مقدمه
موتور سنکرون مغناطیس دائم از دسته موتورهای سنکرون و از شاخه آهنربا دائم است که بعلت مزایایی مثل بازده بالاتر،ضریب توان بهتر و چگالی گشتاور بیشتر نسبت به موتورهای القایی کاربرد زیادی در صنعت خصوصا در خودروهای هیبریدی و هیبریدی ترکیبی دارد. اگر مطالب سایت ما را دنبال کرده باشید، در پست آشنایی با موتور سنکرون مغناطیس دائم به صورت مفصل در مورد نحوه عملکرد، اجزای تشکیل دهنده و انواع ساختارهای آن بحث کردیم. همانطور که می دانیم یکی از پیکربندی های موتور سنکرون مغناطیس دائم نوع آهنربا داخلی است که به دلیل قرارگرفتن آهنرباها در داخل بدنه روتور دارای ساختار مقاومتری نسبت به نوع آهنربا سطحی می باشد.یک مزیت مهم دیگر ساختار آهنربا داخلی نسبت به آهنربا سطحی، ناحیه توان – سرعت گسترده تر می باشد که از این خاصیت برای استفاده در خودروهای الکتریکی و هیبریدی استفاده می شود. رنج سرعت توان ثابت به طور زیادی تحت تأثیر نوع آرایش آهنرباهای تعبیه شده و موقعیت و ابعاد این آهنرباها در روتور و قرارگیری آنها نسبت به یکدیگر می باشد.
اگر نگاهی به مقالات و مراجع مختلفی داشته باشیم که در زمینه طراحی و بهینه سازی موتور سنکرون مغناطیس دائم ارائه شده است، متوجه خواهیم شد که نمونه های مختلفی از آرایش های آهنربایی برای موتور سنکرون مغناطیس دائم ارائه شده است، به طور مثل آرایش V شکل (پست شبیه سازی این ساختار بررسی شود)، آرایش مستطیلی، آرایش U شکل و غیره. این آرایش ها ممکن است به صورت تک لایه و یا چند لایه در قسمت روتور پیاده سازی شوند که با افزایش تعداد لایه پیچیدگی طراحی نیز بیشتر می شود. معمولا در طراحی پارامترهای مختلفی از آهنرباها مثل پهنا، ارتفاع، فاصله از محور و … در نظر گرفته شده و با فرآیند بهینه سازی به صورتی بدست آورده می شود که منجر به یک چگالی توان و گشتاور بیشینه شود. البته مسئله ریپل گشتاور نیز مطرح است که باید در فرآیند بهینه سازی در نظر گرفته شود.
یکی از آرایش های آهنربایی که ممکن است در موتور سنکرون مغناطیس دائم آهنربا داخلی بکار برده شود، آرایش آهنربا – تقسیم شده می باشد که قصد داریم در این پروژه ضمن توضیحاتی کلی در مورد آن، فرآیند طراحی و شبیه سازی یک موتور سنکرون مغناطیس دائم که به این نوع آرایش تجهیز شده است، را ارائه دهیم. بهتر است ابتدا بررسی کلی از این آرایش داشته باشیم.
موتور سنکرون مغناطیس دائم با آرایش آهنربا – تقسیم شده
ساختاری با آهنرباهای مستطیلی شکل تقسیم شده مشابه با ساختار مغناطیس دائم مستطیلی است، با این تفاوت که آهنرباها در هر قطب از وسط به دونیم شده و بین قسمتهای تقسیم شده، پل آهنی قرار می گیرد. مزیت پل آهنی اضافه شده افزایش ظرفیت تضعیف شار برای کارکرد در سرعتهای بالاست، ضمن اینکه احتمال وقوع پدیده مغناطیس زدایی معکوس پذیر در آهنرباها کاهش یافته و به خاطر پل آهنی اضافه شده، قدرت مکانیکی ساختار روتور افزایش پیدا می کند. از طرف دیگر بعلت شار نشتی بوجود آمده در این پل ها، چگالی شار شکاف هوایی در موتور مغناطیس دائم با آهنرباهای مستطیلی تقسیم شده کمتر از نوع موتور با آرایش مستطیلی مرسوم است که نتیجه آن شار پیوندی کمتر آهنربا دائم می باشد. باید توجه شود که افزایش پهنای پل آهنی اگرچه موجب تقویت ظرفیت تضعیف شار موتور می شود، اما کاهش گشتاور متوسط خروجی موتور را در پی دارد، بنابران ضمن اینکه مصالحه ای باید بین پهنای پل آهنی و سطح گشتاور متوسط خروجی صورت گیرد، طراحی آهنرباها باید به صورتی باشد که کاهش گشتاور متوسط را در اثر ایجاد پل آهنی بین آهنرباها تا حد زیادی جبران کند. این کار را می توان از طریق تحلیل المان محدود موتور و بدست آوردن حالت مناسب و بهینه انجام داد.
بررسی پروژه شبیه سازی شده
ساختاری که در اینجا برای شبیه سازی و تحلیل المان محدود در نظر گرفته شده، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است؛ یک موتور سنکرون آهنربا دائم با آهنرباهای تقسیم شده است که 8 قطبه بوده و دارای توان نامی 7.5 کیلووات می باشد. این ساختار دارای 8 آهنربا دائم است که از وسط به دو نیم شده و این دو نیمه توسط یک پل آهنی باریک از هم جدا شده اند. همچنین برای افزایش بیشتر متوسط گشتاور یک حصار شار در انتهای هر نیمه آهنربا قرار داده شده که توسط یک باریکه آهنی از سطح بیرونی روتور جدا می شود. برای تحلیل مشخصات خروجی ابتدا عملکرد موتور در سرعت 750 دور بر دقیقه و سپس در سرعت بالاتر 1500 دور بر دقیقه مورد بررسی قرار می گیرد. بعد از این مرحله، برای بررسی مقاومت موتور در برابر خطاها، عملکرد در حالت خطای اتصال کوتاه و همچنین در حالت مغناطیس زدائی آهنرباها ارزیابی خواهد شد.
شکل 1) موتور سنکرون مغناطیس دائم با آهنرباهای تقسیم شده
مرحله اول: شبیه سازی موتور با آهنربای تقسیم شده در سرعت 750 دور بر دقیقه
نتایج این شبیه سازی در شکل های 2 تا 4 آورده شده است. در شکل 2 مشخصه گشتاور دینامیکی نشان داده شده است که دارای متوسط 93.44 نیوتن بر متر و پیک تو پیک 9.16 نیوتن بر متر است. بنابراین ریپل گشتاور موتور در سرعت 750 دور بر دقیقه برابر با 9.8 درصد می باشد.
شکل 2) مشخصه گشتاور دینامیکی در سرعت 750 دور بر دقیقه
در شکل 3 مشخصه جریان های سه فاز نشان داده شده که دارای مقدار مؤثر 50 نیوتن بر متر می باشد.
شکل 3) مشخصه جریان های سه فاز در سرعت 750 دور بر دقیقه
در شکل 4 نیز نمودار تلفات هسته ارائه شده که در حالت پایدار از عملکرد موتور دارای مقدار متوسط 20.2 وات می باشد.
شکل 4) نمودار تلفات هسته در سرعت 750 دور بر دقیقه
مرحله دوم: شبیه سازی موتور با آهنربای تقسیم شده در سرعت 1500 دور بر دقیقه
در این مرحله با تغییرات جزئی در تنظیمات، ساختار را در سرعت 1500 دور بر دقیقه شبیه سازی کرده و مشخصات خروجی را مجددا محاسبه می کنیم. نتایج شبیه سازی در شکل های 5 تا 7 آورده شده است. در شکل 5 مشخصه گشتاور دینامیکی نشان داده شده است که دارای متوسط 44.13 نیوتن بر متر و پیک تو پیک 19.73 نیوتن بر متر است. بنابراین ریپل گشتاور موتور در سرعت 1500 دور بر دقیقه برابر با 44.7 درصد می باشد.
شکل 5) مشخصه گشتاور دینامیکی در سرعت 1500 دور بر دقیقه
در شکل 6 مشخصه جریان های سه فاز نشان داده شده که دارای مقدار مؤثر 40 نیوتن بر متر می باشد.
شکل 6) مشخصه جریان های سه فاز در سرعت 1500 دور بر دقیقه
در شکل 7 نیز نمودار تلفات هسته ارائه شده که در حالت پایدار از عملکرد موتور دارای مقدار متوسط 35.17 وات می باشد.
شکل 7) نمودار تلفات هسته در سرعت 1500 دور بر دقیقه
از مقایسه نتایج دو شبیه سازی انجام شده می توان گفت که در سرعت 1500 میزان ریپل گشتاور 35 درصد افزایش یافته و تلفات هسته نیز که با فرکانس رابطه مستقیم دارد، 14.37 وات بیشتر شده است.
تا اینجا نتایج مقایسه دو شبیه سازی از موتور سنکرون مغناطیس دائم با آهنرباهای تقسیم شده در سرعتهای 750 و 1500 دور بر دقیقه ارائه شد و همانطور که ملاحظه کردیم با دوبرابر شدن سرعت، ریپل گشتاور تقریباً 4.5 برابر و تلفات هسته تقریباً 1.7 برابر شد. در ادامه می خواهیم آنالیزهای مربوط به خطای اتصال کوتاه و پدیده مغناطیس زدایی را بررسی کنیم. اما قبل از آن بهتر است نگاهی نیز به مشخصه مهم گشتاور دندانه ای موتور سنکرون با آهنرباهای تقسیم شده داشته باشیم. در شکل 8 این مشخصه در تحریک صفر جریان نمایش داده شده است. همانطور که ملاحظه می شود سطح گشتاور دندانه ای بسیار کم و دامنه آن در حدود 0.1 نیوتن بر متر می باشد.
شکل 8) مشخصه گشتاور دندانه ای موتور در تحریک جریان صفر
مرحله سوم: آزمایش خطای اتصال کوتاه در موتور سنکرون با آهنرباهای تقسیم شده
برای آزمایش خطای اتصال کوتاه بر روی ساختار موردنظر فرض می کنیم که به تعداد چهار کلاف از 16 کلاف سیم پیچی توزیع شده در استاتور دچار پدیده اتصال کوتاه شده و از دور خارج شوند. جهت برآورده سازی این وضعیت در شبیه سازی، عملکرد موتور با آهنرباهای تقسیم شده را در سرعت 750 دور بر دقیقه در نظر می گیرم که در زمان 0.08 ثانیه این خطا اتفاق می افتد. سپس شبیه سازی را تا زمان 0.14 ثانیه ادامه می دهیم. در انتها بعد از اتمام فرآیند ران، مشخصات موتور قبل و بعد از خطا را مورد بررسی و مقایسه قرار می دهیم. در شکل 9 مشخصه گشتاور در هنگام بروز خطا نشان داده شده است. تغییر مشخصه گشتاور قبل و بعد از ثانیه 0.08 ، مشهود است.
شکل 9) مشخصه گشتاور دینامیکی در سرعت 750 دور بر دقیقه و در هنگام بروز خطای اتصال کوتاه
همانطور که از شکل 9 ملاحظه می شود میزان پیک تو پیک گشتاور از مقدار 9.15 قبل از خطا به مقدار 11.36 نیوتن بر متر بعد از خطا تغییر پیدا کرده است. در شکل 10 نیز مشخصه جریانهای سه فاز موتور در هنگام بروز خطای اتصال کوتاه ارائه شده است.
شکل 10) مشخصه جریان های سه فاز در سرعت 750 دور بر دقیقه در هنگام بروز خطا
همانطور که از شکل 10 مشخص است مقدار پیک جریانها و در نتیجه مقدار مؤثر آنها که قبل از بروز خطا یکسان بوده، بعد از خطا تغییر می کند و در فاز A که دچار خطا شده است، از همه بیشتر است.
مرحله چهارم: بررسی پدیده مغناطیس زدایی و اثر آن بر مشخصات موتور سنکرون با آهنرباهای تقسیم شده
پدیده مغناطیس زدایی باعث کاهش قدرت آهنربا دائم در مغناطیس کنندگی و کاهش تولید میدان مغناطیسی ناشی از آهنربا می شود. در موتورهای سنکرون مغناطیس دائم، به علت عواملی مانند خرابی فیزیکی، استرس دمایی بالا، جریان بالای میدان مغناطیسی معکوس، پدیده مغناطیس زدایی یک خطای معمول اما جدی محسوب می شود و در صورتیکه اثر آن زیاد باشد، موجب افت چشمگیر در بازده موتور خواهد شد. همچنین خطای مغناطیسی زدایی می تواند باعث کاهش نیروی الکتروموتوری و تغییرات چگالی گشتاور شکاف هوایی، ولتاژها و جریانهای استاتور و گشتاور توسعه داده شده توسط موتور شود. در ادامه قصد داریم اثر این پدیده را بر مشخصات خروجی موتور سنکرون با آهنرباهای تقسیم شده بررسی کنیم. برای اینکار فرض می کنیم که یکی از آهنرباهای موجود در ساختار پیش فرض دچار پدیده مغناطیس زدایی شود و قدرت مغناطیس کنندگی آن کاهش یابد. در این حالت مدل را ران کرده و نتایج را بررسی می کنیم. در شکل 11 مشخصه گشتاور دینامیکی موتور در سرعت 750 دور بر دقیقه نشان داده شده است.
شکل 11) مشخصه گشتاور دینامیکی در سرعت 750 دور بر دقیقه در حالت وقوع پدیده مغناطیس زدایی
همانطور که از شکل 11 نمایان است، مقدار متوسط گشتاور برابر با 88.3 نیوتن بر متر است که نسبت حالت بدون خطا در شکل 2 کاهش 5.14 نیوتن بر متر را نشان می دهد. در شکل 12 مشخصه جریان های سه فاز نشان داده شده است. با توجه به شکل مقدار مؤثر جریان حدود 48.5 آمپر است که نسبت به حالت بدون خطا در شکل 3 کاهش 1.5 آمپری را نشان می دهد.
شکل 12) مشخصه جریان های سه فاز در سرعت 750 دور بر دقیقه در حالت وقوع پدیده مغناطیس زدایی
در شکل 13 نیز توزیع شار در استاتور و روتور موتور سنکرون مغناطیس دائم با آهنرباهای تقسیم شده نشان داده شده است. همان طور که با فلش مشخص شده، اثر پدیده مغناطیس زدایی در آهنربای مربوطه به خوبی مشهود است.
شکل 13) توزیع شار در استاتور و رتور و مشاهده اثر مغناطیس زدایی در آهنربای موردنظر
—————————————————————————————————————————————————-
خلاصه مطلب: در این پروژه ساختار یک موتور سنکرون مغناطیس دائم با آهنربا تقسیم شده در محیط دوبعدی ماکسول شبیه سازی شده و عملکرد آن در سرعتهای 750 و 1500 دور بر دقیقه مورد بررسی قرار گرفت. همچنین ارزیابی خطای اتصال کوتاه و پدیده مغناطیس زدایی برای ساختار موتوری پیش فرض در نظر گرفته شده و نتایج حاصل آن در سرعت 750 دور بر دقیقه بدست آورده شد. از نتایج مشخص شد که موتور در حالت سالم خود و در هر دو سرعت موردنظر عملکرد خوبی دارد با این حال میزان ریپل گشتاور در سرعت 1500 چیزی حدود 4.5 برابر و میزات تلفات هسته حدود 1.7 برابر مقدار آن در حالت عملکرد در سرعت 750 دور بر دقیقه است. در مرحله بعد با بررسی عملکرد موتور در حالت خطای اتصال کوتاه مشخص شد که پیک تو پیک گشتاور افزایش یافته و دامنه جریان ها متغیر می شود، به صورتی که در فاز خطادار دامنه جریان از بقیه فازها بیشتر است. در انتها نیز با بررسی پدیده مغناطیس زدایی مشخص شد که مقدار متوسط گشتاور و در نتیجه بازده موتور کاهش می یابد.
———————————————————————————————-
توجه: پروژه شبیه سازی موتور سنکرون مغناطیس دائم با آهنرباهای تقسیم شده در این مقاله انجام شد و عملکرد آن در سرعتهای مختلف به همراه نتایج خروجی ارائه شد. همچنین عملکرد موتور در حالت های خطای اتصال کوتاه و پدیده مغناطیس زدایی بررسی شد و نتایج آن با حالت عملکرد سالم مقایسه شد. شما مخاطبان عزیز برای در اختیار داشتن کلیه فایل های شبیه سازی (جمعا 5 فایل) و بدست آوردن مشخصات دیگر چون ولتاژهای سه فاز، تلفات مسی، شار، توزیع شار، خطوط شار و … می توانید این پروژه را با قیمت مناسب از ما خریداری کنید. برای این منظور می توانید از لینک خرید پروژه که در ادامه قرار داده شده، استفاده کنید. لطفا در انتهای این پست نظرات خود را نیز با ما در میان بگذارید.
