توضیحات

پروژه شبیه سازی و تحلیل حرارتی و الکترومغناطیسی موتور سنکرون رلوکتانسی(SynRM) در نرم افزار انسیس موتورکد ANSYS Motor CAD

Design and Simulation of Thermal and Electromagnetic Analysis of Synchronous Reluctance Motor (SynRM) in ANSYS MotorCAD

Link
Embed
Copy and paste this HTML code into your webpage to embed.

موتور سنکرون رلوکتانسی:

موتور سنکرون رلوکتانسی(Synchronous reluctance machine یا SynRM) یکی از قدیمی ترین و در عین حال ساده ترین انواع موتورهای الکتریکی است. این موتور با دارا بودن ساختار مقاوم و در عین حال ساده، طی سال های اخیر مجددا مورد توجه قرار گرفته است. این توجه مجدد بیشتر مرهون پیشرفت های حاصل در الکترونیک قدرت و همچنین ظهور تکنولوژی محاسباتی ارزان قیمت می باشد. امروزه موتورهای الکتریکی در طیف وسیعی از کاربردهای خانگی و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. در واقع حدود دو سوم انرژی مورد استفاده در صنعت و همچنین حدود ۴۰ درصد از کل انرژی الکتریکی مصرفی در جهان توسط موتورهای الکتریکی مصرف می گردد. بسیاری از این موتورها از نوع القایی با بازدهی در حدود ۷۰ الي ۸۰ درصد می باشند. اگرچه می توان عملکرد و بازدهی را با استفاده از موتورهای مغناطیس دائم بهبود بخشید، اما قیمت مواد آهنربای دائمی بشدت در حال افزایش است و به لحاظ اقتصادی فعلا قابلیت جایگزینی موتورهای القایی را ندارند. در چنین شرایطی موتورهای رلوکتانسی جزء گزینه هایی هستند که جلب نظر می کنند.

طی سال های گذشته ماشین های رلوکتانسى مجددا مورد توجه قرار گرفته اند. این توجه عمدتا به سمت ماشین رلوکتانسی سوئیچ شونده(Switched reluctance machine یا SRM) معطوف بوده؛ روندی که تا امروز هم ادامه پیدا کرده است. به طور همزمان توجه به ماشین سنکرون رلوکتانسی هم افزایش یافته است؛ هر چند پیشرفت و صنعتی سازی این ماشین به مراتب از SRM کمتر بوده است. پیشرفت SRM بیشتر به دلیل ساختار مکانیکی ساده و مقاوم آن بوده است. دارا بودن چگالی گشتاور زیاد بهمراه قابلیت خطاپذیری بالای آن، SRM را به گزینه ای مناسب برای کاربردهای فضایی و نیز وسایل نقلیه تبدیل کرده است. به هر صورت، SRM از بسیاری جهات ماشین ایده آلی محسوب نمی شود. متمرکز بودن سیم بندی استاتور در ماشین SRM مانعی در استفاده از تحلیل سینوسی و تکنیک های کنترلی مدرن موجود می باشد. مهمتر اینکه وجود برجستگی هم در روتور و هم در استاتور و نیز سیم بندی متمرکز، منجر به ایجاد ضربانات شدید گشتاور و نویز صوتی می گردد. بعلاوه، اینورتر سه ساق استاندارد نمی تواند در درایو این ماشین مورد استفاده قرار گیرد.

از سوی دیگر، SynRM یک ماشین با سیم بندی سینوسی می باشد. در حقیقت، اغلب SynRMهای ساخته شده تا امروز از استاتور و سیم پیچ های یک ماشین القایی استفاده نموده اند. این بدان معناست که ماشین ایده آل بطور طبیعی گشتاور یکنواختی تولید خواهد کرد. ساختار متعارف سیم بندی سه فاز امکان استفاده از توپولوژی استاندارد اینورتر و روش های کنترلی مبتنی بر بردار را فراهم می سازد. با این وجود، عملکرد نسبتا ضعیف ماشین های سنکرون رلوکتانسی(با ساختار سنتی) در مقایسه با SRM و ماشین های القایی موجب گردیده است تا SynRM از پشتوانه تحقیقاتی مشابه SRM برخوردار نباشد. این ضعفا، عمدتا به دلیل ساختار رتور این موتور بوده است. ماشین سنکرون رلوکتانسی یکی از قدیمی ترین ماشین های الکتریکی می باشد. به دلیل قابلیت ماشین برای راه اندازی و ورود به قفل سنکرون، این ماشین در ابتدا ماشین سنکرون خود راه انداز(Self-starting synchronous machine) نامیده می شد. کاربرد عمده ی این ماشین بیشتر در صنایع نساجی بود که طبیعت سنکرون ماشین اجازه می داد تا تعداد زیادی غلطک با سرعت برابر با همدیگر بچرخند. پیشرفت های حاصل در الکترونیک قدرت و تکنولوژی محاسباتی ارزان قیمت در اوایل دهه ۱۹۸۰ باعث شد ماشین سنکرون رلوکتانسی به عنوان یک ماشین بدون قفس مجددا مورد ارزیابی قرار گیرد. علیرغم آنکه در سالهای گذشته موتور سنکرون رلوکتانسی کمتر به لحاظ صنعتی مورد توجه قرار گرفته بود، اما ورود تولید کنندگان بزرگ موتورهای الکتریکی به تولید تجاری این موتور، چشم انداز روشنی پیش روی SynRM قرار داده است. شرکت ای بی بی(ABB) اولین تولید کننده ای بود که تولید تجاریSynRM را آغاز کرد. علاوه بر ABB شرکت زیمنس با پکیج موتور-درایو خود با قدرت خروجی 5.5 کیلووات تا 30 کیلووات و درایو با کنترل برداری و همچنین شرکت کی اس بی با محصول خود با قدرت خروجی 0.55 کیلووات تا 45 کیلووات وارد این بازار شده اند.

موتورهای رلوکتانسی از نظر ساختمان نسبت به سایر موتورهای AC ساده تر بوده و علاوه بر آن دارای قابلیت اطمینان بالایی می باشند. برای بررسی این موتورها می توان به موتورهای رلوکتانس سوئیچی و موتورهای رلوکتانس سنکرون اشاره کرد. موتورهای رلوکتانس سوئیچی از نظر ساختمان ساده ترین نوع ماشین های الکتریکی می باشند، که دارای استاتوری با سیم پیچهای تحریک و یک روتور مغناطیسی با قطب برجسته هستند. در این موتورها به دلیل تمایل روتور به هم راستا شدن با موج شار تولیدی استاتور باعث شده تا شارهای پیوندی به حداکثر برسد. موتورهای رلوکتانس سنکرون از نظر ساختمان بسیار ساده می باشند. استاتور این موتور شبیه استاتور یک موتور القایی سه فاز است یعنی یک سیم پیچ سه فاز متعادل درون شیارهای استاتور جای می گیرد و روتور آن از نظر مغناطیسی همانند یک روتور قطب برجسته بدون سیم پیچی و بدون مغناطیس دائم است.

مزایای موتور رلوکتانس سنکرون نسبت به موتور سنکرون مغناطیس دائم:

الف- در موتور رلوکتانس سنکرون، با مشكل دشارژ مغناطیسی مواجه نخواهند شد، زیرا روتور نه سیم پیچی دارد و نه آهنربای دائم در نتیجه قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به موتورهای مغناطیس دائم دارد.

ب- نیازی به تحریک در گشتاور صفر جود نداشته پس تلفات پیچشی الكترومغناطیسی حذف خواهد شد.

مزایای موتور رلوکتانس سنکرون نسبت به موتور رلوکتانس سوئیچی:

در این موتور با مشکل پیچیدگی کنترل موتور رلوکتانس سوئیچی مواجه نخواهند شد زیرا جریان فازها با کلیدزنی قطع و وصل نمی شوند.

مزایای موتور رلوکتانس سنکرون نسبت به موتورهای القایی و سنکرون:

الف- مهمترین ویژگی این موتور این است که هیچگونه سیم پیچ با آهنربای دائمی در روتور وجود ندارد و نیز تنها منبع تحریک، همان سیم پیچی استاتور است.

ب- با توجه به اینکه استاتور را موثرتر و آسانتر از روتور می توان خنک کرد. نتیجه کار اغلب یک موتور کوچکتر با ظرفیت و اندازه قاب مشخص است. لذا یک نکته عملی اینکه روتور این نوع موتورها را میتوان از موادی با هزینه پایین ساخت.

علی رغم مزایای فوق مهمترین عیب این موتورها، ضربان گشتاور ناشی از تغيرات مقاومت مغناطیسی است که باعث تولید سر و صدا و افزایش سطح نویز می شود.

شرح پروژه:

در این پروژه پروژه شبیه سازی و تحلیل حرارتی و الکترومغناطیسی موتور سنکرون رلوکتانسی(SynRM) در نرم افزار انسیس موتورکد ANSYS Motor CAD انجام شده است.

در موتورهای الکتریکی علاوه بر تحلیل الکترومغناطیسی، تحلیل حرارتی نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است. افزایش دمای بیش از حد موتور باعث کاهش عمر و حتی سوختن موتور می گردد. از این رو لازم است علاوه بر تحليل الكترومغناطیسی، از نظر حرارتی نیز موتور به خوبی تحلیل گردد. از آنجا که حرارت در ماشین های الکتریکی براثر تلفات ایجاد می شود، برای بررسی حرارتی ماشین ابتدا باید تلفات آن محاسبه گردد.

نرم افزار انسیس موتورکد(ANSYS Motor-CAD)

یکی از بهترین نرم افزارهای مورد استفاده در زمینه تحلیل موتورهای الکتریکی از نظر حرارتی و خنک کنندگی، نرم افزار انسیس موتورکد(ANSYS Motor-CAD) است. در ابتدا و پیش از انجام هرگونه شبیه سازی بایستی نوع موتور مورد استفاده مشخص گردد که برای این منظور از گزینه Motor Type در نرم افزار استفاده می‌شود. پس از انتخاب نوع موتور بایستی کلیه پارامترهای ساختاری موتور اعم از پارامترهای مربوط به استاتور و روتور وارد گردند که این امر از طریق منوی Geometry امکان پذیر است. منوی، Geometry موتور را از سه منظر متفاوت نشان می دهد.

نمای روبروی موتور سنکرون رلوکتانسی(SynRM)

در نمای روبرو اطلاعات مربوط به استاتور و روتور وارد می شوند.

نمای جانبی موتور سنکرون رلوکتانسی(SynRM)

در نمای جانبی اطلاعات عرضی و طولی موتور وارد می شوند.

نمای سه بعدی موتور سنکرون رلوکتانسی(SynRM)

در نمای سه بعدی، شکل نهایی موتور طراحی شده قابل مشاهده است.

مشخصات سیم پیچی موتور سنکرون رلوکتانسی(SynRM)

در این بخش کلیه تنظیمات مربوط به سیم پیچ های قرارگرفته در شیارهای استاتور انجام می شوند. تنظیمات سیم پیچ عبارتست از نوع سیم پیچ، ساختار سیم پیچ، شکل لبه شیار، نوع عایق بکاررفته بین سیم پیچ و هسته و نوع سیم است.