بخشی از مقاله
چکیده
امروزه موتورهای الکتریکی آهنربا دائم سنکرون رشد چشمگیری در صنایع مختلف پیدا نمودهاند. افزایش راندمان و بهبود شرایط کاری، همواره عنصری انگیزشی برای محققان بشمار میرود. در این مقاله بوسیله تعیین بهینه مقدار پارامترهای موتور PMSM و مقدار اندازه آهنربا، طراحی نوین و عملیاتی جهت ساخت یک سیستم محرک با قابلیتهای فراوان، ارائه میشود. در مرحله اول سیستم محرک بوسیله اجرائ محدو طراحی و بهینهسازی از لحاظ ابعاد هندسی شده . در مرحله دوم سیستم پیشرانه در فضاهای دو بعدی و سه بعدی نرمافزار Maxwell بصورت جامع طراحی، شبیهسازی و بهینهسازی مجدد شده. در مرحله سوم به تحلیل حالتهای الکترومغناطیسی، گذرا موتور مذکور و افزایش سرعت در راندمان بالا پرداخته شده و نتایج بدست آمده مورد بحث قرار گرفته شده است.
واژگان کلیدی: موتور -pmsm سیستم محرک - اجزای محدود - final element
1.مقدمه
در چند دهه اخیر پهبادها اهمیت فوق العادهای در امور تحقیقاتی پیدا کرده اند. برای دستیابی به سرعتهای بالا، سیستمهای رانش مختلفی در دنیا ساخته و ارائه شدهاند. یکی از متداولترین آنها استفاده از سیستم محرک با موتور الکتریکی مغناطیس دائم سنکرون که مجهز به اینورتر چهار فاز هستند .[1] این نوع سیستم رانش، دستیابی به سرعتهای بالا نظیر سرعتهایی تا 8500 دور بر دقیقه را در راندمان و گشتاور بسیار خوبی تامین مینماید و ضمن اینکه حجم و وزن بسیار پایینی نسبت به موتورهای الکتریکی مشابه خود که در دنیا در پهبادها استفاده میشود، دارند .[2]
موتورهای الکتریکی مغناطیس دائم سنکرون، موتورهای گردانی هستند که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل مینمایند. در این موتورها انرژی الکتریکی تحت فرم ولتاژ و جریان مستقیم ظاهر میگردد[3] الی .[6]
موتورهای مغناطیس دائم سنکرون از دو قسمت اصلی زیر تشکیل شدهاند. الف - قسمت ساکن به نام استاتور ب - قسمت گردان بنام آرمیچر یا القاء شونده - اندوئی - که عمل تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی در موتورها را انجام میدهد. بین قسمت ساکن و گردان فاصله هوایی وجود دارد.از جمله مزیتهای این موتورها: برتری چگالی وزن در واحد توان خروجی آن است. گشتاور الکترومغناطیسی موتورهای جریان مستقیم بدون جاربک در رقابت با موتورهای جریان متناوب با فرکانس متغییر، کنترل سرعت متغییر و دقیق همچنین بهرهمندی از منبع تغذیهی غیر ساکن مثل باتری اعتبار و محبوبیت موتورهای جریان مستقیم را در بسیاری از کاربردهای نظامی و صنعتی تحت تاثیر قرار داده است .[7]لازم به ذکر است که پارارمترهای گزارش شده از این سیستم رانش، با توجه به محدودیتها و ملزومات ارائه و گزارش شده است.
.2 محاسبه موتور الکتریکی مغناطیس دائم سنکرون به روش تحلیل اجزاء محدود
برای بررسی رفتار موتور جریان مستقیم به روشهای تحلیلی زیادی وجود دارد که میتوان به روش تفاضل محدود - FDM - ، روش اجزای محدود - FEM - و روش المان مرزی - BEM - اشاره کرد .[6] در این مقاله از روش اجرای محدود - FDM - استفاده شده است. میدان مغناطیسی در موتور الکتریکی توسط معادلات ماکسول به صورت زیر بیان میشود.در معادلات بالا، B چگالی شار میدان مغناطیس، H شدت میدان مغناطیس و j چگالی جریان و E میدان الکتریکی است. معمولا برای حل معادلات میدان باید آنها را بر حسب بردار پتانسیل A بیان کرد. در این صورت چگالی شار میدان مغناطیس B را میتوان بر حسب بردار پتانسیل A به صورت زیر نوشت.همچنین رابطه بین H و B به صورت زبر بیان میشود: - 5 -
که r ضریب مقاوت مغناطیس و مقدار آن 1rمیباشد. با جایگذاری معادلات - 4 - و - 5 - در معادله - 3 - ، معادله اساسی بردار پتانسیل برای میدان مغناطیسی به صورت زیر حاصل میشود.به دلیل اینکه نرمافزار Maxwell 3D توانایی حل معادلات الکترومغناطیسی و معادلات دینامیکی، مکانیکی را دارد، از این نرمافزار برای طراحی و تحلیل مدار مورد نظر استفاده شده است. برای تحلیل مدل در ابتدا سیستم یک مش اولیه ازمسئله ایجاد میکند و سپس پارامترهای مورد نیاز و تغییرات انرژی نسبت به مرحله قبل را محاسبه میکند. در مرحله بعد تغیرات انرزی را با درصد خطای انرژی مقایسه میکند.
اگر تغیرات انرژی کمتر از مقدار درصد خطای تعیین شده باشد فرایند حل میدان پایان مییابد در غیر اینصورت سیستم به مرحله بعد میرود و عناصر با بیشترین خطای انرژی پالایش میشود - به عناصر کوچکتر تقسیم شده - و مسئله دوباره حل میشود. سیستم این فرایند را تا زمانی که شرایط پایان برنامه حاصل شود ادامه میدهد. شکل - 1 - نمای دو بعدی موتور مغناطیس دائم سنکرون از روش اجزای محدود و تحلیل گره و مش میباشد. شکل - 2 - مدار درایو چهار فاز جهت استفاده در موتور مغناطیس دائم سنکرون را نمایش میدهد و شکل - 3 - نمای استاتور و سیمبندی موتور را نمایش میدهد.
