کوموتاسيون مکانيکي راه اندازي مي کند حل شده است [١]. تاريخچه موتورهاي الکتريکي نشان مي دهد که اولين موتورهاي الکتريکي از نوع ماشين هاي شار محور بوده اند.
اولين ماشين توسط فارادي در سال ١٨٣١ ميلادي ساخته شد که يک ماشين مغناطيسي دائم DC بود. ماشين هاي شارشعاعي ٢ بعدها توسط داونپورت در سال ١٨٣٧ ميلادي ابداع شد. ايده اصلي استفاده از اين موتورها، افزايش بازده با استفاده از مغناطيس دائم بود[٣-١].
در کنار موفقيت هاي ماشين هاي مغناطيسي دائم شار شعاعي ، ماشين هاي مغناطيس دائم شار محور، که در آنها شار مغناطيس بصورت مستقيم و محوري در فاصله هوايي و مرکز سيم پيچ استاتور و هسته استاتور و رتور تزريق مي شود، به دليل کاربردهاي خاص ناشي از محدوديت هاي هندسي مورد علاقه طراحان قرار گرفته است . امکان دستيابي به محوري کم براي ماشين طرحي شده ، ماشين هاي مغناطيس دائم شار محور١ را براي کاربردهايي که در آنها محدوديت طرحي نيازمند طول کم ماشين است جذاب مي کند. از جمله اين کاربردها مي توان به آسانسور و وسايل نقليه الکتريکي اشاره نمود. ماشين هاي شار محور معمولاً در کاربردهاي گشتاور بالا مورد استفاده قرار مي گيرند[٣-١]. موتورهاي DC بدون جاروبک (شکل (١))، نوعي موتور مغناطيس دائم هستند که در آنها وظايف کوموتاتور و جاروبک ها به وسيله کليدهاي حالت انجام مي شود. علاوه بر بازده بالا مزيت مهم ديگر موتورهاي DC بدون جاروبک ، عدم نياز آنها به نگه داري است . در اين حالت از موتورهاي مغناطيسي دائم در دو حالت تک فاز فاز بهره برداري و دومي شود. در هر دو حالت اينورتر نقش کوموتاتور را ايفا مي کند. در اين مقاله اينورتر تک فاز را مورد مطالعه قرار مي دهيم [٤].

شکل (١)- موتورهاي DC مغناطيس دائم بدون جاروبک [١]
با توجه به کارايي بهتر اين موتورها، در اين مقاله ، موتورهاي دو طرفه با استاتور داخلي قطب مسطح و دو رتور طبق طومي که در شکل (٢) نشان داده شده است را بررسي مي کنيم . هسته استاتور را مي توان به سيستم تک فاز و يا دو فاز متصل کرد.
در اين ساختار اينورتر تک فاز يا دوفاز سيم پيچي استاتور را تغذيه مي کند. نوع سيم پيچي روي بازده موتور تاثير به سزايي دارد. در اين پروژه سعي داريم بازده موتور APFM را در اتصال تک فاز مورد بررسي قرار دهيم .

شکل (٢)- ماشين APFM بدون جاروبک دوطرفه استاتور قطب صاف با رتور دوبل خارجي : (الف )ساختار (ب )استاتور (ج )رتور، ١- مغناطيس دائم - ها، ٢-صفحه فولادي رتور، ٣-قطب هاي استاتور، ٤-سيم پيچ رتور [١]
٢- توصيف ساختار موتور APFM و اطلاعات طراحي آن
موتورهاي APFM مي تواند بصورت ماشين هاي دوطرفه يا يک طرفه ، با يا بدون شکاف آرماتور با رتور داخلي يا خارجي و با آهن رباي داخلي دائم يا آهن رباي سوار بر سطح طرحي شود. ماشين هاي APFM توان پايين معمولاً با سيم پيچ بدون چاک و مغناطيسي دائم روي سطح طرحي مي شوند.

شکل (٣)- الف -موتور AFFM يک طرفه ب -موتور APFM دوطرفه با رتور داخلي ج -موتور APFM دوطرفه با رتور خارجي د-موتور APFM
چندساختاره [١]
موتور دو طرفه با رتور ديسک مغناطيسي دائم داخلي يک سيم پيچ آرميچر دارد که هر دو هسته استاتور تعبيه شده است . ديسک مغناطيسي دائم بين دو استاتور مي چرخد.
قطعات مغناطيس دائم در داخل يک اسکلت رتور غير فرومغناطيس تعبيه شده و يا چسبانيده شده اند. وقتي استاتورها بطور موازي متصل شده باشند، حتي در صورت قطع شدن سيم پيچ يکي از استاتورها باز هم مي توان از موتور بهره برداري نمود. هسته استاتور از نوارهاي فولادي شکاف دار شکل گرفته است [٥].
موتورهاي APFM دوطرفه با يک استاتور نسبت به موتور با رتور داخلي فشرده تر است . رتور دو طرفه با مغناطيسي دائم در دو طرف استاتور قرار داده شده است . استاتور شامل عناصر الکترومغناطيسي ساخته شده از هسته فرومغناطيسي و سيم پيچي که روي آنها پيچيده شده است . عناصر بصورت محوري و توزيع شده ي يکپارچه روي محيط استاتور قرار داده شده اند و به وسيله ترکيبات رزين بهم چسبانده شده اند. موتور ويژه اي که در شکل (٤) با ابعادش نمايش داده شده است به عنوان يک طرح کلي پمپ آب طرحي شده است . سيم پيچ استاتور را مي توان به يک سيستم تک فاز يا چند فاز متصل نمود. اتصال خاص سيم پيچ موتور، آن را در ميان ديگر سيستم ها از نظر بازده منحصر بفرد مي کند[٦,٧].

شکل (٤)- طرحي از موتور APFM با قطب داخلي مسطح [٥]
اتصال سيم پيچ استاتور موتور AFPM بدون جاروبک تک فاز در شکل (٥-الف ) نشان داده شده است . در اينجا سيم پيچ هاي ١ تا ٦ و ٧ تا ١٢ بصورت سري متصل شده و اين دو مجموعه همان طور که در شکل (٥-ب ) نشان داده شده ،
بصورت موازي بهم متصل مي شوند.

شکل (٥)- اتصال سيم پيچ هاي استاتور [٥]
اتصال اينورتر موتور بدون جاروبک AFPM با سيم پيچ تک فاز شکل (٦) نشان داده شده است . اينورتر پلاريته
در قطب هاي استاتور را با تغيير جهت جريان عوض مي کند و به همين دليل کموتاتور الکتريکي ناميده مي شود. اين اينورتر، يک نوع اينورتر نوع H ،dc به Ac بدون ، حلقه کنترل داراي بازخورد است . زوج ترانزيستورهاي بطور متناسب با موفقيت رتور سوپيچ زني مي شود. ولتاژ اينورتر که موتور را تغذيه مي کند، يک موج مربعي است و تابعي از مکان رتور مي باشد. اين موج در شکل (٧) نمايش داده شده است [٨-٦].

شکل (٦)- طرحي از اينورتر موتور APFM تک فاز [٥]
معمولاً، ولتاژ تغذيه Vsa با ولتاژ محرکه ea مربوط به سيم پيچ ، هم فاز است . زاويه کليدزني بين ea و Vsa ممکن است براي بهبود زاويه موتور، تغيير کند. سنسورهاي مکان بين سيم پيچ ها و با فاصله ١٨٠ قرار داده مي شوند. اين سنسورها مکان رتور را تشخيص مي دهند و ترازيستورها را روشن مي کند و بنابراين آنها سيم پيچ استاتور را خاموش و
روشن مي کنند.

شکل (٧)- شکل موج منبع تغذيه ولتاژ Vsa و نيرو محرکه ea [٥] شکل (٨) تغييرات گشتاور الکترومغناطيس رتور نسبت تغييرات زاويه نشان مي دهد. وقتي موتور خاموش مي شود، رتور در موقعيت شيطانک ١ است و اگر ما رتور را در جهت استاتور حرکت دهيم که روشن بشود، همانطور که در شکل (٨) نشان داده شده است . پلاريته قطب ها عوض نمي شود و رتور گشتاوري را که از مغناطيسي هاي کوچک مي آيند و به شکل منحني n و s است را تحمل خواهد کرد. منحني NS تغييرات گشتاور ناشي از مغناطيسي N ,S که خاصيت NS+sn دارد را نشان مي دهد. گشتاور متنجه به رتور وارد مي شود[١٠-٩].
همان طور که مشاهده مي کنيد، در نقطه شيطانک يک گشتاور اوليه وجود دارد. اين گشتاور بايد بر گشتاور بار و گشتاور شيطانک (گشتاور دندانه اي ) ناشي از قطب هاي خاموش روي ديواره استاتور غالب شود. به علت کموتاتور الکتريکي ، پلاريته تغيير مي کند و هميشه يک گشتاور مثبت به رتور داده مي شود.
براي توليد گشتاور اوليه در موتور dc بدون جاروبک تک فاز از روش هاي گوناگوني استفاده مي شود. يکي از آنها اضافه نمودن قطب کمکي به استاتور در بين قطب هاي موجود است . راه ديگر که معمولا پياده مي شود، اين است که آن را با ساختار مغناطيسي که ترکيبي از دو قسمت مغناطيسي است و در آن يکي از قسمت ها دو برابر قسمت ديگر قطب (تعداد) دارد، بسازيم .

شکل (٨)- اجزاي گشتاور موتور تکفاز در جريان ثابت آرميچر [١٠]
٣- مدل ديناميکي موتور APFM تک فاز
مدل مدار اينورتر تغذيه موتور در شکل (٩) نشان داده شده است . پارامترهاي مدار براساس فرض هاي زير تنظيم
شده اند[١,٢,١٠] :
همة المان هاي موتور خطي هستند و هيچ تلفات هسته اي در نظر گرفته نشده است .
نيروي محرکه ea و گشتاور دندانه اي با چرخش زاويه الکتريکي کاملاً سينوسي هستند.
بخاطر سطوح صاف و متقابل مغناطيسي ، اندوکتانس سيم پيچي ثابت است و با زاويه θ تغيير نمي کند.
افت ولتاژ در طول ديود و ترانزيستورها و سيم هاي رابط سيم پيچي در نظر گرفته نمي شود.
معادلات ولتاژ که مدل را توصيف مي کند بصورت زير است .

که در اين روابط Es,Rs ولتاژ و مقاومت منبع هستند. Rc مقاومت خازن ، Is جريان مدار منبع ، Iak
جريان ورودي مبدل و θ ولتاژ و IC جريان عبوري از خازن است .