طراحی، بهینه‌سازی و تحلیل اجزای محدود موتور سنکرون آهن‌ربای دایم نوع دیسکی
محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوتر
سیدعلی سیدی سعادتی
1
,
ابوالفضل حلوایی نیاسر
2
*
1 - دانشگاه کاشان
2 - مهندسی برق و کامپیوتر
چکیده مقاله :
این مقاله به طراحی تحلیلی، بهینه‌سازی و شبیه‌سازی به روش اجزای محدود یک موتور سنکرون آهن‌ربای دایم از نوع شارمحور با سرعت بسیار بالا می‌پردازد. این موتور دارای توان نامی تقریبی نیم اسب بخار و سرعت 60.000 دور بر دقیقه بوده که در برخی از کاربردهای صنعتی خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد. بر حسب مشخصات نامی مورد نظر برای موتور با استفاده از روابط تحلیلی طراحی موتورهای سنکرون آهن‌ربای دایم، محاسبات اجزای مختلف موتور شامل مشخصات ابعادی، مغناطیسی و جنس مواد با جزئیات کامل تشریح می‌شوند. در ادامه و با توجه به کاربرد خاص این موتور که در آن دست‌یابی به گشتاور مورد نیاز با حداقل جریان و تلفات مسی مورد نظر است، ابعاد و مشخصات موتور به روش بهینه‌سازی و با استفاده از الگوریتم ژنتیک و با تابع هدف نسبت گشتاور به جریان تعیین می‌گردند. الگوریتم بهینه‌سازی، مقادیر بهینه فاصله هوایی، چگالی شار آهن‌ربای دایم، چگالی جریان خطی و تعداد دورهای سیم‌پیچ استاتور را تعیین می‌کند. جهت صحه‌گذاری طراحی‌های تحلیلی و بهینه‌سازی انجام‌شده، مدل اجزای محدود سه‌بعدی موتور در نرم‌افزار ماکسول ایجاد می‌گردد و عملکرد موتور تحت شبیه‌سازی‌های مگنتواستاتیک و گذرا بررسی می‌گردد. نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی اجزای محدود بر نتایج طراحی تحلیلی صحه می‌گذارند. همچنین این نتایج بر مؤثربودن روش بهینه‌سازی ارائه‌شده بر کاهش تلفات اهمی دلالت دارند و تطابق بسیار مناسبی بین نتایج هر دو روش تحلیل برای مقادیر به دست آمده گشتاور، بهره موتور و چگالی شار وجود دارد.
This paper proposes to design, optimization and finite element simulation of an axial-flux, super-high speed, permanent magnet motor. The target motor with 0.5 hp rated power at speed of 60,000 rpm is used in a special industrial application. Based on nominal specifications of the motor and using analytical relations of motor design, the design calculations, sizing and motor dimensions are investigated. Due to special application of the target motor that needs to the demanded torque with minimum current and copper losses, the dimensions and design specifications of motor is optimized via genetic algorithm based on a torque per ampere cost function. Optimization algorithm determines the optimum value of airgap, permanent magnet flux density, current density and turns number of stator windings. To demonstrate of analytical design and optimization results, using 3-D model of motor in Maxwell software, finite element analysis are carried out in Magneto-static and Transient modes. The FEM simulation results confirm the analytical design results. Moreover, they show the significant reduction in RMS current and copper loss at rated torque. There is a good agreement between the values of torque, motor efficiency, and flux density resulted from both methods.
[1] M. A. Rahman, A. Chiba, and T. Fukao, "Super high speed electrical machines-summary," IEEE Power Engineering Society General Meeting, vol. 2, pp. 1272-1275, 6-10 Jun. 2004.
[2] N. Bianchi, S. Bolognani, and F. Luise, "Potentials and limits of high-speed PM motors," IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 40, no. 6, pp. 1570-1578, Nov./Dec. 2004.
[3] P. D. Pfister and Y. Perriard, "Very-high-speed slotless permanent-magnet motors: analytical modeling, optimization, design, and torque measurement methods," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 57, no. 1, pp. 296-303, Jan. 2010.
[4] J. F. Gieras and M. Wing, Permanent Magnet Motor Technology, Design and Applications, 2nd Ed., Marcel Dekker, New York, 2002.
[5] A. Cavagnino, M. Lazzari, F. Profumo, and A. Tenconi, "A comparison between the axial-flux and the radial flux structures for PM synchronous motors," IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 38, no. 6, pp. 1517-1524, Nov./Dec. 2002.
[6] J. F. Gieras, R. J. Wang, and M. J. Kamper, Axial-Flux Permanent Magnet Brushless Machines, Springer, 2008.
[7] F. Marignetti, V. Delli Colli, and Y. Coia, " Design of AFSPMM through 3-D coupled electromagnetic thermal and fluid-dynamical finite-element analysis," IEEE Trans. Industrial Electronics, vol. 55, no. 10, pp. 3591-3601, Sept. 2008.
[8] Y. P. Yang and D. S. Chuang, "Optimal design and control of a wheel motor for electric passenger cars," IEEE Trans. Magnetics, vol. 43, no. 1, pp. 51-61, Jan. 2007.
[9] S. M. Hosseini, M. A. Mirsalim, and M. Mirzaei, "Design, prototyping and analysis of a low cost axial-flux coreless permanent-magnet generator," IEEE Trans. Magnetics, vol. 44, no. 1, pp. 75-80, Jan. 2008.
[10] F. Sahin, A. M. Tuckey, and A. J. A. Vandenput, "Design, development and testing of a high-speed axial-flux permanent-magnet machine," in Proc. IEEE Industry Applications Conf., vol. 3, pp. 1640-1647, 30 Sept.-4 Oct. 2001.
[11] S. Lin, T. X. Wu, L. Zhou, F. Moslehy, J. Kapat, and L. Chow, "Modeling and design of super high speed permanent magnet synchronous motor (PMSM)," in Proc. IEEE National Aerospace and Electronics Conf., vol. 3, pp. 41-44, 16-18 July 2008.
[12] A. Mahmoudi, S. Kahourzade, N. A. Rahim, and W. P. Hew, "Design, analysis, and prototyping of an axial-flux permanent magnet motor based on genetic algorithm and finite-element analysis," IEEE Trans. on Magnetics, vol. 49, no. 4, pp. 1479-1492, Apr. 2013.
[13] W. Z. Fei and P. C. K. Luk, "Design of a 1 kW high speed axial flux permanent-magnet machine," in Proc. IET Conf. on Power Electronics, Machines, and Drives, pp. 230-234, 2-4 Apr. 2008.
[14] D. Hanselman, Brushless Permanent Magnet Motor Design, 2nd Ed., Magna Physics Publishing, 2006.
[15] N. Bianchi and S. Bolognani, "Design optimization of electric motors by genetic algorithms," in IEE Proc. Electric Power Applications, vol. 145, no. 5, pp. 475-483, Sept. 1998.
[16] R. Perryman, G. Sooriyakumar, and S. J. Dodds, "Design optimisation for permanent magnet synchronous motors using genetic algorithm," in Proc. 45th Int. Universities Power Engineering Conf., UPEC'11, 6 pp. 1-6, 31 Aug.-3 Sept. 2010. 2010.