بخشی از مقاله
چکیده
در ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم بهینهسازی گشتاور اثر دندانه یکی از عوامل مهم در چگونگی عملکرد و ارزیابی آنها میباشد به همین منظور در این مقاله، به طراحی تحلیلی ماشین شار برگشتی روتور بیرونی پرداخته و بر پایه فرمولها، چگالی شار را محاسبه کرده و از نتایج حاصله در محاسبات بهره برده خواهد شد و یک موتور شار برگشتی روتور بیرونی نمونه انتخاب شده و مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در ابتدا بر اساس مقادیر نامی نقطه کار آن پارامترهای لازم جهت طراحی ژنراتور استخراج شده است.
در ادامه با بهره گیری از تحلیل اجزای محدود، توزیع شار و گشتاور اثر دندانه و ولتاژ القایی بدست آمده است. با بررسی تغییرات پارامترهای اثرگذار بر روی گشتاور اثر دندانه، یک طراحی بهینه از ژنراتور سنکرون با حداقل گشتاور اثر دندانه حاصل شده است. شبیه سازیهای المان محدود برای بررسی توزیع شدت میدان مغناطیسی و شار تولیدی و نیز ولتاژ و جریان و توان تولیدی توسط این ماشین انجام و ارائه شده است. روش پیشنهادی با نرم افزار فلاکس مورد ارزیابی قرار گرفته و نتایج حاصل از شبیهسازی، کارآمدی و صحت روش پیشنهادی را بیان میکند.
.1 مقدمه
ژنراتور شار برگشتی تک فاز برای اولین بار در سال 1997 توسط دوهلر و همکاران معرفی شد و دارای مزایای متعددی از قبیل ساخت ساده و اینرسی کم، چگالی توان بالا و مناسب برای سرعت بالا با توجه به آهن ربای دائم و سیم پیچی استاتور میباشد. ژنراتور شار برگشتی سه فاز توسط وانگ و همکاران در سال 1999 معرفی شد. این دستگاه دارای 8 روتور قطب برجسته و6 قطب استاتور با سیمپیچی متمرکز است.
همچنین ماشین شار برگشتی با سرعت کم اولین بار بوسیله آیون بولدیا در سال 2002 معرفی شد. این ماشین با سرعت کم دارای 28 قطب روتور و 12 قطب ثابت با 2 جفت مغناطیس دائمی روی هر قطب استاتور میباشد. این ماشین برای سرعت 128 دور بر دقیقه و 60 هرتز طراحی شده است. تراکم قدرت برای مقایسه چگالی قدرت ماشین-های الکتریکی مغناطیس دائمی برجسته ساخته شده است و نتیجه گرفته شد که ماشین شار برگشتی تراکم قدرت بیشتری در مقایسه با ماشینهای دیگر در همین سطح دارد.
در واقع ماشین شار برگشتی یک ماشین قطب برجسته با مواد مغناطیس دائم در استاتور است. در این ماشینها مواد مغناطیس دائم نقش یک شار پیوندی متمرکز شده در سیمپیچ فاز استاتور را ایفا میکند که با جابجایی قطب و حرکت روتور و ساختار ساده آن باعث مقرون به صرف بودن و مناسب بودن برای تولید انبوه میشود. کاهش سلف و اندوکتانس متقابل باعث کم شدن ثابت زمانی الکتریکی شده و تحمل خطا را بالا میبرد، با این مزایا، ماشین شار برگشتی می-تواند پتانسیل قابل توجهی در ژنراتور ماشین داشته باشد. با این حال، نشت شار مغناطیس دائم قابل توجه است. این نشت شار باعث ضعف عملکرد ماشین شار برگشتی از نظر چگالی توان و گشتاور ثابت میشود. برای کاهش نشت شار از نوع قطب مقعر استاتور و روتور از یک حائل شار استفاده میشود. قوس مغناطیسی و قوس قطب روتور مهمترین ابعاد هندسی در ماشین شار برگشتی هستند.
.2 مشخصات ماشین و تعیین پارامترهای طراحی ژنراتور
ماشین آلات با آهنربای دائم به دلیل گشتاور بالا، به خصوص انرژی بالا مغناطیس دائم NDFEB به تولید و بهرهوری بالا در چند دهه اخیر به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است 2]،[1 .ماشین شار برگشتی روتور بیرونی سه فاز یک ماشین آهنربای دائم با سیمپیچ متمرکز است 4]،.[3 ژنراتورهای شار برگشتی روتور بیرونی در مقیاسهای کوچک برای توربینهای بادی به عنوان یک کاربرد مناسب مطرح میشود.
شکل - - 1 نمایش دو بعدی ژنراتور شار برگشتی رتور بیرونی با 6/14 قطب در Flux
با توجه به بررسیهای انجام شده، ماشین مورد بررسی در این مقاله یک ماشین دارای 6 قطب استاتور و 14 قطب روتور میباشد با مشخصات نامی گرفته شده از یک ژنراتور مغناطیس دائم شار برگشتی سه فاز با توان نامی 2/4kw که ابعاد فیزیکی آن در جدول - 1 - نشان داده شده است.
جدول:1 مشخصات نامی ماشین
.3 طراحی ژنراتور مغناطیس دائم
در طراحی اولیهی به منظور تعیین ابعاد اصلی ژنراتور از یک روش تحلیلی مبتنی بر تئوری ماشینهای الکتریکی مرسوم استفاده شده است. اساس این روش بهرهگیری از مدار معادل مغناطیسی و الکتریکی بوده که با استفاده از آن ابعاد قسمتهای فعال ماشین و روابط مربوط به آنها استخراج خواهد شد.
.1 . 3 ابعاد مغناطیس دائم
تنها یک ساختار قطب مغناطیس دائم با Nr قطب روتور و Ns قطب استاتور با 2 npمغناطیس دائم بر قطب استاتور را در نظر بگیرید که فرکانس اولیه طراحی f1 است که به سرعت نامی مربوط میشود. طراحی اولیه با توجه به نیروی مماسی مشخص ft برای محاسبه گشتاور te داریم که Dr قطب روتور و Lstack طول پشته است که یک نسبت طول پشته به قطر روتور Dr به صورت زیر تعریف میشود
