Skip to main content
SUPERVISOR
بابک فهیمی (استاد مشاور) مهدی معلم (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Adib Ghadamyari
محمد ادیب قدمیاری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389
In this thesis, Microscopic Force Analysis of an Interior PM Synchronous Motor is proposed for shape improvement of the rotor air-bridges and rotor surface in order to improve the torque characteristics. Main objectives are to obtain the information of the force distribution profile of where the effective motional force inserted and how to change the shape of flux barriers in order to increase torque and decrease the torque ripple. Normal and tangential components of flux density are extracted by Finite Element Method on proper contours. Then force components on these surfaces are calculated using Maxwell Stress Tensor method. In the second step, improvement in the motor performances is achieved using air-bridge shape improvement according to the local force distribution. Finally the best shape of air barriers based on this analysis is obtained. With new air bridge shape, 16% increase in average torque and 34% reduction in torque ripple are obtained. For torque ripple cancellation, some alternate rotor configurations with optimized average torque and out of phase torque pulsation have been proposed. This selection will guarantee improved average torque while mitigating torque pulsation by a significant margin. Using this method, a rotor topology obtained in which torque ripple is reduced by 80 % with slightly improved average torque. Key Words Torque ripple, shape optimization, Maxwell stress tensor method, Microscopic force analysis.
در این رساله، بهبود عملکرد ماشین های مغناطیس دایم با استفاده از تغییر شکل در ساختار روتور و با کمک آنالیز مولفه های نیرو صورت پذیرفته است. معمولا از مولفه های نیرو برای محاسبه نیروهای عمودی وارد شده بر سطح روتور ماشین های دوار و آنالیز تنش های مکانیکی و ارتعاشات و نویز استفاده می شود. در این رساله، جهت تعیین پارامترهای هندسی در مسیر بهبود و بهینه سازی عملکرد ماشین و بدست آوردن آگاهی بیشتر نسبت به عملکرد ماشین، از آنالیز مولفه های نیرو استفاده شده است. در ماشین های دوار، نیروهای مماسی بر سطح روتور در تولید گشتاور منتجه شرکت کرده و نیروهای عمود بر سطح روتور، در چرخش تاثیری نداشته و در صورت وجود عدم تقارن در ماشین، منجر به ایجاد نویز، سر و صدا و ارتعاشات می گردد که به کاهش عمر موتور می انجامد. در بعضی از ساختارها مانند ماشینهای خطی و ماشین های سوئیچ رلکتانس، هر دو نوع نیرو در حرکت موثر می باشد. لذا آگاهی از نوع نیروی وارد شده بر ماشین و محل اثر نیروهای مفید و همچنین نیروهای مزاحم، به فرد طراح این امکان را می دهد که بخش های اثر گذار تر و حساس تر ماشین را شناسایی کرده و با تعریف درست پارامترهای طراحی، زمان بهینه سازی را کاهش داده و ساختار ماشین را به صورت هدفمند بهبود بخشد. برای تحلیل مولفه های نیرو، با بررسی روش های مختلف محاسبه نیرو و بررسی مزایا و معایب آنها، روش ماکسول استرس تنسور به عنوان روش مورد استفاده برای محاسبه مولفه های مماسی و عمودی استفاده شده است. این روش ابتدا بر روی یک محرکه خطی پیاده سازی گردید و نیروهای مماسی و عمودی وارد شده بر بخش های مختلف این محرکه محاسبه و روی نتایج بحث شد. مشخص شد که در این ماشین از هر دو نیروی عمودی و مماسی می توان در جهت حرکت بخش محرکه استفاده کرد. با بررسی نیروهای موثر در حرکت روی لبه های مختلف مشخص شد که به طور متوسط حدود 60 درصد نیروهای موثر در حرکت از نوع نیروهای عمودی می باشد. البته نیروهای عمودی وارد شده به لبه های موازی جهت حرکت، جزو نیروهای مزاحم محسوب شده و در بعضی از موقعیت های محرکه، اندازه این نیروها بیش از 20 برابر بزرگتر از نیروهای مفید است. با مطالعه مولفه های نیرو بر روی یک ماشین مغناطیس دایم چهار قطب، بخش هایی از ماشین که دارای بیشترین تاثیر در تولید گشتاور هستند شناسایی شده و با توجه به این نتایج به دست آمده یک بهبود در شکل روتور در بخشی که اثر بخشی بیشتری در تولید گشتاور را دارد، اعمال شد. با آنالیز حساسیت شکل این تغییر بهینه گردید و مشخص شد که با این روش متوسط گشتاور حدود 16 درصد و ریپل گشتاور حدود 35 درصد کاهش داده شد. در مرحله بعد یک ناحیه ماتریسی شکل در اطراف مانع های شار تعریف شد که با دو سطر و چهار ستون، هشت المان را در اطراف هر مانع شار تشکیل می دهد. جنس هر المان می تواند آهن یا هوا باشد و بررسی تمام حالت های ممکن 256 حالت از آرایش این المان ها با آهن یا هوا بدست می آید. در میان طرح های بدست آمده می توان طرح های زیادی را جستجو کرد که دارای گشتاور متوسط بالاتر و ریپل گشتاور کمتر باشد. سپس یک روش ترکیبی از دو ساختار مختلف روتور، به منظور حذف ریپل گشتاور معرفی شد. حسن این روش کاهش بسیار زیاد ریپل گشتاور می باشد در حالی که متوسط گشتاور همچنان بیشتر از طرح اولیه می باشد. در واقع از میان 256 طرح موجود، می توان طرح هایی را یافت که دارای متوسط گشتاور بالا بوده و نوسانات گشتاور آن ها در فاز مخالف هم باشند. به این ترتیب، با ترکیب این دو طرح، می توان با حفظ متوسط گشتاور بالا، ریپل گشتاور را به میزان قابل توجهی کاهش داد. در بخش بعدی، با تغییر شکل در ساختار سطح روتور یک ماشین مغناطیس دایم شش قطبی با استفاده از روش ماتریسی پیشنهادی و روش ترکیبی روتور، مشخصات گشتاور ماشین بهبود داده شد. در این روش، این بار المان در سه لایه در سطح روتور در نظر گرفته شد. نشان داده شد که در حالتی که تنها از یک لایه استفاده شود، با بررسی حالت های ممکن در لایه اول که در سطح روتور و در مجاورت فاصله هوایی قرار دارد، می توتن ریپل گشتاور را تا حدود 80 درصد کاهش داد بدون این که تاثیر منفی بر متوسط گشتاور بگذارد. لایه های دوم و سوم به تنهایی اثر بخش نیستند. در حالتی که لایه اول، کاملا از جنس آهن باشد، نوسانات گشتاور همه حالت های بررسی شده هم فاز گردیده و عملا روش ترکیبی که مبتنی بر استفاده از اختلاف فاز پروفیل گشتاور است کارساز نخواهد بود. اما در صورتی که از هر سه لایه به طور هم زمان استفاده شود، می توان با ترکیب دو تا سه ساختار روتور، به طرح هایی با ریپل گشتاور پایین و متوسط گشتاور بالاتر دست یافت. در یک نمونه سه لایه بررسی شده، ریپل گشتاور حدود 65 درصد نسبت به طرح اولیه کاهش داده شد در صورتیکه متوسط گشتاور 4 درصد افزایش پیدا نمود. کلمات کلیدی: روش ماکسول استرس تنسور، موتور مغناطیس دایم داخلی، بهبود مشخصه گشتاور

ارتقاء امنیت وب با وف بومی