مقدمه
الزامات موردنیاز برای محرک های الکترومکانیکی به لحاظ ابعاد خارجی و عملکردهای آنها، طراحی را به سمت یک فرآیند یکپارچه سازی عمیق سوق می دهد. در این راستا موتورهای سنکرون مغناطیس دائم بعلت کاربردهای محرک با چگالی توان بالا توجهات زیادی را به سوی خود جلب کرده اند.
در کاربردهای خاص مربوط به یک ماشین برش لیزر، محرک الکترومکانیکی ارزیابی شده در طول سیکل های ماشین، لنزها را به سمت تنظیم فوکوس پویا حرکت می دهد. برای برآورده سازی پویای بالا، شتاب دهی سریع موردنیاز است که منجر به نیاز به گشتاور بالایی در مقایسه با محفظه و بارهای موجود می شود. این نیاز می تواند با استفاده از یک موتور سنکرون مغناطیس دائم با طراحی مناسب برآورده شود.
از این رو با در نظرگرفتن سرعت و متوسط گشتاور موردنیاز محرک برای کاربرد در پرتو لیزر، در این پروژه دو ساختار موتور سنکرون مغناطیس دائم سطحی یکی با پیکربندی 8 قطب 9 شیار با سیم پیچی دوبل لایه و دیگری با پیکربندی 10 قطب 12 شیار با سیم پیچی تک لایه پیشنهاد شده است. هر دو ساختار در نرم افزار المان محدود انسیس ماکسول مدلسازی و شبیه سازی شده و مشخصات مهم آنها چون گشتاور، نیروی ضد محرکه و تلفات با یکدیگر مقایسه شده است.
موتور سنکرون مغناطیس دائم
ماشین سنکرون مغناطیس دائم، از شاخه ماشین های سنکرون می باشد که در آن از آهنرباهای دائم برای ایجاد تحریک و تولید میدان مغناطیسی در روتور استفاده می شود. در این ماشین سیم پیچی میدان (تحریک) در استاتور قرار دارد و می تواند به صورت توزیع شده یا متمرکزشده طراحی شود. آرایش آهنربایی در روتور می تواند به صورت داخلی یا سطحی در نظر گرفته شود که در حالت داخلی آهنرباها در داخل هسته روتور جاسازی شده در حالیکه در حالت سطحی، آهنرباها روی سطح روتور قرار داده شده و ثابت می شوند. ما قبلا در پست آشنایی با موتور سنکرون مغناطیس به طور مفصل در مورد این از موتور صحبت کردیم. همچنین نمونه هایی از شبیه سازی این ساختار در پست های شبیه سازی ساختار آهنربا داخلی مستطیلی شکل تقسیم شده و شبیه سازی ساختار آهنربا داخلی V شکل همراه با نتایج ارائه شد. از این رو برای مطالعه و بررسی بیشتر شما را به این پستها ارجاع می دهیم.
در موتور مغناطیس دائم نوع آهنربا سطحی همانطور که اشاره کردیم، آهنرباها روی سطح روتور تعبیه می شوند. بزرگترین مزیت این نوع از موتورها در سادگی و در نتیجه هزینه پایین تر ساخت در مقایسه با موتورهای مغناطیس دائم آهنربا داخلی می باشد.
در شکل 1 نمونه هایی متداول از موتور مغناطیس دائم سطحی نمایش داده شده است. آرایش شکل الف) بالاترین میزان ریپل گشتاور را ایجاد می کند، در حالیکه شکل ج) کمترین میزان ریپل را ایجاد کرده و بعلت داشتن سطح داخلی تخت ممکن است از لحاظ ساخت و هزینه دارای برتری نسبت به دیگر آرایشها باشد. همچنین موتورهایی با آرایش ب) بهترین عملکرد دینامیکی را دارا هستند. در این پروژه ما از آرایش نوع ج) برای هر دو ساختار استفاده کرده ایم.
شکل (1) آرایش های مختلف آهنربایی در موتور مغناطیس دائم سطحی
ساختارهای مورد بررسی
در این پروژه دو ساختار موتور سنکرون مغناطیس دائم با آرایش آهنربا سطحی نوع تخت در نظر گرفته شده که در شکل های 2 و 3 نمایش داده شده است. ساختار اولی که در شکل 2 مشاهده می کنیم 9 شیار در استاتور دارد که در داخل آن سیم پیچی سه فاز به صورت دوبل لایه و متمرکزشده قرار داده شده است. هر فاز دارای 4 کلاف است که با یکدیگر سری شده اند و در مجموع 12 کلاف در استاتور وجود دارد. در روتور، آرایش نوع سطحی و تخت را داریم که به تعداد 8 قطب در نظر گرفته شده است.
شکل 2) موتور سنکرون مغناطیس دائم 8 قطب 9 شیار
ساختار دومی که در شکل 3 مشاهده می شود بجای 9 شیار دارای 12 شیار در استاتور است که در داخل شیارهای آن سیم پیچی تک لایه و متمرکز شده قرار داده شده است. هر فاز در اینجا 2 کلاف دارد که با یکدیگر سری شده اند و در مجموع 8 کلاف در استاتور وجود دارد. در روتور آرایش آهنربایی مانند ساختار اول است با این تفاوت که تعداد 12 قطب در روتور جاسازی شده است.
شکل 3) موتور سنکرون مغناطیس دائم 10 قطب 12 شیار
با توجه به تعداد شیار و قطب، در هر دو ساختار نسبت شیار بر قطب به صورت کسری و غیر صحیح می باشد.
شبیه سازی و ارائه نتایج
در این قسمت به مدلسازی و شبیه سازی هر دو ساختار پیشنهادی در محیط دوبعدی نرم افزار انسیس ماکسول می پردازیم. نقطه کاری به صورت متوسط گشتاور 0.36 نیوتن بر متر در سرعت 5000 دور بر دقیقه در نظر گرفته شده است. هدف تجزیه و تحلیل نتایج مربوط به گشتاور دینامیکی، جریانهای سه فاز، نیروی ضد محرکه، تلفات هسته، تلفات مسی و همچنین مشخصه مهم گشتاور دندانه ای می باشد.
ابتدا مشخصات ساختار 8 قطب 9 شیار را بررسی می کنیم. در شکل های 4 تا 7 نتایج شبیه سازی المان محدود در بازه زمانی 0 تا 20 میلی ثانیه ارائه شده است.
شکل 4) مشخصه گشتاور دینامیکی PMSM نوع اول
با توجه به شکل 4 مقدار متوسط گشتاور 0.362 نیوتن بر متر و میزان ریپل گشتاور 2.83 درصد است.
شکل 5) مشخصه جریان های سه فاز PMSM نوع اول
شکل 6) مشخصه نیروی ضد محرکه خط به خط AB در PMSM نوع اول
با توجه به شکل 6 مقدار مؤثر نیروی ضد محرکه برابر با 106.9 ولت بوده و حالت سینوسی دارد. در شکل 7 نیز مشخصه مهم گشتاور دندانه ای ارائه شده که در آن قدرمطلق بیشینه دامنه کمتر از 0.8 میلی نیوتن متر می باشد.
شکل 7) مشخصه گشتاور دندانه ای PMSM نوع اول
با توجه به نتایج خروجی مربوط به تلفات در ماکسول، تلفات هسته و تلفات مسی در ساختار اول به ترتیب 10 وات و 13.56 وات می باشد.
حال مشخصات ساختار 10 قطب 12 شیار را بررسی می کنیم. در شکل های 8 تا 11 نتایج شبیه سازی المان محدود در بازه زمانی 0 تا 20 میلی ثانیه ارائه شده است.
شکل 8) مشخصه گشتاور دینامیکی PMSM نوع دوم
با توجه به شکل 8 مقدار متوسط گشتاور 0.363 نیوتن بر متر و میزان ریپل گشتاور 5.5 درصد است. بنابراین میزان ریپل گشتاور حدود 50 درصد بیشتر از ساختار اول می باشد.
شکل 9) مشخصه جریان های سه فاز PMSM نوع دوم
شکل 10) مشخصه نیروی ضد محرکه خط به خط AB در PMSM نوع دوم
با توجه به شکل 10 مقدار مؤثر نیروی ضد محرکه برابر با 126.9 ولت بوده و حالت سینوسی دارد. این مقدار به مراتب از ساختار اول بیشتر است. در شکل 11 نیز مشخصه مهم گشتاور دندانهای ارائه شده که در آن قدرمطلق بیشینه دامنه کمتر از 5 میلی نیوتن متر می باشد. بنابراین در اینجا بیشینه دامنه گشتاور دندانه ای چندین برابر ساختار اول می باشد.
شکل 11) مشخصه گشتاور دندانه ای PMSM نوع دوم
با توجه به نتایج خروجی مربوط به تلفات در ماکسول، تلفات هسته و تلفات مسی در ساختار دوم به ترتیب 5.57 وات و 26.5 وات می باشد. بنابراین میزان تلفات هسته از ساختار اول کمتر و میزان تلفات مسی بیشتر است.
با توجه به نتایج بدست آمده هر دو ساختار برای کاربرد در پرتو لیزر به عنوان محرک الکترومکانیکی مناسب هستند.
—————————————————————————————————————
توجه
برای خرید فایلهای مربوط به شبیه سازی ها می توانید از لینک خرید استفاده کنید. با در اختیارداشتن شبیه سازی ها قادر خواهید بود که تمام مشخصات خروجی را به دقت مورد بررسی قرار دهید. همچنین یک گزارش کار چندین صفحه ای به فرمت ورد از توضیحات و نتایج شبیه سازی ها برای این پروژه در نظر گرفته شده که همراه با شبیه سازی ها به شما ارائه خواهد شد.
————————————————————————————————————
مزیت های این پروژه
1) بررسی عملکرد PMSM با آرایش آهنربا سطحی نوع تخت که کمتر مورد بررسی قرار گرفته است.
2) استفاده از فایلهای شبیه سازی و گزارش برای ارائه به صورت پروژه درسی
3) استفاده از فایلهای شبیه سازی به عنوان بیس برای کار پایان نامه ارشد
