بخشی از مقاله
چکیده -
امروزه درصد زیادی از انرژی های تولیدی در جهان از سوخت های فسیلی بدست می آیند. بنابراین استفاده از روش های نوین جهت بهره برداری از منابع انرژی نو امری حیاتی می باشد. انرژی باد و موج یکی از مهمترین منابع انرژی هستند, که با استفاده از مبدل های مختلف می توان آن ها را به انرژی الکتریکی تبدیل کرد. یکی از مهمترین مبدل ها انرژی مبدل ورنیر است که توانایی تبدیل انرژی های تجدید پذیر از جمله انرژی باد و انرژی موج را به انرژی الکتریکی دارد.
ماشین ورنیر یکی از تکنولوژی های برتر در صنعت ماشین الکتریکی به حساب می آید که عملکرد اصلی آن بر اساس جعبه دنده مغناطیسی است. بارز ترین ویژگی این ماشین تولید گشتاور بالا در سرعت پایین است, که به دلیل وجود جفت قطب های مغناطیسی زیاد است. در این مقاله انواع ساختارهای ماشین ورنیر ارائه شده و با استفاده از روش اجزای محدود بهترین ساختار از نظر گشتاور و ضریب قدرت بالا معرفی شده است.
-1 مقدمه
در طول چند دهه گذشته، انرژی تجدید پذیر مورد توجه محققین واقع شده است. از بین انواع مختلف انرژی ها انرژی باد و موج به دلیل مزایایی از قبیل قابلیت پیش بینی ، پایداری و چگالی توان زیاد، مورد توجه قرار گرفته اند. امروزه بیشتر مبدل های انرژی باد و موج، دارای واسط های مکانیکی پیچیده ای هستند که موجب پیچیده شدن ساختار سیستم می شوند, که این واسطه های مکانیکی پیچیده نیاز به تعمیر و نگهداری را افزایش دهند. نیاز به تعمیر و نگهداری تقریبا در مبدل های درایو مستقیم بسیار کاهش یافته است.
در چند سال گذشته سعی بر این شده که از ساختار های مختلف با آهنربای دائم استفاده شود. اصلی ترین ویژگی ماشین آهنربای دائم چگالی گشتاور بالا است که این ماشین ها به صورت های مختلفی طراحی و ساخته شده اند. ماشین های ورنیر آهن ربای دائم ساختار پیشرفته ی ماشین با آهنربای دائم است. که به دلیل وجود قطب های مغناطیسی زیاد توانایی ایجاد گشتاور زیاد در سرعت کم را پیدا کرده است که در شکل - 1 - تفاوت این دو ماشین نشان داده شده است.
شکل : 1 الف - ماشین با آهنربا دائم, ب - ماشین ورنیر با آهنربای دائم
در ساختار ورنیر با کوچکترین حرکت در رتور تغییر شار قابل توجهی در فاصله ی هوایی رخ می دهد که همین علت مورد توجه محققان قرار گرفته است . اصول کار ماشین ورنیر آهنربا ی دائم بر اساس چرخ دنده ی مغناطیسی است.[1] شار نشتی در ماشین ورنیر آهنربای دائم نسبت به ماشین آهنربای دائم بیشتر بوده است که این امر باعث ایجاد ضریب قدرت پایین در ماشین ورنیر می شود. تاکنون ساختارهای مختلفی برای بهبود گشتاور و ضریب قدرت ارائه شده است.
عوامل زیادی بر مقدار گشتاور خروجی, گشتاور دندانه ای, اندوکتانس, ولتاژ القایی, تلفات, چگالی شار و ضریب قدرت تاثیرگذار هستند. که مهمترین آن ها عبارت اند از ضخامت آهنربای دائمی, نوع جهت گیری مغناطیسی آهنربا, ارتفاع دندانه های استاتور و رتور, شکل دندانه, نسبت تعداد قطب رتور به استاتور, فاصله ی هوایی, نسبت عرض شیار دندانه به گام دندانه, فاصله ی هوایی و ضریب قوس قطب, جنس هسته, ضریب گریبکس و نوع سیم پیچی.
ماشین های ورنیر در حالت کلی به دو دسته دوار و خطی تقسیم بندی می شوند که ماشین های ورنیر دوار خود به سه دسته ی شار شعاعی, شار محوری و شار متقاطع طبقه بندی شده که هر کدام از این ساختار به انواع, تک تحریکه و دو تحریکه طبقه بندی می شود. در این مقاله ماشین ورنیر تک تحریکه ی رتور داخلی, رتور خارجی, رتور دوبل و دو تحریکه ی شار شعاعی معرفی و با نرم افزار مکسول طراحی و شبیه سازی شده است و ویژگی های آن ها به روش اجزای محدود از نظر گشتاور و تلفات و ضریب قدرت با یکدیگر مقایسه شده و در آخر بهترین ساختار معرفی شده است.
-2 ماشین ورنیر
ماشین ورنیر در کل به صورت دوار و خطی تقسیم می شود که اگر ماشین ورنیر دوارگسترده و برش داده شود به ماشین ورنیر خطی تبدیل می شود.[5] ماشین ورنیر آهنربای دائم به دو ساختارکلی تک تحریکه و دو تحریکه طبقه بندی می شود. تک تحریکه به ساختاری گفته می شود که دارای استاتور و رتور بوده که استاتور آن تک بوده ولی رتور آن می تواند به صورت تکی و یا دوبل باشد. ماشین ورنیر تک تحریکه از نظر ساختاری به سه دسته ی ماشین ورنیر تک تحریکه رتور داخلی و رتور خارجی و رتور دوبل طبقه بندی می شود. که هر کدام از آن ها دارای ویژگی های متفاوت اند که با توجه به نیاز های متفاوت از آن ها استفاده می شود.[6] نوع دیگر از این ساختار ساختار دو تحریکه است که به ساختاری گفته می شود که دارای دو استاتور و یک رتور بوده است. در این ساختار ها سیم پیچ و آهنربای دائم آن میتواند بر روی استاتور یا رتور و یا هر جفت آن ها قرار گیرد.
-1-2 بررسی ساختار ماشین ورنیر
در ماشین ورنیر تک تحریکه ی رتور خارجی, رتور و استاتور از جنس آهن و کویل ها از جنس مس می باشند. به طوری که رتور در خارج استاتور قرار دارد و آهنربای دائم روی رتور قرار گرفته است و سیم پیچی ها بر روی استاتور واقع شده اند, که در شکل - - 2 نشان داده شده است. شکل - 3 - ساختار ماشین ورنیر تک تحریکه ی رتور داخلی را نشان می دهد که در آن رتور و استاتور از جنس آهن و کویل ها از جنس مس می باشند .
شکل :2 ماشین ورنیر رتور خارجی
شکل :3 ماشین ورنیر رتور داخلی
به طوری که رتور در داخل استاتور قرار دارد و آهنربا ی دائم بر روی رتور و سیم پیچی ها بر روی استاتور قرار گرفته اند. همان طور که در ساختار مشخص است, ماشین ورنیر رتور خارجی دارای شعاع بیشتری نسبت به ماشین ورنیر رتور داخلی بوده است که باعث می شود محیط رتور خارجی نسبت به رتور داخلی بیشتر باشد. در نتیجه آهنربا های استفاده شده بر روی رتور ماشین ورنیر رتور خارجی بیشتر از رتور ماشین ورنیر رتور داخلی می باشد. همچنین چون سیم پیچی ها بر روی استاتور واقع شده اند در رتور خارجی بدلیل این که استاتور داخل بوده فضای زیادی برای سیم پیچی وجود ندارد و به همین علت ساختار ماشین ورنیر رتور خارجی نسبت به ماشین ورنیر رتور داخلی منظم تر و سبک تر بوده است.
ماشین ورنیر رتور دوبل تشکیل شده از دو رتور و یک استاتور که در آن رتور ها و استاتور از آهن و کویل ها از مس می باشند. به طوری که استاتور بین رتور ها ثابت شده و آهنربای دائم بر روی رتورها قرار گرفته است. آهنربای دائم استفاده شده در ماشین ورنیر رتور دوبل بسیار بیشتر از آهنربای استفاده شده در ساختار ماشین ورنیر رتور داخلی و ماشین ورنیر رتور خارجی است. که در شکل - 4 - نشان داده شده است.
شکل :4 ماشین ورنیر رتور دوبل
شکل - 5 - ساختار ماشین ورنیر دو تحریکه را به تصویر کشیده است, که دارای یک رتور و دو استاتور از جنس آهن و کویل هایی از جنس مس می باشد. سیم پیچی بر روی استاتور و آهنربای دائم بر روی رتور قرارگرفته است و در آن رتور در بین دو استاتور فیکس می شود.
شکل :5 ماشین ورنیر استاتور دوبل
ماشین ورنیر دارای ساختار های متفاوت است که هر کدام از این ساختار ها دارای ویژگی ها و کارایی های متفاوت می باشند. به عنوان مثال از ماشین ورنیر رتور بیرونی برای نیرو محرکه کشتی، زیر دریایی، وسایل نقلیه الکتریکی، برخی لوازم برقی خانگی و بیشتر تجهیزات انرژی های نو از قبیل توربین های آب، باد، امواج بیشتر استفاده شده است. یکی از کاربرد های مهم ماشین ورنیر رتور بیرونی در ژنراتور های تبدیل انرژی باد به انرژی برق است که تحول عظیمی در این زمینه ایجاد کرده است. استفاده از ماشین ورنیر رتور بیرونی به طور مستقیم اجازه ی اتصال پره های بادی به ژنراتور را می دهد که این امر موجب کاهش بلبرینگ ها, یک پارچگی مکانیکی و سبک بودن و کاهش هزینه می شود, که در شکل - 6 - نشان داده شده است.
شکل :6 الف - ژنراتور معمولی, ب - استفاده ماشین ورنیر و حذف بلبرینگ
-3 آنالیز و عملکرد ماشین رنیر
-1-3گشتاور
یکی از پارامتر های تاثیر گذار بر روی گشتاور خروجی مقدار مگنت استفاده شده در ماشین ورنیر است. گشتاور خروجی با نسبت مگنت های استفاده شده بر روی ماشین ورنیر رابطه ی نسبتا مستقیم دارد. بدلیل این که آهنربای دائم استفاده شده در ماشین ورنیر رتور دوبل بیشتر از ماشین ورنیر تک رتوره است, پس متقابلا گشتاور خروجی ماشین ورنیر رتور دوبل باید از گشتاور خروجی ماشین ورنیر تک رتوره بیشتر باشد. بیشترین گشتاور به ترتیب متعلق به ساختار رتور دوبل, رتور خارجی و رتور داخلی است.
اگر ماشین ورنیر رتور دوبل و استاتور دوبل را از نظر اندازه با هم یکسان در نظر بگیریم, گشتاور رتور دوبل به دلیل داشتن آهنربای دائمی بیشتر بزرگتر است. هنگامی که رتور یک دور کامل می چرخد شار عبوری ناشی از چرخش رتور در استاتور به اندازه ی z دور کامل می چرخد بنابراین کوچکترین حرکت رتور باعث تغیرات زیاد شار شده که به گشتاور بالا در سرعت های پایین منتهی می شود, که به اثر گیربکس شناخته می شود. اگر شار عبوری از سیم پیچی یکی از فاز ها را به صورت زیر تعریف کنیم.
