بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله یک موتور شار محوری آهنربا دائم بر اساس الگوریتم چندهدفه طراحی میشود تا در خودرو الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد. عملکرد موتور شار محوری آهنربا دائم به مقدار پارامترهای آن بستگیدارد. اساساً بهینهسازی پارامترهای موتور یک مسئله بهینهسازی چندهدفه است. موتور الکتریکی مورد استفاده در وسایل زمینی باید دارای ویژگیهای مانند گشتاور بالا، راندمان بالا و حجم کم باشد تا نیازهای خودروهای الکتریکی را برآورده کند.
به دلیل اینکه اهداف طراحی مانند راندمان و چگالی توان با یکدیگر نسب معکوس دارند بهمنظور بهینهسازی از الگوریتم بهینهسازی ژنتیک چندهدفه استفاده میشود. ابتدا موتور با استفاده از الگوریتم طراحی و بهینهسازی چندهدفه طراحی میشود و سپس با استفاده از جبهه پرتو بدست آمده از الگوریتم بهینه سازی نقطه بهینه موردنظر تعیین میشود. بهمنظور اعتبار سنجی الگوریتم طراحی از تجزیه و تحلیل اجزا محدود استفاده میشود. در این مقاله یک موتور شار محوری آهنربا دائم با توان خروجی 9/250 کیلووات و سرعت 1800 دور بر دقیقه بهمنظور استفاده در وسایل زمینی فرودگاه - Ground Power Unit - طراحی و شبیهسازی میشود.
-1 مقدمه
افزایش تعداد اتومبیلها و پیشرفت صنعت اتومبیلسازی باعث افزایش میزان سطح دیاکسید کربن موجود در هوا شده است. افزایش شدید گازهای گلخانهای و استاندارهای راندمان سوخت باعث شده است که به سمت گسترش امنیت، پاکیزگی و افزایش راندمان وسایل حمل و نقل عمومی حرکت شود .[1] هنگامی که هواپیما روی زمین است و موتورها خاموش باشند، جهت کارهای زمینی، نگهداری و سرویس هواپیما از یک دستگاه جانبی زمینی با نام واحد توان خارجی استفاده میشود.
انرژی الکتریکی تولید شده توسط واحد توان خارجی کاملاً با مشخصات انرژی الکتریکی تولیدی توسط ژنراتورهای هواپیما مطابقت دارد. این دستگاه کاملا به مانند دستگاه انرژی الکتریکی کمکی - APU - می باشد با این تفاوت که دستگاه انرژی الکتریکی خارجی از لحاظ ابعاد و اندازه خیلی بزرگتر از دستگاه انرژی الکتریکی کمکی میباشد. همچنین این دستگاه جزو تجهیزات و وسایل زمینی بوده و جزو متعلقات داخلی هواپیما نیست و قابل جابجایی بر روی زمین میباشد در حالی که دستگاه انرژی الکتریکی کمکی - اضطراری - جزو قطعات داخلی هواپیما میباشد. از این دستگاه برای روشن نمودن موتور هواپیما، و یا زمانهایی که روی زمین نیاز به انرژی الکتریکی داریم استفاده میشود. در صورتی که دستگاه انرژی الکتریکی کمکی را در هر زمانی و در هر شرایطی در طول پرواز و یا بر روی زمین میتوان روشن نمود و استفاده کرد.
در حال حاضر وسایل حمل نقل الکتریکی، سوخت ترکیبی و پیل سوختی معرفیشده است که این نوع خودروها باعث شده چشمانداز امید بخشی برای آینده به وجود بیاید .[2] خودروهای الکتریکی نسبت به خودروهای احتراق داخلی دارای برتریهای مانند آلودگی کمتر، راندمان بالا، عدم وابستگی به سوخت فسیلی و کارکرد آرام و نرم است. عملکرد خودروهای الکتریکی و احتراق داخلی تقریباً مشابه هم هستند. تفاوت اساسی بین خودروهای الکتریکی و احتراق داخلی نوع سوخت مورد استفاده در آنها میباشد. در خودروهای الکتریکی تانکر سوخت مرسوم با باتری و موتور احتراقی با موتور الکتریکی جایگزین میشود .[3]
گشتاور تولید شده به وسیله موتور الکتریکی با استفاده سیستم جعبهدنده و یا اتصال مستقیم به چرخ خودرو منتقل میشود. ویژگیهای مورد انتظار از موتورهای که در اتصال مستقیم و یا غیرمستقیم - سیستم جعبهدنده - استفاده میشوند با یکدیگر متفاوت است.[5] [4] موتورهای که بهمنظور اتصال مستقیم طراحی میشوند باید نیازهای خودرو مانند گشتاور بالا، شتابگیری سریع را تأمین کنند. با توجه به اتصال مستقیم موتور الکتریکی با چرخ خودرو، حداکثر سرعت خودرو به سرعت موتور و قطر خارجی چرخ بستگی دارد .[2]
موتورهای که از جعبهدنده برای انتقال گشتاور به چرخها استفاده میکنند نیازی به تولید گشتاور خیلی بزرگی ندارند چون گشتاور با استفاده از سیستم جعبهدنده افزایش پیدا می-کند. این موتورها دارای سرعتهای بسیار بیشتری نسبت به موتورها با اتصال مستقیم هستند .[2] موتورهای که از جعبهدنده برای انتقال گشتاور به چرخ خودرو استفاده میکنند دارای تلفات بیشتری نسبت به موتورها با اتصال مستقیم هستند که این امر باعث کاهش مسافت طی شده خودرو در یکبار سوختگیری میشود.
موتورهای آهنربا دائم از آهنربا دائم بهعنوان سیستم تحریک استفاده میکنند. به دلیل چگالی انرژی بالای آهنربا دائم، حجم این نوع موتور در یک سرعت و توان خاص نسبت به موتورهای القایی و DC کمتر است .[6] در رتور موتورهای آهنربا دائم هیچگونه مدار و جریانی وجود ندارد بنابراین دمای رتور بیش از حد افزایش پیدا نمیکند وتقریباً تمامی حرارت تولید شده در موتورهای آهنربا دائم در استاتور ایجاد میشود. خنکسازی استاتور به دلیل اسکان بودن بسیار سادهتر از خنکسازی رتور است.
از طرف دیگر به دلیل سیمپیچی نبودن رتور، تلفات مسی نیز کاهش پیدا میکند .[2] این نوع موتورها فاقد حلقههای لغزنده هستند که این امر باعث کاهش هزینههای نگهداری و تلفات میشود. بهطورکلی میتوان گفت موتور شار محوری دارای ویژگیها مانند راندمان بالا، چگالی گشتاور بالا، کنترل راحت، خنکسازی بهتر، هزینه نگهداری پایین، طول عمر بالا و نویز کم را دارند [8] [7] که این ویژگیها برای یک خودرو الکتریکی بسیار مطلوب است. در مرجع [7] به طراحی بهینه ماشین AFPM شیاردار با استفاده از الگوریتم بهینهسازی ژنتیک - GA - و معادلات اندازه پرداخته شده است که تابع هدف بهینهسازی آن حداکثر سازی چگالی توان ماشین میباشد.
به دلیل شیاردار بودن هسته استاتور، شار فاصله هوایی و Back EMF ایجاد شده از حالت سینوسی خارج میشوند یا به عبارت دیگر میزان THD آن افزایش مییابد. در این مقاله تأثیر میزان مورب کردن آهنربای دائم بر کاهش THD شار فاصله هوایی و Back EMF ایجاد شده مورد بررسی قرار میگیرد. نتایج نشان میدهد که با افزایش میزان مورب بودن آهنربای دائم ابتدا باعث کاهش و سپس باعث افزایش میزان THD شار فاصله هوایی و میشود.
در مرجع [8] یک ماشین AFPM شیاردار خود راهانداز طراحی و ساختهشده است. موتورهای سنکرون به دلیل نداشتن گشتاور راهاندازی به یک راهانداز اولیه نیاز دارند. در این مقاله با ایجاد یک لبه در قطر داخلی و خارجی روتور که میتواند کله سیمهای موجود در استاتور را پوشش دهد، یک موتور القایی ایجاد شده است. این موتور القایی ایجاد شده مانند یک راهانداز عمل میکند. طبق نتایج این مقاله، اگر گشتاور بار موتور، از گشتاور نامی موتور بیشتر شود، موتور راهاندازی شده ولی در سرعت سنکرون همگرا نمیشود و با اختلاف زیادی در حدود آن نوسان میکند.
در مرجع [9] به بررسی تأثیر اشکال مختلف آهنربای دائم بر نوسانات گشتاور خروجی پرداخته شده است. نتایج حاصل نشان میدهد که مقدار نوسانات گشتاور در اشکال مختلف آهنربای دائم به میزان مورب بودن آهنربای دائم و نسبت قوس آهنربای دائم به گام قطب بستگی دارد. اگر میزان مورب بودن آهنربای دائم 9 درجه الکتریکی و میزان قوس آهنربای دائم به گام قطب 0/6868 باشد حداقل نوسانات گشتاور در ماشینهای الکتریکی با اشکال مختلف آهنربای دائم اتفاق میافتد.
در مرجع [10] تأثیر سرعت بر تلفات بیباری و راههای کاهش نوسانات گشتاور بررسی شده است. نتایج آزمایشها نشان میدهد که با افزایش سرعت، تلفات بیباری ماشین به شدت افزایش پیدا میکنند که این پدیده به دلیل افزایش تلفات اصطکاک، هیسترزیس و فوکو میباشد. برای کاهش نوسانات گشتاور از دو روش مورب کردن آهنربای دائم و ایجاد اختلاف زاویه بین دو دیسک روتور استفاده شده است. با توجه به نتایج آزمایشهای انجام شده، افزایش میزان مورب بودن آهنربای دائم ابتدا باعث کاهش نوسانات گشتاور و سپس باعث افزایش آن خواهد شد. این تغییرات تأثیری بر دامنه مؤلفه اصلی Back EMF ندارد. یکی دیگر از روشهای کاهش میزان THD که در این مقاله معرفیشده ایجاد اختلاف زاویهی الکتریکی بین دو روتور است که باعث کاهش میزان THD در Back EMF القایی میشود.
در این مقاله از موتور شار محوری یک استاتور و دو رتور استفاده میشود تا بدین صورت بتوان راندمان را در سرعتها و بارهای مختلف تقریباً ثابت نگاه داشت. برای ساده سازی انتخاب نقطه بهینه موتور الکتریکی مورد استفاده در خودرو الکتریکی از جبهه پرتو بدست آمده از الگوریتم طراحی و بهینهسازی ژنتیک چندهدفه استفاده میشود. بدین ترتیب از معادلات اندازه ماشین الکتریکی شار محوری مغناطیس دائم و الگوریتم بهینهسازی ژنتیک چندهدفه موتور شار محوری مغناطیس دائم با توان 9/250 کیلووات و سرعت 1800 دور بر دقیقه برای استفاده در خودرو الکتریکی طراحی میشود.
-2 موتورهای شار محوری مغناطیس دائم
موتورهای الکتریکی به توجه به نوع حرکت شار فاصله هوایی به دو دسته شار محوری و شار شعاعی تقسیمبندی میشوند. در دهه اخیر موتورهای شار محوری به دلیل ساختار دیسکی و چگالی توان بیشتر موردتوجه قرار گرفتهاند.[7] ساختار دیسکی باعث شده که موتور الکتریکی بهراحتی با چرخ خودرو الکتریکی اتصال مستقیم برقرار کند و همچنین بتوان تعداد لایههای رتور و استاتور را به توجه به نیاز و کاربرد کاهش و یا افزایش داد. موتورهای آهنربا دائم شار محوری دارای ویژگیهای مانند راندمان بالا، چگالی توان بالا، خنکسازی راحتتر، کنترل آسانتر نسبت به موتورهای DC، هزینه نگهداری پایین، طول عمر بالا، قابلیت اطمینان و نویز کم اشاره کرد .[8] [2] یکی از معایب قابلتوجه این نوع موتور هزینه بالا آهنربا دائم است که باعث افزایش قیمت اولیه موتور میشود.
-3 طراحی موتور شار محوری مغناطیس دائم
طراحی و ساخت ماشینهای الکتریکی برای استفاده در یک کاربرد خاص همواره یکی از چالشهای مهم در بکارگیری ماشینهای الکتریکی بوده است. انتخاب و طراحی یک ساختار برای یک کاربرد خاص، دارای پیچیدگیهای فراوانی است. با توجه به پیچیدگیهای موجود، باید سیستمی که موتور الکتریکی قرار است در آن استفاده شود بطور کامل شناسایی و بررسی گردد تا مناسبترین ساختار انتخاب شود و براساس محدودیتها و خواستههای کارفرما طراحی انجام شود.
موتورهای الکتریکی بهمنظور استفاده در یک سرعت و توان خروجی معین طراحی و ساخته میشوند. اگر موتورهای الکتریکی در کسری از سرعت و یا توان نامی بکار گرفته شوند ویژگی عملکردی موتور بهخصوص راندمان کاهش پیدا میکند .[7] [6] موتور طراحی شده برای استفاده در خودرو الکتریکی برای حداکثر سرعت 160 - کیلومتر بر ساعت - [2] و حداکثر توان موردنیاز طراحی و ساخته میشود. خودرو الکتریکی یکبار اصطکاکی برای موتور محسوب میشود یا به عبارت دیگر با تغییر سرعت موتور توان خروجی موتور نیز تغییر پیدا میکند.
با توجه به مطالب بیانشده و اینکه سرعت پایه خودرو موردنظر تقریباً 80 کیلومتر بر ساعت است، موتور طراحی شده در اکثر اوقات در کسری از سرعت و توان نامی خود کار میکند که باعث کاهش راندمان موتور و در نتیجه کاهش راندمان سیستم می-شود. در این مقاله برای جلوگیری از این کاهش راندمان از موتور شار محوری دو رتور و یک استاتور استفاده میشود. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است این موتور از اتصال محوری دو موتور شار محوری یک رتور و یک استاتور - لایه - ساختهشده است.
