بخشی از مقاله
خلاصه
گشتاور دندانه ای را می توان به روش های مختلفی از جمله انحراف دندانه های استاتور، تکه کردن آهن ربای دائم، استفاده از شیارهای مصنوعی و... کاهش داد. بعضی از این رو ش ها عملی نیستند و برخی از آن ها پر هزینه ولی موثر هستند. در این مقاله، هدف کاهش ریپل گشتاور با استفاده از کاهش گشتاور دندانه ای است که یکی از عوامل اصلی ایجاد نویز و لرزش در موتور مغناطیس دائم داخلی است.
به منظور کاهش گشتاور دندانه ایی، یک روش جدید بر پایه سه روش تکه کردن آهن ربای روتور، تغییر نسبت زاویه قوس کمان به گام قطب و ایجاد یک طراحی جدید با دو سد شار بر روی روتور، پیشنهاد شده است. طرح پیشنهادی از لحاظ کاهش گشتاور دندانه ای از طرح های مشابه بهتر و مناسب تر است. در این مقاله با استفاده از مدل اجزاء محدود و به کمک نرمافزار MAXWELL، شبیهسازی انجام شده است.
.1 مقدمه
موتورهای الکتریکی در بخش کاربردهای صنعتی، حدود 20 تا 22 درصد انرژی الکتریکی تولیدی دنیا را مصرف می کنند.[1] در نتیجه، نگرانی عمومی در مورد محیط زیست به ویژه افزایش دمای زمین به دلیل انتشار گازهای گلخانه ای توسط نیروگاه ها، موجب افزایش فشار بر تولید کنندگان موتورهای الکتریکی برای بالاتر بردن بازده این موتورها شده است. از بین انواع موتورهای الکتریکی، موتورهای القایی سه فاز بیشتر از دیگر موتورها مورد استفاده قرار می گیرند.
در نتیجه سهم این موتورها در مصرف انرژی و عواقب ناشی از آن بیشتر است. بنابراین بهینه سازی بازده موتورهای القایی سه فاز، بسیار مورد توجه محققین قرار گرفته است. به همین دلیل استانداردهای IEC برای بازده موتورهای الکتریکی، نسبت به قبل به مراتب سخت گیرانه تر شده است. به طوریکه تلفات موتورهای القایی در استاندارد IE4 باید بین10 تا 15 درصد از تلفات این موتورها با استاندارد IE3 کمتر باشد.
از طرفی رسیدن به راندمان IE4 با طراحی بهینه موتورهای القایی با موفقیت محدودی همراه بوده است. بنابراین برای رسیدن به راندمان های بالا و استاندارد IE4 ، راه مناسب جایگزین کردن موتورهای القایی با موتورهای مغناطیس دائم است. از طرفی استفاده از موتورهای مغناطیس دائم به دلیل نیاز به درایو جهت راه اندازی در بسیاری از کاربردهای تک سرعته نظیر پمپها، فن ها و کمپرسورها که اتفاقا بیش از %70 کاربردها را شامل می شوند، توجیه اقتصادی ندارد.
لذا استفاده از موتورهای سنکرون آهنربای دائم با راه انداز القایی مورد توجه قرار گرفته است. علیرغم ویژگی های مناسب موتورهای آهنربای دائم، این موتورها دارای اشکالاتی هم هستند. یکی از این موارد گشتاور دندانه ای است
گشتاور دندانه ای یک گشتاور نوسانی است که باعث کاهش کیفیت گشتاور تولیدی موتور شده و بر عملکرد موتور به ویژه در سرعت های کم تاثیر منفی می گذارد. این گشتاور از طریق روتور به بار منتقل شده و موجب دشواری کنترل سرعت و موقعیت می گردد. علاوه بر آن باعث ایجاد نویز و ارتعاش مکانیکی هم می شود. لذا برای کاهش ریپل گشتاور و بهبود عملکرد موتور، کاهش گشتاور دندانه ای از اهمیت زیادی در طراحی موتورهای آهنربای دائم برخوردار است
روشهای مختلفی برای کاهش این گشتاور در مقالات بررسی شده است، این روشها مبتنی بر ایجاد تغییر در روتور یا استاتور ویا هر دو می باشد. در بین این روش ها می توان از مورب سازی شیارهای استاتور[4]، [7]، مورب سازی مگنت[8]، ایجاد شیار ساختگی روی دندانه های استاتور[9]، [10]، [11]، ایجاد شیار روی مگنت[12]، بهینه سازی عرض و یا قوس مگنت[13]، [14]، [15]، جابجایی مگنت ها[9]، [16]، [17]، [18]، انتخاب ترکیب مناسب تعداد شیار و قطب[14] و تغییر شکل مگنت[8] نام برد.
در این مقاله به منظور کاهش گشتاور دندانه ایی، یک روش جدید بر پایه سه روش تکه کردن آهن ربای روتور[19] و [21]، تغییر نسبت زاویه قوس کمان به گام قطب و ایجاد یک طراحی جدید با دو سد شار بر روی روتور[20]، پیشنهاد شده است.
.2 تحلیل گشتاور دندانه ای
1-2 عوامل تولید ریپل گشتاور
عوامل ایجاد ریپل گشتاور در ماشینهای الکتریکی عبارتند از: تاثیر دندانهایی - - tooth effect که در نتیجه برهم کنش بین شار مغناطیسی روتور و تغییرات پرمانس فاصله هوایی ناشی از هندسه شیارهای استاتور است. اعوجاج ناشی از توزیع سینوسی و غیر سینوسی چگالی شار مغناطیسی در فاصله هوایی عدم برابری پرمانس فاصله هوایی در راستای محور d و q اثر دندانهایی تولید گشتاور دندانهایی - - cogging Torque و عدم برابری پرمانس در راستای محورd و q تولید گشتاور رلوکتانسی میکند.
نوسان گشتاور ناشی از منبع به دلیل نوسان جریان استاتور است، که میتواند ناشی از مبدلهای الکتریکی باشد. گشتاور دندانهایی از طریق رابطه - 1 - محاسبه میشود:
که در این رابطه - 1 - طول محور روتور، 0 پر مابلیته هوا، R1 شعاع داخلی استاتور، R2 شعاع روتور، n شماره مولفه فرکانسی، Nc کوچکترین مضرب مشترک بین تعداد قطب روتور و تعداد شیار استاور، Gan و Ban ضرایب فوریه پرمانس فاصله هوایی و چگالی شار و زاویه مکانیکی است.
با توجه به این که در روتور موتور IPM پلهای آهنی در اشباع میباشند، مقدار Ban با در نظر گرفتن اشباع در پلهای آهنی بصورت زیر به دست میآید. s زاویه اشغال شده توسط آهنربای قطب و Bg چگالی شار فاصله هوایی با در نظر گرفتن اشباع در پلهای آهنی می-باشد.فرکانس گشتاور دندانهایی از رابطه - 3 - به دست میآید.
2-2 طراحی ماشین
مشخصات ماشین استفاده شده در جدول 1 نشان داده شده است. این ماشین جهت کاربرد در حمل ونقل انتخاب شده است که، هدف از طراحی این موتور افزایش محدوده ی تضعیف شار جهت استفاده در موتور های هیبریدی بوده و به عنوان موتور مرجع برای کاربرد هایی با ریپل گشتاور کم در این مقاله مورد استفاده قرار می گیرد. موتور با ابعاد مشخص شده در نرم افزار MAXWELL شبیه سازی شده است. با توجه به این شبیه سازی گشتاور ماکزیمم طراحی انجام شده برای سرعت 1500 در زاویه 42/5 درجه برابر با 62/5N است، توان خروجی ماشین برابر با 9/8 کیلووات و ولتاژ نیز 120 ولت است.
جدول 1 مشخصات استاتور و روتور
برای بررسی مشخصههای عملکردی موتور از دو روش، یکی روش تحلیلی که مبنای آن استفاده از مدل مغناطیسی و مدل الکتریکی موتور IPM است و دیگری شبیه سازی در نرم افزار MAXWELL که اساس آن آنالیز المان محدود است، استفاده می-شود. مهمترین مشخصه ماشین که در این مقاله مورد بررسی قرار میگیرد بررسی و کاهش گشتاور دندانهایی در این نوع موتور IPM است.
پلهای آهنی محور d زودتر به اشباع میروند که دلیل آن قرار گرفتن آهنربا در مسیر شار این محور است. محاسبه اندوکتانس به روش تحلیلی راستای شار محور d با راستای شار تولیدی آهنربا یکی است، بنابراین پلهای آهنی قرار گرفته در راستای شار محور d دراشباع هستند، اشباع پلهای آهنی سبب کاهش شار تولیدی توسط محورd خواهد شد. در حالت کلی اندوکتانس محور d و q از رابطه - 4 - تا - 7 - به دست میآید، که اشباع پلهای آهنی برای محاسبه اندوکتانس در نظر گرفته شده است.
