مقدمه:
موتورهای الکتریکی خطی دارای انواع مختلفی چون موتور القایی، موتور سنکرون مغناطیس دائم، موتور سوئیچ رلوکتانسی، موتور ورنیر و … می باشند. موتور سنکرون مغناطیس دائم خطی یا LPMSM دارای ساختاری مقاوم و چگالی توان بالایی بوده و بازده بالاتری نسبت به موتورهای القایی خطی دارند. اگر این نوع از موتور بتواند در سیستم انتقال ریلی استفاده شود، بازده سیستم به طور قابل توجهی افزایش می یابد. به طور معمول این گونه از موتورها به دو دسته کلی اولیه کوتاه (قطبهای آهنربایی طولانی – با ثانویه سیم پیچی دار کوتاه) شکل 1 و نوع ثانویه کوتاه (قطبهای آهنربایی کوتاه – با اولیه سیم پیچی دار طولانی) شکل 2 تقسیم می شوند. معمولا قسمت کوتاه به صورت محرک در نظر گرفته می شود. برای نوع اول، محرک بر اساس قطار تنظیم می شود در حالی که مقدار زیادی از مغناطیس دائمهایی با قیمت بالا در امتداد ریل تنظیم می شوند. عیب های اصلی این نوع از موتور مربوط به هزینه سیستمی بالا و دردسرهای مربوط به حفاظت و نگهداری می باشد. برای نوع دوم، مغناطیس های دائم تحت محرک کوتاه تنظیم می شوند در حالیکه سیم پیچی آرمیچر چندفازه در امتداد ریل تنظیم می شود. در نتیجه موتورهای LPMS به ناچار بعلت استفاده از مقدار زیادی آهنرباها یا سیم پیچی های آرمیچری تنظیم شده در استاتور منجر به افزایش قابل توجه هزینه می شوند؛ خصوصا در کاربردهایی مثل انتقال ریلی شهری که به استاتور طولانی نیاز می باشد.
شکل 1) نوع محرک کوتاه با سیم پیچی آرمیچر از موتور سنکرون مغناطیس دائم خطی
شکل 2) نوع محرک کوتاه با مغناطیس های دائم از موتور سنکرون مغناطیس دائم خطی
در این پروژه یک موتور سنکرون مغناطیس دائم از نوع محرک کوتاه با سیم پیچی آرمیچر در نظر گرفته شده و ابتدا تجزیه و تحلیل آن با شیار باز محرک انجام می شود. سپس اثر نیمه بسته کردن شیارها بر مشخصات خروجی چون نیروی دندانه ای و نیروی محرک مورد بررسی قرار می گیرد.
مسئله ریپل گشتاور
در موتور مغناطیس دائم خطی، خصوصا در نوع LPMSM دو جزء نیروی اضافه علاوه بر نیروی الکترومغناطیسی وجود دارد که بر عملکرد آن تأثیر می گذارد. اولین جزء نیروی ریپل کموتاسیون است که بعلت مؤلفه هارمونیکی مشخصه های جریان و ولتاژ است. دومین جزء نیروی دندانه ای است که مشابه گشتاور دندانه ای در موتورهای مغناطیس دائم چرخشی است و به علت ساختار فیزیکی موتور ایجاد می شود.
ریپل نیرو در موتورهای سنکرون مغناطیس دائم خطی بزرگتر از نوع چرخشی است که علت آن طول محدود استاتور یا محرک و پهنای باز گسترده شیار است و این موضوع اساسا و به طور ذاتی مشکل موتورهای خطی است. در نوع LPMSM ریپل نیرو اساسا بعلت نیروی دندانه ای تولیدشده بین مغناطیس دائم و دندانه های اولیه می باشد. این نیرو باعث ریپل گشتاور شده که منجر به لرزش و نویز موتور شده و مشخصات کنترلی مربوط به کنترل سرعت در سرعت پایین و همچنین کنترل موقعیت را خراب می کند. بنابراین کاهش آن نیاز ضروری در ساختارهای LPMSM است.
چندین تکنیک برای مینیمم سازی نیروی دندانه ای وجود دارد:
1) تنظیم پهنای مغناطیس های دائم
2) آرایش نامتقارن آهنربایی
3) استفاده از شیارهای نیمه بسته شده در هسته استاتور
در این پروژه تکنیک سوم بر روی یک ساختار نمونه پیاده سازی شده و اثر آن بر مشخصات خروجی معلوم می شود.
شبیه سازی و نتایج
در این قسمت یک موتور سنکرون مغناطیس دائم خطی با شیارهای باز و نیمه بسته در قسمت متحرک را مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهیم. ساختار اصلی موتور با شیارهای باز در قسمت محرک در شکل 3 نشان داده شده است که در محیط المان محدود انسیس ماکسول طراحی و شبیه سازی شده است. در این موتور قسمت ساکن در زیر قرار گرفته و آهنرباهای مغناطیسی بر روی آن جاسازی شده اند. در قسمت فوقانی نیز قسمت متحرک قرار دارد که در آن سیم بندی فازهای مختلف درون شیارها قرار داده شده اند. برای کاهش هارمونیکهای back-EMF نیز سیم بندی فازها به صورت گام قطب کسری در نظر گرفته شده است که در آن هر فاز دارای سه کلاف سیم پیچی بوده که به ترتیب در شیارهای کنار هم قرار داده شده اند.
شکل 3) موتور سنکرون مغناطیس دائم خطی با شیارهای باز
برای بدست آوردن نتایج ساختار موردنظر را در محیط دوبعدی و در حالت گذرا مورد شبیه سازی قرار می دهیم. سرعت محرک 1 متر بر ثانیه بوده و زمان شبیه سازی 70 میلی ثانیه می باشد. نتایج موردنظر شامل مشخصه نیروی محرک و مشخصه نیروی بازدارنده است که طی شبیه سازی های مجزا بدست آورده می شوند.
شکل 4) مشخصه گشتاور دینامیکی موتور با شیارهای باز
شکل 5) مشخصه نیروی دندانه ای موتور با شیارهای باز
در شکل 4 مشخصه نیروی محرک موتور نشان داده شده است که دارای متوسط نیروی 325 نیوتن بر متر و ریپل نیروی 32 درصد می باشد. در شکل 5 مشخصه نیروی بازدارنده ارائه شده که دارای قدرمطلق پیکی در محدوده 45 تا 48 نیوتن بر متر است.
در ادامه ساختار موتور با شیارهای نیمه بسته در شکل 6 نشان داده شده است. توجه می کنیم پهنای باز باید طوری انتخاب شود که بعدا برای جاسازی سیم پیچی ها در شیار مشکلی بوجود نیاید.
شکل 6) ساختار موتور با شیارهای نیمه بسته
در ادامه مشخصه های موتور سنکرون مغناطیس دائم خطی با شیارهای نیمه بسته در شکل های 7 و 8 ارائه شده است. در شکل 7 بر اساس مشخصه نیروی محرک مقدار متوسط نیرو حدود 320 نیوتن بر متر است که تغییر محسوسی نسبت به مرحله قبل ندارد. در شکل 8 مشخصه نیروی بازدارنده برای موتور با شیار نیمه بسته نشان داده شده که به وضوح کاهش پیک آن نسبت به شکل 5 مشخص است. ریپل نیرو در این حالت 17 درصد است که نسبت به مرحله قبل حدود 53 درصد کاهش یافته است.
شکل 7) مشخصه گشتاور دینامیکی موتور با شیارهای نیمه بسته
شکل 8) مشخصه نیروی دندانه ای موتور با شیارهای نیمه بسته
از نتایج بدست آمده و مقایسه آنها با یکدیگر می توان به این نتیجه گیری رسید که در طراحی موتور سنکرون مغناطیس دائم باید حتما از شیارهای نیمه بسته استفاده شود. درست است که طراحی این نوع از شیارها در فرآیند ساخت مشکل تر از طراحی نوع شیار باز است اما می تواند باعث عملکرد هموارتر و بی سر و صداتر موتور شود.
——————————————————————————————————————
توجه:
در این صفحه در مورد موتور سنکرون مغناطیس دائم خطی بحث کرده و ضمن مشخص کردن دو ساختار کلی از آن، مزایا و معایب و کاربرد آن را بیان کردیم. سپس در مورد مسئله ریپل نیرو بحث کرده و دلایل ایجاد آن را در موتور مذکور ذکر کردیم. در ادامه اثر شیارهای نیمه بسته نسبت به شیار باز را با شبیه سازی یک ساختار با ابعاد معلوم در نرم افزار ماکسول مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار دادیم. شما می توانید فایل های کامل شبیه سازی به همراه گزارش کار تنظیم شده برای آن را از لینک زیر خریداری کنید.
