بخشی از مقاله
چکیده - در مقایسه با دیگر موتورهای سنکرون، موتورهای سنکرون مغناطیسدائم دارای بهره عملکردی بسیار بالایی میباشند و ساختارهای متفاوت این نوع موتورها پتانسیل بالایی برای توسعه کاربرد آنها در صنعت و وسایل خانگی نیز بوجود میآورد به شرط اینکه مسئله راهاندازی آنها در اتصال مستقیم به برق شبکه توزیع بدون نیاز به ادوات گران قیمت الکترونیک قدرت حل شود.
بنابراین در این مقاله به طراحی و تحلیل یک ساختار قفس برای یک موتور سنکرون آهنربای دائم شار محوری بدون شیار شش قطبی با مگنتهای سطحی که قابلیت راهاندازی مستقیم را برای موتور ایجاد نماید ارائه میشود. در این طرح، میلههای قفس در فضای موجود بین آهنرباهای روتور قرار میگیرند. روش طراحی، مدلسازی به روش اجزاء محدود و تحلیل نتایج مدلسازی به طور کامل ارائه میشوند.
-1 مقدمه
امروزه با توسعه مواد مغناطیسدائم و با توجه به مزایای ماشینهای مغناطیسدائم نسبت به ماشینهای القایی استفاده از این ماشینها روز به روز در حال افزایش است. از جمله مزایای این ماشینها نسبت به ماشینهای القایی میتوان به ضریب توان بالاتر، چگالی توان بالاتر، راندمان بیشتر، سرعت ثابت تحت بارهای مختلف، ارتعاشات و نویز کمتر اشاره کرد .[2-1]
از معایب موتورهای سنکرون مغناطیسدائم میتوان به عدم وجود گشتاور راهاندازی اشاره کرد. معمولا جهت راهاندازی موتورهای سنکرون آهنربادائم از سیستم اینورتری فرکانس متغیر استفاده میشود. بدلیل هزینه بالا، هارمونیکهای تولید شده توسط عناصر سوییچینگ و تلفات و نویز درایو در سالهای اخیر مطالعات و تلاشهایی بر روی موتورهای سنکرون مغناطیس دائم با راهانداز مستقیم - Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor - صورت گرفته است.
در موتورهای سنکرون LSPM عملکرد موتور در زمان راهاندازی و حفظ سنکرونیزم از موارد بسیار مهم می باشد که با طراحی یک قفس مناسب شاید ضمن حل مسئله راه اندازی موتور، مسئله دمپینگ نوسانات سرعت نیز بتواند به میزان قابل توجهی تامین شود. مقالات اندک منتشر شده در مورد راهاندازی مستقیم موتورهای سنکرون آهنربای دائم تقریبا همگی مربوط به موتورهای سنکرون مغناطیسدائم شار شعاعی - - Radial Flux Permanent Magnet Synchronous Motor میباشند [5-3]، و موارد مربوط به موتورهای سنکرون مغناطیسدائم شار محوری - Axial Flux Permanent Magnet Synchronous Motor - بسیار نادر هستند .[2]
در موتورهای سنکرون مغناطیسدائم شار شعاعی برای راهاندازی موتور در شرایط عملکرد بی باری از یک قفس طراحی شده، کم و بیش همانند طراحی قفس ماشین القایی متکی بر بعضی تجربیات قبلی استفاده میشود. ماشینهای سنکرون مغناطیسدائم شار محوری نسبت به شار شعاعی دارای چگالی گشتاور بالاتر و نسبت توان به وزن بیشتری هستند و این ماشینها را با تکنولوژی سادهتر میتوان در تعدادی طبقات زیاد مونتاژ کرد .[7]
این ماشینها را با ساختار استاتور بدون شیار با سیمپیچی تورویدال نیز میتوان طراحی نمود که در آنها تلفات اهمی به دلیل کاهش طول کله سیمها کمتر میشود و هارمونیکهای شیار و دندانه حذف شده و بنابراین تلفات هارمونیکی، ریپل گشتاور، ارتعاشات و نویز کمتر میشوند .[2] به هر حال علیرغم مزایای فراوان این نوع موتور بررسی عملکرد راهاندازی مستقیم موتورهای سنکرون آهنربای دائم شار محوری کمتر مورد توجه قرار گرفته است.
با توجه به مزایای فراوان موتور شار محوری در این مقاله به بررسی راهاندازی مستقیم یک موتور سنکرون مغناطیسدائم شار محوری بدون شیار با دو دیسک روتور و یک استاتور میپردازیم. مدلسازی انجام گرفته در این مقاله به روش اجزاء محدود - Finite - Element Method میباشد. با توجه به دقت و صحت نتایج استفاده از روش اجزاء محدود در تحلیل ماشینهای الکتریکی و همچنین محیط آزمایشی موجود در نرمافزار میتوان از صحت نتایج به دست آمده ناشی از طراحی قفس راهانداز اطمینان حاصل کرد.
-2 اصول کلی طراحی موتور سنکرون مغناطیس دائم با راهانداز مستقیم
قفس روتور در هنگام راه اندازی با تولید گشتاور راه اندازی باعث افزایش سرعت موتور از سرعت صفر میشود، فرآیند افزایش سرعت سبب افزایش ولتاژ القایی در سیم پیچ ها و افزایش گشتاور الکترومغناطیسی موتور میشود. در سرعت سنکرون با توجه به اینکه روتور همزمان با میدان دوار فاصله هوایی استاتور در حال گردش است، قفس نقشی در تولید گشتاور ندارد. در حالتی که اغتشاشی به موتور وارد شود، باعث نوسان در سرعت موتور میشود. در این حالت قفس با تولید گشتاور، سرعت موتور را بسته به نوع اغتشاش - ژنراتوری یا موتوری - ، به سرعت سنکرون نزدیک میکند و باعث پایدار شدن سرعت در مقدار نامی میشود.
الگوریتم جامع طراحی موتور سنکرون آهنربا دائم با راهاندازی مستقیم برای تمامی موتورهای سنکرون آهنربای دائم در شکل 1 آورده شده است. همانطور که مشاهده میشود، جهت طراحی قفس راهانداز برای ماشین سنکرون مغناطیسدائم، ابتدا باید از رفتار ماشین سنکرون بدون قفس، در سرعت سنکرون اطمینان حاصل کرد و سپس در مرحله بعد به طراحی قفس جهت راهاندازی مستقیم پرداخت. به همین جهت ساختار سه بعدی ماشین سنکرون آهنربای دائم شار محوری مورد نظردر شکل 2 آورده شده است.
-3 طراحی ساختاری قفس راهانداز موتور سنکرون مغناطیس دائم شار محوری
در صورتیکه آهنرباها در سطح روتور باشند فاصله بین آهنربا مکان مناسبی جهت قرارگیری قفس می باشد. میتوانیم با قرار دادن میله یا صفحه در فاصله بین آهنرباها عملکرد مناسبی از قفس را در راهاندازی و دمپ نوسانات مشاهده کرد. در شکل 5 این نوع قفس را مشاهده میکنید. با دقت در ساختار قفس شکل 5 مشاهده میشود که تغییرات شار محور d و درصد زیادی از محور q به طور کامل توسط قفس مشاهده میگردد و عکس العمل مناسبی توسط قفس در مقابل تغییرات شار ناشی از عکسالعمل آرمیچر در این ساختار میتوان انتظار داشت.
همچنین میتوان به این نکته اشاره نمود، در صورتی که جریان استاتور در اثر اغتشاش وارده - راهاندازی مستقیم - به موتور، زیاد باشد، به خاطر نوساناتی که در سرعت روتور ایجاد میشود اختلاف سرعت بین میدان دوار استاتور و روتور ایجاد شود. در این موقعیت جریانی در آهنرباها ایجاد میشود. قفس موجود دامنه این جریانهای گردابی ناشی از عکس العمل آرمیچر در کنارههای مگنت را به شدت کاهش میدهد که در شکل 6 نشان داده شده است.
در شکل 6 ناحیه زرد رنگ دارای چگالی شار 0/72تسلا و ناحیه سبز رنگ میانی آهنربا، دارای چگالی شار 0/6 تسلا میباشد. در حالتی که قفس یکپارچه موجود نباشد، چگالی شار در کل سطح آهنربا 0/6 تسلا میباشد ولی وجود قفس، موجب افزایش چگالی شار در نواحی اطراف آهنربای دائم شده است. در این ساختار جرم روتور به دلیل ساختار خاص قفس بسیار زیاد میباشد بنابراین جهت کاهش وزن این ساختار، میتوان فاصله بین مگنتها را بصورت میلههایی در نظر گرفت که در این ناحیه توزیع شده است. توپولوژی شکل 7 برای عملکرد مناسب قفس در راهاندازی و دمپ نوسانات معرفی میگردد.
شکل :7 الف - شکل گسسته روتور با قفس توزیع شده. ب - شکل کامل شده روتور با قفس در شکل 7 مشاهده میشود که تعدادی میله در فضای بین آهنرباها قرار میگیرد. ساختار قفس درنظر گرفته شده به لحاظ عملکرد دمپی، چون تغییرات شار محورهای d و q را تقریبا به طور کامل مشاهده میکند، بنابراین رفتار مناسبی در دمپ نوسانات از خود نشان میدهد و همچنین جرم وزنی این ساختار نسبت به حالت قبل بسیار کمتر است. نکته مهم در این ساختار این است که با تغییر زاویه بین روتور و استاتور - گردش روتور - ، جریان در میلههای قفس به طور آزادانه تغییر میکند که این نشاندهنده عملکرد صحیح میلهها در دمپ تغییرات شار در راستای محورهای d و q میباشد.
بخاطر اینکه آهنرباها در سطح روتور میباشند و به جهت جلوگیری از آسیبهای مکانیکی و همچنین محافظت آهنربا از القای جریانهای گردابی به خاطر وجود شار هارمونیکی ناشی از توزیع غیر سینوسی سیمپیچی استاتور در فاصله هوایی، با توجه به بزرگ بودن فاصلههوایی در ماشینهای شار محوری میتوان از صفحهای در فاصلههوایی این نوع ماشین به عنوان دمپ کننده نوسانات و راهانداز استفاده نمود. در شکل 7 - ب - بهترین ساختار قفس جهت راهاندازی و دمپینگ نوسانات آورده شده است. جهت تعیین جنس قفس، با توجه به اینکه نقش اصلی قفس عمل راهاندازی میباشد و با توجه به اینکه مقاومت روتور نقش مهمی در راهاندازی موتور ایفا می کند بنابراین از قفس آلومینیوم استفاده میکنیم.
-4 طراحی ابعاد قفس جهت راهاندازی مستقیم موتور سنکرون آهنربادائم شار محوری
ابتدا با استفاده از روابط مربوط به ماشینهای سنکرون مغناطیسدائم اندوکتانس مغناطیسکنندگی و اندوکتانس سنکرون مقادیر مربوطه را محاسبه میکنیم .[9] سپس با استفاده از روش اجزاء محدود در موتور مورد نظر، آزمایش روتور قفل انجام میدهیم. با استفاده از استاندارد IEC 60034-4 مقدار اندوکتانس زیرگذرا محاسبه میشود.
