مقدمه
ماشینهای چند فاز دارای مزیتهای مهمی نسبت به موتورهای سه فاز هستند که قابلیت اطمینان و ظرفیت تحمل خطای بالاتر جزء برجسته ترین این مزیتها محسوب می شود. در سالهای اخیر موتورهای پنج فاز و شش فاز مورد بررسی قرار گرفته و برای تعدادی از انواع ساختارهای موتوری پیشنهاد شده است.
در حوزه موتورهای ورنیز نیز انتخاب سیم بندی چندفازه در مقالاتی ارائه شده است. به طور مثال موتورهای پنج فازه را می توان نام برد که برای ساختارهای ورنیر مغناطیس دائم پیشنهاد شده است. این موتورها علاوه بر دو مزیت برجسته ای که نام بردیم، منجر به بهبود متوسط گشتاور و کاهش ریپل گشتاور نیز شده اند. با توجه به این موضوع، در این پروژه با هدف بررسی قابلیت تحمل موتور در برابر خطای اتصال کوتاه، دو ساختار ماشینی از موتورهای ورنیر مغناطیس دائم پنج فاز با پیکربندی تک استاتوره – تک روتوره معرفی و مورد تجزیه و تحلیل المان محدود قرار گرفته اند. ساختار اول مدلی است که از قبل موجود بوده و مورد بهینه سازی قرار گرفته است. این مدل در این پست معرفی شده و مراحل شبیه سازی و بهینه سازی آن به طور کامل ارائه شده است. ساختار دوم مدل جدیدی است که با قراردهی آهنرباها در دندانه های استاتور پیشنهاد شده است. هدف بررسی مشخصه گشتاور دینامیکی و اندازه گیری مقدار متوسط گشتاور و رپیل آن در حضور خطای اتصال کوتاه در یک فاز نمونه برای هر دو ساختار و مقایسه نتایج آنها با یکدیگر می باشد.
مشخصات موتورهای مورد بررسی
دو مدل موتور ورنیر مغناطیس دائم تک استاتوره – تک روتوره در اینجا معرفی شده است. هر دو مدل از نوع روتور خارجی بوده و دارای دندانه ترکیبی در استاتور می باشند. موتور اولیه که در شکل 1 نشان داده شده، از مرجع [1] انتخاب شده است. این مدل در نرم افزار انسیس ماکسول با داده های اولیه شبیه سازی شده و سپس با هدف دستیابی به بیشینه متوسط گشتاور و ریپل کم، پهنای یوخه استاتور و پهنای دندانه مستقیم آن مورد تحلیل پارامتری قرار گرفته است تا مقدار بهینه آنها بدست آید. مراحل این کار قبلاً در این پست انجام شده است.
شکل 1) موتور ورنیر مغناطیس دائم با آرایش آهنربایی قطب منظم
در ساختار فوق همانطور که ملاحظه می شود، آهنرباهای موتور به صورت محیطی و با آرایش قطب – منظم روی سطح داخلی روتور توزیع شده اند. از طرفی دندانه های استاتور در این مدل، با موتورهای معمول متفاوت می باشد، چنانکه به صورت یکی در میان، دندانه ها به شکل تقسیم شده و دندانه مستقیم ساده کنار هم قرار گرفته اند (دندانه ترکیبی).
ساختار دوم که در شکل 2 نشان داده شده است، از روی ساختار بهینه شده اول بدست آمده و تفاوت آن در این است که اولاً در دندانه های استاتور آن آهنربا قرار داده شده ثانیاً بر خلاف ساختار اول آرایش آهنربایی آن به قطب – ترتیبی تغییر داده شده است.
شکل 2) موتور ورنیر مغناطیس دائم با آرایش آهنربایی قطب ترتیبی و آهنرباها در دندانه استاتور
توجه می کنیم که در این ساختار حجم آهنرباهای بکاررفته کمتر از ساختار اول می باشد، همچنین در اینجا نیز از دندانه ترکیبی در استاتور استفاده شده است.
شبیه سازی خطای اتصال کوتاه برای ساختارهای ورنیز
در این قسمت موتورهای ورنیر موردنظر در محیط دوبعدی ماکسول مورد شبیه سازی و تحلیل قرار می گیرند. برای تحریک سیم پیچی فازهای استاتور، از تحریک جریان استفاده شده و موتور در سرعت نامی و در حالت بدون بار مورد بررسی قرار می گیرد.
برای بررسی قابلیت اطمینان هر دو ساختار موتوری، فاز A استاتور انتخاب شده و در زمانی مشخص این فاز دچار اتصال کوتاه می شود. در این حالت مشخص خواهد شد که موتور تا چه اندازه می تواند متوسط گشتاور و توان خروجی را نسبت به حالتی که خطا وجود ندارد، تأمین کند.
مدت زمان شبیه سازی 0.02 ثانیه است که در زمان 0.008 ثانیه جریان فاز A به یکباره به صفر می رسد. ابتدا مدل بهینه بدون آهنرباها در استاتور با آرایش قطب – منظم را در نظر می گیریم. مشخصه جریانهای موتور در این حالت در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل 3) نمودار جریان های ساختار اول در حالت ایجاد خطا در فاز A
نمودار گشتاور نیز در شکل 4 نشان داده شده که در حالت خطا میزان متوسط گشتاور 51.73 نیوتن بر متر و میزان ریپل آن 52.4 درصد است. با توجه به اینکه میزان متوسط گشتاور در حالت بدون خطا حدود 62.85 نیوتن بر متر است، بنابراین گشتاور در حالت خطا به اندازه 17.7 درصد افت می کند. میزان توان خروجی در حالت ایجاد خطا با توجه به سرعت 600 دور بر دقیقه حدود 3250 وات است.
شکل 4) نمودار گشتاور خروجی ساختار اول در فاز A مرحله اول در حالت
حال مدل موتور ورنیر مغناطیس دائم با آهنربا در شیار دندانه تقسیم شده استاتور را در نظر گرفته و حالت اتصال کوتاه را بررسی می کنیم. مشخصه جریانهای موتور در این حالت در شکل 5 نشان داده شده است.
شکل 5) نمودار جریان های فاز ساختار پیشنهادی دوم در حالت ایجاد خطا در فاز A
نمودار گشتاور نیز در شکل 6 نشان داده شده که در حالت خطا میزان متوسط گشتاور 55.38 نیوتن بر متر و میزان ریپل آن 36.5 درصد است. با توجه به اینکه میزان متوسط گشتاور در حالت بدون خطا حدود 62.7 نیوتن بر متر است، بنابراین گشتاور در حالت خطا به اندازه 11.67 درصد افت می کند. میزان توان خروجی در حالت ایجاد خطا با توجه به سرعت 600 دور بر دقیقه حدود 3479.4 وات است.
شکل 6) نمودار گشتاور خروجی ساختار پیشنهادی دوم در حالت ایجاد خطا در فاز A
مقایسه نتایج بدست آمده
بعد از انجام فرآیند طراحی، بهینه سازی و شبیه سازی نوبت به مقایسه کلی نتایج بدست آمده در این قسمت می رسد. این نتایج در جدول 1 نشان داده شده است. همانطور که مشخص است ساختار پیشنهادی دوم دارای متوسط گشتاور و توان خروجی بیشتری نسبت به ساختار اول در حالت ایجاد خطا در فاز استاتور می باشد، ضمن اینکه ریپل گشتاور آن نیز کمتر می باشد.
جدول 1) مقایسه نتایج مربوط به خطای اتصال کوتاه در فاز A استاتور
—————————————————————————————————
مرجع
[1]
[1] L. Xu and et.al, “Quantitative comparison of integral and fractional slot permanent magnet Vernier motors”, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 30, Iss.4, Dec. 2015.
————————————————————————————————————–
توجه
برای خرید فایلهای شبیه سازی از دو مدلی که در اینجا مورد بررسی قرار گرفت، می توانید از لینک خرید زیر استفاده کنید. با تهیه این فایلها قادر خواهد بود که مشخصات دیگری مثل تلفات، چگالی شار در هسته و … را نیز مورد بررسی قرار دهید. همچنین امکان استفاده از آن در پروژه های درسی و پایان نامه وجود دارد.
