بخشی از مقاله
چکیده
افزایش توان و بهبود راندمان موتورهاي الکتریکی جریان مستقیم بدون جاروبک استفاده امکان افزایش تواتایی و برد و اجراي ماموریتهاي طولانیتر را به همراه دارد. این امر با بررسی دقیق و موشکافانه مدارهاي مغناطیسی و همچنین تعیین پارامترهاي بهینه در طراحی موتور جریان مستقیم بدون جاروبک محقق خواهد شد . براي آنکه محرك مناسبی براي تعیین یک ماموریت یا کاربرد خاص انتخاب شود ابتدا بایستی اطلاعات کاملی از نیازهاي بار موتور در دست باشد. سپس موتوري با مشخصههاي سرعت، گشتاور و جریان متناسب با نیازهاي بار موتور انتخاب میشود .
استفاده از موتورهایی با راندمان بالا همچون موتورهاي جریان مستقیم بدون جاروبک مغناطیس دائم، چشم انداز روشنی در قابلیت برد توانایی آنها دارند . موتورهاي آهنربا دائم بدون جاروبک به دلیل راندمان بالا و چگالی توان بالایی که دارند جاي خود را به سرعت در صنایع مختلف باز کردهاند و به صورت گستردهایی مورد استفاده بالایی قرار گرفتهاند. در این مقاله به بررسی اثر اندازه فاصله هوایی موتور جریان مستقیم بدون جاروبک در بهینهسازي طراحی مدارهاي مغناطیسی سیستم پرداخته شده است.
-1 مقدمه
موتورهاي جریان مستقیم بدون جاروبک، موتورهاي گردانی هستند که انرژي الکتریکی را به انرژي مکانیکی تبدیل مینمایند. در این موتورها انرژي الکتریکی تحت فرم ولتاژ و جریان مستقیم ظاهر میگردد[1] الی .[3] موتورهاي جریان مستقیم بدون جاروبک 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 انرژي الکتریکی به انرژي مکانیکی در موتورها را انجام میدهد. بین قسمت ساکن و گردان فاصله هوایی وجود دارد.
از جمله مزیتهاي این موتورها: برتري چگالی وزن در واحد توان خروجی آن است. گشتاور الکترومغناطیسی موتورهاي جریان مستقیم بدون جاربک در رقابت با موتورهاي جریان متناوب با فرکانس متغییر، کنترل سرعت متغییر و دقیق همچنین بهرهمندي از منبع تغذیهي غیر ساکن مثل باتري اعتبار و محبوبیت موتورهاي جریان مستقیم را در بسیاري از کاربردهاي نظامی و صنعتی تحت تاثیر قرار داده است .[4] از جمله کاربردهاي مهم این موتورها در پهبادهاي نظامی، قایقهاي شناور نظامی و دفاعی، و سایر کاربردهایی که نیازمند کنترل دقیق گشتاور و یا سرعت میباشد
به طور کلی موتورهاي آهنربا دائم بدون جاروبک را با توجه به نوع تغذیه میتوان در دو مد کاري تقسیمبندي نمود به نحوي که اگر این موتورها با ولتاژ سینوسی و جریان سینوسی تغذیه گردند آنها را - Brash Less Alternating Carrent - BLAC و اگر با ولتاژ ذوزنقهاي و جریان مستطیلی تغذیه گردند آنها را - Brash Less Direct Carrent - BLDC مینامند
در مد کاري BLDC نیازي به دانستن مقدار لحظهایی موقیعت روتور نبوده و میتوان از سه سنسور وضعیت از نوع اثر هال که در فواصل 120 درجه نسبت به یکدیگر قرار گرفتهاند استفاده نمود. علاوه بر این محاسبات و عمل کنترلی در این نوع موتور نسبت به نوع سینوسی بسیار سادهتر میباشد و در چگالی شار و اندازه یکسان براي هر دو نوع موتور ذوزنقهایی و سینوسی، نوع ذوزنقهاي به مقدار 15 درصد گشتاور بیشتري تولید میکند. اما از طرف دیگر بدلیل همپوشانی کموتاسیون فازها، ریپل گشتاور در این نوع بیشتر از نوع سینوسی است .[10] چگالی توان بالا، حجم و وزن کم از جمله پارامترهاي مهم جهت استفاده از موتورهاي الکتریکی در سیستمهاي پیشران الکتریکی میباشند.
-2 محاسبه ژنراتور الکتریکی مغناطیس دائم سنکرون به روش تحلیل اجزاء محدود
براي بررسی رفتار موتور جریان مستقیم به روشهاي تحلیلی زیادي وجود دارد که میتوان به روش تفاضل محدود - FDM - ، روش اجزاي محدود - FEM - و روش المان مرزي - BEM - اشاره کرد 3] و .[4 در این مقاله از روش اجراي 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 وj چگالی جریان و E میدان الکتریکی است. معمولا براي 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.
با جایگذاري معادلات - 4 - و - 5 - در معادله - 3 - ، معادله اساسی بردار پتانسیل براي 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 براي طراحی و تحلیل مدار مورد نظر استفاده شده است. براي تحلیل مدل در ابتدا سیستم یک مش اولیه از مسئله ایجاد میکند و سپس پارامترهاي مورد نیاز و تغییرات انرژي نسبت به مرحله قبل را محاسبه میکند. در مرحله بعد تغیرات انرزي را با درصد خطاي انرژي مقایسه میکند. اگر تغیرات انرژي کمتر از مقدار درصد خطاي تعیین شده باشد فرایند حل میدان پایان مییابد در غیر اینصورت سیستم به مرحله بعد میرود و عناصر با بیشترین خطاي انرژي 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 - الگوریتم طراحی و بهینهسازي ژنراتور در نرمافزار ماکسول را نمایش میدهد.
-3 پارامترهاي استخراجی مدل
در این بخش پارامترهاي اصلی طرح پیشنهادي و قوانین عمومی مربوط به ابعاد، شرح داده شده است.
الف - دادههاي مدل
پارامترهاي اصلی یک موتور عبارتنداز: قدرت مفید، تعداد دور موتور و ولتاژ خروجی است. نکته دیگري که باز بدان باید توجه کرد موضوع کار ماشین در قدرتی بالاتر از قدرت نامی یا پایینتر از قدرت نامی میباشد که اگر در محاسبات ملاحظه و رعایت حالت را نماییم در اینصورت ابعاد ماشین بزرگتر و قیمت آن افزونتر خواهد شد. و چنانچه حالت دوم - قدرتی پاییتتر از قدرت نامی - را در نظر بگیریم، با ابعاد کوچکتري سر و کار خواهیم داشت که موتور محاسبه شده در این ابعاد وقتی با قدرت نامی معین کار نماید درجه گرماي موتور آنقدر افزایش خواهد یافت که از درجه حرارت نامی و قابل تحمل انواع عایقهاي بکار رفته فزونی گرفته و موجب سوختن آنها میگردد .[7]
ب - پارامترهاي اصلی ابعاد
این پارامترها به ترتیب هندسی و الکتریکی میباشند.
پارامترهاي هندسی: عبارتنداز قطر، طول آرمیچر و استاتور مورد نظر میباشد .[9] یکی از مهمترین پارامترهاي تاثیر گذار در طراحی ژنراتورهاي سنکرون مغناطیس دائم، قطر خارجی روتور است. قطر خارجی روتور تاثیر گذار در سرعت خطی، اندازه قوس گام قطبی، تعداد شیارهاي استاتور، گام دندانه، طول روتور، قطر متوسط طوقه و پارامترهاي وابسته به این پارامترها میباشد . در بحث محاسبه طول و قطر روتور ملاحظات مکانیکی حائز اهمیت است. زیرا سرعت ژنراتور مورد محاسبه همواره معلوم است لذا قطر انتخابی نباید ژنراتور را به طرف نیروهاي گریز از مرکز رهنمون سازد. پارامتهاي الکتریکی: این پارامترها بسیار متعدد هستند که به ترتیب زیر می-توانیم انتخاب نماییم
اندوکسیون در فاصله هوایی، آمپر هادي بر متر یا الکتریکال لودینگ که با Aac/ mمشخص میشود، تعداد زوج قطب، توان موتور، چگالی جریان در هاديها، اندوکسیونها در قسمتهاي مختلف مدار فرومغناطیسی و نوع سیمبندي بکار رفته شده.
-4 طراحی و بهینهسازي مدل
یکی از مهمترین کمیتهاي تاثیر گذار بر عملکرد و ریپل گشتاور موتور جریان مستقیم بدون جاروبک اندازه انحناء آهنربا روتور موتور میباشد. آهنربا روتور از این حیث با اهمیت است که بازیگر اصلی در تولید گشتاور میباشد. آهنربا با تولید شار در فاصله هوایی ارتباط مستقیم دارد.
طول فاصله هوایی در سطح آهنرباها باید به گونهایی انتخاب شود که میدان عکس العمل آرمیچر، یک قطب را در انتها به طور کامل مغناطیس زدایی نکند. کموتاسیون خوب زمانی بدست میآید که چگالی شار فاصله هوایی به تدریج از مرکز قطب کاهش یافته و هنگامی که به محور بین دو قطب میرسد به صفر برسد. منحنی توزیع شار فاصله هوایی که ناگهان از ماکزیمم به صفر افت پیدا می-کند، مشکلاتی را در کموتاسیون موجب شده و ممکن است نویز مغناطیسی و ریپل گشتاور را تقویت و باعث بوجود آمدن نقاط اشباع مغناطیسی شود.
جهت دستیابی به شکل میدان مطلوب، سطح آهنرباهاي روتور یاید به شکلی باشد که فاصله هوایی به تدریج در مسافت بین مرکز دو آهنربا تا لبههاي آهنربا افزایش یابد. در این قسمت موتور جریان مستقیم را به منظور کاهش ریپل گشتاور براي اندازههاي مختلف، مورد بررسی قرار داده شده و با استفاده از نرمافزار ماکسول طراحی شده است. مطابق شکلهاي - 1 - و . - 2 - تاثیر تعییرات بر روي موتور جریان مستقیم بدون جاروبک از شکل - 3 - الی - 9 - قابل مشاهده است.
