بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله پیشنهاد طراحی و بهینهسازی یک نمونه موتور 14431 وات جریان مستقیم، 230 ولت که با سرعت نامی 646 دور بر دقیقه و با تحریک مستقل با رویکرد در فناوریهای نوین علوم مهندسی ارائه میشود. اندازه یوغ استاتور در ماشینهای الکتریکی یک امر بسیار مهم در راندمان، برد و کاهش تلفات هسته میباشد. با انتخاب بهینه اندازه یوغ استاتور در طراحی موتورهای الکتریکی، میتوان راندمان خوبی دست یافت.
برای این منظور در مرحله اول این مقاله، محاسبات بصورت ریاضی و اجزای محدود صورت گرفته و پارامترهای استخراجی موتور طی چند جدول آورده شده است. در مرحله دوم پارامترهای بدست آمده از مرحله اول را در نرم افزار Maxwell قرار داده و شبیهسازی شده است. سپس اندازه یوغ استاتور، با اندازههای مختلف مورد آزمایش قرار گرقته شده است و در آخر نتایج بدست آمده را در فضای دو بعدی، سه بعدی و گذرا مورد بحث قرار گرفته شده است.
مقدمه
موتورهای جریان مستقیم، 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 .[1] موتورهای جریان مستقیم از دو قسمت اصلی زیر تشکیل شدهاند.
الف - قسمت ساکن به نام القاء کننده یا اندوکتور - استاتور - که فوران مغناطیسی را ایجاد مینماید که بر این قسمت ساکن قطبهای اصلی و قطبهای کمکی قرار میگیرند .
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 گشتاور الکترومغناطیسی موتورهای جریان مستقیم 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 تأثیر قرار داده است.
از جمله کاربردهای مهم این موتورها در صنعت، قایقهای و شناورهای و سایر کاربردهایی که نیازمند کنترل دقیق گشتاور و یا سرعت میباشد. در این مقاله یک موتور جریان مستقیم برای کاربردی خاص با رویکرد در مهندسی، علوم و تکنولوژی به روش اجرای محدود و تحلیل عددی طراحی و سپس با استفاده از نرمافزار ماکسول مورد تحلیل الکترومغناطیسی قرار گرفته است.
گلوگاههای طرح
· جهت دسترسی به یک موتور الکتریکی جریان مستقیم با راندمان بالا و فارق از نقاط اشباع الکترومغناطیسی، باید موتور دارای مدارهای مغناطیسی قوی باشد.
· طراحی و ساخت موتورهای الکتریکی جریان مستقیم با سرعت زیر 1000 دور بر دقیقه، مشکلاتی همچون افزایش قطب و به دنبال آن تداخل میدانی را در پی دارد. لذا برای رفع این مشکلات در موتورهای الکتریکی جریان مستقیم، در این مقاله به تشریح طراحی نوین در اندازه یوغ استاتور، در جهت افزایش راندمان پرداخته شده است. در این مقاله با استفاده از تجربیات گذشته و تکیه بر روابط عددی و روش تحلیل عددی، به یک طراحی جامعی در خصوص موتور الکتریکی جریان مستقیم رسیده میشود که تمامی موانعی که در بالا ذکر شد را مرتفع میسازد.
ابتدا طرح، به روش تحلیل عددی و با استفاده از منابع علمی موجود طراحی و بهینهسازی میشود. در مرحله بعد پارامترهای استخراجی بهینه شده در یکی از تخصصیترین نرمافزارهای طراحی موتور روز دنیا قرار میگیرد و طرح در فضای دینامیکی و به روش اجراء محدود، طراحی و مجددا بهینهسازی میشود. سپس طرح در فضای دو بعدی و سه بعدی طراحی میشود. در آخر پارامترهای بهینه شده حاصل از چند مرحله شبیهسازی استخراج و با مدلهای مشابه خارجی که در دنیا طراحی و ساخته شده است، مقایسه میشود. طرح ارائه شده اکثر نقصهای موجود را رفع نموده و به تمامی آنها برتری داشت.
روش تحلیل ریاضی
برخی معادلات اصلی برای طراحی موتور جریان مستقیم با تحریک مستقل با روابط - 1 - الی - 4 - آورده شده است .[1] در روابط - 1 - الی - 4 - داریم: :D قطر خارجی روتور، :L طول روتور میباشد. حال اگر ماشین دارای سرعت زیاد باشد طول آن میتواند بزرگتر و قطر آن کوچکتر و در صورتی که سرعت ماشین پایینتر باشد طولش کوتاه و قطرش بزرگ میگردد، :Pe قدرت الکترومغناطیسی موتور، :B چگالی شار موتور میباشد که بنا به کارکرد موتور، رنج مختلفی دارد که در این موتور 0,6 منظور شده است، 3.1415 ، :N تعداد دور موتور در یک دقیقه، :Be اندوکسیون در فاصله هوایی، :A بار گذاری الکتریکی موتور بر حسب آمپر- هادی بر متر، :i جریان نامی، :Pout توان نامی، :V ولتاژ نامی، : راندمان که در موتور- های جریان مستقیم میباشد، :P تعداد زوج قطب، : اندازه قوس گام قطبی است و برابر با 600 تا 200 میلیمتر میباشد .[1]
مدار معادل یک موتور جریان مستقیم در شکل - 2 - آورده شده است. مدار آرمیچر شامل یک منبع ولتاژ ایده آل Ea و یک مقاومت Ra .است. افت ولتاژ جاروبک توسط باتری Vb در خلاف جهت پخش جریان Ia در ماشین مدل سازی شده است .مدار معادل میدان با یک مقاومت خارجی Rd - جهت کنترل مقدار جریان - و یک مقاومت داخلی Rf همراه با اندوکتانس Lf معادل سازی شده است .
تحلیل موتور جریان مستقیم 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 .[7-5] در این مقاله از روش اجرای محدود - FDM - استفاده شده است.
