بخشی از مقاله
چکیده – در این مقاله، مکان هندسی برش روتور در موتور سوئیچ رلوکتانسی 4/2 با تابع هدف ایجاد پیوستگی در مشخصهی گشتاور فرمولبندی و ارائه شد. موتور سوئیچ رلوکتانسی دارای ساختاری ساده، مستحکم و کم هزینه میباشد که مناسب برای محیطهای پر تنش با حداقل هزینهی ساخت و نگهداری میباشد. یکی از مهمترین مشکلات این ساختار عدم پیوستگی گشتاور است که این امر موجب عدم امکان راهاندازی موتور در برخی از نقاط قرارگیری روتور میشود.
با توجه به معادلات کلی ساختار سوئیچ رلوکتانسی و اصول طراحی این موتورها، ابعاد موتور، ابعاد اضلاع برش، کمان روتور و استاتور و مکان هندسی محل شروع برش به صورت پارامتریک بدست آمدهاست. به منظور بهینهسازی برش روتور، با تغییر در محل شروع برش، پارامترهای دیگر بر حسب متغیر فوق بدستآمد و بهوسیلهی روش اجزای محدود در نرم افزار مکسول شبیه سازی شد. به منظور تایید ساختار فوق، بهینهسازیهای ارائه شده و فرمول های بدست آمده بر روی ساختار با ابعاد تصادفی پیادهسازی و شبیه سازی شد. مشخصههای گشتاور با تغییر در ابعاد موتور بدست آمد و در آخر گشتاور پیوسته شده برای ساختار پیشنهادی ارائه شد.
-1 مقدمه
در بسیاری از صنایع امروزی از قبیل لوازم خانگی، فنها، دستگاههای پمپ و وکیوم به موتورهایی با سرعت بالا و در عین حال هزینهی پایین ساخت و نگهداری نیاز است که در این راستا موتورهای سوئیچ رلوکتانسی، القایی، یونیورسال و مغناطیس دائم، کاربرد بیشتری نسبت به سایر موتورها پیدا کردهاند. در موتورهای مغناطیس دائم با استفاده از مواد مغناطیسی در ساختار روتور و استاتور به بهبود عملکرد و راندمان موتور کمک میشود اما به دلیل کمبود منابع و گرانی آهنربای دائم و همچنین از بین رفتن یکپارچگی روتور و معایبی که در سرعتهای بالا بوجود میآید، کاربرد این موتورها در صنعت محدود شدهاست و در توان های پایین ساخته می شوند .[1]
موتورهای القایی قفسه سنجابی و یونیورسال با ساختار ساده و ارزان مناسب برای کاربردهای فوق میباشند که از معایب آن میتوان به عدم گشتاور راهاندازی، قابلیت اطمینان پایین اشاره نمود. موتور سوییچ رلوکتانس نسبت به ساختار موتور القایی دارای گشتاور راهاندازی بهتر، عدم وابستگی جهت جریان به جهت چرخش، قابلیت استفاده از حالت ژنراتوری و مهمتر از همه عدم وابستگی هر فاز به فاز دیگر میباشد که منجربه قابلیت اطمینان بالاتر میشود .[2]
موتورهای سوئیچ رلوکتانسی بهدلیل ساختار ساده، یکپارچگی، قابلیت استفاده در سرعتهای بالا، عدم وجود سیمبندی و آهنربا روی روتور، سادگی ساخت و نگهداری و ارزان بودن مبدل و راهانداز آن در موارد فوق کاربرد بیشتری یافته اند .[3] در موتورهای الکتریکی تلفات هسته شامل تلفات فوکو و هیسترزیس، رابطهی مستقیم با فرکانس تغذیه دارد و افزایش فرکانس در موتورها در میدان ثابت باعث افزایش تلفات موتور و کاهش راندمان میشود، از طرفی بهدلیل اینکه در سرعت ثابت فرکانس منبع تغذیه رابطهی مستقیمی با تعداد قطبهای روتور دارد، به منظور حداقل کردن تلفات هسته سعی میشود موتور با حداقل تعداد قطبهای روتور و استاتور استفاده شود .[4]
از عوامل مؤثر دیگر بر اندازهی گشتاور و هزینهی موتور، تعداد فازهای موتور است. تعداد فاز موتور به دلیل نیاز به ادوات کلیدزنی رابطهی مستقیمی با هزینه دارد، بنابراین همواره سعی بر این است در کاربردهایی که هزینه فاکتور اصلی است از حداقل تعداد فاز بهره برده شود، اما در موتورهای سوئیچ رلوکتانسی بدلیل سیکل وظیفهی %50 در حالت تکفازی و کاهش چشمگیر راندمان از موتور دو فاز که علاوه بر سادگی مبدل و کاهش هزینه از سیکل وظیفهی کامل برخوردار است استفاده میشود، بنابراین به منظور حداقل کردن تلفات و همچنین کاهش هزینه در صنایع سرعت بالا با هزینهی حداقل و در عین حال پر تنش از موتور 4/2 سوییچ رلوکتانس دارای دو فاز بهره برده میشود که در این مقاله به آن پرداخته میشود .[5,6]
موتور 4/2 سوییچ رلوکتانسی دو فاز، ضمن ویژگیهای فوق دارای دو عیب اساسی از جمله عدم تولید گشتاور پیوسته در برخی از مکانهای روتور و ریپل گشتاور زیاد میباشد. به منظور ایجاد گشتاور پیوسته در ساختارهای موتور سوئیچ رلوکتانسی از روش های مختلف از قبیل تحریک همزمان فازها در برخی زوایای روتور، فاصله هوایی متغیر و ایجاد برش بر ساختار روتور استفاده میشود. در این مقاله به منظور ایجاد گشتاور پیوسته در خروجی موتور، از روش ایجاد برش بر روی روتور استفاده شدهاست و به منظور تعمیم این روش برای موتورهای 4/2 با ابعاد دلخواه موتور سوییچ رلوکتانسی و برش روتور فرمولبندی و بهوسیلهی روش اجزای محدود شبیهسازی شد.
-2 اصول عملکرد موتورهای سوئیچ رلوکتانس 4/2
شکل - 1 - موتور سوئیچ رلوکتانس دو فاز با 4 قطب در استاتور و 2 قطب در روتور - 4/2 - را نشان می دههد که به صورت قطری تحریک و دارای سیمبندی سری است و رابطهی گشتاور آن در جریان ثابت به صورت رابطهی - 1 - بیان میشود .[7] بنابراین، گشتاور موتور به توان دوم جریان و مشتق اندوکتانس وابسته است و مستقل از علامت جریان میباشد که این امر باعث کاهش ادوات کلیدزنی و سادگی مبدل موتور سوئیچ رلوکتانس میشود.
در تحریک موتور، زمانی که روتور در آستانهی همپوشانی با قطب استاتور قرار میگیرد، مبدل سوئیچ خورده و فاز زیر روتور شروع به تحریک میکند و چون شار تولیدی برای بسته شدن تمایل به مسیر دارای حداقل رلوکتانس را دارد موتور به سمت همپوشانی با فاز استاتور حرکت کرده تا به حالت همپوشانی کامل برسد، سپس مدار تحریک با عمل سوئیچینگ و عوض کردن فاز این پروسه را تکرار می کند. به دلیل همین سوئیچینگ پی در پی و حداقل شدن رلوکتانس طی هر تحریک، این موتورها به سوئیچ رلوکتانس معروف هستند.[8]
در رابطه wfld - 1 - انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی، T گشتاور تولیدی، i جریان فاز استاتور و L اندوکتانس دیده شده در مسیر شار میباشد. شکل - 2 - مشخصهی اندوکتانس استاتور هر فاز برحسب زاویهی روتور را نشان میدهد و طبق رابطهی - 1 - گشتاور تولیدی تنها در محدودهای مثبت است که منحنی L- دارای شیب مثبت و یا به عبارت دیگر d - θ - dL - θ - > 0 باشد. در منحنی گشتاور بر حسب نواحی خالی از گشتاور بوجود میآید که به ناحیهی مرده معروف است، وجود این ناحیه باعث بوجود آمدن ریپل گشتاور زیاد، عدم راهاندازی مطلوب و عدم تولید گشتاور مثبت در کل ناحیهی عملکردی موتور میشود.
