بهینه سازی شکل مغناطیس دائم در ماشینهای سنکرون مغناطیس دائم با روشهای تحلیلی-عددی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Permanent Magnet Synchronous (PMS) machines are attracting a growing interest for a wide range of industrial, commercial, and traortation applications because of their high efficiency, high power density, low maintenance, compact structure, and rather simple control. Several methods have been presented to reduce cogging torque, torque ripple and to increase average torque in SPMSM drive. These methods are divided into two categories namely, (a) methods based on modifying the control schemes and/or (b) changing the motor geometry. Changing of the geometry of an electrical motor can be further divided into parameter and/or shape optimization methods. In parameters optimization, the shape of the motor is optimized by changing a set of design parameters while shape optimization allows us to find alternate shapes for different parts of electric machines. Majority of the presented methods for shape optimization in permanent magnet motors are based on FEM, which is highly time consuming, or use parameter optimization, which cannot find the best shape of the design region. In this thesis, two analytical methods based on conformal mapping are presented for shape optimization of permanent magnets in a Surface Permanent Magnet (SPM) and Interior Permanent Magnet (IPM) motors. The aim of this optimization is to reduce torque ripple and cogging torque while increasing the average torque or keeping it at its aprior value. Therefore, in SPM motor, design region is divided into finite cells so that each cell can be assigned with either air (OFF) or magnet (ON). To validate the method presented for magnet shape optimization, results of a random non-manufacturable model are compared with finite element method results. The objective function is weighted combination of the amplitude of cogging torque, torque ripple and average torque, simultaneously. The optimization process is repeated for two asymmetrical and symmetrical cases. The optimization problem is solved using Genetic Algorithms. In order to avoid non-manufacturing cases, a cluster based method is used. For comparison between analytical on/off method with conventional on/off method, optimization are applied into a sample case for two methods. The simulation results indicated the proposed method is very faster than conventional on/off method which is based on finite element method. In this thesis, two analytical methods based on conformal mapping with application of new techniques and Lumped Parameter Models (LPM) are presented for field calculation under no-load condition in IPM motors. In first method, a combination of Lumped-Parameters Model, Quasi-Poisson's equations and Conformal Mapping methods is used for predicting radial and tangential air gap flux density of IPM machine. In second method, the analytical method is based on the Schwarz-Christofel (SC) mapping and LPM method. Since, in this method, the shape of magnet, flux barrier and magnetization direction can be consideration; therefore can be used to rotor shape optimization. At last, the second method is used for rotor shape optimization of IPM machine. Keywords : Conformal Mapping, Topology Optimization, Permanent magnet motor- Schwarz-Christofel mapping

ماشین های مغناطیس دائم به دلیل داشتن بازده بالا، چگالیتوان بالا، ساختار ساده، تعمیر و نگهداری کم و کنترل نسبتا ساده امروزه به‌صورتگسترده در بسیاری از کاربردها مانند خودروها، صنایع نظامی ، هوافضا و نیروگاهایبادی مورداستفاده قرار می گیرد. اما برای بسیاری از کاربردهای حساس مانند سیستمفرمان الکتریکی، سرو موتورها و ژنراتورهای توربین بادی با درایو مستقیم هم‌زمان باچگالی گشتاور بالا، ریپل گشتاور کم مورد نیاز است. روش های بسیاری برای کاهش ریپل گشتاور و افزایشگشتاور متوسط در این موتورها ارائه‌شده است. کلیه ی این روش ها را می‌توان به دودسته‌یکلی شامل روش های مبتنی بر کنترل و روش های مبتنی بر بهبود طراحی، تقسیم‌بندی کرد.روش های مبتنی بر بهبود طراحی خود به دودسته، شامل بهینه سازی توپولوژی و بهینه سازیپارامتری تقسیم‌بندی می شود. در بهینه سازی پارامتری ناحیه ی موردنظر توسط یک سریپارامتر بیان می شود و هدف، تغییر این پارامترها به‌منظور دست یابی به ابعاد بهینه است. در مقابل، در بهینه سازی توپولوژی، هدف یافتن ساختمان بهینه از مواد و یکترکیب جدید و بهینه ، بدون در نظر گرفتن پارامترها می باشد. در تمامی روش های ارائه‌شده برای بهینه سازی توپولوژیاز روش المان محدود برای یافتن ساختمان بهینه استفاده می شود. بنابراین اعمالبهینه سازی با تکرار زیاد توسط روش های موجود، بسیار زمان بر و حتی ناممکن می باشد،و در بیشتر موارد ساختاری غیرعملی ازنظر ساختارائه خواهد شد. در این رساله هدف، ارائه یک روش تحلیلی به منظور بهینه سازی توپولوژی مغناطیس دائم در موتورهایمغناطیس دائم سطحی و داخلی می باشد. مدل تحلیلی ارائه‌شده ، باید قابل‌استفادهبرای بهینه سازی شکل مغناطیس دائم به‌منظور افزایش گشتاور متوسط، کاهش ریپل گشتاورو کاهش گشتاور دندانه ای باشد. به همین منظور، در ابتدا یک روش تحلیلی جزء به جزءبر پایه ی نگاشت های همدیس برای موتورهای مغناطیس دائم سطحی ارائه شده است. روشارائه شده برای استفاده در بهینه سازی توپولوژی صحت سنجی می شود. در ادامه بااستفاده از انتخاب یک تابع هدف به صورت ترکیبی از گشتاور متوسط، ریپل گشتاور و پیکگشتاور دندانه ای اقدام به بهینه سازی شکل مغناطیس دائم در موتورهای مغناطیس دائمسطحی در دو حالت متقارن و نا متقارن می شود. در این حالت، به منظور حذف حالت هایغیرقابل ساخت از روش خوشه بندی استفاده می شود. برای بررسی سرعت روش ارائه شده ،نتایج به دست آمده با روش صفر و یک بر پایه ی المان محدود مقایسه می شود. درروشصفر و یک، ناحیه ی هدف برای بهینه سازی به تعدادی محدود المان تقسیم بندی می شود وسپس برای هر المان، مقدار صفر یا یک (هوا یا مغناطیس دائم) در نظر گرفته می شود. اشباع و ساختار پیچیده ی موتورهای مغناطیس دائم داخلی،استفاده از روش های تحلیلی برای آنالیز و بهینه سازی توپولوژی را محدود می کند . دراین رساله، دو روش تحلیلی برای آنالیز و مدلسازی ماشین مغناطیس دائم داخلی در حالتبی باری ارائه می شود. روش اول بر پایه ی روش سری فوریه، مدار معادل مغناطیسی وتابع پرمیانس می باشد. و در روش دوم، از ترکیبنگاشت شوارتس-کریستوفل و مدار معادل مغناطیسی استفاده می شود. از آنجایی که در روشاول از یک سری نگاشت که به صورت تحلیلی قابل محاسبه می باشند، استفاده شده است،بنابراین این روش بسیار سریع بوده ولی در طول فرایند، آنالیز ساختار شکل مغناطیسدائم دچار تغییرات می شود بنابراین نمی توان از آن برای بهینه سازی توپولوژیاستفاده کرد. این در حالی است که در روش دوم، ساختار و شکل مغناطیس دائم در محاسبهشکل میدان اثر گذار خواهد بود. بنابراین از روش اول می توان برای بهینه سازیپارامتری و از روش دوم به منظور بهینه سازیشکل روتور ماشین مغناطیس دائم داخلی استفاده کرد. در انتها با استفاده از روش دومو در نظر گرفتن یک تابع هدف، اقدام به بهینه سازی شکل روتور ماشین مغناطیس دائمداخلی می شود.