بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به اینکه یک موتور سنکرون خطی آهنرباي دائم شیاردار با حجم بزرگ، نیروي رانش کم و نوسانات نیروي زیاد یک گزینه بسیار نامطلوب میباشد. در این مقاله یک روش بهینه سازي براي رسیدن به بهبود در چگالی نیروي رانش و کاهش نیروي دندانهاي در این نوع موتور پیشنهاد شده است که براي دستیابی به این هدف ابتدا مدلسازي تحلیلی موتور به کمک معادلات ماکسول صورت گرفته و سپس با استفاده از الگوریتم ژنتیک بهینهسازي آن انجام شده است. اما علاوه بر هارمونیکهاي چگالی شار آهنربا که یکی از عوامل موثر بر نوسانات نیروي رانش میباشد و کمینه نمودن آن در فرآیند بهینهسازي در نظر گرفته شده است.
نیروي دندانهاي تولید شده در موتور سنکرون آهنرباي دائم شیاردار که قابل پیش بینی به وسیله مدلسازي تحلیلی نمی-باشد عامل دیگري است که باعث لرزش، نویز و کاهش دقت بهرهبرداري در موتور میشود. به همین دلیل براي کاهش نیروي دندانهاي در مدل بهینهسازي شده از تکنیک جابهجایی قطبها استفاده شده است. در این بررسی نشان داده میشود که مدل بهینهسازي شده پس از اعمال تکنیک جابهجایی قطبها، علاوه بر افزایش در چگالی نیروي رانش، داراي نوسانات نیروي کمی میباشد. نهایتاً از روش اجزاء محدود دینامیک براي ارزیابی کردن نتایج مدلسازي تحلیلی، طراحی بهینه و کاهش نیروي دندانهاي استفاده شده است.
واژههاي کلیدي: موتور سنکرون خطی، میدان مغناطیسی، نیروي دندانهاي، جابهجایی قطبها، روش اجزاء محدود.
-1مقدمه
امروزه در کاربردهاي صنعتی نیاز به حرکت خطی به شدت احساس میشود. در کاربردهایی که از موتور دوار براي تولید حرکت خطی استفاده میشود از چرخ دندهها، پیچهاي حلزونی و مکانیزمهاي دیگر کمک میگیرند. وجود این واسطههاي مکانیکی باعث افزایش پیچیدگی سیستم، اتلاف انرژي، کاهش راندمان و قابلیت اطمینان پایینتر به واسطه اجزاء متحرك زیادتر میشود. با به کارگیري موتورهاي خطی، براي حرکتهاي خطی این واسطههاي مکانیکی حذف شده و از اینرو نیرو و حرکت خطی به طور مستقیم توسط میدان مغناطیسی ایجاد میشود.[1] در میان انواع موتورهاي خطی، موتورهاي سنکرون خطی آهنرباي دائم - 1PMLSM - به دلیل اینکه از آهنرباهاي دائم که انرژي زیادي تولید میکنند استفاده مینمایند داراي نیروي رانش زیاد، تلفات کم، ثابت زمانی الکتریکی کوچک و پاسخ سریع میباشند که بیشتر از سایر موتورهاي خطی مورد توجه قرار گرفتهاند.[3-2]
از آنجا که PMLSM ها به طور گستردهاي در اتوماسیون کارخانجات و ساختمانها مورد استفاده قرار میگیرند. بنابراین طراحی موتوري با چگالی نیروي زیاد و نوسانات کم یک هدف مناسب میباشد و به دلیل اینکه توپولوژي شیاردار در PMLSM ها نسبت به توپولوژي بدون شیار، چگالی نیروي زیادتري را فراهم میآورد. در این مقاله یک PMLS M شیاردار براي رسیدن به چگالی نیروي بالا انتخاب شده است. اما نیروي دندانهاي2 تولید شده در موتورهاي آهنرباي دائم شیار- دار که به هنگام عبور آهنربا از روي دندانههاي استاتور ایجاد می- شود باعث ایجاد لرزش نامطلوب و نویز در موتور میگردد که لازم است در فرآیند طراحی موتور علاوه بر کاهش نوسانات نیرو ناشی از هارمونیکهاي چگالی شار آهنربا تمهیداتی نیز براي کاهش این نوع نوسانات نیرو اندیشیده شود.[4]
عملکرد مناسب PMLSM ها نیازمند بهینهسازي طراحی آنهااست. طراحی PMLSM ها تاکنون براساس تکنیکهاي مختلفی صورت گرفته است که از جمله آن میتوان به روشمدار معادل مغناطیسی با عناصر فشرده، روش اجزاء محدود - - 3FEM و روش تحلیلی مبتنی بر معادلات ماکسول اشاره کرد. روش مدار معادل مغناطیسی به دلیل دقت کم و روش اجزاء محدود به دلیل پیچیده و زمانبر بودن مناسب براي الگوریتمهاي تکراري طراحی و بهینهسازي نبوده، اما روش تحلیلی با استفاده از معادلات ماکسول به سبب دقت بالا و ارائه فرمولهاي بسته براي پارامترهاي مختلف موتور، مناسب براي فرآیند طراحی و بهینه سازي میباشد. به همین دلیل در این مقاله از روش تحلیلی مبتنی بر معادلات ماکسول براي طراحی بهینه موتور استفاده شده است.
طراحی بهینه PMLSM ها تاکنون در تحقیقات بسیاري با اهداف مختلف صورت گرفته است. در این میان، توپولوژي یک طرفه تخت شیاردار کمتر مورد توجه قرار گرفته است.
در بین تحقیقات محدودي که بر روي بهینهسازي PMLSMیک طرفه شیاردار صورت گرفته است، در [6-5] طراحیهاي بهینه این موتور به منظور بهبود نیروي رانش ارائه شده و در[7] نیز از یک شبکه عصبی براي مینیمم کردن ضربان نیروي رانش و بهینه کردن راندمان آن استفاده شده است. همچنین شیوههاي مختلف کاهش نیروي دندانهاي در [9-8] موردارزیابی قرار گرفته است. با توجه به اینکه تاکنون در مطالعات انجام شده بر روي PMLSM شیاردار، بهینه سازي حجم موتور هنوز ملاحظه نشده است و از آنجا که بسیاري از مکانهایی که از این نوع موتورها استفاده میکنند با مشکل محدودیت فضا مواجه هستند، از اینرو در این مقاله علاوه بر کاهش نوسانات نیرو، حداکثر نیروي رانش در کمترین حجم موتور به عنوان اهداف بهینه سازي در نظر گرفته شده است.
به همین منظور یک تابع هدف مناسب شامل نیروي رانش، نوسانات نیرو ناشی از هارمونیکهاي چگالی شار آهنربا وحجم موتور تعریف شده و سپس به وسیله الگوریتم ژنتیک یک بهینهسازي براي پیدا کردن بهترین مجموعه از متغیرهاي طراحی صورت گرفته است. به دلیل اینکه نیروي دندانهاي تولید شده در مدل بهینه باعث ایجاد نوسانات نیرو و کاهش دقت بهرهبرداري از آن میشود به همین علت براي کاهش آن در مدل بهینه سازي شده از تکنیک جابهجایی قطبها استفاده شده است که علاوه بر دستیابی به نیروي رانش زیاد و حجم کم موتور، ضربان نیرو نیز به طور مناسبی کاهش داده شود سرانجام از روش اجزاء محدود غیر خطی دینامیک براي ارزیابی کردن فرآیند طراحی استفاده شده است.
-2مدل مورد بررسی و یک تئوري
-1-2توپولوژي مورد تحلیل
در شکل - 1 - ، توپولوژي PMLSM شیاردار تخت یک طرفه با ثانویه کوتاه متحرك نشان داده شده است. موتور مذکور داراي یک بخش متحرك با آهنرباي دائم بوده و سیم پیچی آرمیچر آن در استاتور بلند قرار دارد که این نوع ساختار در این مقاله مورد ارزیابی قرار گرفته است. ابعاد و مشخصات اصلی مدل بررسی شده در جدول - 1 - ارائه گردیده است.
-2-2توزیع میدان مغناطیسی ناشی از آهنرباي دائم
به منظور ارائه راه حل تحلیلی براي محاسبه میدان مغناطیسی ناشی از آهنربا در PMLSM لازم است ساده سازيهاي زیردر نظر گرفته شود:
- 1 طول ماشین نامحدود فرض میشود.
- 2 نفوذپذیري آهن بینهایت لحاظ میشود. - 3 شیارهاي اولیه به صورت صاف در نظر گرفته شده و اثرات
شیار با وارد کردن ضریب کارتر به حساب آورده میشود.با توجه به فرضیات فوق تحلیل میدان مغناطیسی درPMLSM محدود به دو ناحیه میشود که شامل ناحیه هوا وناحیه آهنربا میباشد که در شکل - 2 - نشان داده شده است.براي ماشینهاي آهنرباي دائم شیاردار اثر شیار، به وسیله یک ضریب کارتر Kc در نظر گرفته میشود. از اینرو فاصله هوایی موثر ge به وسیله رابطه زیر محاسبه میشود:[10]
میباشد و محاسبه میدان مغناطیسی در PMLSMبا استاتور شیاردار با در نظر گرفتن فاصله هوایی موثر صورت میگیرد.با توجه به فرضیات فوق، فرموله کردن توزیع میدان مغناطیسی بر حسب بردار پتانسیل مغناطیسی که به وسیله رابطه B × A تعریف میشود آسان خواهد بود. معادلات میدان حاکم بر PMLSM، با در نظر گرفتن پیمانه کلمب، ∇⋅ A 0 ، به صورت زیر تعریف میشود:[11
