موتور ورنیر مغناطیس دائم سطحی

مقدمه

امروزه ماشین­های مغناطیس دائم درایو مستقیم یکی از جذاب­ترین موضوعات تحقیقاتی از ماشین­های الکتریکی شده ­اند که دلیل آن توسعه سریع کاربردهای درایو مستقیم شامل رباتیک، حمل و نقل الکتریکی، توربین بادی و غیره می­ باشد. ماشین­های ورنیر مغناطیس دائم که دارای چگالی گشتاور بالا و ریپل گشتاور پایین هستند، برای کاربرد ماشینی مغناطیس دائم درایو مستقیم مناسبند. پیکربندی­های مختلفی از این گونه ماشین­ها در سالهای اخیر توسعه داده شده است. این ساختارها در سه دسته کلی موتورهای ورنیر رلوکتانسی، مغناطیس دائم و ترکیبی قرار می ­گیرند. ما قبلا در پست ساختار دوبل استاتوره از موتور ورنیر مغناطیس دائم و در پست ساختار ورنیر مغناطیس دائم تک استاتوره – تک روتوره نمونه ­هایی از موتورهای ورنیر را مورد بررسی و موشکافی قرار دادیم. همانطور که می ­دانیم در نوع مغناطیس دائم تولید میدان در استاتور به کمک سیم­ پیچی چند فاز و در روتور به کمک آهنرباهای دائم انجام می­ شود که از تقابل این دو میدان گشتاور حاصل می­ شود.

موتورهای ورنیز مغناطیس دائم همچون موتورهای سنکرون مغناطیس دائم می­ توانند از نظر محل قرارگیری آهنرباها و شکل آرایش آهنرباها به صورت مختلفی طراحی شوند. به طور مثال می ­توان به آرایش آهنربایی سطحی اشاره کرد که آهنرباها با فواصل یکسان روی سطح روتور جاسازی می­ شوند.

در این پروژه یک ساختار موتور ورنیر مغناطیس دائم تک استاتوره روتور داخلی با آرایش آهنربایی سطحی در روتور در نظر گرفته شده و در محیط نرم افزاری ماکسول مورد شبیه سازی و تحلیل قرار گرفته است. هدف بررسی اثرات نسبت تقسیم، نسبت باز شیار و ضخامت آهنربا در این ساختار بر روی مشخصه گشتاور دینامیکی می باشد.

معرفی موتور ورنیز مورد بررسی

موتور ورنیری که در این پروژه مورد بررسی قرار گرفته، در شکل 1 نشان داده شده است که دارای 12 شیار در استاتور و 20 قطب در روتور می باشد. با توجه به رابطه ای که بین تعداد شیار، جفت قطب سیم پیچی و جفت قطب روتور برقرار است، این ساختار 2 جفت قطب سیم پیچی در هر فاز استاتور دارد که در شکل 1 کلاف های هر فاز با رنگ مجزا نشان داده شده اند. موتور موردنظر دارای دندانه های ساده در استاتور بوده و از آهنرباهای سطحی در روتور استفاده می کند که به فاصله کمی از هم بر روی سطح خارجی روتور قرار گرفته اند. جهت مغناطیس شدگی این آهنربا به صورتی است که به صورت یک در میان در جهت و در خلاف جهت شعاع روتور می باشد که با رنگهای قرمز و آبی مشخص شده اند.

شکل 1) ساختار موتور ورنیر مغناطیس دائم با آرایش آهنربایی سطحی

در ساختار موردنظر که به صورت سه فاز در نظر گرفته شده، هر فاز دارای چهار کلاف می باشد که این کلاف ها ها به صورت سری بهم متصل شده اند. این فازها با جریان های سینوسی با فرکانس مشخص تحریک می شوند و میدان مغناطیس چرخشی را در موتور فراهم می کنند. در شکل 1 کلافهای فازهای A، B و C به ترتیب با رنگ های زرد، سبز و نارنجی مشخص شده اند. جهت جریان در فاز A به ترتیب از سمت راست شکل 1 به صورت مثبت – منفی، منفی – مثبت، مثبت – منفی و منفی – مثبت می باشد و در فاز B برعکس این ترتیب و در فاز C مشابه با همین ترتیب تنظیم شده است.

شبیه سازی و تحلیل پارامتری

در این مرحله ساختار موتور ورنیز مغناطیس دائم موردنظر را در محیط دوبعدی نرم افزار انسیس ماکسول مدل­ سازی و سپس تنظیم می­ کنیم. پارامترهای نامی و ابعادی این موتور از مرجع [1] استخراج شده است. مقدار سرعت برابر با 500 دور بر دقیقه و مقدار پیک جریان برابر با 8 آمپر در نظر گرفته شده است.

بعد از مدل­سازی، به شبیه­ سازی و تحلیل پارامتری اثرات سه عامل یعنی نسبت تقسیم، ضخامت آهنربا و پهنای باز شیار می ­پردازیم و نتایج را در هر مرحله گزارش می ­دهیم. در انتها نیز موتور با ابعاد بهینه را در نظر گرفته و مشخصه­ های مهم آن را ارائه خواهیم کرد.

1) اثر نسبت تقسیم:

این پارامتر در اصل برابر با نسبت قطر داخلی به قطر خارجی استاتور می باشد که مقدار آن بر متوسط گشتاور تأثیرگذار است. در شکل 2 اثر تغییر این پارامتر نمایش داده شده و به صورتی است که قطر بیرونی در مقدار  ثابت نگه داشته شده و قطر داخلی تغییر می کند.

شکل 2 ) اثر تغییر قطر داخلی (نسبت تقسیم) بر مشخصه گشتاور دینامیکی

2) اثر تغییر ارتفاع آهنربا:

یکی دیگر از پارامترهایی که مورد بررسی قرار گرفته، ارتفاع آهنرباها در روتور می باشد که در شکل 3 نمایش داده شده است. در اینجا نسبت قطبی ثابت بوده و فقط ارتفاع تغییر پیدا می کند. اثر تغییرات در شکل 4 نمایش داده شده و همانطور که مشخص است تاثیر چندانی بر متوسط گشتاور موتور ندارد.

شکل 3 ) آهنربا و پارامتر مربوط به ارتفاع آن

شکل 4 ) اثر تغییر ارتفاع آهنرباها بر مشخصه گشتاور دینامیکی

3) اثر تغییر باز شیار استاتور:

در این مرحله اثر تغییر باز شیار استاتور مورد بررسی قرار گرفته که در اصل به معنای نسبت پهنای باز شیار استاتور به مجموع پهنای باز شیار و پهنای دندانه استاتور می باشد. این پارامتر هم بر متوسط گشتاور و هر بر ریپل آن تاثیر دارد که در شکل 5 نیز اثر تغییر آن نمایش داده شده است.

شکل 5 ) اثر تغییر باز شیار استاتور بر مشخصه گشتاور دینامیکی

بررسی مشخصات موتور ورنیر مورد بررسی با پارامترهای بهینه

در این قسمت مقدار بهینه از سه پارامتری که قبلا با تحلیل پارامتری آنها را بررسی کردیم در نظر گرفته و شبیه سازی ساختار موردنظر را مجددا انجام می دهیم. توجه می کنیم که برای نسبت تقسیم، ارتفاع آهنرباها و نسبت باز شیار به ترتیب مقدارهای 0.65، 3.2 میلی متر و 0.67 در نظر گرفته شده است. در ادامه مشخصات خروجی نمایش داده شده است.

شکل 6 ) مشخصه گشتاور دینامیکی

با توجه به شکل 6 مقدار متوسط گشتاور 20.67 نیوتن بر متر و مقدار ریپل گشتاور با توجه به پیک تو پیک 0.89 برابر با 4.3 درصد می باشد. مشخصه جریان فاز A نیز در شکل 7 نمایش داده شده است.

شکل 7) مشخصه جریان سینوسی فاز A

در شکل 8 مشخصه back-EMF فاز A نمایش داده شده که دارای مقدار ماکزیمم 105.5 ولت می باشد. همانطور که مشخص است شکل موج تقریبا به صورت سینوسی می باشد که با کوچکتر کردن پله زمانی شبیه سازی، به صورت دقیق تر نمود پیدا خواهد کرد.

شکل8 ) مشخصه back-EMF فاز A

در شکل 9 نیز توزیع چگالی شار در هسته موتور نمایش داده شده و همانطور که واضح است سطح آن در هسته استاتور و رتور در مقدارهای مجاز خود قرار دارد.

شکل 9 ) توزیع چگالی شار در هسته استاتور و روتور

نتیجه ­گیری

در این پروژه یک ساختار موتور ورنیر مغناطیس دائم با آرایش آهنربایی سطحی مورد شبیه سازی و تحلیل پارامتری قرار گرفته و مشخصات بهینه آن بدست آورده شد. از نتایج مشخص شد که نسبت تقسیم و نسبت باز شیار به مقدار متوسط گشتاور و ریپل آن تأثیر دارد اما تغییر ضخامت آهنربا تأثیر چندانی بر متوسط گشتاور ندارد.

از نتایج شبیه سازی مربوط به مدل بهینه مشخص شد که ساختار موردنظر می ­تواند گشتاور همواری را تولید کند ضمن اینکه مشخصه نیروی ضد محرکه آن نیز به سینوسی نزدیک است.

————————————————————————————————————–

مرجع

[1]

Wu and et.al, ” Influence of Pole Ratio and Winding Pole Numbers on Performances and Optimal Design Parameters of Surface Permanent Magnet Vernier Machines”, 2015

————————————————————————————————————

توجه

برای تهیه فایل های شبیه سازی و گزارش کار این پروژه می توانید از لینک خرید زیر استفاده کنید. توجه کنید که فایل گزارش کار این پروژه علاوه بر موارد بیان شده در این صفحه شامل توضیحات مربوط به محاسبه بازده و بررسی ظرفیت اضافه باری موتور نیز می باشد.