بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مهمترین مباحث مطرح شده در موتورهای الکتریکی جریان متناوب سهفاز آسنکرون، دستیابی به راندمان بالا، ریپل گشتاور بسیار پایین و همچنین گشتاور راهاندازی بالا میباشد. در این مقاله به طراحی و بهینهسازی موتور الکتریکی آسنکرون سهفاز و به بررسی مدارهای مغناطیسی و عملکرد این موتور در بار نامی پرداخته شده است. بوسیله تعیین بهینه مقدار پارامترهای موتور، طراحی نوین و عملیاتی جهت ساخت یک سیستم محرک با قابلیتهای فراوان ارائه شده است.
در مرحله اول موتور الکتریکی جریان متناوب آسنکرون سهفاز بوسیله تحلیل عددی طراحی و بهینهسازی شده است و بعد با استفاده از نرمافزار و به روش اجرای محدود و آنالیز فوریه مجددا طراحی شده است. در مرحله دوم موتور را در حالت دو بعدی و سه بعدی نرمافزار Maxwell بصورت جامع طراحی، شبیهسازی و بهینهسازی مجدد شده است. در مرحله سوم به تحلیل حالتهای الکترومغناطیسی، گذرا موتور مذکور پرداخته شده است و نتایج بدست آمده مورد بحث قرار گرفته شده است.
-1 مقدمه
موتورهای سنکرون، همانطور که از نامشان پیداست، سرعت چرخش میدان دوار استاتور و روتور با هم همیشه - حتی زیر بار - برابر هستند. این موتورها دارای سیم پیچ استاتور با تعداد زوج قطبهای معین است، اما بر خلاف روتور موتورهای آسنکرون، روتور این موتورها معمولاً در صنایع از آهنرباهای دائم استفاده شده است که تعداد این زوج قطبها نیز با تعداد زوج قطبهای استاتور برابر است
در این حالت با اتصال سیم پیچهای استاتور به برق 3 فاز و تولید میدان مغناطیسی دوار، قطبهای غیر همنام استاتور و روتور یکدیگر را جذب و به دنبال یکدیگر شروع به حرکت می نمایند. این رخداد باعث می شود تا سرعت چرخش روتور با سرعت چرخش میدان مغناطیسی دوار استاتور برابر باشد
به همین منظور می توان با تغییر فرکانس و تعداد زوج قطبها به سرعت دلخواه چندین هزار دور تا چند دور در دقیقه دست یافت . در صنعت آسانسور نیز این موتورها را به گونه ای می سازند تا سرعت و گشتاور مورد نیاز تأمین گردد. یعنی با بالا بردن تعداد زوج قطبها - مثلا 19 زوج قطب - و پایین آوردن فرکانس - مثلا 21 هرتز - موتورهایی تولید شد که سرعت چرخش شفت یا همان روتور آن کنترل شده و مناسب - مثلا 132 دور در دقیقه - خواهد بود. در این شرایط هم قدرت و هم سرعت مورد نظر تأمین شده است
-2 تحلیل موتور یونیورسال به روش اجرای 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، بر حسب بردار پتانسیل A به صورت زیر بیان شده است.
با جایگذاری معادلات - 8 - و - 9 - در معادله - 7 - ، 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 از مسئله 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.
-3 شبیهسازی مدل و نتایج
در این قسمت پس از اینکه پارامترهای بهینه شده موتور الکتریکی سهفاز آسنکرون بدست آورده شد، در نرمافزار ماکسول قرار گرفته و پس از بهینهسازی مجدد توسط نرمافزار، طرح مورد نظر، برای سه مقدار اندازه فاصله هوایی مختلف طراحی شده و به بررسی و تاثیر دو مدلشیار استاتور پرداخته شده است. شکل - 1 - نمای استاتور و مدل سیمبندی طرح را نمایش میدهد و شکل - 2 - شیار نوع اول و شکل - 3 - شیار نوع دوم نام دارد. تاثیر تغییرات در شکلهای - 4 - الی - 9 - قابل مشاهده است.
شکل : - 1 - نمای سیمبندی استاتور
