شبیه سازی و تحلیل المان محدود یک موتور سنکرون مغناطیس دائم با آرایش آهنربایی V شکل

مقدمه

همانطور که می دانیم موتورهای سنکرون مغناطیس دائم از نظر مکان قرارگیری آهنربا به دو دسته آهنربا داخلی و آهنربا سطحی تقسیم بندی می شوند. یک مزیت موتور مغناطیس دائم داخلی در مقایسه با نوع مغناطیس دائم سطحی، امکان متمرکز­نمودن شار تولید شده توسط آهنربا در روتور و دست­یابی به چگالی شار فاصله هوایی بالاست. بعلاوه آهنرباهای دفن شده در روتور بخوبی در برابر مغناطیس ­زدایی و تنش­های مکانیکی محافظت می ­شوند.از طرف دیگر در این موتورها علاوه بر گشتاور مغناطیسی (یا گشتاور میدان)، یک گشتاور رلوکتانسی نیز بعلت خاصیت برجستگی قطب و اختلاف اندوکتانس موتور در راستای محور d و q ایجاد می شود، بنابراین نسبت به موتورهای نوع آهنربا سطحی در اندازه و ابعاد مشابه، می ­توانند گشتاور متوسط خروجی بیشتری تولید کنند و در ناحیه توان ثابت رنج گسترده ­تری از سرعت را دارا خواهند بود (برای بررسی جزئیات بیشتر به پست موتور سنکرون مغناطیس دائم و انواع آن مراجعه کنید).

در اکثر این موتورها، آهنرباهای تعبیه شده در روتور دارای اندکی فضای خالی در پیرامون خود می باشند که این فضای خالی، حصار شار نامیده می ­شود. یکی از فواید حصار شار، افزایش گشتاور رلوکتانسی موتور می ­باشد، ضمن اینکه شکل و اندازه حصارهای شار بر مشخصه گشتاور دندانه ­ای و ریپل گشتاور موتور تأثیر دارد و باید به شیوه مناسبی طراحی شود.

آرایش آهنربایی در ساختارهای موتور سنکرون مغناطیس دائم آهنربا داخلی می تواند مختلف باشد. یکی از این آرایش ها، حالت V شکل است که به دفعات زیاد در طراحی های این نوع از موتور استفاده شده است. در این حالت به ازای هر قطب یک آرایش دوقطعه ­ای از آهنرباهای دائم قرار داده شده که در زاویه معینی نسبت به هم قرار گرفته و شکل V را تشکیل داده ­اند. در میان و انتهای آهنرباها نیز از حصار شار هوایی استفاده می­ شود تا موجب افزایش گشتاور رلوکتانسی در موتور شود. محدودیت اصلی روتورهای با آهنرباهای V شکل، حضور پل های آهنی است. این پلها از مواد غیر مغناطیسی هستند و جهت نگه ­داشتن آهنرباها در کنار هم استفاده می ­شوند. حداقل ضخامت پل­ها توسط قیود مکانیکی تعیین می­ شوند. بنابراین بخش عمده ­ای از شار آهنربای دائم بجای عبور از فاصله هوایی و ایجاد گشتاور، از طریق این پلها تلف می ­شود. همچنین در روتور V شکل نمی ­توان به راحتی به تعداد قطب بالا دست یافت و اگر زاویه بین دو آهنربا کوچک باشد، آهن بین آن دو براحتی اشباع می ­شود. تعداد زیاد آهنرباها در این موتور هزینه تولید را نیز افزایش می­ دهد. یک کاربرد مهم این ساختار در موتورهای برقی و موتورهای برقی هیبریدی در سرعتهای بالا می ­باشد.

بررسی پروژه شبیه سازی شده

در این پروژه یک نمونه از موتور سنکرون مغناطیس دائم آهنربا داخلی با توان خروجی 7.5 کیلووات با ابعاد اصلی موجود در [1] در نظر گرفته شده و با آرایش آهنربایی V شکل مورد تحلیل و شبیه سازی قرار می گیرد. برای تحلیل از محیط دوبعدی نرم افزار ماکسول استفاده شده و مشخصه های خروجی موتور در حالت تحلیل گذرا بدست آورده شده است. در شکل 1 نمای دو بعدی از سطح مقطع ساختار فوق نشان داده شده که دارای 8 قطب در روتور بوده و از سیم پیچی توزیع شده سه فاز در شیارهای مستطیلی استاتور استفاده می کند.

شکل 1) موتور سنکرون مغناطیس دائم با آرایش آهنربا داخلی V شکل

تغییرات چگالی شار و همچنین خطوط شار در هسته استاتور و روتور به ترتیب در شکل های 2 و 3 نمایش داده شده است.

شکل2) توزیع چگالی شار در هسته استاتور و روتور

شکل 3) خطوط شار در قسمتهای مختلف موتور

مشخصه گشتاور دینامیکی موتور در شکل 4 نشان داده شده، به صورتیکه دارای متوسط گشتاور 94.5 نیوتن بر متر و ریپل گشتاور حدود 30 درصد می باشد. توجه می کنیم که برای دستیابی به این سطح از ریپل ابعاد آهنربایی و مشخصاتی مثل زاویه آهنرباها نسبت بهم، مکان قرارگیری آهنرباها و ابعاد حصار شار مورد بهینه سازی قرار گرفته است.

شکل 4) مشخصه گشتاور دینامیکی خروجی موتور

مشخصه های جریان های سه فاز و ولتاژهای القا شده در سیم پیچی استاتور نیز در شکلهای 5 و 6 نمایش داده شده است. توجه می کنیم که برای بدست آوردن مشخصه هموارتر و بهتر در شکل 6 باید مش بندی و زمان استپ شبیه سازی کاهش داده شود.

شکل 5) مشخصه جریان های سه فاز

شکل 6) مشخصه نیروی الکتروموتوری برگشتی در موتور

———————————————————————————————-

مرجع

[1]

A. Wang, Y. Jia and W. L. Soong, “Comparison of five topologies for an interior permanent-magnet machine for a hybrid electric vehicle ”, IEEE Trans On Magnet., Vol. 47, No. 10, October 2011.

——————————————————————————————————————-

توجه:خوب همانطور که ملاحظه کردید تعدادی از مشخصه های خروجی شبیه سازی موتور سنکرون مغناطیس دائم داخلی که با تحلیل المان محدود بدست آمده بود، در این پست ارائه شد، اما شما دوستان می توانید با تهیه فایل اصلی پروژه علاوه بر مشخصات فوق، موارد دیگر مثل مشخصه ولتاژهای سه فاز، نمودارهای تلفات مسی و تلفات هسته، نمودارهای جریان در راستای محور d و q ، نمودارهای اندوکتانس در راستای محور d و q و همچنین مشخصه گشتاور دندانه ای ساختار را در اختیار داشته باشید. برای خرید فایل پروژه می توانید از لینک خرید زیر استفاده کنید. در انتها لطفا نظرات خود را پیرامون این مطلب با ما در میان بگذارید.