بخشی از مقاله
چکیده -
امروزه استفاده از موتورهای مغناطیسدائم به دلیل مزایایی که دارند روز به روز بیشتر شده است. به دلیل اینکه ماهیت موتور یک مسئلهی مغناطیسی و غیر خطی میباشد در طراحی موتورهای الکتریکی، پس از طراحی موتور با استفاده از روش تحلیلی، با استفاده از نرم افزار های المان محدود موتور مورد بهسازی قرار میگیرد.
هدف از این مقاله طراحی و بهسازی یک موتور مغناطیس دائم سطحی با سیم بندی متمرکز بدون همپوشانی میباشد. به دلیل استفاده از آهنربا در ساختار این موتورها، ابعاد و اندازه هندسی قطب های روتور که تولید کننده میدان مغناطیسی اصلی در این موتورها میباشند، در تولید ریپل گشتاور سهم زیادی دارند. بنابراین تعیین ابعاد بهینه این پارامترها برای کاهش ریپل گشتاور با استفاده از نرم افزار المان محدود مکسول مورد استفاده قرار گرفته شده است.
با استفاده از بهسازی ابعاد هندسی قطبهای روتور با هدف کاهش ریپل گشتاور خروجی، موتور مورد بهسازی قرار گرفته است. در شبیه سازی موتور اولیه میزان ریپل گشتاور خروجی تحت بار کامل حدود 8/59 درصد میباشد و پس از بهسازی ریپل گشتاور خروجی موتور 3/75 درصد شده است. این کاهش ریپل گشتاور خروجی نشان دهنده تأثیر زیاد ابعاد هندسی قطب های روتور در ایجاد ریپل گشتاور میباشد.
-1مقدمه
یکی از مهمترین پارامترها در بحث انتخاب یک موتور الکتریکی برای کاربرد در صنایع و کارخانجات، بحث بالا بودن بازده موتور با شد .[3-1]در صنعت، بارهایی وجود دارندکه دارای ح سا سیت ب سیار زیاد ن سبت به تغییرات سرعت و ریپل گ شتاور میباشند و باید موتورهای الکتریکی به کار برده شده برای اینگونه بارها، از کیفیت بالایی برخوردار باشد
هر چه حجم موتورهای الکتریکی کم باشد استفاده از آنها در صنایع مختلف تسهیل میشود .[8] در مقایسه با موتورهای ال قایی و DC موتورهای مغ ناطیسدائم دارای مزا یای بیشتر و معایب کمتری میبا شند. مزایای از قبیل راندمان بالاتر در سرعت نامی، کنترل سرعت آسانتر و راندمان بالا در سرعتهای پایین باعث شده امروزه ا ستفاده از موتورهای مغناطیسدائم در صنایع مختلف روند ر شد سریعی دا شته با شد. به دلیل ا ستفاده از مواد مغناطیسدائم در ساختار این نوع از موتورها دیگر نیاز به سیم پیچی تحریک یا - در مقای سه با موتورهای - DC و یا قفس یا سیم روتور سیم پیچی شده - در مقای سه با موتورهای القایی - نمیباشد و این امر باعث شده به یکی از مهمترین پارامترها در بحث انتخاب یک موتور الکتریکی برای کاربرد در صنایع و کارخانجات، بحث بالا بودن بازده موتور باشد
در صنعت، بارهایی وجود دارندکه دارای حساسیت بسیار زیاد نسبت به تغییرات سرعت و ریپل گشتاور میباشند و باید موتورهای الکتریکی به کار برده شده برای اینگونه بارها، از کیفیت بالایی برخوردار باشد [7-4] دلیل حذف جریان مورد نیاز برای ساخت میدان در ماشین راندمان این موتورها در مقایسه با دیگر موتورها افزایش یابد. امروزه انواع مختلفی از موتورهای مغناطیسدائم نظیر موتورهای مغناطیس دائم شار شعاعی سطحی، داخلی و موتورهای شار محوری و شار متقاطع ساخته میشود که پرکاربردترین آنها موتورهای مغناطیس دائم شار شعاعی سطحی میباشد.
دلیل محبوبیت این نوع از موتورهای مغناطیس دائم سادگی فرآیند ساخت و هزینه کم این موتورها میباشد. با توجه به تعداد قطب و شیارهای روتور و استاتور و نوع سیم بندی استاتور، موتورهای مغناطیس دائم سطحی به دو نوع عمده شیار کامل و شیار کسری تقسیم بندی میشوند. موتورهای شیار کسری دارای مزایای نسبت به موتورهای با شیار کامل میباشند که مهمترین آنها کاهش گشتاور خزشی و ریپل گشتاور مغناطیسی تولیدی در موتور میباشد.
طی چند سال اخیر موتورهای شیار کسری با گام شیار یک مورد توجه محققان قرار گرفته شده است و به دلیل سادگی ساخت، قیمت بسیار ارزان، و تلفات سیم پیچی کم به صورت چشمگیری در صنایع مختلف به خصوص لوازم خانگی، توربینهای بادی و خودروهای الکتریکی مورد استفاده قرار گرفته شده است. در اینگونه از موتورها غالباً تعداد قطب و شیار نزدیک به هم میباشد که باعث میشود گام سیم پیچی یک شود و سیم پیچی انتهایی موتور به شدت کاهش یابد. همچنین به دلیل گام سیم پیچی یک و کاهش میزان سیم مصرفی در موتور، سیم پیچی با ماشینهای خودکار به راحتی انجام میشود و هزینهی ساخت موتور نیز به شدت کاهش مییابد.
هدف اصلی این مقاله، طراحی یک موتور سنکرون مغناطیس دائم سطحی با سیم پیچی شیار کسری بدون همپوشانی - گام یک - با توان حدود یک کیلو وات و سرعت350 دور در دقیقه میباشد. از این موتور می توان در دوچرخههای الکتریکی و یا لوازم خانگی نظیر لباس شوئی استفاده نمود. همچنین به دلیل قابلیت ساده ژنراتوری شدن این موتورها، از این موتور میتوان به عنوان یک ژنراتور بادی بدون نیاز به گیربکس نیز استفاده نمود.
-2مدلسازی
درش کل 1 ن مای از یک موتور مغ ناطیس دائم همراه با پارامترهای هندسی آن نشان داده شده است. هدف از طراحی موتور یافتن پارامتر های م کانیکی و الکتریکی بهی نهی موتور بر اساس دادههای ورودی و مشخصات نامی موتور میباشد. ورودیهای مسئله طراحی عبارتند از توان نامی، سرعت نامی، ولتاژ موتور و راندمان و پارامترهای خروجی عبارتند از پارامترهای هند سی موتور نظیر قطر و طول روتور و ا ستاتور، تعداد قطبها و شیارها، م شخ صات شیارها و پارامترهای الکتریکی و مغناطی سی عبارتند از نوع سیم بندی و مشخصات مربوط به قطبها و آهنرباهای روتور.
شکل :1 موتور مغناطیس دائم روتور داخلی
به طور خلاصه گشتاور ماشینهای الکتریکی به ابعاد مکانیکی موتور به خصوص قطر و طول استک آن، میزان چگالی شار فاصله هوایی و همچنین میزان نیرو محرکه مغناطیسی - آمپر دور - تولیدی توسط استاتور ماشین بستگی دارد. بنابراین پس از انتخاب قطب و شیار منا سب و توپولوژی کلی ما شین و نوع سیم بندی آن مهمترین مسئله مشخص کردن ابعاد فیزیکی ماشین بر اساس میزان گشتاور مورد نیاز آن میباشد. رابطه بین گشتاور خروجی، سرعت و توان ماشین به صورت رابطه 1 بیان میشود:
گشتاور تولیدی متوسط بر اثر برهمکنش مولفههای اصلی نیرو محرکههای روتور و استاتور تولید میشوند و سایر هارمونیکها تنها باعث ایجاد گشتاورهای میشوند که متوسط آنها صفر بوده و در واقع یک گشتاور نوسانی را تولید میکنند که بر روی متوسط گشتاور تولیدی سوار خواهد شد.
مجموع ریپل گشتاور الکترومغناطیسی تولیدی و گشتاور خزشی ریپل کل گ شتاور ماشین را بوجود میآورند. در موتورها و ژنراتورها باید تا جای ممکن ریپل گشتاور کم باشد زیرا ریپل گشتاور یکی از منابع نویز و ارتعاشات در موتور میباشد. با استفاده از میزان متوسط گشتاور، ماکزیمم و مینیمم آن ریپل گشتاور کلی مطابق با رابطه 2 قابل محاسبه میباشد.
فرکانس گشتاور خزشی تولیدی در موتورهای مغناطیس دائم به تعداد قطب و شیار بستگی دارد. رابطه 3 بیان کننده رابطه بین فرکانس گشتاور خزشی و تعداد قطب و شیار موتور میباشد
-3طراحی
برای طراحی موتور با توجه به روابط آورده شده در [1]، [12] و [13] یک ام فایل در نرم افزار متلب نوشته شده است که ورودیهای این برنامه مشخصات نامی موتور و قیود طراحی و خروجیهای آن مشخصات مکانیکی، الکتریکی و ابعاد هندسی موتور میباشد.
پس از طراحی موتورهای الکتریکی به روش تحلیلی و مشخص شدن پارامترهای الکتریکی، مکانیکی و هندسی آن، موتور طراحی شده توسط نرم افزارهای که تحلیل المان محدود انجام میدهند مورد بررسی و آنالیز قرار میگیرند. دلیل این امر این است که بسیاری از پارامترهای ماشین را نمیتوان توسط روابط تحلیلی بیان نمود و یا این کار بسیار مشکل میباشد.
به عنوان نمونه گشتاور خزشی در موتورها و ژنراتورهای مغناطیس دائم از اهمیت بسیار بالایی برخوردار میباشد و باید میزان گشتاور خزشی موتور مشخص شود. بدست آوردن گشتاور خزشی توسط روابط تحلیلی م ستلزم نو شتن تابع پرمیانس فا صله هوایی و نیرو محرکه مغناطیسی تولیدی توسط روتور میباشد که کاری بسیار دشوار است که در ضمن دقیق نیز نمیباشد. بنابراین برای بدست آوردن آن از روش آنالیز المان محدود استفاده میشود. غالباً موتورهای که طراحی می شوند بسته به هدف طراح برای آنالیز به صورت های مختلفی مورد تحلیل المان محدود قرار میگیرند
مهمترین آنالیزهای المان محدود که برای موتورها و ژنراتورهای مغ ناطیس دائم مورد است فاده قرار میگیرد آ نالیز بی باری و بارداری میباشد. آنالیز بیباری برای بدست آوردن گشتاور خزشی، توزیع چگالی میدان مغناطیسی در سطح موتور، چگالی شار فاصله هوایی و ولتاژ القایی در سیم پیچیها میبا شد. آنالیز بارداری که غالباً در بار نامی انجام میشود نیز بیشتر برای بررسی توزیع چگالی میدان مغناطیسی در سطح روتور و گشتاور تولیدی موتور میباشد.
آنالیز المان محدود به صورت دو بعدی و سه بعدی انجام میپذیرد. در م سائلی که دارای تقارن در یک بعد ه ستند اغلب از آنالیز دو بعدی استفاده میشود زیرا زمان اجرای تحلیل سه بعدی بسیار زیاد میباشد. در موتورهای الکتریکی به دلیل تقارن در طول موتور بیشتر موتورها به صورت دو بعدی مورد آنالیز قرار می گیرند.
برای شبیه سازی مسائل الکترومغناطیسی و تحلیل موتورهای الکتریکی نرم افزارهای متعددی توسط شرکتهای مختلفی مانند Maxwell, Altair Flux, Jmag نوشته شده و مورد ا ستفاده قرار میگیرد. نرم افزار مورد ا ستفاده برای شبیه سازی موتور مورد نظر در این مقاله نرم افزار مکسول - - Ansoft Maxwell ساخت شرکت Ansys آمریکا می باشد که یکی از بهترین نرم افزارها در این زمینه میباشد. به دلیل اینکه در مسئله طراحی موتور کارکرد موتور تحت شرایط دائمی مورد نظر میباشد، بنابراین برای شبیه سازی، قسمت گذرای مربوط به راه اندازی موتور مورد شبیه سازی قرار نمی گیرد و فرض می شود موتور به حالت دائمی کارکرد با سرعت ثابت رسیده است؛ در این حالت به موتور جریان های سه فاز تغذیه اعمال میشود و تحت این شرایط گشتاور تولیدی موتور مورد بررسی قرار می گیرد.
-4شبیهسازی
سه متغیر زاویه اسپن، ضخامت و اندازه کنارههای مگنت برای بررسی نقش آنها در گشتاور قابل تعریف میباشد. در موتور طراحی شده ضخامت آهنربا10 میلیمتر، زاویه مکانیکی اسپن مگنت 20 درجه و میزان ضخامت کنارههای مگنت 10 میلیمتر میباشد. در واقع در موتور طراحی شده به روش تحلیلی ضخامت مگنت در کل اسپن آن ثابت میباشد.
-4-1 آنالیز حساسیت در حالت بی باری
در این حالت به سیم پیچی های موتور هیچگونه جریانی اعمال نمیشود و تنها آنالیز حساسیت گشتاور به پارامتر های گفته شده در این حالت انجام میشود. در این حالت در هر استپ آنالیز حساسیت موتور یک بار در حالت بی باری شبیه سازی میشود و نتایج آن ا ستخراج میگردد
