ماشین شار سوئیچینگ مغناطیس دائم (FSPM) دسته ای از ماشین های بدون جاروبک مغناطیس دائم است که دارای مزایایی چون ساختار مقاوم، قابلیت اطمینان زیاد، رنج گسترده سرعت، بازده و چگالی گشتاور بالاست. در این ماشین هر دوی استاتور و روتور به صورت قطب برجسته طراحی شده و هر دوی سیم پیچی های تحریک و آهنرباها در استاتور قرار می گیرند. به صورت جزئی تر، هسته استاتور قطب برجسته شامل تکه های مورق u شکل مدولار است که بین آنها آهنرباهای دائمی قرار گرفته اند که به طور محیطی مغناطیس شده و مغناطیس شدگی در پلاریته از یک آهنربا به دیگری معکوس می شود. سیم پیچی استاتور از کلافهای متمرکزشده تشکیل شده است که هر کلاف به دور یک دندانه پیچیده شده که دو تکه مورق مجاور و یک آهنربا را در بر می گیرد. روتور این ماشین همچنین به صورت قطب برجسته بوده و مشابه با ماشین سوئیچ رلوکتانسی طراحی می شود.
اگرچه در مقایسه با ماشین های بدون جاروبک مغناطیس دائم مرسوم، مساحت شیار زمانی که آهنرباها از روتور به استاتور منتقل می شوند، کاهش یافته است، اما در عوض خنک سازی استاتور آسانتر بوده که افزایش دمای ماشین شار سوئیچینگ مغناطیس دائم را محدود می کند. بعلاوه متمرکزسازی شار ممکن است به راحتی استفاده شود، به نحوی که آهنرباهای فریت کم هزینه ممکن است بکار رود. بعلاوه چونکه سیم پیچی و آهنرباها به طور مؤثر به صورت موازی مغناطیسی می شوند، نسبت به حالت سری که در ماشینهای مغناطیس دائم مرسوم وجود دارد، تأثیر میدان عکس العمل آرمیچر روی نقطه کاری آهنرباها تقریباً حذف شده است. به عنوان یک نتیجه، بارگیری الکتریکی و ظرفیت گشتاور خاص یک ماشین مغناطیس دائم شار سوئیچینگ می تواند بسیار بالا باشد. بعلاوه یک اندوکتانس سیم پیچی پریونیتی بالا می تواند به راحتی بدست آورده شود. پس چنین ماشینهایی به طور جدی برای عملکرد توان ثابت در طول یک رنج گسترده سرعت مناسب هستند، یعنی آنها یک ظرفیت تضعیف شار بالا را دارا می باشند.
پیکربندی یک موتور مغناطیس دائم دوبل برجسته و یک موتور شار سوئیچینگ مغناطیس دائم به ترتیب در شکل های 1 و 2 نشان داده شده است.همانطور که دیده می شود این دو پیکربندی به هم شبیه می باشد، به صورتی که قطب های استاتور و روتور برجسته در هر دو ماشین بکار رفته و آهنرباها در استاتور قرار گرفته اند. گشتاور غالباً منتجه از گشتاور تحریک آهنرباهای دائم است یعنی گشتاور اندوکتانسی ناچیز است. به هر حال شکل موج شار پیوندی فاز یک ماشین مغناطیس دائم شار سوئیچینگ دوجهته است. در نتیجه ثابت back-EMF آن و ظرفیت گشتاورش به طور قابل توجهی بیشتر از نوع مغناطیس دائم دوبل برجسته است که در آن شکل موج شار پیوندی فاز تک جهتی است.
شکل 1) ماشین مغناطیس دائم دوبل برجسته (DSPM)
شکل 2) ماشین مغناطیس دائم شار سوئیچینگ
این ماشین همچنین متفاوت با نوع موتور سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) است که در آن آهنرباها در روتور قرار می گیرند. به هر حال، گشتاور دندانه ای آن بالاتر از نوع PMSM است که علت آن ساختار قطب برجسته و چگالی شار شکاف هوایی بالا است. گشتاور دندانه ای منجر به نویز و لرزش نامطلوب خصوصاً در عملکردهای سرعت پایین می شود و برای کاربرد عملکرد بالا مطلوب نمی باشد. برای کاهش گشتاور دندانه ای یکی از راه کارهای مطلوب، اصلاح پیکربندی ماشین شار سوئیچینگ مغناطیس دائم می باشد که در پروژه حاضر مدنظر قرار گرفته است.
بررسی پروژه شبیه سازی
در این پروژه مسئله اضافه کردن پل حصار شار در استاتور با کاهش حجم آهنربایی مدنظر قرار گرفته است که بر روی یک ساختار FSPM با 12 شیار در استاتور و 10 قطب در روتور پیاده سازی می شود. ساختار اصلی و ساختار اصلاح شده به ترتیب در شکل های 3 و 4 نشان داده شده اند که با توجه به مرجع [3] مشخصات نامی و پارامترهای ابعادی آنها بدست آمده و در محیط دوبعدی نرم افزار المان محدود ماکسول طراحی و شبیه سازی شده اند.
شکل 3) ساختار اولیه از FSPM با 12 شیار در استاتور و 10 قطب در روتور
شکل 4) ساختار FSPM اصلاح شده با اضافه کردن پل حصار شار در استاتور و کاهش حجم آهنربایی
توجه می کنیم که پل حصار شار در ساختار اصلاح شده در سمت بیرون استاتور قرار گرفته و ماژول های U شکل را بهم وصل می کند ضمن اینکه کاهش حجم آهنرباها به سمت داخل موتور می باشد، به صورتیکه در ساختار اصلی طول هر آهنربا 20 میلی متر بوده در حالیکه در ساختار اصلاح شده 17 میلی متر می باشد. همچنین پهنای پل حصار شار نیز 1 میلی متر در نظر گرفته شده است.
هر دو شبیه سازی در سرعت نامی 1500 دور بر دقیقه و با جریان تغذیه کننده سینوسی با مقدار مؤثر 3 آمیر انجام شده است. برای بدست آوردن مشخصات دقیق تر علاوه بر مش بندی کلی، لایه های باریک مش بندی نزدیک و داخل شکاف هوایی موتور قرار داده شده است. در ادامه مشخصات این دو ساختار با هم مقایسه شده است.
در شکل های 5 و 6 به ترتیب مشخصه گشتاور دینامیکی ساختار اصلی و ساختار اصلاح شده نشان داده شده است. همانطور که مشخص است مقدار متوسط گشتاور تغییری نکرده اما با اصلاح ساختار اولیه مقدار ریپل گشتاور از 46 درصد به 30 کاهش یافته است.
شکل 5) مشخصه گشتاور دینامیکی ساختار FSPM اولیه
شکل 6) مشخصه گشتاور دینامیکی ساختار FSPM اصلاح شده
در اینجا مناسب است نگاهی نیز به مشخصه گشتاور دندانه ای دو ساختار داشته باشیم که در شکل های 7 و 8 به ترتیب برای ساختار اولیه و ساختار اصلاح شده ارائه شده است. همانطور که کاملاً مشخص است پیک مثبت و منفی گشتاور دندانه ای در ساختار اصلاح شده کاهش یافته که نشان از طرح موفق پیاده سازی شده دارد.
شکل 7) مشخصه گشتاور دندانه ای ساختار اولیه
شکل 8) مشخصه گشتاور دندانه ای ساختار اصلاح شده
———————————————————————————————-
مراجع
[1]
Z.Q. zhu and et.al, “Analysis of Electromagnetic Performance of Flux-Switching Permanent-Magnet Machinesby Nonlinear Adaptive Lumped Parameter Magnetic Circuit Model”, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 41, NO. 11, NOVEMBER 2005
[2]
Y. Wang and Zh. Deng,”Comparison of Hybrid Excitation Topologies for Flux-Switching Machines”, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 48, NO. 9, SEPTEMBER 2012
[3]
Ch. Gan and et. al, ” Investigation of Short Permanent Magnet and Stator Flux Bridge Effects on Cogging Torque Mitigation in FSPM Machines”, IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION ,2017
————————————————————————————————————————————————————
توجه: پروژه شبیه سازی و بهینه سازی ساختار موتور شار سوئیچینگ مغناطیس دائم شامل فایلهای شبیه سازی مربوط به حالت دینامیکی و شبیه سازی مربوط به گشتاور دندانه ای در نرم افزار ماکسول ورژن 16 است؛ ضمن اینکه گزارش کار 8 صفحه ای تایپ شده در ورد و مقاله مرجع نیز ضمیمه آن می باشد.
