2
25
سپتامبر

تاثیر شکل نوک دندانه های استاتور در موتورهای سنکرون آهنربای مغناطیسی دائمی

واحد R&D سما آسانبر دانش بنیان

به منظور بهینه­ سازی جنبه­ های کلیدی عملکرد ماشین­ های الکتریکی، تمام ویژگی­ های طراحی باید تجزیه و تحلیل شود. این مطالعه بر روی تأثیر هندسه نوک دندانه موتورهای سنکرون مگنت دائمی تمرکز دارد. شیارهای باز و نیمه بسته شده در نظر گرفته می­شود و عملکرد نیروهای الکتروموتور ایجاد شده در چندین سیم­پیچ جستجو در داخل شیارها را اندازه­گیری می­کنند. این تجزیه و تحلیل به صورت آزمایشگاهی با استفاده از یک نیمکت آزمایشگاهی ابتکاری انجام می­شود که قطعات کوچک تولید شده مانند استاتور با هندسه­ های مختلف دندانه می­تواند به آسانی و به صورت اقتصادی و بدون نیاز به ایجاد یک استاتور کامل در هر زمان وارد شود. شیارهای نیمه بسته دامنه­ های EMF پشتی بزرگ‌تر از شیارهای باز تولید می­کنند، اما هر دو فرکانس هارمونیک با دامنه­ های مشابه تولید می­کنند، بنابراین شیار نیمه بسته عملکرد بهتری را نشان می­دهد. این آزمایش برای بررسی مدل­ های شبیه ­سازی الکترومغناطیسی FE مورد استفاده قرار می­گیرد. ارتباط با اندازه گیری­ ها نشان می­دهد که توافق خوب است.

1 مقدمه

موتورهای الکتریکی (EM) در زندگی روزمره حیاتی هستند و حتی در بخش­های مهم مانند حمل و نقل به علت موفقیت وسایل نقلیه الکتریکی، اهمیت بیشتری دارند. انواع اصلی EM برای وسایل نقلیه الکتریکی هیبریدی پلاگین شامل موتورهای DC، موتورهای القایی (IM)، موتورهای سنکرون مگنت دائمی (PMSMs) و موتورهای مقاومت مغناطیسی سوئیچ شده است. همچنین تایید می­کند که در سال­های اخیر، PMSM ها به طور پیوسته موتور و ژنراتور IM را در بسیاری از محصولات عمدتا به دلیل افزایش کارایی و چگالی قدرت (فشردگی) جایگزین کرده است. گرایش قبلی برای آسانسور ­ها را تقویت می­کند، عمدتا به این دلیل است که ممکن است دارای مقادیر بالایی از گشتاور در سرعت­های پایین باشد و اجازه می­دهد کاربرد آن در یک پیکربندی درایور مستقیم بدون گیربکس و نقاط ضعف آن باشد.

بنابراین، داشتن یک محصول که اغلب تولید انبوه است و از این رو به طور گسترده­ای توسط مصرف کنندگان مورد استفاده قرار می­گیرد، بسیار مهم است که به طور کلی طراحی EM ها و به طور خاص PMSM ها بهینه­سازی شود تا رفتار خود را از دیدگاه­های مختلف بهبود بخشند: بهره­وری، ابعاد، قابلیت اطمینان و غیره.

تحقیقات متعددی برای بهبود طراحی PMSM در مورد عواملی مانند از دست دادن جریان مغناطیسی، ویژگی­های گشتاور (سطح گشتاور متوسط، گشتاور دنده، گشتاور موجی)، نیروهای شعاعی، ارتعاش، سر و صدا و یا مسائل حرارتی، صورت گرفته است.

تقریب­های مختلفی برای بهینه­سازی EM ها بررسی می­شود. در رابطه با ارزیابی عملکرد آن­ها از لحاظ ضرر و زیان، یعنی کارایی آن­ها، شکل دندانه­های استاتور، عرض دندانه­ها و ضخامت یوک و هندسه نوک دندانه ­ها را تحلیل می­کند. تاثیر تقسیم بندی مگنت دائمی (PM) در جهت­ های چرخشی و محوری تحقیق شده است. طرح­های اصلی و غیر معمول روتور با چند لایه، مقادیر و موقعیت­ های مغناطیسی تجزیه و تحلیل می­شوند.

با توجه به شار مغناطیسی و گشتاور تولید شده، موضوعات تحقیقاتی شامل شکل دندانه­ های استاتور، نوک دندانه استاتور، تأثیر سیار ورودی استاتور، بستن شیار (با استفاده از شیارهای باز، نیمه بسته و بسته)، شکل PM ها و موقعیت و ضخامت PM ها نیز می­باشند.

بنابراین، با هدف بهینه­ سازی چندین مضمون PMSMs (بهره­وری، گشتاور، گشتاور موجی، نوسانات و نویز)، هندسه استاتور اغلب تحلیل می­شود. هندسه شیار ورودی و نوک دندانه در مرحله طراحی PMSM ها بیشترین تاثیر را بر معیارهای بهینه­ سازی دارند. از این رو، هدف اول این پژوهش، بررسی تأثیر نوک دندانه ­های استاتور از PMSM بر رفتار آن، مقایسه شیار باز و نیمه بسته است.

ساخت یک نیمکت آزمایشی وقت­گیر و پر هزینه است، مخصوصا اگر تعدادی از پیکربندی­های مختلف PMSM باید اندازه­گیری شوند.

2- توصیف نیمکت آزمایشی برای اندازه گیری­ های تجربی

به دنبال اهداف تعریف شده، یک آزمایشگاه نوآورانه طراحی و ساخته شده است تا به طور تجربی تاثیر هندسه استاتور در عملکرد EM را مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. پارامترهای استاتور مانند شکل دندانه­ها و نوک دندانه­ها در نظر گرفته می­شود.

نیمکت آزمایشی امکان تغییر سریع هندسه دندانه را فراهم می­سازد تا چندین اندازه­گیری ساده­تر و ارزان­تر انجام شود، زیرا هر استاتور با یک قطعه کوچک تولید شده مانند استاتور نشان داده می­شود و می­توان آن را جایگزین و تعویض نمود.

طراحی نیمکت تست براساس طراحی PMSM استاندارد است. همانطور که در شکل 1 و شکل 2 نشان داده شده است، قاب استاتور از یک قاب فولادی مستطیل شکل با دهانه در سه چهره (بالا و هر دو طرف جانبی) ساخته شده است. در هر یک از این سه دهانه، شیارهای پوششی را می­توان قرار داد (شکل (a) 3)؛ در این شیار قطعات استاتور که باید تحلیل شوند (شکل (b) 3) وارد می­شوند. به این ترتیب، هنگامی که چندین استاتور با شکل­های مختلف دندانه نیاز به تجزیه و تحلیل دارند، فقط این قطعات کوچک به جای ساخت و تغییر تمام استاتور در هر زمان تغییر می­کنند.

1شکل 1: نمای خارجی از نیمکت آزمایشگاهی ساخته شده. (a) طراحی CAD؛ (b) نمونه اولیه واقعی.

2شکل 2: نمایش برش از نیمکت آزمایش که در آن قطعه استاتور به وضوح قابل مشاهده است.

3شکل 3: (a) پوششی که دارای قطعه استاتور است؛ (b) یک قطعه استاتور، در این مورد مربوط به مورد شیار باز است.

خصوصیات نیمکت آزمایشگاهی طراحی شده در جدول 1 خلاصه شده است.

جدول 1جدول 1: مشخصات فنی نیمکت آزمایشگاهی

3- توصیف دندانه استاتور اندازه گیری شده

دو قطعه استاتور با هندسه­ های مختلف دندانه تجزیه و تحلیل می­شود. هر دو آنها مشابه هستند به این معنی که حجم آنها در شیارها یکسان هستند تا بتوانند همان مقدار سیم­پیچ را وارد کنند، اما آنها دارای نوک دندانه مختلف (باز در مقابل نیمه بسته) هستند، همانطور که در شکل 4 و شکل 5 نشان داده شده است.

4شکل 4: هندسه شیار باز

5شکل 5: هندسه شیار نیمه باز

4- شرح تنظیم اندازه­ گیری

شش سیم­پیچ که از 10 دور تشکیل شده­اند در اطراف دندانه هر قطعه استاتور نصب شده­اند، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است. در حالی که روتور نیمکت آزمایش توسط یک موتور الکتریکی ثانویه در سرعت چرخشی 239 دور در دقیقه چرخش می­یابد (شکل 7)، EMF پشتی تولید شده در شش سیم­پیچ اندازه­گیری می­شود.

6شکل 6: دندانه­ها با سیم­پیچ ­ها (در این مورد دندانه ­های نیمه بسته نشان داده شده است)

7شکل 7: تنظیمات اندازه­ گیری

5- نتایج اندازه ­گیری ­های تجربی

سیگنال ­های زمان برای نتایج آزمایش شده از EMF های برگشتی برای هر دو هندسه نوع دندانه در شکل 8 نشان داده شده است. استاتور با شیارهای نیمه بسته، دامنه­ ای با ضخامت 7.40٪ بزرگ‌تر از یک شیار باز دارد.

8شکل 8: سیگنال ­های زمان تولید EMF برگشتی برای هر دندانه (نتایج تجربی)

در شکل 9، مقدار فرکانس بدست آمده از FFT، از EMF های اندازه­گیری شده برای هر دو استاتور داده می­شود. این نتایج نشان می­دهد که در هر دو استاتور، هارمونیک فرکانس دامنه­های مشابهی دارند؛ بنابراین، در کل، شیار نیمه بسته، عملکرد بهتر را نشان می­دهند.

9شکل 9: طیفی از تولید EMF برگشتی برای هر دو نوع دندانه (نتایج تجربی)

6- توصیف شبیه­سازی الکترومغناطیسی FE

همانطور که در بالا ذکر شد، چندین سیم­پیچ بر روی استاتور به منظور اندازه­گیری EMF بازگشتی با هر دو استاتور، قرار داده شده است. این ولتاژها برای دو هدف مورد استفاده قرار می­گیرد. از یک طرف، برای کالیبراسیون شبیه­سازی FE و از سوی دیگر، برای مقایسه مقدماتی عملکرد در هر دو مورد انجام می­شود. در این بخش کالیبراسیون شبیه­سازی FE شرح داده شده است.

اول از همه، میدان مغناطیسی تولید شده توسط آهنرباها باید تنظیم شود. اغلب خواص واقعی آهنرباها با مقادیر داده­ها متناسب نیست و خواص واقعی می­توانند بطور قابل توجهی از اطلاعات داده شده توسط تامین کنندگان متفاوت باشند که ممکن است در نتایج شبیه­سازی منجر به اشتباهات مربوطه شود. با توجه به اینکه تمام آهنرباها دارای سطح مغناطیسی مشابه هستند، توزیع شار مغناطیسی در امتداد سطح یک قطب تنها توسط دستگاه سنجش مغناطیسی دستی GM04 اندازه­گیری می­شود. اندازه­گیری در 6 نقطه در طول هر آهنربا در جهت مماسی انجام می­شود، همانطور که در شکل 10 نشان داده شده است.

10شکل 10: چگالی شار مغناطیسی روتور پس از تنظیم مدل FE با داده­های تجربی.

سپس، شبیه­سازی مغناطیس استاتیک FE انجام می­شود، مقدار پایداری مغناطیسی به منظور انطباق با منحنی اندازه­گیری آزمایش شده، تنظیم می­شود. در شکل 11، مقایسه نتایج حاصل از FE با چگالی شار انداز­ گیری آزمایشگاهی در امتداد تک قطب نشان داده شده است. لازم به ذکر است که میدان مغناطیسی دقیقا بر روی سطح روتور اندازه­گیری نشده است، به دلیل ابعاد سنسور در فاصله 0.5 میلی متر از آن اندازه­گیری شده است؛ بنابراین، میدان مغناطیسی حاصل از FE در همان فاصله محاسبه می­شود. می­توان مشاهده کرد که یک توافق خوب زمانی حاصل می­شود که مقدار پایداری میدان مغناطیسی تنظیم شود. علاوه بر این، یک اثر لبه قوی وجود دارد که منجر به دره در نقطه مرکزی آهنربا می­شود. این نوع توزیع بسیار معمول است وقتی که چگالی شار در سطح یک آهنربا اندازه­گیری می­شود.

11شکل 11: چگالی شار مغناطیسی در امتداد یک قطب در سطح روتور، توسط روش FE پس از تنظیم مدل با داده ­های آزمایش شده اندازه گیری شده نیز محاسبه شده است.

سایر جنبه­های کلیدی برای کالیبراسیون شبیه­سازی­های FE عبارتند از موقعیت، هندسه و ابعاد سیم­پیچ­ها. طول روتور خیلی بیشتر از طول استاتور (175 میلیمتر در برابر 24.45 میلی متر) است. به همین علت، در هر دو لبه استاتور یک اثر سه بعدی بسیار مهم وجود دارد. اکثر شار مغناطیسی از عبور فاصله هوایی در جهت شعاعی بین روتور و استاتور ایجاد می­شود. با این وجود، مقدار قابل توجهی از شار که از روتور از طریق چهره­های محوری استاتور دنبال می­شود، به دنبال مسیر سه بعدی نشان داده شده در شکل 12 است؛ بنابراین، مقدار قابل توجهی از شار که به سیم­پیچ­های جستجو مرتبط است، توسط سیم­پیچ­های پایانی است. به این ترتیب موقعیت شعاعی، ارتفاع و طول سیم­پیچ (به ترتیب به وسیله پارامترهای ، و  در شکل 13 تعریف می­شوند) دارای تاثیر معنی داری بر دامنه EMF بازگشتی می­باشند. به منظور به حداقل رساندن این عدم قطعیت مربوط به سیم­پیچ­ها، ابعاد و موقعیت تمام سیم­پیچ­ها با دقت کنترل می­شود. طول کلیه سیم­پیچ­ها برابر با 39.5 میلیمتر و ارتفاع آن­ها 3 میلیمتر است و همه آنها در بالای شیارها قرار می­گیرند.

12شکل 12: ارائه سه بعدی مسیر چگالی شار تولید شده توسط آهنرباهای درون استاتور.

13شکل 13: پارامترهای بحرانی مربوط به تعریف سیم­پیچ­ ها

 

در شکل 14، EMF بازگشتی محاسبه شده، با روش­های FE دو بعدی و سه بعدی مقایسه می­شود. تفاوت­های قابل توجهی بین هر دو نتیجه وجود دارد، بدان معنی است که در این حالت مسیرهای شار سه بعدی بسیار مناسب هستند؛ بنابراین، برای به دست آوردن نتایج دقیق، لازم است که شبیه­سازی سه بعدی FE را انجام دهیم (به شکل 15 نگاه کنید). از این رو، شبیه­سازی دو بعدی FE کنار گذاشته می­شود.

14شکل 14: مقایسه بین نتایج FE دو بعدی و سه بعدی برای شیارهای باز

15شکل 15: مدل سه بعدی FE الکترومغناطیسی

7- نتایج شبیه­ سازی­ های FE الکترومغناطیسی

هنگامی که شبیه­سازی FE تنظیم می­شود، دو هندسه مختلف استاتور با هم شبیه­سازی می­شوند و EMF بازگشتی ایجاد شده در سیم­پیچ ­ها محاسبه می­شود. در شکل 16 هندسه­ های شبیه­ سازی شده نشان داده شده است. در هر دو مورد، موقعیت و ابعاد سیم­پیچ­ ها به منظور جلوگیری از عدم قطعیت­ ها به علت مسیرهای شار سه بعدی، یکسان هستند. به این ترتیب، تفاوت­ های نتایج حاصل از محاسبات FE از EMF بازگشتی تنها به دلیل هندسه استاتور است.

در شکل 17، EMF های برگشتی محاسبه شده نیز رسم شده­اند. در مورد شیارهای نیمه بسته، ولتاژ محاسبه شده 1.20 برابر بیشتر از شیار باز است. این قابل انتظار بود زیرا در شیار نیمه باز، شار به سمت دندانه­های استاتور بالاتر است. در شیارهای باز، مقاومت مغناطیسی که توسط آهنرباها دیده می­شود کمی بیشتر است، منجر به شار مغناطیسی کوچکتر از شکاف هوایی نسبت به دندانه می­شود. از این رو، هر دو اتصال شار و EMF بازگشتی در پیکربندی شیار باز کوچکتر است.

16شکل 16: هندسه شبیه­ سازی شده با روش  FEسه بعدی. شیارهای باز و نیمه بسته

17شکل 17: سیگنال­ های زمان تولید EMF های برگشتی برای هر دو دندانه (نتایج شبيه­ سازی FE سه بعدی)

8- همبستگی بین نتایج تجربی و شبیه­ سازی

مقایسه نتایج تجربی و شبیه­سازی سه بعدی برای شیارهای باز (شکل 18) و شیارهای نیمه بسته (شکل 19) نشان می­دهد همبستگی بین نتایج تجربی و شبیه­ سازی بسیار خوب است. شکل کلی منحنی­ های شبیه­ سازی سه بعدی و تجربی یکسان است و هر دو منحنی بسیار نزدیک به یکدیگر هستند. حداکثر خطای دامنه فقط 1.6٪ برای شیار باز و 9.9٪ برای شیار نیمه بسته است. تنها خطای قابل توجه تولید شده در حداکثر دامنه شیار نیمه بسته است.

18شکل 18: مقایسه نتایج آزمایشگاهی و شبیه­ سازی برای شیار باز

19شکل 19: مقایسه نتایج تجربی و شبیه­ سازی برای شیار نیمه بسته

9- نتیجه ­گیری

این مقاله یک مفهوم جدید از نیمکت آزمایشی را به ارمغان می­آورد که بسیار مفید است تا به صورت تجربی اثر متغیرهای طراحی در EM ها و به ویژه در استاتورهای PMSM را تعیین کند. این کار با جایگزین کردن در نیمکت آزمایشی یک قطعه کوچک که نشان دهنده استاتور است، بدون نیاز به جایگزین کردن تمام استاتور است. از این رو، چندین هندسه مختلف را می توان سریع­تر و ارزان­تر آزمایش کرد.

تجزیه و تحلیل بر روی شکل شیارها متمرکز است که می­تواند باز یا نیمه بسته باشد. EPF بازگشتی برای هر دو مقایسه می­شود، در حالی که روتور توسط یک EM ثانویه درایو می­شود، دامنه بزرگ‌تر EMF استاتور با شیار نیمه بسته را نشان می­دهد، در حالی که محتوای فرکانس در طیف­ها مشابه است؛ بنابراین، عملکرد استاتور با شیار نیمه بسته بهتر است، از لحاظ الکترومغناطیسی کارآمدتر است بدون اضافه کردن هارمونیک و یا افزایش دامنه­های بیشتر از هارمونیک.

علاوه بر این، شبیه­ سازی الکترومغناطیسی با استفاده از مدل FE نیز پس از اندازه­گیری چگالی شار مغناطیسی آهنرباها به منظور ورود داده­ های دقیق­تر برای شبیه ­سازی انجام می­شود. شبیه­ سازی­ های دو بعدی و سه بعدی با هم مقایسه می­شوند و نشان می­دهد که شبیه­سازی­های سه بعدی دقیق­تر است به این دلیل که طول روتور بزرگ‌تر از طول استاتور است، در نتیجه مسیرهای محوری در میدان مغناطیسی در لبه ­های استاتور ایجاد می شود. همبستگی شبیه­ سازی سه بعدی و تجربی در تولید EMF بازگشتی بسیار عالی است.

منابع:

[1] Unai Galfarsoro, Alex McCloskey, Gaizka Almandoz, Xabier Hernández. “Stator Teeth Tips Shape Influence in Permanent Magnet Synchronous Motors on a Test Bench” IEEE 2018.

گردآورنده:کارشناس ارشد فیزیک هسته ­ای مهندس کامران کشیری