طراحی بهینه با در نظر گرفتن تاثیر وزن بر ژنراتور آهنربا-ثابت همزمان با شار محوری و سیم پیچی متمرکز قطب

چکیده

واژگان شاخص

مقدمه

شکل 1. توپولوژی PMSM

شکل 2. پیکره¬بندی¬های متفاوت ورقه¬ها

مدل تحلیلی و المان محدود

شکل 3. بخش بندی هندسه سه بعدی

شکل4. پارامترهای هندسی AFPMSG در یک CP

مدل تحلیلی(آنالیتیک)

شکل5. شبکه القایی ساده AFPMSG  دو روتوری و تک استاتوری

شکل 6. نمایش شماتیکی محاسبه¬ی صفحه¬ی محاسبه دو بعدی

جدول I. جزء محوری چگالی شار در بخش مرکزی یک دندانه

شکل 7. نمایش اسلایسی اجزای محوری چگالی شار مغناطیسی

شکل8. نمای همراه با جزئیات صفحه¬ی محاسباتی 5 از FEM شبه سه بعدی

جدولII.  مقادیر پارامتر بهینه به دست آمده با مدلهای تحلیلی و FEM و کاراییη

    شبیه سازی ها و اندازه گیری ها

    راه اندازی تجربی 

شکل9. تاثیر تغییرات وزن: (a) بر روی بهره¬وری (b) بر روی الفات آهن و مس (c) بر روی 4 پارامتر اصلی

شکل 10. تصویر نمونه¬ استاتور AFPMSG: 3

جدول III. ویژگی¬ها و پارامترهای AFPMSG نوعی ساخته شدهاند.

    بررسی صحت مدل

    جمع بندی

جدول IV. تلفات آهن ماشین نمونه

شکل 11. مقایسه¬ی شکل موج EMFبدون بار

در این مقاله بهینه¬سازی بهره¬وری یک ژنراتور همزمان با شار مغناطیسی ثابت و با سیم¬پیچهای متمرکز قطب با مشخصات 3.6kw/2000rpm و برای کاربردهای گرمایی و کاربردهای حوزه¬ی قدرت بررسی شده است. از آنجا که بهره¬وری سیستم دارای اهمیت می¬باشد لذا معیارهای خاصی به منظور کاهش تلفات در ماشین در نظر گرفته شده است. یک مطالعه نیز با استفاده از روش تحلیلی و روش المان محدود برای بررسی تاثیر مجموعه¬ی محدودی از پارامترهای هندسی بر روی بهره¬وری این نوع ماشینها انجام پذیرفته است. در مدل تحلیلی همانند مدل المان محدود، هندسه سه بعدی ذاتی شار محوری ماشین، بوسیله¬ی مدلهای چندگانه¬ی دو بعدی در شعاعهای پیرامونی مختلف آن تخمین زده شده است. پس از آن، تاثیر وزن بر روی مقادیر بهینه¬ی پارامترهای هندسی و همچنین بر روی بهره¬وری، مد نظر قرار داده شده است و مشخص گردید که وزن می¬تواند به میزان زیادی کاهش داده شود در حالی که تاثیر این کاهش وزن در کاهش بهره¬وری بسیار محدود خواهد بود. در نهایت نتیجه¬ی هر دو روش با اندازه¬گیری¬هایی بر روی یک الگو با یکدیگر مقایسه شده¬اند تا صحت آنها تخمین زده شود.

با توجه به گشتاور خروجی بالای ماشین همزمان مغناطیس ثابت با شار محوری که در سرعت پایین محقق می¬شود(AFPMSM)، لذا این ماشین برای کاربردهای موتورهای چرخشی[1] و کاربردهای راه¬اندازی مستقیم انرژی بادی[2] بسیار مناسب می¬باشد. AFPMSM ها دارای توپولوژی¬های متفاوتی می¬باشند که هر یک از آنها فواید و نقاط ضعف خاص خود را دارند. AFPMSM بحث شده در این مقاله یک نوع ماشین دو روتوری و تک استاتوری است که سیم¬پیچهای قطب متمرکز شده دارد[3] (شکل 1). سیم¬پیچهای متمرکز شده قطب¬ها نسبت به سیم¬پیچهای پراکنده¬ی قطب دارای ارجحیت می¬باشند چرا که ساخت آنها ساده¬تر بوده و سیم¬پیچهای آنها کوتاه می-باشند. سیم¬پیچهای کوتاه امکان می¬دهند که تلفات توان در سیم¬پیچهای مسی کاهش یابد. اگرچه سرعت نامی 2000rpm است، یک ماشین با 16 قطب انتخاب شده است که منجر به فرکانس نامی 267Hz می¬شود. جهت جلوگیری از تلفات توان بالای آهن در دندانه¬های استاتور، ماده مغناطیسی با ورقه¬های نازکی از ذرات جهت¬دهی شده (GO)، استفاده شده است. ماده GO نسبت به ماده¬ی غیر جهت¬دهی شده (NO)دارای این مزیت است که در هنگامی که جهت شار در بخش اصلی دندانه تنها یک مولفه محوری دارد ، ویژگی مغناطیسی بهتری را بدست می¬دهد[4]. اگرچه که در مرجع [5] یک سیستم چندفازی با سیم¬پیچهای متمرکز شده پیشنهاد گردیده است اما در این مقاله از یک سیستم سه فاز معمولی استفاده شده است. به منظور بدست آوردن فاکتور سیم¬پیچی بالا، برای ماشین 16 قطبی تعداد 15 دندانه¬ با فاکتور سیم-پیچی 0.951 استفاده شده است[6]. در مرجع[7] دندانه¬های استاتور با یک نوار آهنی منفرد که به صورت مارپیچی پیچ داده شده است، ساخته شده¬اند. با این وجود در مقاله فعلی هر دندانه به صورت مجزا ساخته شده است و پیچ¬خوردگی¬ها پیش از قرارگیری دندانه بر روی استاتور ماشین به دندانه اضافه شده-اند. این روش مدولار دارای سودمندی¬های بسیار زیادی است یعنی آماده¬سازی سیم¬پیچهای آن ساده است و هر دندانه می¬تواند به راحتی جایگزین شود و غیره. ساختن دندانه¬ها به خودی خود یک مساله روشن نیست. از لحاظ تئوریک هر ورقه دارای هندسه خاص به خود است (شکل 2a) که این مساله تولید ورقه¬ها را پیچیده و گران می¬سازد. بنابراین در این مقاله تنها دو نوع هندسه متفاوت از ورقه¬ها که به صورت یک پشته در شکل 2c نشان داده شده¬اند انتخاب شده¬است. این ساختار پشته¬ای( روی هم قرار گرفته) نسبت به شکل 2b دارای ارجحیت می¬باشد به نحویکه ساختار تئوریکی سه بعدی بوسیله¬ی آن بهتر تخمین زده می¬شود. در [8] تلفات دیسک روتور که در نتیجه¬ی هارمونیکهای نیروی محرکه مغناطیسی(MMF) ایجاد می¬شود، بوسیله¬ی کامپوزیت¬های مغناطیسی نرم (SMC)کاهش داده می¬شود(به جای استفاده از ساختار استیل سخت). از آنجا که آهنرباها (مگنت¬ها) نسبت به دیسک روتور به فاصله¬ی هوایی نزدیک¬تر می¬باشند لذا تلفات روتور با بخش¬بندی آهنرباها به جای استفاده از SMC کاهش داده می¬شود. بنابراین دیسک روتوری در این مقاله از استیل با ساختار جامد و ضخامت 8mm ساخته شده است به نحوی¬که در آن 16 قطعه آهنربایی T شکل به یکدیگر متصل شده¬اند. آهنرباها از Vacuumschmelze دارای پسماند 1.6T بوده و به منظور کاهش تلفات جریانهای گردابی قطعه¬بندی می¬شوند. تاکنون ورقه¬های نازکی با مواد ذره¬ای جهت¬دهی شده در دندانه¬ ها، سیم¬پیچهای متمرکز شده¬ی قطبها، آهنرباهای بخش¬بندی¬شده و فاکتور سیم¬¬پیچی بالا جهت بهبود بهره¬وری AFPMSG ارائه شده¬اند. در این مقاله تاثیر مجموعه¬ی محدودی از چهار پارامتر که طراحی نهایی AFPMSG را مشخص می¬نمایند مورد مطالعه قرار گرفته¬است. سه مورد از این پارامترها مربوط به ابعاد کلی AFPMSG میباشند و از این رو به وزن AFPMSG مرتبط می¬شوند. در واقع وزن فعال می¬بایست به جای وزن مورد استفاده قرار گیرد چرا که تنها وزن¬های موادی که که در تبدیل انرژی شرکت می¬کنند یعنی وزن ماده¬ی مغناطیسی، وزن سیم¬پیچی¬های مسی و وزن آهنرباها در نظر گرفته خواهند شد. به عبارت دیگر حجم مرتبط با ساختار مکانیکی در اینجا مد نظر قرار داده نخواهد شد. بنابراین افزایش وزن مواد فعال به ساختار مکانیکی قدرتمندتری نیاز خواهد داشت که این مساله وزن کلی ماشین را افزایش خواهد داد. مواد دندانه¬ها، آهنرباها، آهن پشت روتور و سیم¬پیچها در طول فرایند بهینه¬سازی ثابت هستند که این مساله سبب خواهد شد که هزینه¬ی مواد با وزن این مواد متناسب گردد. هزینه¬ی مواد نیز در فرایند بهینه¬سازی مد نظر قرار داده نخواهند شد. با این وجود از آنجا که هزینه¬ی مواد، متناسب با وزن مواد فعال است لذا مواد فعال کمتر، منجر به هزینه¬ی مواد کمتری خواهند شد. هدف این تحقیق این است که تاثیر وزن را بر روی بهره¬وری AFPMSG بررسی نماید. مطالعه گشتاور دندانه¬دار و اعوجاجات گشتاور که هدف بسیاری از مطالعات اخیر می¬باشد[9]و[11] چندان در این مقاله مورد بررسی قرار داده نشده¬اند. اگرچه بدلیل استفاده از ترکیب 16 آهنربا و 15 دندانه استاتور، ماشین فاقد تقارن خواهد بود لذا انتظار این خواهد بود که گشتاور دندانه¬دار و اعوجاج(ریپل) دارای دامنه و دوره¬ی کوچکی باشند.