بخشی از مقاله
چکیده -
در سامانههای شناور جهت حفظ تعادل از دو پروانه که به صورت عکس یکدیگر میچرخند استفاده شده و ازیک موتور معکوسگرد برای چرخش آنها ا ستفاده می شود. در این سامانهها معمولا محدودیت وزن وجود دارد و موتور طراحی شده باید دارای بی شترین چگالی توان با شد. با افزایش توان در موتورهای مغناطیس دائم جریان موتور افزایش مییابد. در این صورت با توجه به محدودیت جریانی کلیدهای الکترونیک قدرت امکان طراحی موتور به صورت سه فاز وجود ندارد.
افزایش تعداد فاز یکی از راههای کاهش جریان موتورهای توان بالا است. در این مقاله به طراحی بهینه یک موتور مغناطیس دائم سنکرون پنج فاز معکوسگرد پرداخته می شود. برای این کار با استفاده از روابط الکترومغناطیسی حاکم، موتور به صورت تحلیلی مدل سازی شده و از الگوریتم ژنتیک جهت بهینه سازی وزن آن ا ستفاده میگردد. جهت تایید نتایج تحلیلی، موتور طراحی شده در نرمافزار اجزاء محدود ماک سول شبیه سازی شده ا ست و با نتایج تحلیلی مقای سه میگردد. نتایج حا صل ن شان دهنده صحت مدلسازی می باشد.
-1 مقدمه
موتورهای مغناطیس دائم نتیجه پی شرفت دو ر شته از علم و تکنولوژی هستند. اول دانش تولید مواد مغناطیس دائم که در دهه 1950 منجر به تولید تجاری مواد با خاصیت مغناطیسی بالا شد. دوم پیشرفت تولید نیمههادی ها در دهه 1960 که با ساخت تریستورهای صنعتی امکان کنترل دقیق موتورها را فراهم کرد. با پیوند این دورشته موتورهای مغناطیس دائم سنکرون به وجود آمد که تغذیه آنها از طریق یک سیستم الکترونیکی صورت میگیرد. ساختمان و عملکرد این موتورها بسیار شبیه موتورهای سنکرون است ولی کنترل آنها به کنترل موتورهای DC شباهت بیشتری دارد. امروزه هر دو بخش یاد شده به شکل وسیعی پی شرفت کردهاند و در نتیجه انواع درایوها و موتورهای مغناطیس دائم با خصوصیات گوناگون به وجود آمدهاند.
با معرفی موتور سنکرون مغناطیس دائم استفاده از این موتورها در بسیاری از کاربردها که نیاز به قابلیت اعتماد بالا و نگهداری کم داشتند آغاز شد. از جمله این کاربردها میتوان به کاربرد در وسایل پزشکی و صنایع هوافضا اشاره کرد.مهمترین این کاربردها استفاده در کاربردهای سرعت متغیر است. هرچند موتورهای زیادی برای کاربردهای کنترل سرعت منا سب ه ستند ولی موتورهای سنکرون مغناطیس دائم به دلیل راندمان بالاتر، نیاز به نگه داری کم، پا سخ دینامیکی سریع و م شخ صه کنترلی مطلوب انتخاب خوبی میباشند.
موتور های معکوسگرد موتور هایی هست ند که در آن ها استاتور نیز حرکت دورانی دارد. در واقع در این ماشین، روتور و استاتور هردو قابلیت چرخش داشته و در جهت عکس یکدیگر میچرخند. سیستم مکانیکی متشکل از دو پروانه - ملخ - هممحور که دارای حرکت دورانی مختلف الجهت ه ستند، به CRP م شهور است
چنین سیستمی در کاربردهایی از قبیل توربینهای بادی و بالگردها، هواپیماهای تک سرنشین، کشتی ها و زیردریاییها مورد استفاده قرار میگیرد. علت استفاده از این سیستم در سامانه های شناور این است که در صورت استفاده از یک پروانه به هنگام چرخش موتور گشتاور مخالفی به سامانه وارد شده و سامانه از حالت تعادل خارج میشود.
روش های مختلفی برای دست یابی به قابلیت معکوسگردی وجود دارد. این روشها عبارتند از استفاده از موتور تک محور و گیربکس معکوسگرد، استفاده از دو موتور به صورت پشت به پشت، قراردادن روتور و استاتور بر روی بلبرینگ - ایجاد قابلیت چرخش برای هردو - و استفاده از موتور دو روتوره
موتور های مغ ناطیس دائم چ ند فاز به موتور هایی گف ته میشود که با بیش از سه فاز تغذیه میشوند.این حالت معمولا برای موتورهای توان بالا ات فاق میاف تد زیرا افزایش توان با عث افزایش جریان هر فاز شده که امکان دارد از حد جریانی کلیدهای الکترون یک قدرت موجود در بازار که برای کنترل و راها ندازی موتور استفاده میشود فراتر رود. افزایش تعداد فاز مزایایی از قبیل کاهش هارمونیکهای لینک DC، کاهش ریپل گشتاور، کاهش جریان فاز، افزایش قابلیت اطمینان و....دارد
در این مقاله یک نمونه موتور سنکرون مغناطیس دائم پنج فاز روتور خارجی با مغناطیس دائم سطحی به صورت بهینه طراحی و شبیه سازی می گردد. در این طرح هم روتور و هم استاتور برروی بلبرینگ سوار شده و هردو قابلیت چرخش خواهند داشت. بافرمان دادن به موتور، روتور و استاتور به یکدیگر گشتاور وارد کرده و در خلاف جهت هم شروع به چرخش میکنند.
با توجه به اینکه این موتورها معمولا با محدودیت حجم و وزن روبرو هستند، هدف از بهینه سازی دستیابی به موتوری با بیشترین چگالی توان می باشد. برای این منظور از الگوریتم ژنتیک جهت بهینه سازی استفاده شده و تابع هدف آن طول موتور انتخاب شده است. الگوریتم ژنتیک یکی از کارآمدترین الگوریتمهای بهینه سازی بوده [15-14] و در تحقیقات گذشته جهت طراحی بهینه موتورهای معکوسگرد به کار نرفته است.
در این مقاله ابتدا با استفاده از روابط الکترومغناطیسی حاکم بر موتور به مدلسازی تحلیلی موتور سنکرون مغناطیس دائم پنج فاز پرداخته می شود. سپس الگوریتم ژنتیک معرفی شده و موتور مورد نظر به صورت بهینه طراحی می گردد. در نهایت نیز موتور طراحی شده با ا ستفاده از نرم افزار اجزاء محدود ماک سول شبیه سازی شده و نتایج آن مورد بررسی قرار می گیرد.
-2 انتخاب تعداد فاز موتور
در موتور های مغ ناطیس دائم جر یان هر فاز موتور راب طه مستقیمی با گشتاور و توان موتور دارد. اما سوئیچهای الکترونیک قدرتی که برای کنترل و راهاندازی موتور ا ستفاده می شوند دارای حد جریانی محدودی هستند و استفاده از این سوئیچها حتی در نزدیکی حد جریانی باعث کاهش عمر این سوییچها شده و اگر برای خنک سازی آن تدابیری سنجیده نشود باعث سوختن کلید خواهد شد به همین دلیل در موتورهای توان بالا برای کاهش جریان هر فاز تعداد فاز را افزایش میدهند. علاوه بر این افزایش تعداد فاز در موتورهای الکتریکی مزایایی همچون کاهش ریپل گشتاور، کاهش هارمونیک لینک DC، قابلیت اطمینان بالاتر نیز دارد.
در موتور مورد مطالعه با توجه به رابطه توان، برای حالت سه فاز جریان هرفاز برار 482 آمپر و برای حالت 5 فاز جریان هر فاز برابر با 289 آمپر خواهد شد. مشاهده می شود جریان حالت سه فاز خیلی زیاد بوده و از حد جریانی سوییچهای الکترونیک قدرت فراتر است. از طرف دیگر انتخاب تعداد فاز خیلی زیاد نیز علاوه بر پیچیده شدن سی ستم درایو، منجر به افزایش تعداد شیارهای موجود درون استاتور و همچنین باریک تر شده دندانه و کاهش ا ستحکام مکانیکی موتور شود در نتیجه باید در تعیین تعداد فاز دقت فراوان داشت و بهینهترین حالت ممکن را انتخاب نمود. از این رو در این مقاله تعداد 5 فاز برای موتور انتخاب می شود.
-3 مدلسازی تحلیلی موتور
برای طراحی موتور ابتدا لازم است موتور به صورت تحلیلی مدلسازی شده و کمیت هایی مانند شار و گشتاور تولیدی موتور بر اساس پارامترهای ابعادی بیان گردد. برای این کار لازم است روابط هندسی و الکترومغناطیسی حاکم بر موتور را نوشته و محدوده هریک از پارامترها را مشخص نمود و با استفاده از الگوریتم های هوشمند پارامترها را آنقدر تغییر داد تا طراحی بهینه حاصل گردد. در ادامه روابط حاکم بر موتور ارائه شده است .[ 2-1] تمام پارامترهای ابعادی ارائه شده در این روابط در شکل 1 مشخص شده است.
گام قطبی موتور از رابطه - 1 - و ضریب تمرکز شار از رابطه - 2 - به دست میآید. در این روابط Nm تعداد قطب است.
گشتاور الکترومغناطیس موتور نیز از رابطه - 10 - به دست میآید در این رابطه Rso شعاع خارجی استاتور، j چگالی جریان، As مساحت شیار، Kfillضریب پرشوندگی شیار، Kst ضریب تورق، Ns تعداد شیار وKw ضریب سیمپیچی است.
شکل:1 پارامترهای اصلی موتور [2]
-4 طراحی بهینه موتور سنکرون مغناطیس دائم
-1-4 مشخصات موتور
برای طراحی هر ماشین الکتریکی، قدم اول تعیین مشخصات آن بسته به کاربرد مربوطه است. به عبارت دیگر، ابتدا باید تعیین شود که ماشین برای کار درچه شرایط توان، ولتاژ و غیره طراحی خواهد شد. در جدول 1 مشخصات موتور مورد نظر ارائه شده است.
جدول :1مشخصات موتور مورد نظر
-2-4 الگوریتم ژنتیک
الگوریتم ژنتیک نوعی الگوریتم بهینهسازی است که از طریق قوانین وراثتی و ژنتیکی بهینه سازی را انجام میدهد. فلوچارت این الگوریتم در شکل 2 آورده شده ا ست. برای بهینه سازی نیاز است پارامترهایی که الگوریتم ژنتیک باید آنها را بهینه کند تعیین شود. همچنین لازم است قیود مسئله یعنی محدودیتهای پارامترها مشخص شده و مقادیری به عنوان مقدار اولیه به این پارامترها تخصیص داده شود. در ادامه به تبیین این موارد پرداخته می شود.
