توضیحات

پروژه شبیه سازی موتور مغناطیس دائم DC بدون جاروبک در نرم افزار انسیس مکسولANSYS Maxwell

Simulation of Brushless Permanent Magnet DC Motor in ANSYS Maxwell

موتورهای جریان مستقیم:

در میان بازار انبوه موتورهای الکتریکی، موتورهای جریان مستقیما بیش از ۱۴۰ سال است که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند. با وجود پیداش موتورهای جریان متناوب و کاهش سهم بازار موتورهای جریان مستقیم، این موتورها به دلیل مزایا و خواص منحصر به فردشان همچنان در خیلی از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند. در هر کاربردی که نیازمند گشتاور راه اندازی بالایی بوده و با ترمزگیری سریع و تغییر جهت ناگهانی مواجه می باشد موتورهای جریان مستقیم انتخاب خوبی خواهند بود. موتورهای جریان مستقیم یا DC ابزاری برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی می باشند. از موتورهای DC به طور وسیعی در حوزه های مختلف مهندسی به دلیل ساختار ساده، کنترل سرعت آسان و قیمت مناسب آنها استفاده میشود. به منظور کنترل گشتاور، سرعت و موقعیت موتورهای جریان مستقیم استفاده از درایور و سرودرایور امری اجتناب ناپذیر می باشد. درایور فرامین حرکتی از سمت کنترل کننده مرکزی را دریافت کرده و پس از تفسیر و تبدیل مناسب، آنها را به موتور اعمال می نماید. سرودرایور علاوه بر انجام وظایف مربوط به درایور قادر است فیدبکهای مناسب را از سمت موتور دریافت کرده و متناسب با فرامین دریافتی از سمت کنترل کننده مرکزی گشتاور، سرعت و موقعیت موتور را کنترل نماید. به منظور کنترل گشتاور، سرعت و موقعیت موتور DC بایستی پارامترهای کنترل کننده های گشتاور، سرعت و موقعیت به درستی تنظیم شوند. تنظیم دستی این پارامترها کاری سخت و طاقت فرسا بوده و نیازمند دانش تجربی بالایی می باشد. معمولا موتور DC مغناطیس دائم با یک مدل خطی مرتبه در بیان میشود که در آن از اصطکاک کولمب صرف نظر شده است. متاسفانه اصطکاک کولمب باعث رفتار غیر خطی موتور DC می گردد که این رفتار باعث کاهش کارایی سیستم کنترلی می شود. این امر در مواقعی که موتور DC بایستی در محدوده وسیعی از جمله سرعت های زاویه ای پایین کار کند بسیار قابل توجه است.

ماشین آهنربای دائم:

توسعه ماشین های سنکرون آهنربای دائم از زمان اختراع مواد مغناطیس دائم با کیفیت بالای نئودیوم – آهن بور در سال ۱۹۸۳ شروع گشته است. ماشین های آهنربای دائم بدون جاروبک بدلیل تحریک آهنربای دائم بازدهی بالایی داشته و بطور گسترده در کاربردهای مختلف خانگی و صنعتی در حال استفاده می باشند. ماشین های آهنربای دائم بدون جاروبک به دو دسته ماشین آهنربای دائم بدون جاروبک با جریان مستقیم (BLDC) و ماشین آهنربا دائم بدون جاروبک با جریان متناوب (BLAC که به آن PMSM نیز می گویند) تقسیم می گردد.

ویژگی های موتور BLDC:

موتور BLDC اساسا دارای ساختار مشابه یک مغناطیس دائم دوار همراه با یک مجموعه از هادی های حامل جریان می باشد. از این نظر، مشابه با یک موتور کموتاتور DC معکوس شده نیز می باشد که مغناطیس میچرخد اما هادی های جریان ایستا باقی می مانند. در هر دو حالت برای ثابت ماندن جهت گشتاور در یک جهت، جریان در هادی ها می بایست در هر زمان که یک قطب مغناطیسی از روبروی آن عبور می کند، پلاریته اش نیز عکس شود. در یک موتور کموتاتور DC معکوس شدن پلاریته با کموتاتور و جاروبک انجام می شود. چون کموتاتور نسبت به روتور ثابت می باشد، لحظات سوئیچینگ بطور اتوماتیک با تغییر پلاریته میدان مغناطیس هادیها سنکرون می گردد. در یک موتور BLDC، معکوس شدن پلاریته با کلیدزنی ادوات الکترونیک قدرت انجام می گردد. پروسه کموتاسیون در هر دو نوع ماشین، شبیه به هم بوده و سنکرون با وضعیت روتور میباشد و لذا معادلات دینامیکی مربوطه و مشخصات سرعت-گشتاور آنها یکسان می باشد.

موتورهای BLDC مغناطیس دائم که در صنایع اتومبیل سازی و هوافضا مورد استفاده قرار می گیرند دارای مزایای زیر می باشند:

-نویز پایین بدلیل عدم نیاز به هیچ گونه جاروبک مکانیکی یا حلقه های لغزان در موتورهای آهنربای دائم

-تمام نویزهای مکانیکی به استثنای نویزهای مربوط به بلبرینگ ها، کوپلینگها، و بار حذف می شوند.

-بهره بالا: موتورهای آهنربای دائم بواسطه ی وجود مغناطیس دائم که میدانی پیوسته و ثابت را تولید می کنند و مصرف توان الکتریکی ندارند از بهره بالایی برخوردارند

-هزینه نگهداری کم و طول عمر بیش تر

سهولت کنترل: در موتور BLDC، گشتاور خروجی متناسب با جریان موتور است که درنتیجه عمل کنترل به راحتی انجام می گردد.

-ساختار مجتمع و متراکم: کاربردهای هوافضا و اتومبیل نیاز به تجهیزات با وزن کمتر و حجم کوچکتری دارند تا بهره سوخت مصرفی را افزایش دهند و لذا نیاز به ذخیره سازی انرژی کمتری داشته باشند.

نرم افزار انسیس مکسول(ANSYS Maxwell):

نرم افزار انسیس مکسول یک بسته نرم افزاری قدرتمند و بر مبنای تحلیل اجزاء محدود بوده که برای تحلیل میدان های الكتروستاتیکی و الکترومغناطیسی به کار می رود.

انواع روش های تحلیل در نرم افزار ANSYS MAXWELL:

تحلیل الکتریکی

تحلیل مغناطيسي

تحليل هارمونیکی

تحلیل گذرا.

تحليل الکتریکی:

در واقع تحلیل میدان های الکتریکی است که در سه حوزه قابل بررسی می باشد:

میدان های الکترواستاتیکی در دی الکتریک ها که توسط توزیع دلخواهی از ولتاژها و یا بارهای الکتریکی ایجاد می شوند. کمیت های قابل محاسبه ی دیگر نظیر گشتاور، نیرو و ظرفیت نیز در این دسته میدان ها قابل محاسبه هستند.  میدان های الکتریکی در هادی ها که توسط توزيع خاصی از ولتاژها یا میدانهای الکتریکی و جریان DC به وجود آمده باشند. در این روش، توان تلفاتی به راحتی قابل محاسبه می باشد. ٣. مساله الكتروستاتیک که همراه با شرایط مرزی و هدایت باشد.

تحلیل مغناطیسی:

در این روش میدان های مغناطیسی سه بعدی خطی و غیر خطی ایجادشده توسط جریان DC آهنرباهای دائم یا میدان های مغناطیسی خارجی را می تواند تحلیل کند. کمیت های اضافی دیگری که در این روش قابل محاسبه هستند، عبارتنداز: گشتاور، نیرو، اندوكتانس های خودی و متقابل.

تحلیل هارمونیکی:

این روش که برای میدان های سینوسی متغیر بازمان است، قادر به تحلیل حالت دائم میدانهای مغناطیسی ناشی از جریانهای گردابی القا شده در هادی ها بوده که می تواند توسط منابعی نظیر: جریان های و یا میدانهای مغناطیسی خارجی اعمال شده، به وجود آمده باشند.

تحلیل گذرا:

این روش، تحلیل میدان های مغناطیسی ایجاد شده توسط آهنرباهای دائم، سیم پیچ های تغذیه شده از منابع ولتاژ و یا جریان با هر شکل دلخواهی نسبت به زمان و مدارهای الکتریکی دلخواه متصل شده به سیم پیچ ها را می تواند انجام دهد.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی موتور مغناطیس دائم DC بدون جاروبک در نرم افزار انسیس مکسولANSYS Maxwell انجام شده است.

هندسه ماشین:

هندسه استاتور:

هندسه روتور:

شکل شیار استاتور:

نمونه نتایج شبیه سازی: