توضیحات

پروژه شبیه سازی موتور سنکرون سه فاز در نرم افزار انسیس مکسولANSYS Maxwell

 

انواع موتور الکتریکی:

انواع مختلف ماشین های الکتریکی که تاکنون در صنعت حمل و نقل الکتریکی و هیبریدی استفاده شده اند را میتوان به دو دسته با جاروبک و بی جاروبک تقسیم کرد که شامل 4 نوع موتور جریان مستقیم(DCM)، موتور القایی(IM)، موتور سوئیچ رلوکتانس(SRM) و موتور با آهنربای دائم بدون جاروبک(PMSM) می باشد.

موتور جریان مستقیم:

موتور جریان مستقیم به علت مناسب بودن مشخصه گشتاور سرعتی که دارد، برای استفاده در کاربردهای کششی مورد توجه قرار گرفته است. این نوع موتور انتخاب طبیعی می باشد چرا که ارزان ساخته می شوند، اجزای آنها به سادگی در دسترس می باشد و چون مستقیما از باتری تغذیه می شود مدار کنترل ساده ای دارد. از نظر عملکرد، گشتاور راه انداز بالایی دارد. تنظیمات ساده و اتصال مستقیم به باتری، بدون نیاز به سیستم الکترونیکی پیچیده دیگر مزیت این موتورهاست. ولی معایب این نوع موتور از جمله حجم زیاد، بازدهی کم، استفاده از جاروبک و کموتاتور یا حلقه های لغزان در آن، قابلیت اطمینان کم و نیاز به تعمیرات می باشد.

شکل موتور جریان مستقیم.

موتور جریان مستقیم برای توان های بیشتر از ۲۰ کیلووات به قطب های کمکی و سیم بندی های جبرانگر نیاز دارد که باعث افزایش حجم و هزینه می شود. تلفات این موتور در بخش رتور زیاد بوده و علاوه بر کاهش بازدهی آن، تعبیهی سیستم خنک کاری باعث افزایش حجم و هزینه می شود. ماشین جریان مستقیم دو نوع با آهنربای دائم و با سیم بندی میدان دارد. مزایای هر دو سادگی کنترل، نتظیم سرعت خوب، راه اندازی، ترمز و معکوس شدن سریع است. نوع سیم بندی شده ی آن چگالی توان کمی دارد، و نیز کموتاتور باعث ایجاد ریپل گشتاور شده و سرعت ماشین را محدود می کند، جاروبک نیز باعث اصطکاک و تداخل امواج رادیویی می شود و نویز ایجاد میکند و نیاز به تعمیرات مداوم دارد. این موارد باعث کم شدن قابلیت اطمینان این موتور می شوند.

برای افزایش چگالی توان میتوان از آهنربای دائم استفاده کرد ولی در این صورت قابلیت تضعیف میدان از بین می رود و میدان الکترومغناطیسی قابل کنترل نیست اما چگالی توان بالاتر، کاهش تلفات مسی و بازدهی بالاتر و کاهش ابعاد با استفاده از آهنربا به جای سیم بندی مزایای آن هستند. با پیشرفت الکترونیک و کنترل دیجیتال و میکروپروسسورها موتورهای پیشرفته تر جایگزین این موتورها شدند. با وجود معایبی که گفته شد و نیز توسعه ی نیمه هادی های قدرت، موتور های AC القایی و سنکرون جایگزین موتورهای DC در کاربرد های کششی شدند. دلیل عمده ی این جایگزینی، استفاده از کموتاتور و قابلیت اطمینان کم و نیاز به تعمیرات زیاد موتورهای جریان مستقیم بوده است. با این وجود به دلیل هزینه های ناشی از به کارگیری اینورتر برای درایوهای AC ، این موتورها فقط برای کاربردهای توان بالا کاربردی هستند. در توان های پایین موتور DC به علت سادگی در کنترل کاربردی تر می باشد چرا که توسعه یا باز مهندسی خودروهای بنزین سوز بدون نیاز به اعمال تغییرات مکانیکی با یک موتور DC به سادگی امکان پذیر است.

موتور القایی:

موتور القایی قفس سنجابی به دلیل استحکام، قابلیت اطمینان بالا و نیاز به تعمیرات کم، هزینه مناسب و کارایی در محیطه ای صنعتی و ترکشن بسیار قابل توجه می باشد. علاوه بر این، این نوع موتور از لحاظ تکنیک ساخت آسان و عملکرد مکانیکی خوبی دارا می باشد. کنترل این موتور از طریق کنترل برداری گشتاور به طور مجزا از کنترل میدان امکان پذیر است. قابلیت تضعیف میدان باعث گسترش محدوده سرعت با توان ثابت در سرعت های بالاتر از سرعت نامی می شود. به دلیل سیم بندی مسی در این موتورها تلفات اهمی بالاست و بازدهی به خصوص در سرعت بالا به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. ضریب توان کم ، تلفات بالا و بازدهی کم معایب آن هستند. از طرفی محدوده ی توان ثابت این موتور تا ۲ یا ۳ برابر سرعت نامی است که در کاربرد ترکشن باید تا 4 الى 5 برابر سرعت نامی باشد.

شکل موتور القایی با روتور قفس سنجابی.

معایب موتور القایی را با طراحی بهینه می توان جبران کرد. برای بهبود بازده روش های کنترلی نوین ارائه شده اند، برای گسترش محدوده ی توان ثابت بدون تغییر سایز موتور استفاده از موتورهای القایی چند فازه با قطب های تغییرپذير خصوصا برای ترکشن ارائه شده است. موتورهای القایی از دو سو تغذیه نیز به عنوان موتور پیشرانه ی الکتریکی که عملکرد عالی در سرعت های کم دارد در برخی مراجع معرفی شده اند.

موتور رلوکتانسی:

موتور رلوکتانسی با داشتن ساختمان ساده و محکم انتخاب مناسبی برای خودروهای الکتریکی می باشد. مزایای این نوع موتور شامل هزینه ی کم به علت نبود مواد آهنربایی گران، ریپل گشتاور کم، بازدهی بالا، محدوده گسترده سرعت و ضریب قدرت بالا می باشد. همچنین ساختار سخت رتور، قابلیت کار در سرعت بالا را نتیجه می دهد. در این نوع موتور می توان با طراحی مناسب ساختار رتور به حداقل ریپل گشتاور و حداکثر بازدهی در رنج سرعت گسترده دست یافت. گشتاور نرم با روش هایی از قبیل انتخاب تعداد موانع شار مناسب، در نظر گرفتن تعداد شیارهای استاتور به ازای جفت قطب ها و نیز با انتخاب موقعیت مناسب انتهای موانع شار به دست می آید. ویژگی های گفته شده، این ماشین را به عنوان کاندید مناسبی برای کاربردهای تراکشن نشان می دهد.

شکل ساختار روتور در موتور رلوکتانسی.

تغییر ساختار رتور می تواند به عملکرد بهتر این نوع ماشین بیانجامد. بهترین پارامتری که برای این منظور تغییر می یابد نسبت Ld به Lq است که باید ماکزیمم شود و دقیقا به ساختار رتور بستگی دارد. می توان با ساختار ناهمسان گرد رتور استفاده از قفس، استفاده از سیم بندی و آهنربا را محدود کرد که در نتیجه هزینه کمتری را ایجاد می کند. علاوه بر این استفاده از انواع فولاد مغناطیسی در هسته ی رتور و استاتور به عملکرد بهتر می انجامد. با این وجود از لحاظ ساخت فرایند پیچیده ای دارد و استفاده از آن را محدود می کند.

موتور سنکرون با آهنربای دائم:

موتور سنکرون با آهنربای دائم به دلیل داشتن چگالی گشتاور بالا و بازده بالا مورد توجه می باشد. دو نوع اصلی این موتور ها IPM و SPM می باشد که جهت کاربردهای ترکشن مورد استفاده هستند. هر دو نوع موتورهای سنکرون با آهنربای دائم به علت ساختار سادهی ماشین با سیم بندی سه فاز، حجم کم و بازدهی بالا دارند و به خصوص در کابردهای سرعت بالا و درایوهای سرعت متغیر مورد توجه قرار گرفته اند. مشخصه های دینامیکی آنها وابستگی شدیدی به مواد آهنربایی کمیاب و ساختار روتور دارد. نبود تلفات اهمی در روتور از مزایای آن است که خنک کاری را ساده میکند، قابلیت انتقال حرارت را افزایش می دهد و در نتیجه طول عمر ماشین زیاد می شود.می توان از آهنربا در استاتور و یا رتور استفاده کرد.  نوع SPM دارای سیم بندی متمرکز بوده و ساختار استاتور ساده می باشد. ولی در سرعت های بالا تلفات جریانهای گردابی در آهنربا وجود دارد. این نوع رتور به حفاظ هایی برای نگهداری آهنرباها نیاز دارد و ساخت آهنرباهای قوس دار از دید صنعتی مشکل است. نوع IPM به موانع شار نیاز دارد که ساخت آنها مشکل است.

شرح پروژه:

در  این پروژه شبیه سازی موتور سنکرون سه فاز در نرم افزار انسیس مکسول ANSYS Maxwell صورت گرفته است.

نرم افزار Maxwell ANSYS نرم افزاری کاربردی جهت طراحی، شبیه سازی و آنالیز مدارهای مغناطیسی و الکترومغناطیسی نظیر انواع موتور، ژنراتور و ترانسفورماتور می باشد. یکی از امکاناتی که این نرم افزار جهت شبیه سازی در دسترس قرار داده است محیط RMxprt می باشد. در این محیط به صورت پیش فرض موتورها و ژنراتورهای معمول قابل اتخاب هستند و بنا به طراحی انجام شده می توان تغییرات لازم را در آنها ایجاد کرد.

انواع ماشین قابل طراحی در محیط RMxprt:

1-Adjust-Speed Synchronous Machine

2-Brushless Permanent-Magnet DC Motor

3-Claw-Pole Alternator

4-DC Machine

5-Generic Rotating Machine

6-Line-Start Permanent-Magnet Synchronous Motor

7-Permanent Magnet DC Motor

8-Single-Phase Induction Motor

9-Switched Reluctance Motor

10-Three-Phase Induction Motor

11-Three-Phase Non-Salient Synchronous Machine

12-Three-Phase Synchronous Machine

13-Universal Motor

 

شکل انواع ماشین قابل طراحی در محیط RMxprt.

بعد از انتخاب تیپ موتور مورد نظر، اطلاعات مربوط به طراحی که صورت گرفته برای هر قسمت از موتور که در پنجره Project Manager مشخص شده را مقداردهی کرده و بعد از اعتبارسنجی طراحی صورت گرفته با استفاده از گزینه Validate، می توان به آنالیز مدل اولیه موتور پرداخت.

شكل زیر بخش های یک ماشین سنکرون در طراحی RMxprt.

نتایج مربوط به تمامی بخش های طراحی صورت گرفته در این مرحله از طریق پنجره Solution قابل مشاهده می باشد. در صورت رضایت از نتایج به دست آمده می توان مدل دو بعدی و سه بعدی ماشین مورد نظر را از طریق نرم افزار تولید کرد و نتایج گرافیکی از جمله خطوط شار و شدت میدان مغناطیسی را در ماشین مورد نظر ملاحظه نمود.

شکل پنجره نمایش نتایج طراحی RMxprt.

 

 

مدل ماشین سنکرون سه فاز:

 

 

مدل استاتور:

 

مدل شیار استاتور:

 

مدل سیم پیچ استاتور:

 

مدل روتور:

 

مدل شیار روتور:

 

آنالیز عملکرد ماشین سنکرون سه فاز:

 

 

 چگالی شار و خطوط شار مغناطیسی در موتور سنکرون سه فاز: