بخشی از مقاله
چکیده -
امروزه از بین ساختارهای مختلف ژنراتورهای الکتریکی آهنربای دائم، ژنراتورهای شار محوری به دلایلی نظیر ساختار فشرده، راندمان و چکالی توان بالا در توربین های بادی مورد استفاده قرار می گیرند .دراین مقاله ابتدا به معرفی مواد کامپوزیت خاص - SMC - و خواص آنها پرداخته و سپس با استفاده از روابط طراحی تحلیلی،رویه طراحی ژنراتور بادی شار محوری مغناطیس دائم با هسته استاتور کامپوزیت خاص سه فاز یک کیلوواتی با توپولوژی TORUS-NS ارائه شده است همچنین از آنالیز المان محدود توسط نرم افزار JMAG DESIGNER برای تحلیل
ژنراتور طراحی شده و مقایسه آن با نوع بدون کامپوزیت خاص استفاده شده است.
-1 مقدمه
امروزه ژنراتورهای شار محوری آهنربای دائم با توجه به ویژگی هایی همچون وزن کمتر، بازده بالاتر، چگالی توان و گشتاور بالاتری که نسبت به انواع ژنراتورهای شار شعاعی مرسوم دارند، مورد توجه قرار گرفته اند .مزایای این ژنراتورها طوری است که آنها را برای کاربرد در توربین بادی مناسب می سازد .از طرفی با توجه به سهولت افزایش تعداد قطب در آنها، برای کاربردهای سرعت پایین همچون اتصال مستقیم بسیار مناسب می باشند.گروهی از مواد کامپوزیت خاص - - SMC معروف اند که به تازگی گسترش یافته اند که شامل مواد مغناطیسی جدید با خواص قابل ملاحظه ای و با فرکانس متوسط و پایین بهبود یافته اند ساخت این SMC ها یک جایگزین مناسب برای ورقه های فولادی است که دارای طیف وسیعی از کاربرد های جدید به خصوص در ماشین های الکتریکی شار محور دارد
-1 معرفی مواد کامپوزیت خاص
مواد کامپوزیت خاص از ذرات پودر آهن تشکیل شده اند که با یک لایه فیلم - غشا - عایق روکش شده است همان طور که در شکل1 به نمایش در آمده است. ذرات آهن به صورت الکتریکی از همدیگر ایزوله شده اند که این یک مقاومت ویژه الکتریکی بالا را برای مولفه کامپوزیت خاص تضمین می کند. ساختارهای مغناطیسی با فشرده سازی پودر به شکل مطلوب شکل گرفته اند. پروسه فشرده سازی ،فشار درون شبکه را مطرح می کند که متعاقبا با گرما دادن اجزا در یک دمای به اندازه کافی بالا ریلکس شده اند. مقاومت ویژه، ویژگی های مکانیکی و فرو مغناطیسی مواد کامپوزیت خاص به سایز ذرات پودر آهن،چگالی ،پوشش عایق سازی،پروسه فشرده سازی و چرخه گرما دهی - حرارت - بستگی دارد. بنابر این ویژگی های مواد کامپوزیت خاص را می توان تغییر داد تا با نیاز های یک کاربرد خاص وفق داشته باشد
شکل :1 ذرات پودر آهن با یک لایه فیلم عایق روکش در مواد کامپوزیت خاص
-2 رویه طراحی
وظیفه طراحی یک ماشین الکتریکی تعیین نمودن توپولوژی ماشین ، انتخاب مواد لازم مورد استفاده در آن و تصمیم گیری برای اندازه های آن در بخش های مختلف بر پایه برآوره کردن توان و گشتاور مورد نیاز است که این نیاز به محاسبات مدار مغناطیسی و تایید عملکرد معادلات آن دارد . محدوه توان ماشین های شار محوری دیسکی در حال حاضر از کسری از وات تا زیر مگاوات است
قدم اول: تعیین نمودن توپولوژی ماشین
با توجه به انواع توپولوژی های موجود برای ماشین های آهن ربای دائم شار محوری که می توان به مواردی همچون ماشین یکطرفه با استاتور شیاردار یا بدون شیار ، ماشینهای دوطرفه با استاتور داخلی - شیاردار، بدون شیار ، با هسته استاتور ویا بدون هسته استاتور - ، ماشین دوطرفه با روتور داخلی - با استاتور شیار دار و یا بدون شیار - و نوع مولتی دیسک ها و غیره اشاره نمود
قدم دوم: تعیین نمودن پارامتر های اولیه طراحی
به طور معمول ژنراتور های الکتریکی برای شرایط اولیه شامل ولتاژ، فرکانس، توان، سرعت نامی، وتعداد فاز منطبق با کاربرد مورد نظر طراحی می شوند علاوه بر این ها پارامتر های دیگری نیز تاثیر گذارند همچون بارگذاری مخصوص الکتریکی - چگالی جریان خطی - که به تعداد هادی های استاتور در جریان هر هادی بر محیط آرمیچر در فاصل هوایی گفته می شود و به توان ، فرکانس، ولتاژ، سرعت نامی نیز بستگی دارد بارگذاری مخصوص مغناطیسی - چگالی شار مغناطیسی فاصله هوایی - که توسط اشباع وتلفات هسته محدود می شود . برای رسیدن به پامتر های اولیه یک سری فرضیات نیز محدوده کار طراحی را مشخص می کند
قدم سوم: تعیین مواد مورد استفاده در ژنراتور
بر اساس توپولوژی انتخاب شده برای ماشین باید جنس هسته استاتور - که با توجه به موضوع تحقیق از جنس کامپوزیت خاص با نام تجاری سومالوی سیلندری می باشد - هسته روتور ، نوع آهن ربای دائم، جنس سیم، انتخاب ورق فولادی یوغ استاتور تعیین شوند. نوع مواد انتخاب شده برای استاتور تاثیر مستقیم بر تلفات وبازده ماشین خواهد داشت
قدم چهارم: بدست آوردن ابعاد هندسی ژنراتور بر اساس طراحی تحلیلی
مهم ترین ابعاد هندسی ژنراتور شامل طول ژنراتور، قطر بیرونی و داخلی استاتور می باشد در موارد دیگر ابعاد می توان به طول موثر هسته استاتور ، قطر متوسط فاصله هوایی، محاسبات اندازه آهن ربای دائم، ضخامت محوری و غیره اشاره نمود .
قدم پنجم: محاسبات مربوط سیم پیچی
قدم ششم: محاسبه تلفات
تلفات در ژنراتور ها می توانند بر طبق مبناهای مختلفی طبقه بندی شوند در کابرد ژنراتورهای بادی تلفات می توان به تلفات آهن - هیسترزیس و جریان گردابی - ، تلفات مسی ، تلفات بادخودی ، تلفات آهن ربای دائم ، تلفات چرخشی، تلفات اضافی یا سرگردان اشاره نمود
قدم هفتم: محاسبه بازده
-1-2 معرفی توپولوژی AFPM TORUS-NS
ساختار TORUS NS با هسته استاتور بدون شیار از جنس مواد کامپوزیتی خاص که میان دو روتور با آهن ربای قطاعی شکل قرار گرفته است می باشد در شکل های 2و3 ساختار ژنراتور شار محوری و مسیرهای شار دوبعدی آن رانشان می دهد
شکل :2 ساختار ژنراتور شار محوری TORUS-NS
شکل :3 مسیرهای شار دوبعدی ژنراتور شار محوری TORUS
-2-2معرفی جدول پارامتر ها و ابعاد ژنراتور
پس از انتخاب یک سری از پارامتر ها به عنوان پیش فرض های اصلی و محاسبه دیگر پارامترها در جدول 1 پارامترها و ابعاد ماشین طراحی شده بیان شده است
جدول 1 پارامترها و ابعاد ماشین طراحی
پارمتر
1 توان نامی
2 تعداد زوج قطب
3 ولتاژ موثر فاز
4 چگالی جریان
5 چگالی شار فاصله هوایی
6 قطر داخلی به قطر خارجی
7 قطر خارجی
8 قطر داخلی
9 مقدار دامنه ولتازالقایی فاز
10 تعدار دور سری در هر فاز
11 تعداد Nt بر قطب بر فاز
12 ضخامت لایه سیم پیچی
13 نسبت قوس PM گام قطب
14 چگالی شار پسماند آهنربا
15 قطر متوسط فاصله هوایی
16 بارگذاری مغناطیسی ویژه
17 طول محوری PM
18 فاصله هوایی
19 متوسط چگالی شار gap
جنس آهن ربای دائم روتور ژنراتورهای آهنربای دائم در هر سرعتی بسته به اندازه و کاربردشان به خواص آهنربای دائم به کار رفته در آنها وابسته خواهند بود. آهنرباها باید به گونه ای انتخاب شوند که شار مغناطیسی مورد نیاز برای فاصله هوایی را تامین کرده و در برابر نیروی ضد مغناطیسی در شرایط اضطراری مقاومت کافی داشته باشد، در عین حال وزن و قیمت آن نیز کمینه باشد. با توجه به خواص آهنربای نئودیم آهن بور N38H برای ژنراتورسنکرون آهنربای دائم شار محوری مورد نظر انتخاب می شود
-3 شبیه سازی ژنراتور بادی شار محوری با کامپوزیت خاص طراحی شده به روش تحلیل اجزا محدود
در این قسمت بهکمک نرمافزار اجزاء محدود JMAG Designer صحت الگوریتم ارائه شده مورد بررسی قرار میگیرد. مزیت اصلی این نرم افزار اجزاء محدود این است که ماشین در حین چرخش روتور به طور کامل و سه بعدی مدل می شود و نتایج تلفات مشابه حالتی است در محیط واقعی در حال چرخش می باشد بدین منظور ابتدا مراحل مدلسازی و شبیهسازی ژنراتور به کمک روش اجزاء محدود شرح داده میشود. سپس نتایج بدست آمده مورد نقد و بررسی قرار میگیرد.
-1-3 ایجاد هندسه مدل
3-2 -مواد مورد استفاده در ژنراتور بادی
هسته استاتور: جنس نمونه هسته های استاتور استفاده شده برای این تحقیق سومالوی سیلندری 0/5% + 500 هسته های کینالوب با چگالی شار اشباع 2 تسلا می باشد. در شکل 4 منحنی B-H ماده کامپوزیتی نرم مورد استفاده در طراحی نشان داده شده است
شکل :4 منحنی مشخصه مغناطیسی Somaloy
اولین گام در مدل سازی به کمک روش اجزاء محدود، ایجاد هندسه مسئله است یکی از مهارتها در روش اجزاء محدود این است که می توان با ترسیم بخشی از ماشین ، به نتایج دلخواه - کل ماشین - دست یافت شکل 5 مدل ترسیم شده یک جفت قطب را نشان میدهد
شکل :5 مدل ترسیم شده یک جفت قطب
