مقدمه:
یک جزء اساسی در موتورهای مغناطیس چون موتور BLDC آهنرباهای دائم هستند که به طور معمول برای تولید میدان مغناطیسی جهت تقابل با میدان سیم پیچی تحریک و تولید گشتاور استفاده می شوند. در طراحی ساختار یک ماشین مغناطیس دائم مواردی مثل جنس مواد، ابعاد، محل قرارگیری و جهت مغناطیس شوندگی آهنرباهای دائم اهمیت زیادی دارد. این موارد به عواملی مانند ظرفیت تولید توان، نوع ساختار، محدوده هزینه، در دسترس پذیری مواد و هدف طراحی وابسته می باشد.
انتخاب جهت مغناطیس شوندگی آهنرباهای دائم در هدایت خطوط شار در هسته به شیوه درست و با کمترین اتلاف شار تأثیرگذار است. به طور مثال در آرایش های آهنربا سطحی این جهت در دستگاه استوانه ای به صورت شعاعی در نظر گرفته می شود. یک نوع نسبتا جدید از آرایش آهنربایی در موتورهای مغناطیس، آرایش هالباخ می باشد که می تواند با طراحی بهینه موجب بهبود توزیع شار در هسته و افزایش ظرفیت تولید گشتاور ساختار موردنظر شود. در این پست ما قصد داریم ضمن معرفی و آشنایی با آرایش نوع هالباخ، مشخصات خروجی یک موتور BLDC نوع روتور خارجی را بررسی کنیم که با این آرایش تجهیز شده است.
آرایش هالباخ:
این آرایش که اولین بار در [1] برای یک موتور مغناطیس دائم خطی بکار گرفته شد، توسط شخص هالباخ برای استفاده در عناصر نوری شتاب دهنده ذرات و منابع نوری پیشرفته سنکروترون پیشنهاد شده بود. در کاربردهای با حرکت خطی، بردار مغناطیس شوندگی در آرایش، همانند شکل 1 دارای مؤلفه هایی در هر دو جهت موازی و عمود بر شکاف هوایی می باشد. در این شکل آرایه در هر دوره از چهار بلوک آهنربایی استفاده می کند که در بلوک بعدی نسبت به قبلی جهت چرخش 90 درجه عوض می شود.
شکل 1) آرایش آهنربایی هالباخ در موتور خطی
در کاربردهای چرخشی برای حالت ایده آل مطلوب است که مغناطیس شوندگی در آرایه به طور پیوسته در یک مد سینوسی چرخش کند. چون در عمل ساخت چنین ساختاری مشکل است، می توان حالت ایده آل را با مجموعه ای مجزا از آهنرباها تقریب زد. به طور مثال در شکل های 2 و 3 آرایش آهنربایی به صورت هشت بلوک در هر دوره است؛ به نحوی که بردار مغناطیس شوندگی به اندازه 45 درجه بین تکه های آهنربا چرخش می کند. توجه می کنیم که اختلاف ساختارهای نشان داده شده در شکل های 2 و 3 فقط در جهت چرخش بردار مغناطیس شوندگی است. در شکل 2 بردار به همان صورتی که آرایه در جهت عقربه های ساعت حرکت می کند، می چرخد و میدان در داخل آرایه متمرکز می شود در حالیکه در شکل 3 بردار در خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخد و میدان در خارج از آرایه متمرکز می شود [2].
با این شکل از طراحی در روتور (استاتور) موتورهای مغناطیس دائم، انتظار می رود که پیک شار شکاف هوایی بالاتر تولید شود که منجر به تولید گشتاور بیشتری خواهد شد.
شکل 2) آرایش هالباخ با متمرکزسازی داخلی
شکل 3) آرایش هالباخ با متمرکزسازی بیرونی
به طور معمول برای ساده تر کردن فرآیند ساخت و ساز مطلوب است که آرایش آهنربایی همانند شکل 4 به صورتی طراحی شود که بردار مغناطیس شوندگی به اندازه 90 درجه بین تکه های آهنربایی چرخش کند. ساخت روتوری با چنین آرایش آهنربایی آسان تر است زیرا در کاربرهایی با تعداد زیاد جفت قطب و قطر بزرگ روتور، مانند موتور چرخ، می توان آهنرباهای شعاعی و آزیموتال (در مختصات استوانه ای در جهت بردار فی) را از بلوک مغناطیس شده مشابه جدا کرد [2].
شکل 4) آرایش هالباخ با چرخش 90 درجه ای مغناطیس شوندگی (چهار قطعه بر قطب)
بررسی مشخصات یک موتور BLDC نمونه با آرایش آهنربایی هالباخ
در این قسمت ساختار یک موتور مغناطیس دائم BLDC سه فاز روتور بیرونی در نظر گرفته شده که دارای 12 شیار در استاتور بوده و از آرایش آهنربایی هالباخ در روتور استفاده می کند (شکل 5).
شکل 5) مدل موتور BLDC موردنظر با آرایش هالباخ
همانطور که در شکل 6 نشان داده شده، آهنرباهای قرمز و آبی رنگ در جت شعاعی و آهنرباهای سبز و زردرنگ در جهت آزیموتال مغناطیسی شده اند. در اینجا برای دست یابی به گشتاور و توان خروجی بالاتر زاویه آلفا به عنوان پارامتر طراحی در نظر گرفته شده و مقدار آن بهینه شده است. رابطه بین این دو زاویه به صورت زیر است:
شکل6) جهت های مغناطیس شوندگی و موقعیت زاویه های آلفا و بتا در موتور BLDC
ساختاری که در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته، به صورت روتور بیرونی در نظر گرفته شده است. علت آن این است که در ساختارهای روتور بیرونی نسبت به روتور داخلی به سبب فضای بیشتر برای قرارگیری آهنرباهای دائمی، میتوان تعداد قطب موتور را افزایش داد. همچنین در حالت روتور بیرونی فضای بیشتری برای جاسازی سیمپیچی های استاتور قرار دارد، بنابراین میتوان سیمهایی با سطح مقطع بزرگتر و تعداد بیشتری را در شیارهای استاتور قرار داد. تمام این موارد بر ظرفیت گشتاور و بازده ساختار کلی تأثیرگذار خواهند بود.
برای بدست آوردن مشخصات خروجی موتور از محیط دوبعدی المان محدود نرم افزار ماکسول استفاده میکنیم. نمایی مشبندی این ساختار در شکل 7 ارائه شده است. تعداد مش انتخاب شده حدود 30000 و گام شبیه سازی به اندازه 10 میکروثانیه در نظر گرفته شده است.
شکل 7) نمایی از مش بندی ساختار موتور BLDC با آرایش هالباخ
در ادامه به بررسی مشخصات خروجی موتور BLDC در محیط دوبعدی ماکسول می پردازیم. در شکل 8 مشخصه گشتاور دینامیکی ارائه شده است. با توجه به شکل 8 مقدار متوسط گشتاور 32.44 میلی نیوتن بر متر و مقدار ریپل گشتاور حدود 30 درصد میباشد.
شکل 8) مشخصه گشتاور دینامیکی
شکل 9) مشخصه جریان فاز A
مشخصه نیروی الکتروموتوری برگشتی نیز در شکل 10 ارائه شده است.
شکل 10) مشخصه back-EMF فاز A
محاسبه بازده:
مقدار تلفات هسته و تلفات مسی با توجه به خروجی تلفات از نرم افزار به ترتیب برابر با 2.15 و 1.41 وات میباشد. از طرفی مقدار توان خروجی با توجه به سرعت چرخشی 5500 دور بر دقیقه و گشتاور متوسط 36.64 میلی نیوتن بر متر برابر با 18.68 وات میباشد. پس بازده خروجی موتور برابر خواهد بود با:
——————————————————————————————————————————————————-
مراجع
[1]
David L. Trumper, Magnet Arrays for Synchronous Machines
[2]
J. Ofori-Tenkorang, A Comparative Analysis of Torque Production in Halbach and Conventional Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motors
——————————————————————————————
توجه: برای خرید فایل پروژه شبیه سازی موتور بدون جاروبک مغناطیس دائم با آرایش هالباخ و همچنین در اختیارداشتن مشخصه های خروجی بیشتر و مقاله مرجع شبیه سازی می توانید از لینک خرید در ادامه استفاده کنید.
