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.
شکل 1: نمای خارجی از نیمکت آزمایشگاهی ساخته شده. (a) طراحی CAD؛ (b) نمونه اولیه واقعی.
شکل 2: نمایش برش از نیمکت آزمایش که در آن قطعه استاتور به وضوح قابل مشاهده است.
شکل 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 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.
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.
شکل 6: دندانهها با سیمپیچ ها (در این مورد دندانه های نیمه بسته نشان داده شده است)
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.
شکل 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.
شکل 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.
شکل 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.
شکل 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.
شکل 12: ارائه سه بعدی مسیر چگالی شار تولید شده توسط آهنرباهای درون استاتور.
شکل 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.
شکل 14: مقایسه بین نتایج FE دو بعدی و سه بعدی برای شیارهای باز
شکل 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.
شکل 16: هندسه شبیه سازی شده با روش FEسه بعدی. شیارهای باز و نیمه بسته
شکل 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.
شکل 18: مقایسه نتایج آزمایشگاهی و شبیه سازی برای شیار باز
شکل 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