موتور بدون جاروبک جریان مستقیم (BLDC) ، از نظر ساختار یک موتور سنکرون است که به لطف سیستم کموتاسیون استاتیک قادر است با تغذیه DC کار کند. همچنین در این موتور به جای سیم پیچی در روتور، از آهنرباهای دائم استفاده شده است. این موتورها چون توانایی کار با تغذیه DC را دارا هستند، به طور گسترده در مکان هایی که امکان استفاده از تغذیه AC در آنها فراهم نیست، استفاده می شوند. از جمله کاربردهای این موتور می توان به استفاده از آنها در موتور رباتها، فن کامپیوترها، هواسازها و در صنایع نظامی نظیر پهپادها و زیردریایی ها اشاره کرد.
این موتورها از نظر مکان و آرایش قرارگیری آهنرباها در آنها، به دو دسته آهنربا داخلی و آهنربا سطحی تقسیم می شوند. در نوع آهنربا داخلی، آهنرباها در داخل روتور دفن می شوند اما در نوع آهنربا سطحی، آهنرباها روی سطح خارجی روتور در فاصله مشخصی از هم قرار می گیرند. موتور در نظر گرفته شده در این پروژه از نوع آهنربا سطحی است و این ساختارها برای این نوع از موتور بیشتر معمول هستند؛ هر چند که نوع آهنربا داخلی آن نیز ساخته می شود (برای اطلاعات بیشتر در مورد نوع آهنربا داخلی به این پست مراجعه کنید)
اگرچه این موتورها دارای مزایای قابل توجهی هستند، اما همچنان برخی از ویژگیهای این موتورها نیازمند بهبود است. لرزش و نویز صوتی، دو مشکل مهم این موتور هستند که از ضربان در گشتاور خروجی این موتور ناشی می شوند. مشکل ضربان گشتاور در تمام موتورها وجود دارد و مخصوص این موتور نیست. اما با توجه به موارد کاربرد این موتور بخصوص در صنایع نظامی نظیر پهبادها (UAV) و زیردریایی ها و اینکه نویز صوتی از عوامل شناسایی این وسائل است، کاهش ضربان گشتاور برای این موتور در درجه بالایی از اهمیت قرار دارد.
ضربان گشتاور، برآیند دو نوع مختلف از گشتاور است، گشتاور دندانه ای و ریپل گشتاور. ریپل گشتاور از تقابل میدان سیم پیچ های استاتور و شار پیوندی آهنربا حاصل می شود. گشتاور دندانه ای نیز از تقابل شار مغناطیسی رتور و تغییر رلوکتانس مغناطیسی استاتور به وجود می آید و ارتباطی به جریان موتور ندارد. گشتاور دندانه ای نقش مهمی در ایجاد نویز صوتی و لرزش در موتور بدون جاروبک جریان مستقیم دارد، بنابراین باید تا جای ممکن آنرا کاهش داد.
در پروژه پیشرو، دو هدف اصلی دنبال شده است:
1.طراحی و بهینه سازی ابعاد موتور بدون جارویک جریان مستقیم با آهنرباهای سطحی در روتور با استفاده از الگوریتم TLBO
2.کاهش گشتاور دندانه ای موتور با استفاده از تعیین مقدار مناسب برای Embrace و آفست قطب
روند کار بدین صورت است که ابتدا توسط برنامه تنظیم شده برای الگوریتم TLBO و برنامه ای حاوی پارامترهای ثابت، پارامترهای متغیر و تابع هدف، ابعاد یک موتور بدون جارویک جریان مستقیم با توان 3 کیلووات و سرعت نامی 500 دور بر ثانیه، بهینه شده و بدست آورده می شود. سپس با ایعاد مورنظر ابتدا موتور در محیط دو بعدی نرم افزار ماکسول شبیه سازی شده و مشخصات خروجی آن تعیین می شود. در نهایت اثر تغییر Embrace و آفست قطب بر گشتاور دندانه ای بررسی شده و مقدار از این دو پارامتر که موجب کمترین سطح گشتاور دندانه ای می شود، بدست آورده می شود. مشخصات نهایی موتور با تنظیم مقدار آفست و Embrace به مقدار بهینه شده از آنها تعیین شده است.
نمای مش بندی شده ای از موتور بدون جاروبک جریان مستقیم که در پروژه مورد تحلیل قرار گرفته است، در شکل 1 نشان داده شده است. همان طور که ملاحظه می شود، ساختار موتور به صورت روتور داخلی است که دارای 12 قطب آهنربایی می باشد، به صورتیکه آهنرباها به صورت سطحی بر روی روتور قرار گرفته اند. این شکل از آرایش آهنرباها، برای این نوع موتور معمول می باشد.
شکل 1) نمای مش بندی شده از موتور بدون جاروبک جریان مستقیم در محیط دوبعدی نرم افزار ماکسول
از خروجی های مهم شبیه سازی، مشخصه گشتاور خروجی و گشتاور دندانه ای موتور می باشد که به ترتیب در شکل های 2 و 3 نمودار آنها برای ابعاد بهینه شده از موتور و مقدار بهینه از آفست و Embrace قطب نشان داده شده است.
شکل 2) مشخصه گشتاور خروجی موتور بدون جاروبک جریان مستقیم با آهنرباهای سطحی در روتور
همانطور که ملاحظه می شود موتور حاضر دارای مقدار متوسط گشتاور 57 نیوتن بر متر و ریپل گشتاور 43 درصد می باشد. در ادامه مشخصه گشتاور دندانه ای نمایش داده شده است.
شکل 3) مشخصه گشتاور دندانه ای موتور بدون جاروبک جریان مستقیم
توجه: فایل پروژه شامل برنامه بهینه سازی با الگوریتم TLBO، فایل شبیه سازی موتور بدون جاروبک جریان مستقیم در محیط دوبعدی در حالت گذرا برای بدست آوردن مشخصات خروجی موتور و فایل شبیه سازی موتور در محیط دوبعدی در حالت شبه ایستا برای بدست آوردن مشخصه گشتاور دندانه ای می باشد. برای دریافت فایل پروژه از لینک خرید پروژه استفاده کنید.
