ارایه روشی جدید برای بهینه سازی شکل روتور و استاتور در موتورهای الکتریکی آهنربای دایم
چکیده
امروزه موتورهای الکتریکی آهنربای دایم بدون جاروبک به دلیل نسبت گشتاور به وزن بالا، قابلیت اطمینان بالا و بازده بالایی که دارند به طور گسترده در کاربردهای صنعتی استفاده می شوند. با این حال، وجود پدیده های ناخواسته ای نظیر گشتاور دندانه ای و ریپل گشتاور در این موتورها که منجر به نویز و ارتعاش می شود، از چالش های اساسی فراروی توسعه کاربرد آنها است. شکل روتور و استاتور نقش تعیین کننده ای در دستیابی به مشخصات مورد نظر در موتورهای الکتریکی آهنربای دایم بدون جاروبک دارد. پیش از این تلاش های بسیاری در زمینه بهینه سازی شکل روتور و استاتور با اهداف مختلف نظیر کاهش گشتاور دندانه ای، کاهش ریپل گشتاور و کاهش گشتاور ضربانی موتور توسط پژوهشگران انجام شده و روش های متنوعی برای بهینه سازی عملکرد موتور تدوین شده است. چالش اساسی فراروی بکارگیری اغلب روشهای بهینه سازی، توصیف شکل بر حسب متغیر های طراحی است. معمولاً اگر مختصات گره ای اجزاء محدود در نظر گرفته شوند، تعداد بسیار زیاد متغیرهای طراحی را در پی دارد. همچنین، ممکن است شکل های حاصل هموار نباشند و امکان عملی تولید آنها فراهم نشود که در اینصورت با اقبال صنعت مواجه نخواهد بود. در این پایان نامه، با بهره گیری از تکنیک کاهش متغیرهای طراحی ، روشی برای بهینه سازی شکل روتور و استاتور در موتورهای الکتریکی بدون جاروبک تدوین می شود. تکنیک کاهش متغیرهای طراحی یک ترکیب ضریب وزنی دهی به چند شکل آزمایشی (شکل پایه) است و بهترین ترکیب ضرایب وزنی (متغیرهای طراحی) را که به شکل های پایه تخصیص داده شده است، جستجو می کند. برای یافتن شکل های پایه مناسب به منظور استفاده در تکنیک کاهش متغیرهای طراحی، یک فرآیند طراحی چند سطحی تدوین می شود. هر سطح به عنوان یک تراز بهینه سازی مجزا تا دستیابی به هدف مطلوب تعریف می شود. اشباع مغناطیسی به عنوان قید طراحی تعیین و فرآیند بهینه سازی با شکل های پایه ای که از نظر هندسی ساده هستند و توسط مختصات نقاط مرزی تعریف می شوند، آغاز می شود. برای ساخت مدل تقریب زنی از روش طراحی آزمایش های تاگوچی استفاده می شود. برای ارزیابی موثر بودن عملکرد روش پیشنهادی، به عنوان یک مطالعه موردی شکل قطب آهنی در یک موتورac بدون جاروبک آهنربای دایم ipm با 8 قطب و 18 شیار بهینه سازی می شود. منحنی های اسپیلاین به عنوان شکل های پایه انتخاب و فرآیند بهینه سازی با هدف کاهش درصد انحراف هارمونیک کل ولتاژ (v-thd) انجام می شود. برای راستی آزمایی نتایج فرآیند بهینه سازی، دو نمونه موتور ipm با طرح اولیه و طرح بهینه روتور ساخته شده و نتایج عملکرد موتورها در حالت تجربی مقایسه می شود. همچنین با انتخاب 64 نقطه در بازه طراحی و به کمک روش اجزاء محدود، شکل بهینه قطب آهنی روتور تعیین می شود. از بررسی نتایج می توان دریافت که مقدار درصد v_thd از %44/8 در موتور با طرح اولیه قطب آهنی به %51/1 در موتور با طرح بهینه قطب آهنی کاهش می یابد. همچنین برای بررسی اهمیت بهینه سازی شکل در مقایسه با بهینه سازی ابعادی، اثر کاهش نسبت شعاع (بهینه سازی شکل) و افزایش نسبت تمایل شیار به گام شیار (بهینه سازی ابعادی) بر عملکرد موتور ipm مطالعه می شود. از ارزیابی این نتایج می توان دریافت که ریپل گشتاور الکترومغناطیس، ریپل گشتاور رلوکتانسی و درصد v_thd پس از بهینه سازی شکل به ترتیب %85، %12/77 و %1/82 کاهش و با بهینه سازی ابعادی به ترتیب %44/83، %12/60 و %68 کاهش می یابد. این بهبود عملکرد در شرایطی رخ می دهد که بازده موتور پس از بهینه سازی شکل تنها %32/1 کاهش می یابد. در حالیکه پس از اعمال بهینه سازی ابعادی، بازده موتور %77/2 کاهش می یابد. بنابراین می توان دریافت که روش بهینه سازی شکل در مقایسه با روش بهینه سازی ابعادی تاثیر مطلوب تری بر بهبود عملکرد موتور دارد