این بسته شامل 19 پایان نامه در زمینه موتور مفناطیس دائم شار محوری می باشد که به صورت فایل word و pdf در اختیار شما قرار میگیرد.

تمامی پایان نامه ها مربوط به سال 90 به بعد می باشد.

 

طراحی تعداد لایه‌های ماشین شار محوری مغناطیس دائم (AFPM) چندلایه

چکیده

در بسیاری از کاربردها از جمله سیستم رانش زیردریایی‌ها، با توجه به نیاز به توان‌های مختلف در محدوده وسیع، سرعت متغیر و عملکرد در شرایط خطا، ماشین باید طوری طراحی شود که گشتاور بالا و توان مورد نیاز را با محدودیت‌هایی مانند اندازه کوچک، وزن کم، قابلیت اطمینان بالا، نگهداری آسان، لرزش و نویز کم و منبع تغذیه با چند ولتاژ، فراهم کند. مطالعه روی ساختارهای بسیار از ماشین‌ها نشان می‌دهد که ماشین‌های مغناطیس دائم چند لایه برای کاربردهای مذکور مناسب می‌باشد. موتور چند لایه این خاصیت را دارد که در سرعت‌های مختلف با توجه به میزان توان مورد نیاز با تعداد لایه متناسب با آن توان به کار گرفته شود. این عمل می‌تواند با سوئیچینگ مناسب لایه‌ها صورت پذیرد. با این کار موتور در سرعت‌های مختلف تحت بار کامل خود قرار می‌گیرد و از آنجایی که هر لایه از موتور در بار نامی خود دارای حداکثر بازده می‌باشد، باعث افزایش بازده کل سیستم می‌شود. در میان ماشین‌های مغناطیس دائم نیز ماشین‌های شار محوری به دلیل نوع ویژه ساختاری که دارند، برای بهره برداری بصورت چند لایه بسیار مناسب می‌باشند. به طراحی ساختار چند لایه‌ای ماشین‌های مغناطیس دائم در مقالات توجه کافی نشده است. در این پایان نامه به چگونگی انتخاب تعداد لایه‌های مناسب در هنگام طراحی ماشین‌های چند لایه در محدوده توان-های بالا پرداخته شده است. همچنین با انجام شبیه سازی‌هایی، رفتار دینامیکی گذرایی ماشین در شرایط قطع و وصل لایه‌های مختلف به منبع تغذیه در بارها و سرعت‌های مختلف، مورد بررسی و ارزیابی قرار خواهد گرفت. در پایان الگویی برای ترکیب لایه‌های مناسب برای تامین توان مورد نیاز در سرعت‌های مختلف برای حصول بهره بالا، تلفات انرژی کم و دیگر شاخصه‌های عملکردی مطلوب ارائه خواهد شد.

1- فصل اول 1 
1-1- مقدمه 2 
1-2- ماشینهای مغناطیس دائم چند لایه 4 
1-3- ماشینهای شار محوری آهنربای دائم 5 
1-3-1- انواع ماشین AFPM از لحاظ ساختار 8 
1-4- ساختار انتخاب شده 19 
2- فصل دوم 21 
2-1- مقدمه 22 
2-2- روابط ابعادی ماشین AFPM نوع TORUS-NS 23 
2-3- الگوریتم طراحی اولیه ماشین AFPM نوع TORUS-NS 27 
2-4- نتیجهگیری از فصل 30 
3- فصل سوم 31 
3-1- مقدمه 32 
3-2- مشخصات نامی موتورهای مورد طراحی و محدودیتهای موجود 33 
3-3- ماشین 500 کیلو وات 35 
3-3-1- طراحی 35 
3-4- ماشین 250 کیلو وات 37 
3-4-1- طراحی 37 
3-4-2- مدل سازی 39 
3-5- ماشین 100 کیلو وات 41 
3-5-1- طراحی 41 
4- فصل چهارم 43 
4-1- مقدمه 44 
4-2- محاسبه پارامترهای مداری ماشین 48 
4-2-1- معادلات ولتاژ ماشین AFPM 48 
4-2-2- مقاومت در هر فاز ماشین AFPM 48 
4-2-3- عکس العمل آرمیچر و اندوکتانسهای خودی و متقابل سیمپیچهای ماشین 50 
4-2-4- محاسبه ولتاژ القایی در هر فاز 54 
4-3- شبیه سازی دینامیکی موتورAFPM در حالت عملکرد اتصال مستقیم به شبکه 55 
4-3-1- نتایج شبیه سازیها 59 
4-4- بررسی تاثیر تعداد لایههای ماشین در هنگام طراحی بر روی عملکرد آن 65 
4-4-1- ماشین چند لایه 500 کیلو وات 65 
4-4-2- ماشین چند لایه یک مگا وات 67 
4-4-3- ماشین چند لایه 5/1 مگا وات 68 
4-4-4- ماشین چند لایه 2 مگا وات 68 
4-4-5- ماشین چند لایه 5/2 مگا وات 70 
4-4-6- ماشین چند لایه 3 مگا وات 70 
5- فصل پنجم 72 
5-1- مقدمه 73 
5-2- موتور طراحی شده 74 
5-3- پارامترهای مدل مداری موتور طراحی شده 76 
5-4- شبیه سازی 76 
5-5- نتایج شبیه سازی 78 
5-6- نتیجه گیری 95 
6- فصل ششم 96 


 

کنترل پیشگویانه گشتاور موتور سنکرون مغناطیس دائم شار محوری تغذیه شده با مبدل ماتریسی

چکیده

موتورهای مغناطیس دائم از نظر جهت شار تولیدی به دو گروه موتورهای مغناطیس دائم شار شعاعی (RFPM) و موتورهای مغناطیس دائم شار محوری (AFPM) تقسیم می‌شوند. AFPM ها در مقایسه با RFPM ها نسبت گشتاور به اینرسی بالاتر و پاسخ گشتاور سریع‌تری دارند.دو روش کلی برای کنترل موتورها وجود دارد که عبارتند از کنترل میدان جهت داده شده (FOC) و کنترل مستقیم گشتاور (DTC). تا کنون تلاش‌‌های زیادی برای بهبود این روش‌ها انجام شده است که کنترل پیشگویانه از جمله این روش‌ها می‌باشد. بعلاوه در سال‌های اخیر مبدل‌های ماتریسی به دلیل مزایایی نظیر عدم وجود خازن، شکل موج ورودی و خروجی سینوسی و قابلیت کنترل توان راکتیو به عنوان جایگزین مناسبی برای اینورترهای منبع ولتاژ مطرح شده‌اند.هدف این پایان‌نامه ارائه روشی برای کنترل پیشگویانه گشتاور، شار و توان راکتیو ورودی موتور سنکرون مغناطیس دائم شار محوری با استفاده از مبدل ماتریسی می‌باشد. برخلاف روش معمول کنترل مستقیم گشتاور موتورهای مغناطیس دائم که فقط از 18 بردار ولتاژ غیر صفر مبدل ماتریسی که دارای جهت ثابتی می‌باشند برای کنترل ماشین استفاده می‌‌شود، در روش پیشگویانه از تمامی 27 بردار ولتاژ مبدل ماتریسی که شامل بردارهای ولتاژ صفر، بردارهای ولتاژ گردان و بردارهای ولتاژ با جهت ثابت می‌باشد، برای کنترل ماشین استفاده می‌گردد که این امر به افزایش سرعت پاسخ گشتاور، کاهش ریپل شار و گشتاور و کاهش توان راکتیو ورودی منجر خواهد شد. در این پایان‌نامه در فصل اول و سوم به معرفی AFPM و مبدل ماتریسی می‌پردازیم و روابط حاکم بر آن‌ها را بیان می‌کنیم. در فصل دوم برخی روش‌های که تا کنون برای کنترل این نوع موتورها ارائه شده است را مورد بررسی قرار می‌دهیم. در فصل چهارم نیز روش کنترل پیشگویانه پیشنهادی بیان شده و الگوریتم لازم برای پیاده سازی این روش ارائه می‌گردد. نتایج حاصل از شبیه سازی با نرم افزار MATLAB 2010 که عملکرد مطلوب این روش را نشان می‌دهد نیز در فصل پنجم ارائه شده است.

فصل اول: معرفی موتورهای سنکرون مغناطیس دائم شار محوری، روابط و پارامتر¬ها 
مقدمه 2 
1-1. موترهای سنکرون مغناطیس دائم 2 
1-1-1. مقایسه موتورهای PM با سایر موتورها 2 
1-1-1-1. مقایسه موتورهای PM با موتورهای DC معمولی 5 
1-1-1-2. مقایسه موتورهای PM با موتورهای القایی 5 
1-2. کاربردهای موتورهای PM 6 
1-3. موتورهای مغناطیس دائم شار محوری 7 
1-3-1. آرایش استاتور‌ـ روتور 8 
1-3-1-1. ساختار یک وجهی 8 
1-3-1-1. ساختار دو وجهی 9 
1-3-1-1. ساختار چند وجهی 10 
1-3-2. روش‌های ساخت (ایجاد) مغناطیس دائم 10 
1-3-2-1. آهنربای دائم نصب شده روی سطح (SPMSM) 10 
1-3-2-2. نوع آهنربای دائم داخلی یا دفن شده (IPMSM) 11 
1-3-3. مزایا و معایب 11 
1-3-4. کاربرد موتورهای شار محوری و ویژگیهای آن 13 
1-4. مدل دینامیکی AFPM 13 
1-4-1. معادلات ولتاژ و جریان در AFPM 14 
1-4-2. معادله گشتاور 16 
1-4-3. مدل ساده شده AFPM 17 
فصل دوم: روش¬های کنترل موتورهای سنکرون مغناطیس دائم 
مقدمه 20 
2-1. روش¬های حلقه باز 20 
2-1-1. روش ولت/هرتز 20 
2-2. روش¬های حلقه بسته 22 
2-2-1. کنترل برداری (کنترل با جهت یابی شار FOC) 22 
2-2-1-1. کنترل پیشگویانه جریان (PCC) 25 
2-2-2. کنترل مستقیم گشتاور 26 
2-2-2-1. استفاده از مقایسه کننده¬های هیسترزیس 26 
2-2-2-2. کنترل مستقیم گشتاور به روش مدولاسیون فضای بردار (SVM) 30 
2-2-2-3. کنترل پیشگویانه مستقیم گشتاور (DPTC) 31 

فصل سوم: مبدل¬های ماتریسی 
مقدمه 34 
3-1. توپولوژی مبدل¬های ماتریسی 34 
3-2. عملکرد مبدل ماتریسی 36 
3-2-1. ولتاژ خروجی 36 
3-2-2. جریان ورودی 37 
3-2-3. کنترل ضریب توان ورودی 38 

فصل چهارم: روش پیشنهادی مبتنی بر کنترل پیشگویانه گشتاور و توان رکتیو با استفاده از مبدل ماتریسی 
مقدمه 41 
4-1. مدار قدرت 43 
4-2. کنترل پیشگویانه گشتاور با استفاده از مبدل ماتریسی 47 
4-2-1. تابع کیفیت 47 
4-2-2. مدل استفاده شده در روش پیشگویانه 49 
4-2-2-1. مدلسازی مبدل ماتریسی 49 
4-2-2-2. مدلسازی بار (موتور مغناطیس دائم) 50 
4-2-2-3. مدلسازی فیلتر ورودی 55 
4-2-3. زمان¬بندی محاسبات و الگوریتم سوئیچ¬زنی 56 

فصل پنجم: شبیه¬سازی چند موتور نمونه 
مقدمه 60 
5-1. نتایج شبیه¬سازی در حالت ماندگار 61 
5-2. نتایج شبیه¬سازی در حالت دینامیکی 65 
5-3. مقایسه با روش¬های ارائه شده در مقالات معتبر 71 
5-3-1. نمونه اول 71 
5-3-2. نمونه دوم 74 

فصل ششم: نتیجه¬گیری و ارائه پیشنهادات 
6-1. نتیجه گیری 77 
6-2. ارائه پیشنهادات 79 

مراجع 80 


 

تحلیل خطای ناهم محوری در ماشین های شارمحوری آهنربای دائم

چکیده

اولین موتورهایی که به دست بشر ساخته شدند موتورهای شار محوری بوده‌اند که به دلیل مشکلاتی که در ساخت آن‌ها وجود داشت ماشین‌های شارشعاعی به زودی جایگزین آن‌ها شدند. آنچه امروزه سبب مورد توجه قرار گرفتن دوباره این ماشین‌ها شده ویژگی‌های خاص آن‌ها از قبیل چگالی گشتاور و توان بالا، بازده بالا و شکل فیزیکی مناسب است که آن‌ها را برای کاربردهای مختلفی مثل ژنراتورهای پرسرعت و کم سرعت، نیروگاه‌های بادی، موتورهای مینیاتوری و …. مناسب می‌سازد. در میان ماشین‌های شار محوری، نوع مغناطیس دائم آن‌ها به دلیل ساختار بدون جاروبک و هم‌چنین حذف سیم‌پیچ تحریک از اهمیت بسزایی برخوردار است.خطاهای مکانیکی که حدود 60% خطاهای ماشین‌های الکتریکی را تشکیل می‌دهند سبب ایجاد لرزش و سروصدا در موتور، خرابی بلبرینگ‌ها و در نتیجه کاهش طول عمر ماشین می‌شوند. در این میان ناهم‌محوری که حدود 80% خطاهای مکانیکی ماشین ناشی از آن می‌باشد از اهمیت ویژه‌ای برای بررسی و مطالعه برخوردار است. این خطا در همه ابعاد آن و برای انواع مختلف ماشین‌های شارشعاعی مورد بررسی قرارگرفته‌است ولی در زمینه ماشین‌های شار محوری اطلاعات چندانی در این زمینه وجود ندارد. از آن‌جا که در ماشین‌های شارمحوری نسبت D/L زیاد می‌باشد کوچکترین انحرافی در محور دوران رتور سبب بروز درصد بزرگی از ناهم‌محوری در این ماشین‌ها می‌شود. ناهم‌محوری مشخصه‌های خروجی ماشین از جمله چگالی شار و ولتاژ القایی را تحت تأثیر قرار داده وسبب به وجود آمدن نیروها وگشتاورهای نامطلوب در ماشین می‌شود. از این رو بررسی خطای ناهم-محوری در این ماشین‌ها اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند. در این پروژه نوع خاصی از این ماشین‌ها که یک ساختار مغناطیس دائم دو استاتوره-یک رتوره می‌باشد برای بررسی خطای ناهم‌محوری انتخاب شده‌است و با توجه به دقت روش اجزاء محدود برای حل معادلات الکترومغناطیسی و نیز سه بعدی بودن ماشین‌های شار محوری از روش اجزاء محدود سه بعدی برای تحلیل ماشین مورد مطالعه استفاده شده‌است.

 

 

طراحی بهینه و ارزیابی دو موتور مغناطیس دائم و هیسترزیس شار محور توان پایین استاتور درونی

چکیده

در سالهای اخیر ماشین‌های شار محوری به طور گسترده مورد توجه محققان و صنعتگران قرار گرفته‌اند با توجه به شکل ساده، ساختار به هم فشرده، چگالی توان و گشتاور بالا، قابلیت اطمینان و نیز بازده قابل توجه ، این ماشین‌ها به طور عمده برای ژنراتورهای توربین‌های بادی، خودروهای برقی، سانتریفیوژها، پمپ‌ها، سیستمهای کنترل سرعت و سرورهای با گشتاور کم و صنایع پتروشیمی مورد استفاده قرار می‌گیرندهدف پایان نامه طراحی بهینه و ارزیابی دو موتور مغناطیس دائم و هیسترزیس شار محور استاتور درونی 10 کیلو وات است برای این منظور ابتدا انواع ساختار ماشین‌های شار محوری بیان گردید سپس بین آن‌ها مقایسه انجام گرفت و ساختار استاتور شیاردار با سیم‌پیچی متحدالمرکز انتخاب گردید برای بهینه سازی از الگوریتم اجتماع ذرات استفاده شد تابع هدف کاهش تلفات و افزایش گشتاور خروجی در نظر گرفته شد شبیه‌سازی براساس ابعاد بدست آمده از الگوریتم بهینه سازی، در نرم‌افزار مکسول که مبتنی بر روش اجزاء المان محدود است، انجام شد در پایان نتایج حاصله مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت

فصل 1: مقدمه 1 
-1- مقدمه 2 1 
3 AFPM -2- تاریخچه و گسترش ماشینهای 1 
-3- مقایسه ماشینهای شار محوری با ماشینهای شار شعاعی آهنربای دائم 5 1 
-4- انواع ماشینهای شار محوری آهنربای دائم 7 1 
با تحریک جریان موج سینوسی و موج مربعی 9 AFPM -5- مقایسه ماشینهای 1 
-1-5- انتخاب سیستم تحریک 10 1 
11 AFPM -6- برخی از ویژگیهای مشترک ماشین های 1 
فصل 2: بررسی انواع توپولوژیهای ماشین شار محوری آهنربای دائم 13 
-1- مقدمه 14 2 
-2- انواع توپولوژیهای ماشینهای شار محوری آهنربای دائم 14 2 
یک وجهی 15 AFPM -3- ماشینهای 2 
-1-3-2 تکنیکهای اتصال آهنرباهای دائم به روتور 16 
دو وجهی 18 AFPM -4- ماشینهای 2 
-1-4-2 انواع توپولوژیهای آرایش دو وجهی 18 
19 TORUS -1-1-4-2 ماشینهای نوع 
19 TORUS-NS 1-1-1-4-2 – ماشین نوع 
ب 
22 TORUS-S 2-1-1-4-2 – ماشین نوع 
22 NN نوع TORUS-S -1-2- ماشین 1-1-4-2 
24 NS نوع TORUS-S -2-2- ماشین 1-1-4-2 
بدون هسته 26 NS نوع TORUS -3- ماشین 1-1-4- 2 
27 AFIR 2-1-4- – ماشینهای نوع 2 
27 AFIR-NS 1-2-1-4-2 – ماشین نوع 
30 AFIR-S 2-2-1-4-2 – ماشین نوع 
-5- ماشین های چند لایه (چند دیسکی) 34 2 
35 (MULTI-NS) -1- ماشین شار محوری چند لایه بدون شیار 5-2 
36 (MULTI-S) -2- ماشین چند لایه شیاردار 5-2 
37 (NN نوع MULTI-S) NN 1-2-5- – ماشین چند لایه شیاردار نوع 2 
37 (NS نوع MULTI-S) NS 2-2-5- – ماشین چند لایه شیاردار نوع 2 
-3- ماشین شار محوری چند لایه با استاتور بدون هسته 38 5-2 
-6- انواع دیگر ماشین شار محوری آهن ربای دائم 39 2 
-7- انتخاب ساختار ماشین مناسب برای محرک زیردریایی 45 2 
-1- مقایسه برخی پارامترهای انواع ماشینهای شار شعاعی و شار محوری 46 7-2 
فصل 3: الگوریتم طراحی اولیه ماشین شار محوری آهنربای دائم 51 
-1- مقدمه 52 3 
-2- معادله ابعادی ماشین 52 3 
-3- چگالی شار فاصله هوایی 63 3

 

مدل‌سازی موتور مغناطیس دائم شارمحور با استفاده از روش المان محدود و بررسی اثر پارامترهای اصلی طراحی روی عملکرد آن

داشتن گشتاور بالا با کمترین ریپل و راندمان بالا با کمترین تلفات از جمله شاخص‌های مهم در طراحی ماشین‌های شار محوری(AFPM) می باشند. عوامل موثر در کنترل این شاخص‌ها فاصله‌ هوایی وساختار استاتور روتور ویا نحوه‌ جایگذاری قطعات مغناطیس دائم می‌باشند. با بررسی هر یک از این عوامل درطراحی ماشین می‌توان به میزان تاثیرگذاری آنها در بهبود شاخص‌ها پی برد. از جمله شاخص‌های مطرح در این ماشین‌ها کیفیت گشتاور است. افزایش این شاخص همراه با کاهش در ریپل آن از جمله موارد مورد علاقه در مقالات است.ریپل موجود در ماشین‌های شارمحور می‌تواند ناشی قسمت‌های کنترلی ماشین یعنی مربوط به سویچ زنی و هارمونیک‌های تولید شده در نیروی محرکه القایی و یا درجریان‌های القا شده باشد. همچنین یکی دیگر از عوامل ایجاد ریپل می‌تواند ناشی از ساختار ماشین باشد که از جمله مهمترین آنها گشتاور اثر دندانه است. این گشتاور ناشی از عمل و عکس‌العمل مغناطیس دائم‌ها و شیار‌های موجود در استاتور است. از جمله پارامترهای تاثیر‌گذار در گشتاور اثر دندانه شکل و نحوه‌ قرار گرفتن مغناطیس دائم‌ها روی روتور و همچنین شکل شیارهای استاتور است. در این پژوهش سعی در بررسی عوامل تاثیر‌گذار در گشتاور اثر دندانه در ماشین‌های شار محور شده است.

چکیده iv 
فهرست شکل ها viii 
فهرست جدول ها ix 
فصل اول 
مقدمه 
بررسی منابع 2 
فصل دوم 
ماشین شارمحور مغناطیس دائم 
2-1- مقدمه 7 
2-2- تاریخچه 7 
2-3- انواع ماشین های شارمحور 8 
2-4-توپولوژی 10 
2-5- مقایسه ماشین های شارمحور با ماشین های شارشعاعی 14 
2-6- ماشین یکطرفه 16 
2-7- ماشین دوطرفه با روتور داخلی 16 
2-8- ماشین دوطرفه با استاتور داخلی 17 
2-9- ماشین دوطرفه با استاتور داخلی شیاردار 18 
2-10- ماشین دوطرفه با استاتور داخلی بدون هسته 18 
2-11- ماشین  چند سطحه 19 
2-12- سیم پیچ ها 19 
2-12-1- سیم پیچی سه فاز پخش شده در شیارها 19 
2-12-2- سیم پیچی Toroidal 21 
2-12-3- سیم پیچی استاتور بدون هسته 22 
2-12-4- سیم پیچی متمرکز-غیر رویهم 23 
2-13- تولید گشتاور 24 
2-14- فلوی مغناطیسی 24 
2-15- گشتاور الکترومغناطیسی و نیرومحرکه گشتاور 25 
2-16- تلفات و راندمان 26 
2-16-1- تلفات سیم پیچ استاتور 26 
2-16-2- تلفات هسته استاتور 27 
2-16-3- تلفات در مغناطیس دائم 28 
2-16-4- تلفات هسته روتور 29 
2-16-5- تلفات جریان گردابی در هادی های استاتور 30 
2-16-6- تلفات چرخشی 31 
2-17- راندمان 32 
2-18- موتور شارمحور مغناطیس دائم 32 
2-18-1- موتور با شکل موج سینوسی 32 
2-18-2- موتور با شکل موج مربعی 33 
فصل سوم 
روش المان محدود 
3-1- مقدمه 37 
3-2- روش المان محدود 38 
3-3- بدست آوردن معادلات فیزیکی 39 
3-4- مثلث مرتبه اول 39 
3-5- کاربرد روش وزنی باقیمانده 41 
3-6- کاربرد روش المان محدود و حل آن 43 
3-7- شرایط مرزی 45 
3-7-1- شرایط مرزی دیریکله-پتانسیل تحمیلی 45 
3-7-2- شرایط مرزی نیومن- با نودها با مقادیر نامعلوم 46 
3-8- روش المان محدود در حالت کلی 46 
3-9- المان محدود با درجه بالا 47 
3-10 نرم افزار المان محدود 48 
فصل چهارم 
بکار بردن روش المان محدود در بررسی کیفیت گشتاور 
4-1- ریپل گشتاور 52 
4-2- تغییر ساختار شیار در استاتور 58 
4-2-1- مورب کردن شیارهای استاتور 58 
4-2-2 استفاده از گوه مغناطیسی 60 
4-3- تغییر در ساختار روتور 61 
4-3-1- تغییر نسبت قوس قطب به گام قطب 61 
4-3-2- روش مورب کردن معمول 64 
4-3-3- روش مثلثی 67 
4-3-4- روش موازی کردن 67 
4-3-5- روش ذوزنقه ای 70 
4-3-6- روش دایره ای 72 
4-3-7- روش مورب کردن دوطرفه 75 
فصل پنجم 
نتیجه گیری و پیشنهادات 
5-1- خلاصه 79 
5-2- نتیجه گیری 79 
5-3- پیشنهادات 81 
مراجع 82 
چکیده انگلیسی 84 


 

طراحی بهینه و آنالیز یک ژنراتور سنکرون سه فاز بادی شار محوری با آهنربای دائم به روش اجزای محدود سه بعدی

چکیده

امروزه از بین ساختارهای مختلف ژنراتورهای الکتریکی آهنربای دائم، ژنراتورهای شار محوری به دلیل راندمان بالا در توربین های بادی مورد استفاده قرار می گیرند. اخیرا” توربین های بادی با درایو مستقیم و بدون گیربکس جایگزین توربین های بادی مرسوم شده اند. این نوع توربین ها در مقایسه با توربین های بادی مرسوم دارای مزایایی شامل کاهش تلفات چرخ دنده ها، کاهش نویز و افزایش راندمان می باشند.ژنراتور مورد استفاده در توربین های بادی درایو مستقیم باید دارای ساختار مناسب، سرعت کم، چگالی توان و گشتاور بالا، قابلیت اطمینان و بازده بالا باشد. با مقایسه های انجام شده بین ماشین های شار محوری و شار شعاعی چنین بر می آید که ماشین های شار محوری جهت استفاده در توربین های بادی با درایو مستقیم مناسب ترند. در این پایان نامه ژنراتور شار محوری مغناطیس دائم سینوسی با ساختار دو وجهی شیار دار استاتور میانی جهت کاربرد در توربین های بادی درایو مستقیم انتخاب گردید.از روش الگوریتم بهینه سازی انبوه ذرات (PSO) جهت بهینه سازی راندمان ماشین و کمینه نمودن میزان تلفات استفاده شد. با توجه به نتایج بهینه سازی ساختار 18 شیار، 12 قطب انتخاب گردید.در ادامه ژنراتور بهینه شده به روش الگوریتم بهینه سازی انبوه ذرات (PSO) با استفاده از روش اجزای محدود سه بعدی مدلسازی شده و مورد ارزیابی قرار گرفت.

عنوان صفحه 
فهرست جدول‌ها ‌ه 
فهرست شکل‌‌ها ‌و 
فهرست علایم و نشانه‌ها ‌ط 
فصل 1- مقدمه…….. 1 
1-1- تعریف مساله 1 
1-2- توربین بادی درایو مستقیم 4 
1-3- مزایا و معایب توربین بادی درایو مستقیم 5 
1-4- انواع ژنراتورهای سنکرون مورد استفاده در توربین های بادی درایو مستقیم 6 
1-5- ساختار پایان نامه 7 
فصل 2- معرفی ماشین های شار محوری آهنربای دائم (AFPM) و روابط حاکم بر آن 9 
2-1- معرفی ماشین شار محوری 9 
2-2- انواع ماشین های شار محوری آهنربای دائم (AFPM) 12 
2-2-1- آرایش استاتور- روتور 12 
2-2-1-1- ساختار تک وجهی… 12 
2-2-1-2- ساختار دو وجهی….. 12 
2-2-1-3- ساختار چند وجهی. 13 
2-2-2- روش های ساخت (ایجاد) آهنربا دائم 14 
2-2-2-1- آهنربای دائم نصب شده روی سطح 14 
2-2-2-2- آهنربای دائم داخلی یا دفن شده 14 
2-2-3- شیار در استاتور. 14 
2-2-3-1- استاتور بدون شیار… 14 
2-2-3-2- استاتور شیاردار…….. 15 
2-2-4- وجود هسته…….. 16 
2-2-4-1- هسته آهنی…………… 16 
2-2-4-2- بدون هسته استاتور. 16 
2-2-4-3- بدون هسته استاتور و روتور 17 
2-2-5- انواع مواد مصرفی در هسته و آهنربای دائم 17 
2-2-5-1- جنس هسته ]1-36[ 17 
2-2-5-2- جنس مواد مغناطیسی آهنربای دائم 18 
2-3- مقایسه و انتخاب ساختار مناسب ژنراتور شار محوری 18 
2-3-1- مقایسه حجم…… 19 
2-3-2- مقایسه وزن فولاد 19 
2-3-3- مقایسه وزن مس مصرفی 19 
2-3-4- مقایسه وزن آهنربای مصرفی 19 
2-3-5- مقایسه تلفات مسی 19 
2-3-6- مقایسه تلفات آهنی 19 
2-3-7- مقایسه آرایش ساختار شیاردار و بدون شیار 20 
2-4- مقایسه ماشین های شار محوری و شار شعاعی 21 
2-4-1- تفاوت های ساختاری 21 
2-4-2- مقایسه چگالی گشتاور 22 
2-4-3- مزایا و معایب ژنراتور شار محوری 25 
2-5- روابط حاکم بر ماشین AFPM 26 
2-5-1- گشتاور الکترومغناطیسی 27 
2-5-2- توان خروجی و نیروی محرکه القایی(EMF) 31 
2-6- جمع بندی 32 
فصل 3- طراحی اجزای ژنراتور شار محوری دو وجهی شیاردار 33 
3-1- نیروی محرکه القایی 33 
3-1-1- ضریب سیم پیچی 33 
3-1-2- مولفه مرتبه nام هارمونیک شار مغناطیسی 34 
3-2- رآکتانس سنکرون 35 
3-2-1- رآکتانس عکس العمل آرمیچر 36 
3-3- طراحی اجزای ژنراتور 37 
3-3-1- رابطه توان و حجم 37 
3-3-2- طول محوری، ضخامت طول استاتور و روتور 41 
3-3-3- طراحی شیار……. 46 
3-3-4- طراحی سیم پیچی 48 
3-4- روند طراحی 53 
3-5- جمع بندی 54 
فصل 4- طراحی بهینه ژنراتور شار محوری دو وجهی شیاردار 55 
4-1- بهینه سازی 55 
4-2- الگوریتم بهینه سازی انبوه ذرات (PSO) 56 
4-2-1- الگوریتم PSO الهام گرفته از طبیعت 56 
4-2-2- تاریخچه الگوریتم PSO 59 
4-2-3- پارامترهای PSO 63 
4-3- انتخاب روش بهینه سازی مناسب 65 
4-4- تابع هدف. 66 
4-4-1- بهینه سازی راندمان 67 
4-4-2- انتخاب ذرات در فضای جستجو 68 
4-4-3- تعیین محدودیت های بهینه سازی ژنراتور شار محوری 68 
4-5- فرآیند بهینه سازی 71 
4-6- نتایج حاصل از بهینه سازی 71 
4-7- جمع بندی 78 
فصل 5- مدلسازی ژنراتور بهینه با استفاده از روش اجزای محدود 79 
5-1- معرفی روش اجزای محدود 79 
5-2- مراحل اجرای روش اجزای محدود 80 
5-2-1- تقسیم بندی ناحیه 80 
5-2-2- فرمول بندی مساله جهت حل مساله میدان 81 
5-3- تئوری مغناطیسی ژنراتور AFPM 82 
5-4- مقایسه روش اجزای محدود ماشین های شار محوری و شار شعاعی 84 
5-4-1- تحلیل ریاضی میدان مغناطیسی چرخشی]50[ 84 
5-4-2- تحلیل دو بعدی یا سه بعدی 87 
5-5- نتایج شبیه سازی به روش اجزای محدود 87 
5-6- جمع بندی 95 
فصل 6- نتیجه گیری 97 
6-1- نتایج 97 
6-2- پیشنهادات در ادامه کار 98 
ضمیمه ‌أ – تعداد شیارها و توزیع سیم پیچ ها 99 
فهرست مراجع 101 


 

محاسبه تلفات و توزیع دمای ماشین شار محوری آهنربای دائم (AFPM)

چکیده

بالا رفتن بیش از حد دمای موتور به دلایل بسیاری مضر است، از جمله کاهش شار مواد مغناطیس دائم کمیاب با افزایش دما و یا کاهش عمر موتور با افزایش دمای عایق سیم‌پیچ‌ها؛ بنابراین در طراحی ماشین‌های الکتریکی آنالیز حرارتی و همچنین خنک‌سازی ماشین، جایگاه ویژه-ای دارد. در حالی که در زمینه تحلیل حرارتی ماشین‌های الکتریکی شار شعاعی تحقیقات وسیعی صورت گرفته، به ماشین‌های شار محوری خصوصاً ماشین‌های شار محوری آهنربای دائم توجه کمی شده است. آنالیز حرارتی دقیق ماشین‌های شار محوری آهنربای دائم در بهینه کردن طراحی بسیار موثر می‌باشد. در این پایان نامه ابتدا به صورت اجمالی به معرفی ماشین شار محوری آهنربای دائم و انواع توپولوژی‌های این ماشین پرداخته شده است. سپس بر اساس طراحی انجام گرفته برای یک توپولوژی خاص از این ماشین، تلفات به روش تحلیلی و روش المان محدود محاسبه شده است. بر اساس تلفات و توزیع تلفاتی بدست آمده، با استفاده از دو روش پارامتر فشرده و همچنین روش المان محدود دمای ماشین در حالت دائم و بار کامل محاسبه گردیده و مورد مقایسه قرار گرفته است. در پایان بر اساس دمای بالای ماشین در حالت دائم سیستم خنک ساز مناسب برای ماشین طراحی و دما پس از خنک سازی با روش المان محدود ارائه شده است.

فصل 1 1 
1 مقدمه 1 
1-1 مقدمه 2 
1-2 پیکربندی پایان‏نامه 6 
1-3 معرفی تاریخچه ماشین‌های شار محوری آهنربای دائم 6 
1-4 انواع توپولوژی‌های مختلف موجود در ماشین‌های AFPM 7 
فصل 2 9 
2 مشخصات ابعادی ماشین شار محوری آهن ربای دائم مورد مطالعه 9 
2-1 مقدمه 10 
2-2 معرفی ماشین شار محوری آهنربای دائم نوع TORUS-NS 11 
2-3 مشخصات ماشین شار محوری آهنربای دائم TORUS-NS طراحی شده 14 
فصل3 18 
3 محاسبه تلفات ماشین AFPM طراحی شده به دو روش تحلیلی و آنالیز المان محدود 18 
3-1 مقدمه 19 
3-2 مشخصات مواد به کار رفته در اجزاء ماشین AFPM طراحی شده 21 
3-3 محاسبه تحلیلی تلفات ماشین AFPM 24 
3-3-1 محاسبات مربوط به تلفات مسی و مقاومت فاز در ماشین‌های AFPM 24 
3-3-2 تلفات هسته استاتور 27 
3-3-3 تلفات هسته روتور 29 
3-3-4 تلفات جریان ادی در مغناطیس دائم 30 
3-3-5 تلفات چرخشی 31 
3-4 محاسبه تلفات ماشین AFPM طراحی شده توسط نرم افزار مبتنی بر المان محدود 39 
3-4-1 حالت بی باری 41 
3-4-2 حالت بار کامل 49 
3-5 نتیجه حاصل از تلفات محاسبه شده 56 
فصل 4 57 
4 محاسبه توزیع دمای ماشین AFPM طراحی شده 57 
4-1 مقدمه 58 
4-2 روش‌های انتقال حرارت 58 
4-2-1 هدایت 58 
4-2-2 تابش 59 
4-2-3 همرفت 60 
4-3 انتقال حرارت همرفتی در سیستم‌های دیسکی 61 
4-3-1 دیسک چرخشی آزاد 63 
4-3-2 لبه شعاع خارجی روتور 64 
4-3-3 سیستم روتور- استاتور 65 
4-3-4 محاسبه ضرایب انتقال حرارت همرفتی در ماشین AFPM طراحی شده 69 
4-4 تعیین دمای حالت دائم به کمک مدل پارامتر فشرده 73 
4-5 تعیین توزیع دمای حالت دائم در ماشین AFPM طراحی شده به کمک آنالیز المان محدود 77 
4-6 نتیجه گیری 86 
فصل 5 87 
5 طراحی سیستم خنک ساز و محاسبه توزیع دما پس از خنک سازی به روش آنالیز المان محدود 87 
5-1 مقدمه 88 
5-2 ماشین‌های AFPM با تهویه خودین 89 
5-3 ماشین‌های AFPM با تهویه خارجی 90 
5-3-1 فن‌های خارجی 90 
5-3-2 لوله های انتقال حرارت 91 
5-3-3 خنک سازی مستقیم با آب 93 
5-4 سیستم خنک ساز طراحی شده 94 
5-5 اعمال سیستم خنک ساز طراحی شده و محاسبه توزیع دما در حالت دائم بعد از خنک سازی به روش آنالیز المان محدود 97 
5-6 نتیجه گیری 101 
فصل 6 102 
6 نتیجه گیری و پیشنهادات 102 
مراجع 105 


 

طراحی و مدلسازی ماشین های مغناطیس دائم شار محوری سرعت بالا PMSM

چکیده

با پیشرفت ساخت مواد مغناطیس دائم و الکترونیک قدرت امکان ساخت ماشین‌هایی با سرعت بالا فراهم شده است. امروزه بیشتر ماشین‌ها، مغناطیس دائم هستند یک نوع از ماشین‌های مغناطیس دائم، ماشین‌های آهنربادائم شارمحوری سرعت بالا PMSM هستند که در سال‌های اخیر به دلیل خصوصیت ذاتی این ماشین‌ها استفاده از آن‌ها بسیار مورد استقبال قرار گرفته است که از آن جمله می‌توان به بکارگیری آن‌ها به عنوان مولد قدرت راکتیو برای بالا بردن ضریب قدرت خط، تجهیزات آزمایشگاهی، سانتیریفیوژها، صنایع پتروشیمی و نیز کاربردهای صنعتی نظیر محرک فن‌ها، پمپ‌ها و کمپرسورها، اشاره کرد. در این پایان‌نامه به بررسی یک روش جدید وسیله-ی الکترومغناطیسی ماشین سنکرون دائم با ساختار مرکب پرداخته می‌شود و در ادامه با به کارگیری منطق فازی و لحاظ کردن ضخامت آهنربا و فاصله هوایی به عنوان پارامترهای ورودی منطق فازی سعی می‌شود شار پیوندی بهینه گردد و برای رسیدن به بهترین نتیجه ممکن با دقت بالا از غیرفازی‌ساز مرکزی و تکنیک استنتاج فازی ممدانی استفاده می‌شود. در ادامه سه ماشین با طول فاصله هوایی اورجینال متفاوت با یکدیگر مقایسه می‌شوند و اثر شار پیوندی، گشتاور، میانگین گشتاور و نیروی الکترومغناطیس استاتور بر روی فاصله هوایی بررسی می‌شود و مشاهده می‌شود هنگامی که فاصله هوایی سه ماشین افزایش می‌یابد کاهش نسبت نیروی مغناطیسی تقریباً یکسان است و نیز مشاهده می‌شود که، هنگامی که شار پیوندی کاهش می‌یابد، هر سه ماشین مشابه یکدیگر هستند و کاهش طول فاصله هوایی ماشین با فاصله هوایی اورجینال بزرگتر، بیشتر است. و نیز تغییر در نشتی چگالی، گشتاور و نیروی مغناطیسی یکسان هستند همچنین هنگامی که فاصله هوایی ماشین‌ها با طول فاصله‌های هوایی مختلف، با نسبت یکسان افزایش می‌یابد، نسبت نشتی چگالی، گشتاورها و نیروهای مغناطیسی تقریباً به طور یکسان کاهش می‌یابد لازم به ذکر است که برای به دست آوردن نتایج از محیطMATLAB و 3D Fem استفاده می‌شود.

صفحه

فصل اول : مقدمه 
۱-۱- مقدمه ۲
۱-۲- ویژگی‌های ماشین‌های شار محوری AFPM ۳
۱-۲-۱- کاربرد این ماشین ۳
۱-۲-۲- مزایا ۳
۱-۲-۳- معایب ۳
۱-۳- انواع ماشین AFPM ۴
۱-۳-۱- آرایش استاتور ـ روتور ۴
۱-۳-۱-۱- ساختار یک وجهی ۴
۱-۳-۱-۲- ساختار دووجهی ۴
۱-۳-۱-۳- ساختار چندوجهی ۴
۱-۳-۲- روش‌های ساخت آهنربای دائم ۴
۱-۳-۲-۱- آهنربای دائم نصب شده روی سطح ۴
۱-۳-۲-۲- نوع آهنربای دائم داخلی یا دفن شده ۵
۱-۳-۳- شیار در استاتور ۵
۱-۳-۳-۱- استاتور بدون شیار ۵
۱-۳-۳-۲- استاتور شیاردار ۵
۱-۳-۴- متغیرهای طراحی ۵
۱-۴- تمرکز موضوعی ۶
۱-۴-۱- استاتور ۷
۱-۴-۲- سیم‌پیچ استاتور ۸
۱-۴-۳- فاصله هوایی ۸
۱-۴-۴- روتور ۸
۱-۴-۵- یوغ ۸
۱-۴-۶- شفت ۹
۱-۴-۷- بدنه موتور ۹
۱-۴-۸-۱- مزایای موتور سنکرون مغناطیسی دائم ۹
۱-۴-۸-۲- معایب موتور سنکرون مغناطیس دائم ۹
۱-۴-۸-۳- کاربردهای موتور سنکرون مغناطیس دائم ۹
۱-۵- بیان مسئله ۱۰
۱-۶- ساختار پایان‌نامه ۱۰
فصل دوم : معرفی ماشین‌های PMSM و مرور کارهای پیشین 
۲-۱- مقدمه ۱۳
۲-۲- آشنایی با موتور سنکرون مغناطیس دائم ۱۴
۲-۲-۱- ساختمان موتور سنکرون مغناطیس دائم ۱۷
۲-۳- آهنرباهای دائم ۱۸
۲-۴- ژنراتورهای سنکرون ۱۹
۲-۴-۱- تلفات ۱۹
۲-۴-۲- بازده و حجم کل ژنراتور ۲۰
۲-۴-۳- مراحل طراحی و آنالیز محاسباتی ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم ۲۰
۲-۴-۴- بهینه‌سازی ۲۱
۲-۴-۵- اهداف بهینه‌سازی ۲۲
۲-۵- طراحی موتور ۲۲
۲-۵-۱- رابطه توان و حجم ۲۳
۲-۵-۲- قطر بیرونی و داخلی ۲۵
۲-۵-۳- طول محوری، ضخامت یوغ استاتور و روتور ۲۶
۲-۵-۴- محاسبه ضخامت آهنربا ۲۷
۲-۵-۵- طراحی شیار ۳۰
۲-۵-۶- تلفات و هزینه ۳۳
۲-۶- روند طراحی ۳۴
۲-۷- مرور کارهای پیشین ۳۵
۲-۸- نتیجه‌گیری ۳۹

فصل سوم : تشریح منطق فازی و ارایه روش بهینه‌سازی
۳-۱- مقدمه ۴۱
۳-۲- معرفی منطق فازی ۴۱
۳-۳- منطق قطعی، نسبی ۴۲
۳-۴- ایجاد قاعده فازی ۴۲
۳-۵- غیرفازی کردن منطق فازی ۴۲
۳-۶- منطق فازی وابسته به زمان ۴۳
۳-۶-۱- منطق فازی ۴۳
۳-۶-۲- منطق فازی (TFL) ۴۳
۳-۷- غیرفازی کردن منطق فازی موقتی ۴۳
۳-۸- کنترلرهای فازی ۴۴
۳-۹- نحوه تنظیم کنترلرهای فازی ۴۶
۳-۱۰- معادلات ماشین در دستگاه مرجع سه فازه abc ۴۶
۳-۱۱- معادلات ماشین در دستگاه مرجع چرخان ۴۷
۳-۱۲- پارامترهای مهم در طراحی ماشین‌های سنکرون شار محوری مغناطیس دایم ۵۰
۳-۱۲-۱- ضریب پیچش ۵۰
۳-۱۲-۲- راکتانس سنکرون ۵۱
۳-۱۲-۳- پیچش موج سینوسی ۵۱
۳-۱۲-۴- راکتانس عکس‌العمل آرمیچر ۵۱
۳-۱۲-۵- راکتانس شیار موتور ۵۲
۳-۱۳- سیستم HEV ۵۴
۳-۱۴- روش جدید وسیله الکترومغناطیسی ۵۵
۳-۱۵- اساس فیلد ویکینینگ (F-WP) و به کارگیری منطق فازی ۵۷
۳-۱۶- تاثیر بر روی عملکرد الکترومغناطیسی ۵۸
۳-۱۷- بررسی قابلیت فیلد ویکینینگ FW ۶۰
۳-۱۸- نتیجه‌گیری ۶۰

فصل چهارم : بررسی اثر پارامترها و شبیه‌سازی 
۴-۱- مقدمه ۶۲
۴-۱- نتایج تاثیر بر روی عملکرد الکترومغناطیسی ۶۵
۴-۳- نتایج حاصل از بررسی قابلیت فیلد ویکینینگ ۷۱

فصل پنجم : جمع‌بندی، نتیجه‌گیری و پیشنهادها برای کارهای آینده 
۵-۱- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری ۷۴
۵-۱- پیشنهادها برای کارهای آینده ۷۵

منابع ۷۶

 

تشخیص خطای ناهم‌محوری در ماشین شارمحوری آهنربای دائم

چکیده

تاریخچه ماشین‌های الکتریکی نشان می‌دهد که اولین ماشین‌های الکتریکی شارمحوری بوده‌اند، که ماشین‌های دیسکی نیز خوانده می‌شوند. ساختار فشرده و چگالی توان بالا این ماشین‌ها را برای کاربرد در وسایل نقلیه الکتریکی، پمپ، فن، شیر کنترل، سانتریفیوژ، ابزارهای ماشینی، چرخ طیار، ربات‌ها و تجهیزات صنعتی مثل توربین‌های بادی و آبی مناسب ساخته است. استاتور این ماشین‌ها نیز می‌توانند ساختارهای متفاوتی از جمله ساختار با هسته فرومغناطیسی یا بدون هسته داشته باشند. در ساختار بدون هسته به علت عدم حضور مواد فرومغناطیس، تلفات هسته شامل تلف جریان گردابی و هیسترزیس را نخواهیم داشت. از این رو ماشین شارمحوری آهنربای دائم بدون هسته به علت بازدهی بالا در سیستم‌های تولید پراکنده نیز کاربرد دارد.نامتقارنی ساختاری تاثیر مهمی بر عملکرد و پارامترهای ماشین‌ها بخصوص ماشین‌های شارمحوری دارد. چرا که به علت ساختار ویژه آنها، خطای بسیار اندکی در رتور باعث تغییر بسیار زیادی در طول فاصله‌هوایی خواهد شد.در این پایان نامه سعی بر آن داریم که اثر خطای ناهم‌محوری بر مشخصه‌های ماشین شارمحوری آهنربای دائم دو رتور- تک استاتور با ساختار بدون هسته را با استفاده از نتایج نرم افزار ماکسول و سپس نتایج تست آزمایشگاهی مورد بررسی قرار دهیم. حاصل پژوهش پیش‌رو نشان می‌دهد که خطای ناهم‌محوری تاثیر قابل توجهی بر مشخصات ماشین از جمله چگالی شار فاصله‌هوایی و ولتاژ القایی در سیم‌پیچ‌ها دارد و در صورت تشخیص دیرهنگام می‌تواند آسیب جدی به ماشین وارد آورد.

فصل 1: مقدمه 1 
1-1-تعریف موضوع 2 
1-2- سابقه تحقيقات 3 
1-3- ساختار پایان‌نامه 4 
فصل 2: تشخیص خطا در ماشین‌های الکتریکی 5 
2-1- مقدمه 6 
2-2- مدل‌سازی ماشین با روش اجزاء محدود 8 
2-3- انواع خطاهای ممکن در ماشينهای الکتريکی 11 
2-3-1- خطای خروج از مرکز یا ناهم‌محوری در ماشین‌های شارمحوری 12 
2-4- انواع سيگنالهای مورد مطالعه برای تشخيص خطا 16 
1)سيگنال جريان استاتور 16 
3)سيگنال ولتاژ استاتور 16 
4)سيگنال ارتعاش 17 
5)توان الکتريکی لحظه‌ای 18 
6)سيگنال جريان گردشی بين مسيرهای موازی 18 
7)تحلیل سيگنال شارهای سرگردان 18 
8)انتشار صوت 18 
9)مانيتورينگ دما 19 
2-5- پردازنده مناسب برای تحلیل سیگنال 20 
2-6- نتيجهگيری 29 
فصل 3: مدلسازی و شبیه‌سازی 31 
3-1- مقدمه 32 
3-2- معرفی موتور مورد مطالعه 32 
3-3- مدلسازی ماشین مورد مطالعه در نرم‌افزار ماکسول 38 
3-4- نتایج اولیه حاصل از مدلسازی 42 
3-5- اعتبار‌سنجی مدل 44 
3-6- تاثیر خطای ناهم‌محوری بر روی مشخصه‌های موتور 46 
3-6-2- تاثیر ناهم‌محوری بر چگالی شار فاصله هوایی 50 
3-6-3- تاثیر ناهم‌محوری بر ولتاژ 51 
3-7- معرفی شاخصی برای تشخیص خطا 60 
3-8- نتيجهگيری 64 
فصل 4: نتایج آزمایشگاهی 65 
4-1- مقدمه 66 
4-2- نحوه ایجاد خطا در ماشین مورد بررسی 66 
4-3- بررسی ماشین در حالت سالم 70 
4-4- خطا ی ناهم‌محوری ایستا 71 
4-5- خطای ناهم‌محوری دینامیکی 74 
4-6- خطای ترکیبی 76 
4-7- نتيجه گيری 79 
فصل 5: جمع‌بندي و پيشنهادها 81 
5-1- مقدمه 82 
5-2- پیشنهادات 82 
5-3- نتيجه گيری 83 
مراجع 85 


 

طراحی، مدل‌سازی و بررسی عملکرد موتور چند فاز شار محوری ترکیبی مغناطیس دائم و پسماند

چکیده

موتور سنکرون آهنربای دائمPM نوع تخت به دلیل مزایای برجسته‌ای که دارد، بسیار مورد توجه صنعت قرارگرفته است از جمله این مزایای می‌توان به بازده بالا، چگالی توان بالا، عدم نیاز به جاروبک و ضریب توان بالا اشاره کرد دو عیب اصلی این موتور عدم گشتاور راه‌اندازی در فرکانس خط و نوسانات در سرعت سنکرون می‌باشد از طرف دیگر، موتورهای پسماند بر عکس موتورهای مغناطیس دائم دارای گشتاور یکنواخت از لحظه راه‌اندازی تا سنکرونیزم می‌باشند همچنین، موتور پسماند نقطه سنکرونیزم مشخصی ندارد و این امر باعث بروز نوسانات فرکانس پایین حول سرعت سنکرون می‌شوددر این پایان‌نامه قصد بر این است تا برای برطرف کردن معایب موتور سنکرون PM نوع تخت از ترکیب آن با موتور پسماند استفاده شود موتور حاصل، موتور سنکرون پسماند آهنربای دائم (PMHS ) نامیده می‌شود ساختار جدید ارائه شده در این پایان‌نامه برای این موتور ترکیبی، معایب ساختارهای پیشین را نداشته و دارای ویژگی‌های برتری نسبت به آن‌ها می‌باشد مقایسه نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌های موتور سنکرون PM با موتور PMHS صحت روش پیشنهادی و ساختار ارائه شده را تأیید می‌کند

1: ماشین پسماند و بررسی انواع ساختار¬های آن 1 
1-1: مقدمه 2 
1-2: تاریخچه 3 
1-3: انواع ساختار موتور پسماند 5 
1-3-1: موتور پسماند استوانه‌ای 6 
1-3-2: موتورهای پسماند استوانه‌ای معکوس 7 
1-3-3: موتور پسماند تخت 8 
1-4: پدیده پسماند 10 
1-5: تئوری عملکرد ماشین پسماند 11 
1-6: حلقه‌های جزئی 15 
1-7: روش‌های تقریب حلقه پسماند 16 
2: ماشین آهنربای دائم و بررسی انواع ساختار¬های آن 19 
2-1: مقدمه 20 
2-2: تاریخچه ماشین آهنربای دائم 21 
2-3: معرفی مواد مغناطیسی 21 
2-3-1: منحنی ضد مغناطیسی 24 
2-4: انواع ساختار موتورهای سنکرون 25 
2-4-1: دسته‌بندی براساس مسیر شار 25 
2-4-2: دسته‌بندی براساس نوع روتور 29 
2-5: موتورهای سنکرون بزرگ 31 
3: معرفی موتور سنکرون پسماند آهنربای دائم 33 
3-1: مقدمه 34 
3-2: تاریخچه و مطالعات انجام‌شده 37 
4: طراحی،مدل¬سازی و بررسی عملکرد موتور پسماند آهنربای دائم 43 
4-1: مقدمه 44 
4-2: ساختار موتور PMHS نوع تخت پیشنهادی 46 
4-3: طراحی ماشین سنکرون پسماند آهنربای دائم PMHS 48 
4-4: طراحی موتور PM تک روتور 50 
4-4-1: پارامترهای طراحی 50 
4-4-2: نتایج طراحی موتور PM 55 
4-5: طراحی ماشین پسماند 57 
4-5-1: پارامترهای طراحی ورودی 57 
4-5-2: فرضیات در نظر گرفته‌شده 58 
4-6: مدل تحلیلی ماشین PMHS 61 
4-7: مدل تحلیلی موتور پسماند 61 
4-8: مدار معادل موتور آهنربای دائم PM 63 
4-9: نتایج شبیه‌سازی 66 
5: نتیجه¬گیری و پیشنهادات 69 
5-1: نتیجه‌گیری 70 
5-2: پیشنهادات 71 
مراجع 72 

 

مدلسازی، طراحی و بهینه‌سازی ماشین شار محوری آهنربای دائم (AFPM)

چکیده

در سال‌های اخیر ماشین‌های شار محوری آهن‌ربای دائم به واسطه شکل تخت، ساختار فشرده و چگالی توان بالایی که دارند بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند از جمله کاربردهای این ماشین‌ها می‌توان استفاده در خودروهای الکتریکی، ژنراتورهای کوچک تا متوسط، کاربردهای حمل و نقل زمینی، زمینه‌های فضانوردی، صنایع هواپیمایی، صنایع کاغذ‌سازی، نیروی رانشی کشتی‌ها و زیر‌دریایی‌ها و دیگر محرک‌های صنعتی را نام برد شکل نوع دیسکی منحصر بفرد روتور و استاتور این ماشین‌ها امکان ایجاد طراحی‌های متنوع را فراهم می‌سازد در این پایان‌‌‌نامه ابتدا انواع توپولوژی‌های ماشین‌های شار محوری آهن‌ربای دائم معرفی و بررسی شده‌اند در ادامه مطالعه مقایسه بین توپولوژی‌های مختلف انجام گرفته و سپس توپولوژی‌ مورد نظر جهت کاربرد مورد نیاز انتخاب شده است ابتدا طراحی اولیه ماشین مورد نظر توسط الگوریتم طراحی اولیه انجام و سپس مدلسازی ماشین به روش تحلیل اجزاء محدود صورت گرفته است و نتایج حاصل از شبیه‌سازی ارائه شده‌اند بهینه‌سازی ماشین برای به دست آوردن چگالی توان ماکزیمم به ازای نسبت قطر (λ ) و چگالی شار فاصله هوایی (Bg) انجام گرفته و مقادیر بهینه پارامترها به دست آمده‌اند در پایان یک نمونه ماشین کوچک شار محوری آهن‌ربای دائم ساخته و مورد آزمایش قرار گرفته است

فصل 1 :مقدمه 1 
1-1- مقدمه 2 
1-2- تاریخچه و گسترش ماشین¬های AFPM 3 
1-3- مقایسه ماشین¬های شار محوری با ماشین¬های شار شعاعی آهن¬ربای دائم 5 
1-4- انواع ماشین¬های شار محوری آهن¬ربای دائم 7 
1-5- مقایسه ماشین¬های AFPM با تحریک جریان موج سینوسی و موج مربعی 9 
1-5-1- انتخاب سیستم تحریک 10 
1-6- برخی از ویژگی¬های مشترک ماشین های AFPM 11 

فصل 2: بررسی انواع توپولوژی¬های ماشین¬ شار محوری آهن¬ربای دائم 13 
2-1- مقدمه 14 
2-2- انواع توپولوژی¬های ماشین¬های شار محوری آهن¬ربای دائم 14 
2-3- ماشین¬های AFPM یک وجهی 15 
2-3-1- تکنیک¬های اتصال آهن¬رباهای دائم به روتور 16 
2-4- ماشین¬های AFPM دو وجهی 18 
2-4-1- انواع توپولوژی¬های آرایش دو وجهی 18 
2-4-1-1- ماشین¬های نوع TORUS 19 
2-4-1-1-1- ماشین¬ نوع TORUS-NS 19 
2-4-1-1-2- ماشین نوع TORUS-S 22 
2-4-1-1-2-1- ماشین TORUS-S نوع NN 22 
2-4-1-1-2-2- ماشین TORUS-S نوع NS 24 
2-4-1-1-3- ماشین TORUS نوع NS بدون هسته 26 
2-4-1-2- ماشین¬های نوع AFIR 27 
2-4-1-2-1- ماشین نوع AFIR-NS 27 
2-4-1-2-2- ماشین نوع AFIR-S 30 
2-5- ماشین¬های چند لایه (چند دیسکی) 34 
2-5-1- ماشین شار محوری چند لایه بدون شیار (MULTI-NS) 35 
2-5-2- ماشین چند لایه شیاردار (MULTI-S) 36 
2-5-2-1- ماشین چند لایه شیاردار نوع NN (MULTI-S نوع NN) 37 
2-5-2-2- ماشین چند لایه شیاردار نوع NS (MULTI-S نوع NS) 37 
2-5-3- ماشین شار محوری چند لایه با استاتور بدون هسته 39 
2-6- انواع دیگر ماشین شار محوری آهن¬ربای دائم 39 
2-7- انتخاب ساختار ماشین مناسب برای محرک¬ زیردریایی 45 
2-7-1- مقایسه برخی پارامترهای انواع ماشین¬¬های شار شعاعی و شار محوری 46 

فصل 3: الگوریتم طراحی اولیه ماشین¬ شار محوری آهن¬ربای دائم 51 
3-1- مقدمه 52 
3-2- معادله ابعادی ماشین 52 
3-3- چگالی شار فاصله هوایی 63 
3-4- سیم¬پیچی 64 
3-4-1- تعداد دور سیم پیچی سری هر فاز 65 
3-4-2- مقاومت سیم¬پیچی 65 
3-5- الگوریتم طراحی اولیه 67 
3-6- یک مثال عددی از طراحی اولیه ماشین شار محوری TORUS-NS 70 

فصل 4: مدل¬سازی و شبیه¬سازی ماشین¬ شار محوری آهن¬ربای دائم 76 
4-1- مقدمه 77 
4-2- شبیه¬سازی ماشین TORUS-NS 80 
4-3- تأثیر اندازه طول فاصله هوایی بر روی چگالی شار فاصله هوایی 87 
4-4- طراحی اولیه ماشین نمونه اصلی با استفاده از الگوریتم طراحی اولیه ارائه شده 88 
4-5- محاسبه مقاومت، اندوکتانس¬ها و راکتانس سنکرون ماشین TORUS-NS 98 
4-6- بهینه¬سازی ماشین شار محوری TORUS-NS 99 

فصل 5: طراحی، ساخت و آزمایش یک نمونه ماشین¬ کوچک شار محوری آهن¬ربای دائم 101 
5-1- مقدمه 102 
5-2- جزئیات طرح و نقشه اجزاء ماشین 102 
5-2-1- هسته استاتور102 
5-2-2- سیم¬پیچی¬ استاتور 103 
5-2-3- روتور 105 
5-2-4- شفت(محور) 107 
5-2-5- نگهدارنده¬ها 108 
5-2-6- بلبرینگ 109 
5-2-7- ماشین مونتاژ شده 109 
5-3- آزمایشات 110 
5-3-1- ماشین با یک دیسک روتور 110 
5-3-1-1- حالت مولدی 110 
5-3-1-1-1- مشخصه ولتاژ-جریان ماشین در حالت مولدی 112 
5-3-1-1-2- مشخصه راندمان-توان ماشین در حالت مولدی 112 
5-3-1-1-3- راکتانس سنکرون ماشین در حالت مولدی با یک دیسک روتور 113 
5-3-1-2- حالت موتوری 114 
5-3-1-2-1- مشخصه راندمان-توان ماشین در حالت موتوری 115 
5-3-1-2-2- راکتانس سنکرون ماشین در حالت موتوری با یک دیسک روتور 116 
5-3-2- ماشین با دو دیسک روتور 116 
5-3-2-1- حالت مولدی 117 
5-3-2-1-1- مشخصه ولتاژ-جریان ماشین در حالت مولدی 118 
5-3-2-1-2- مشخصه راندمان-توان ماشین در حالت مولدی 118 
5-3-2-1-3- راکتانس سنکرون ماشین در حالت مولدی با دو دیسک روتور 119 
5-3-2-2- حالت موتوری 119 
5-3-2-2-1- مشخصه راندمان-توان ماشین در حالت موتوری 120 
5-3-2-2-2- راکتانس سنکرون ماشین در حالت موتوری با دو دیسک روتور 120 

فصل 6: نتیجه¬گیری 121 
6-1- مقدمه 122 
6-2- جمع¬بندی و نتیجه¬گیری 122 
6-3- پیشنهادات 123 

مراجع 125 


 

مدلسازی و شبیه‌سازی انواع خطاهای موتور مغناطیس دائم به روش مدار معادل مغناطیسی و محاسبه‌ی نیرو های ناشی از این خطاها

چکیده

در دهه‌ی هشتاد میلادی مواد مغناطیسی قدرتمند با چگالی انرژی بالا برای استفاده در ماشین‌های الکتریکی سنکرون معرفی شدند با کشف این مواد و استفاده از آنها در ماشین‌های الکتریکی، ماشین‌های آهنربای دائم به طور چشمگیری پیشرفت کردند در دهه اخیر نیز ماشین های شار محور مورد توجه پژوهشگران و طراحان ماشین‌های الکتریکی قرار گرفته‌اند و به خاطر ویژگی-های خاص و کاربردی که دارند، به سرعت در صنایع مختلف و کاربردهای خاص مانند خودروهای الکتریکی، بالابرها، حمل و نقل الکتریکی، صنایع نظامی و رونق یافته‌اند با توجه به کاربرد روزافزون ماشین‌های شار محور در صنایع مختلف و با عنایت به اینکه خطا همواره جزء جدایی ناپذیر ماشین‌های الکتریکی می باشد، مطالعه و بررسی خطاهای در جهت تشخیص خطا و مانیتورینگ وضعیت این نوع ماشین‌ها نیز ضروری می نماید و بدان جهت مورد توجه پژوهشگران این حوزه قرار گرفته است مقالات و تحقیقاتی که در زمینه‌ی تأثیر خطاهای ماشین‌های الکتریکی شار محور بر روی کشش مغناطیسی بین روتور و استاتور آنها ارائه شده‌اند، نسبت به سایر زمینه‌ها از تعداد کمتری برخوردارند و هنوز جای کار در این زمینه وجود دارد بنابراین در این پایان‌نامه پس از مدلسازی ماشین سالم به سه خطای معمول در ماشین‌های الکتریکی آهنربای دائم شار محور که عبارتند از خطای خروج از مرکز، خطای مغناطیس زدایی آهنربای دائم و خطای اتصال دور به دور در دورهای یک کلاف، پرداخته شده و UMP حاصل از این خطاها محاسبه شده است برای بررسی خطا از روش مدار معادل مغناطیسی استفاده شده است که دارای سرعت و دقت مطلوب می باشد و برای کاربردهای تشخیص خطا و مانیتورینگ وضعیت مناسب می‌باشد

فصل 1- تاریخچه و مروری بر مطالعات انجام شده 1 
1-1- مقدمه 1 
1-2- مروری بر تحقیقات گذشته 2 
1-3- انگیزههای کار 12 
1-4- اهداف کار 12 
فصل 2- ماشینهای AFPM و بررسی UMP 14 
2-1- مقدمه 14 
2-2- ماشینهای AFPM 14 
2-3- انواع ماشینهای شار محوری آهنربای دائم 14 
2-3-1- آرایش استاتور و روتور 15 
2-3-2- نحوهی نصب آهنربا 17 
2-3-3- شیار استاتور 18 
2-3-4- وجود هسته 19 
2-4- کاربردهای ماشین AFPM 20 
2-5- مزایا و معایب ماشینهای AFPM 20 
2-5-1- مزایا 20 
2-5-2- معایب 20 
2-6- کشش نامتعادل مغناطیسی 21 
2-6-1- عوامل خارجی 21 
2-6-2- عوامل داخلی 23 
2-7- پیامدهای UMP 23 
2-7-2- جمع بندی 24 
فصل 3- مدلسازی ماشین AFPM 25 
3-1- مقدمه 25 
3-2- مدلسازی ماشین AFPM به روش مدار معادل مغناطیسی 25 
3-2-1- مدار معادل مغناطیسی استاتور 27 
3-2-2- آهنرباها 28 
3-2-3- مدار معادل مغناطیسی روتور 29 
3-3- معادلات مغناطیسی 29 
3-3-1- معادلات بخش استاتور 29 
3-3-2- معادلات بخش روتور 34 
3-4- معادلات الکتریکی ماشین 38 
3-5- معادلات مکانیکی ماشین 39 
3-6- حل معادلات و نتایج 40 
3-7- جمع بندی 50 
فصل 4- مدلسازی خطا 52 
4-1- مقدمه 52 
4-2- خطای کج محوری 52 
4-3- خطای دور به دور در یک فاز 61 
4-3-1- تغییر مقاومت محل اتصال 62 
4-3-2- تغییر تعداد دور خطا 70 
4-4- خطای مغناطیس زدایی 79 
4-5- نتیجه گیری 84 
4-6- پیشنهادات 85 
فصل 5- مراجع 86 


 

مدل‌سازی ژنراتورهای آهن‌ربای دائم شار محوری به روش مدار معادل مغناطیسی و طراحی بهینه آن برای کاربردهای توربین بادی

چکیده

ماشین های آهنربای دائم ساختار های مختلفی دارند که در این پایان نامه در ابتدا دو نوع ماشین آهنربای دائم شار شعاعی و شار محوری مورد مطالعه قرار گرفته و به طور کامل ساختار های مختلف آن ها معرفی شده است سپس مقایسه ای بین انواع ماشین های آهنربای دائم شار شعاعی و شار محوری از نقطه نظرهای مختلف و در کاربردهای سرعت پایین انجام گرفته است هدف از این پروژه مدلسازی و طراحی یک ماشین آهنربای دائم شار محوری برای کاربرد های سرعت پایین می باشد که در این راستا در ابتدا مدار معادل های مغناطیسی برای ساختارهای مختلف ماشین‌های آهنربای دائم شار محوری که شامل ماشین با یک استاتور و یک رتور(یک‌طرفه)، ماشین با ساختار دو طرفه و ماشین با ساختار چند طبقه می شود، ارائه شده سپس با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی انبوه ذرات و با دو هدف مینیمم کردن حجم و افزایش بازدهی ماشین، بهینه‌سازی دو هدفه صورت گرفته است در نهایت ماشین آهنربای دائم شار محوری مطرح شده با استفاده از نرم افزار المان محدود ماکسول و به روش سه بعدی در دو حالت بی باری و بارداری شبیه سازی شده است نتایج حاصل از بهینه‌سازی و مدار معادل با نتایج حاصل از نرم افزار ماکسول سه بعدی مقایسه شده است در پایان پیشنهاد‌هایی در جهت ادامه اهداف این پایان نامه ارائه می گردد

فصل اول: مقدمه 1 
1-1- مقدمه2 
1-2- توربین بادی2 
1-3-ژنراتورهای توربین بادی2 
1-4- ماشین‌های آهنربای دائم شار شعاعی5 
1-4-1- ساختمان ماشین‌های آهنربای دائم شار شعاعی6 
1-4-2- ساختار روتور ماشین‌های آهنربای دائم شار شعاعی7 
1-5- ماشین‌های آهنربای دائم شارمحوری9 
1-5-1- تاریخچه و پیشرفت ماشین‌های آهنربای دائم شارمحوری9 
1-5-2- مشخصات عملکردی11 
1-5-3- گشتاور دندانه‌ای11 
1-5-4- گشتاور ضربانی12 
1-5-5- ساختارهای مختلف ماشین‌های آهنربای دائم شارمحوری12 
1-5-5-1- ماشین با یک استاتور و یک روتور13 
1-5-5-2- ماشین با دو استاتور و یک روتور13 
1-5-5-3- ماشین با یک استاتور و دو روتور15 
1-5-5-4- ماشین با چند استاتور و چند روتور17 
1-6- مقایسه ماشین‌های آهنربای دائم شارمحوری با ماشین‌های آهنربای دائم شار شعاعی17 
1-7- اهدف و اهمیت پروژه19 
1-7- ساختار پایان‌نامه20 
2فصل دوم: مروری بر تحقیقات انجام شده 21 
2-1- مقدمه22 
2-2- طراحی و بهینه‌سازی با استفاده از شبیه‌سازی دوبعدی چندلایه با روش اجزای محدود22 
2-3- طراحی الکترومغناطیسی ماشین‌های آهنربای دائم شارمحوری نوع سطحی25 
2-3-1- مدار مغناطیسی26 
2-3-1-1- آمپر دور میدان26 
2-3-1-2- آمپر دور عکس‌العمل آرمیچر27 
2-3-1-3- چگالی شار ماکزیمم27 
2-3-1-4- افت آمپر دورها28 
2-3-2- توان مکانیکی و تلفات28 
2-3-3- شرط دمایی28 
2-3-3-1- انتقال حرارت از هسته و هادی‌ها به سطح بالای سیم بندی‌ها29 
2-3-3-2- انتقال حرارت از سطح بالای سیم بندی به سطح خارجی قاب ماشین29 
2-3-3-3- انتقال حرارت از سطح قاب ماشین به محیط بیرون30 
2-4- طراحی بهینه ژنراتور آهنربای دائم شارمحوری با استاتور بدون هسته30 
2-4-1- مدار معادل30 
2-4-2- محاسبه پارامترهای مدار معادل به روش کلاسیک32 
2-4-3- بهینه‌سازی32 
2-4-4- بررسی استرس مکانیکی روی دیسک روتور33 
2-5- طراحی یک ماشین آهنربای دائم شارمحوری سرعت‌بالا33 
2-5-1- موارد طراحی33 
2-5-2- تلفات35 
2-5-2-1- تلفات مسی35 
2-5-2-2- تلفات هسته36 
2-5-2-3- تلفات روتور36 
2-5-2-4- تلفات مکانیکی37 
2-6- طراحی ماشین آهنربای دائم شارمحوری چندطبقه (چند دیسکه)37 
2-6-1- مقدمات طراحی37 
2-6-2- سیستم مغناطیسی38 
2-6-3- سیستم الکتریکی39 
2-6-4- سیستم حرارتی40 
2-6-5- بازدهی، توان و گشتاور40 
2-7- طراحی موتور آهنربای دائم شارمحوری با مینیمم کردن گشتاور دندانه‌ای41 
2-7-1- میدان الکترومغناطیسی41 
2-7-2- پارامترهای طراحی42 
2-7-2-1- فاصله هوایی و زاویه کج کردن شیارها42 
2-7-2-2- نسبت طول به عرض دندانه43 
2-8- طراحی یک LATM شارمحوری بدون شیار44 
2-8-1- ساختار پیشنهادی45 
2-8-2- روند طراحی46 
2-8-3- شبیه‌سازی و مقایسه ماشین طراحی‌شده با روش اجزای محدود47 
2-9- طراحی بهینه ماشین الکتریکی آهنربای دائم شارمحوری سرعت‌بالا در اتومبیل‌های هیبریدی49 
2-9-1- روند طراحی49 
2-10- طراحی و ساخت مولد دیسکی شارمحوری بدون هسته54 
2-10-1- تولید گشتاور55 
2-10-2- تلفات و بازدهی55 
2-10-3- مواد و ساخت55 
2-10-4- طراحی یک نمونه اولیه56 
2-10-4-1- نیروی جذبی مابین دو دیسک روتور56 
2-10-4-2- تحلیل مگنتو استاتیک ماشین57 
2-10-4-3- بازدهی58 
3فصل سوم: روش پیشنهادی برای حل مساله 59 
3-1- مقدمه60 
3-2- مدار معادل مغناطیسی برای ساختار یک‌طرفه60 
3-3- مدار معادل مغناطیسی برای ساختارهای دوطرفه62 
3-4- ساختارهای چند دیسکه64 
3-5- محاسبه رلوکتانس‎های مدار معادل 67 
3-5-1- رلوکتانس مگنت70 
3-5-2- رلوکتانس یوغ روتور70 
3-5-3- رلوکتانس فاصله هوایی70 
3-5-4- رلوکتانس استاتور70 
3-6- گشتاور و توان خروجی71 
3-7- محاسبه ابعاد ماشین72 
3-7-1- حجم ماشین72 
3-8- محاسبه مقاومت سیم بندی ماشین73 
3-9- محاسبات تلفات و بازدهی ماشین74 
3-9-1- تلفات آهنی74 
3-9-2- تلفات مسی74 

4فصل چهارم: نتایج شبیه سازی و تفسیر آن‎ها 75 
4-1- مقدمه76 
4-2- پارامتر های ثابت ماشین76 
4-3- متغیر های بهینه سازی و قیود طراحی77 
4-4- شبیه سازی ماشین با استفاده از برنامه ماکسول79 
4-4-1- حالت بی باری80 
4-4-2-حالت بارداری81 
5فصل پنجم: جمع بندی و پیشنهاد‎ها 84 
5-1- مقدمه85 
5-2- محتوا85 
5-2-1- جمع بندی85 
5-2-2- نوآوری86 
5-2-2- پیشنهادها86 
مراجع 88 

 

طراحی و بهینه‌سازی ژنراتور سنکرون آهنربای دائم شار محور به منظور استفاده در میکروتوربین- ژنراتور

چکیده

میکروتوربین- ژنراتورها یکی از مولدهای مهم تولید انرژی الکتریکی به صورت پراکنده می‌باشند. به طور کلی یک میکروتوربین- ژنراتور از سه جزء اصلی توربین، کمپرسور و ژنراتور تشکیل شده است. به عبارت دیگر میکروتوربین- ژنراتور همان توربین گازی در مقیاس بسیار کوچک است که توسط اتصال به یک ژنراتور و استفاده از انواع سوخت، انرژی الکتریکی تولید می‌کند. وجه تمایز میکروتوربین‌-ژنراتورها از توربین‌-ژنراتورهای معمولی، سرعت زیاد چرخش محور و کوچکی ابعاد آن‌ها میباشد. بنابراین می‌توان از آن‌ها در مواردی استفاده نمود که محدودیت فضا و وزن وجود دارد.هدف اصلی این پایان نامه طراحی بهینه یک ژنراتور شار محور آهنربای دائم به منظور استفاده در میکروتوربین- ژنراتور می‌باشد. در این راستا یک الگوریتم جامع به منظور طراحی ماشین‌های شار محور پیشنهاد شده است. این الگوریتم به گونه‌ای است که هم برای طراحی ماشین-های پر سرعت و هم برای طراحی ماشین‌های کم سرعت شار محور قابل استفاده است. نتایج حاصل از طراحی یک ژنراتور شار محور نمونه توسط این الگوریتم با نتایج حاصل از تحلیل و شبیه‌سازی دو بعدی و سه بعدی همان ژنراتور توسط یکی از نرم افزارهای اجزاء محدود به نام Maxwell مقایسه شده و در نتیجه صحت و دقت الگوریتم مزبور احراز گردیده است. همچنین نتایج حاصل از الگوریتم پیشنهادی با نتایج عملی حاصل از یک ژنراتور نمونه مقایسه شده و مجدداً کارایی و دقت این الگوریتم نشان داده شده است.در نهایت یک ساختار جدید و بهینه با هدف افزایش چگالی توان و چگالی گشتاور برای ماشین‌های شار محور ارائه گردیده است. ویژگی اصلی این ساختار کاهش چشمگیر مواد فرومغناطیس استفاده شده در ماشین می‌باشد. این ویژگی باعث کاهش وزن ماشین و در نتیجه افزایش چگالی توان و چگالی گشتاور ماشین شده است. درستی این ادعا توسط مقایسه نتایج تحلیلی با نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌های دو بعدی و سه بعدی مورد بررسی قرار گرفته است.

فهرست مطالب 
عنوان صفحه 
فهرست جدول‌ها ‌ه 
فهرست شکل‌‌ها ‌و 
فهرست علایم و نشانه‌ها ‌ط 
فصل 1- مقدمه
1-1- پیش زمینه و صورت مسأله تحقیق 1 
1-2- روش طراحی استفاده شده 3 
1-2-1- روش¬های تحلیلی 3 
1-2-2- روش¬های عددی 4 
1-3- انگیزه و اهداف 5 
1-4- مرور پژوهش¬های انجام شده مرتبط 5 
1-5- ساختار ارائه مطالب پایان¬نامه 6 
فصل 2- بررسی ساختار میکروتوربین- ژنراتور و ماشین¬های شار محور 
2-1- مقدمه 8 
2-2- معرفی میکروتوربین-ژنراتور 9 
2-2-1- انواع سیستم¬های میکروتوربین در میکروتوربین-ژنراتور 9 
2-2-2- مدارات واسطه الکترونیک قدرت در میکروتوربین-ژنراتور 11 
2-2-3- تقسیم¬بندی میکروتوربین- ژنراتور با توجه به چگونگی اتصال ژنراتور به میکروتوربین 12 
2-3- انواع ماشین¬های آهنربای دائم 12 
2-3-1- مقایسه ماشین¬های شار شعاعی آهنربای دائم با ماشین¬های شار محور نظیر 13 
2-4- ماشین¬های شار محور آهنربای دائم 14 
2-4-1- تاریخچه ماشین¬های شار محور 14 
2-4-2- ساختارهای مختلف ماشین¬های شار محور 15 
2-4-2-1- ماشین¬های شار محور یک طرفه 16 
2-4-2-2- ماشین¬های شار محور دو طرفه 17 
2-4-2-3- ماشین¬های شار محور با آرایش هال¬باخ 21 
2-4-2-4- ماشین¬های شار محور چند طبقه 22 
2-5- نتیجه¬گیری 22 
فصل 3- بررسی نحوه طراحی ماشین¬های شار محور 
3-1- مقدمه 24 
3-2- نحوه انتخاب ساختار مناسب برای ماشین شار محور 25 
3-2-1- جنس هسته استاتور و هسته رتور 25 
3-2-2- انواع سیم¬پیچی مورد استفاده برای استاتور بدون هسته در ماشین شار محور 26 
3-2-2-1- سیم¬پیچی روی هم 26 
3-2-2-2- سیم¬پیچی متمرکز 27 
3-2-3- نوع سیم مورد استفاده در سیم¬پیچی ماشین¬های پرسرعت 28 
3-2-4- مقدار قطر خارجی در ماشین¬های پرسرعت 28 
3-2-5- تعداد قطب¬ها در ماشین پرسرعت 29 
3-2-6- جنس آهنربای دائم 29 
3-3- روابط حاکم بر ماشین شار محور 30 
3-3-1- ولتاژ القایی در ماشین شار محور 30 
3-3-1-1- محاسبه ولتاژ در استاتور با سیم¬پیچی روی هم 30 
3-3-1-2- محاسبه ولتاژ در استاتور با سیم¬پیچی متمرکز 32 
3-3-2- گشتاور در ماشین شار محور 33 
3-3-2-1- گشتاور الکترومغناطیسی 34 
3-3-3- توان الکتریکی در ماشین شار محور 35 
3-3-4- تلفات و بازده ماشین شار محور 36 
3-3-4-1- تلفات مکانیکی 37 
3-3-4-2- تلفات الکتریکی 38 
3-4- معرفی مدار معادل مغناطیسی ماشین شار محور 40 
3-4-1- آهنربای دائم و مدار معادل مغناطیسی آن 40 
3-4-2- مروری بر تحلیل مدارهای شامل آهنربای دائم 43 
3-4-3- مدار معادل مغناطیسی ماشین TORUS-NS با استاتور هوایی 45 
3-5- روابط ابعادی ماشین شار محور 49 
3-5-1- قطر خارجی و داخلی در ماشین شار محور 49 
3-5-2- محاسبات مربوط به استاتور 49 
3-5-2-1- تعداد دور سیم¬پیچی هر کلاف استاتور 49 
3-5-2-2- ابعاد استاتور 50 
3-5-3- ضخامت آهنربا و فاصله هوایی در ماشین شار محور 51 
3-5-4- ضخامت آهن انتهایی 52 
3-6- ارائه الگوریتمی برای طراحی اولیه ماشین¬های شار محور 53 
3-7- استفاده از روش¬های عددی برای بهبود طراحی اولیه 54 
3-7-1- مروری بر مدل¬سازی و تحلیل ماشین¬های الکتریکی توسط نرم¬افزارهای FEA 54 
3-7-1-1- مرحله پیش پردازش 55 
3-7-1-2- مرحله حل 55 
3-7-1-3- مرحله پس پردازش 55 
3-7-2- تحقق شرایط لازم به منظور دستیابی به چگالی شار سینوسی توسط Maxwell 57 
3-7-3- چگونگی ارزیابی ماشین طراحی شده توسط Maxwell 58 
3-8- نتیجه¬گیری 59 
فصل 4- طراحی یک ماشین شار محور نمونه و ارزیابی عملکرد آن 
4-1- مقدمه 60 
4-2- طراحی یک ماشین TORUS-NS بدون هسته 61 
4-3- ارزیابی طراحی انجام شده 62 
4-3-1- شبیه¬سازی ژنراتور کم سرعت توسط نرم¬افزار Maxwell 63 
4-3-2- گشتاور الکترومغناطیسی 66 
4-3-3- ولتاژ القایی در حالت بدون بار 67 
4-3-4- قیاس نتایج شبیه¬سازی و نتایج تحلیلی با نتایج عملی 68 
4-4- نتیجه¬گیری 71 
فصل 5- ساختار پیشنهادی برای ماشین شارمحور مدل TORUS-NS و ارزیابی عملکرد آن 
5-1- مقدمه 72 
5-2- ساختار پیشنهادی برای ماشین TORUS-NS 73 
5-3- طراحی یک ماشین نمونه TORUS-NS با استفاده از ساختار پیشنهادی 77 
5-4- ارزیابی طراحی انجام شده 78 
5-4-1- چگالی شار فاصله هوایی 79 
5-5- مقایسه ژنراتور PTAFPM با ژنراتور TORUS-NS متداول 81 
5-5-1- گشتاور الکترومغناطیسی 81 
5-5-2- ولتاژ القایی در حالت بدون بار 82 
5-5-3- چگالی گشتاور و چگالی توان 83 
5-6- مدل دو طبقه ژنراتور PTAFPM 84 
5-7- مقایسه مدل دو طبقه ژنراتور PTAFPM با مدل دو طبقه ژنراتور TORUS-NS 86 
5-7-1- گشتاور الکترومغناطیسی و ولتاژ القایی در حالت بدون بار 87 
5-7-2- چگالی گشتاور و چگالی توان 88 
5-8- نتیجه¬گیری 89 
فصل 6- نتیجه¬گیری و پیشنهادات 91 
6-1- خلاصه و جمع بندی پژوهش انجام شده 91 
6-2- پیشنهاداتی برای مطالعات آتی 92 
فهرست مراجع 93 


 

انتخاب فرکانس و تعداد فازها برای طراحی ماشین شار محور آهنربا دائم (AFPM) سرعت پایین

چکیده

از مهمترین مسائل پیشروی طراحان ماشین‌های الکتریکی، انتخاب پارامترهای اکیداً مستقل الگوریتم طراحی از جمله فرکانس سیستم تغذیه و تعداد جفت قطب‌های سیستم تحریک می‌باشد. بدون شک انتخاب اینچنین پارامترهای اکیداً مستقل بر روی عملکرد کمی و کیفی ماشین در شرایط متفاوت اثرگذار است. چه بسا با انتخاب نامناسب این پارامترها، خواسته‌های طراحی محقق نشود و طراحی با بن‌بست جدی مواجه گردد. در نتیجه در صورت وجود نتایج حاصل از یک مطالعه وسیع در رابطه با انتخاب فرکانس سیستم تغذیه با عنایت به رفتار شاخصه‌های دارای اهمیت به خصوص در هنگام تغذیه از سیستم درایو و یا وجود رابطه‌ای تحلیلی بیانگر نحوه رفتار شاخصه‌های مهم از جمله راندمان ماشین نسبت به فرکانس تغذیه، طراح می‌تواند برای انتخاب این پارامترهای مستقل از توصیه‌ها و روابط استخراج شده، استفاده نماید. از اینرو در این رساله سعی شده است مطالعات وسیعی در راستای شناسایی تاثیر پارامتر اکیداً مستقل فرکانس تغذیه بر روی عملکرد و شاخصه‌های دارای اهمیت ماشین با ساختار معرفی شده صورت پذیرد. بدین منظور در رساله پیش‌رو ابتدا ابزارهای مورد نیاز برای انجام چنین مطالعه نسبتاً وسیعی در فصل‌های دوم تا پنجم معرفی می‌گردد. این ابزارها شامل استخراج روابط ابعادی ماشین با ساختار مطرح شده، مدلسازی تحلیلی با اتکا به پارامترهای ابعادی، مدلسازی و شبیه‌سازی به روش اجزاء محدود، مدلسازی دینامیکی گذرایی و طراحی سیستم تغذیه و کنترل ماشین طراحی شده در هر فرکانس طراحی است.ماشین مورد مطالعه در این رساله، ماشین AFPM نوع TORUS-NS می‌باشد که برای بهره‌گیری به عنوان بخش محرک سیستم پیشران زیردریایی دیزل الکتریک، طراحی می‌گردد. از اینرو با توجه به کاربرد مطرح شده، شاخصه‌های راندمان به لحاظ مدت زمان مانور، چگالی توان به لحاظ حجم و وزن اشغال شده، محدوده زاویه قدرت به لحاظ توانایی در طراحی سیستم‌های کنترل متنوع و رعایت محدوده پایداری و ریپل گشتاور به لحاظ مسائل مربوط به نویز، لرزش و تلفات از سایر شاخصه‌ها از اهمیت بیشتری برخوردارند. در این رساله نیز انتخاب فرکانس سیستم تغذیه براساس رفتار این شاخصه‌ها صورت گرفته و در انتها برای راندمان ماشین بر حسب پارامترهای فرکانس تغذیه، تعداد جفت قطب‌ها و توان خروجی رابطه‌ای تحلیلی در راستای تکمیل الگوریتم طراحی ماشین ارائه شده است.در زیردریایی‌های دیزل الکتریک زمان ماندگاری در زیر آب و قابلیت انجام عملیات آرام در سرعت‌های مختلف اهمیت ویژه‌ای دارد. طراحی موتور پیشران با بهره بالا و انتخاب تکنیک مناسب تغذیه سیستم پیشران توسط بانک باتری‌ها در بارها و یا سرعت‌های مختلف، دستیابی به اهداف مذکور را میسر می-کند. بدین منظور در این رساله یک ساختار کنترلی ویژه برای درایو یک موتور AFPM چند لایه پیشران یک زیردریایی، با قابلیت تغذیه اختیاری لایه‌های موتور در بارها و سرعت‌های عملکردی مختلف، معرفی و عملکرد آن مورد مطالعه و بررسی دقیق قرار می‌گیرد. امکان و نحوه ترکیب لایه‌های یک موتور چند لایه و تغذیه آنها، با توجه به روش مونتاژ و یا میزان شیفت زاویه بین روتورهای لایه‌های مختلف انجام می‌گیرد. الگوریتمی برای سوئیچینگ خودکار لایه‌ها به منظور دستیابی به بازده بیشینه در سرعت‌های مختلف و شبیه‌سازی دینامیکی گذرایی موتور و سیستم تغذیه در محیط نرم افزار MATLAB، ارائه می‌شوند و مسائل مربوط به عملکرد گذرایی در هنگام سوئیچ لایه‌ها و مشخصه‌های عملکردی موتور در حالت دائمی در سرعت‌های مختلف مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.

فصل اول: مقدمه¬ای بر ماشین¬های شار محوری آهنربا دائم 1 
فصل دوم: مدلسازی ابعادی ماشین AFPM نوع TORUS-NS 5 
2-1- مقدمه 6 
2-2- الگوریتم طراحی اولیه ماشین AFPM نوعTORUS-NS 6 
2-3- مدلسازی اجزای تشکیل دهنده ماشین AFPM نوعTORUS-NS 12 
2-3-1- مدلسازی بخش روتور 12 
2-3-1-1- مدلسازی آهنربا دائم 12 
2-3-1-2- مدلسازی آهن انتهایی روتور 13 
2-3-2- مدلسازی فاصله هوایی 13 
2-3-2-1- مدلسازی نشت شار 13 
2-3-3- مدلسازی بخش استاتور 14 
2-3-4- مدل نهایی ماشین AFPM نوعTORUS-NS 15 
2-4- محاسبه تلفات و راندمان موتور AFPM نوعTORUS-NS 17 
2-4-1- تلفات مکانیکی 17 
2-4-2- تلفات بخش استاتور 18 
2-4-2-1- تلفات هسته استاتور 18 
2-4-2-2- تلفات اهمی در سیم¬پیچ¬های آرمیچر 19 
2-4-2-3- تلفات فوکوی سیم¬پیچ¬های آرمیچر 19 
2-5- نتیجه¬گیری از فصل 19 
فصل سوم: طراحی ماشین نمونه با استفاده از الگوریتم ارائه شده و شبیه¬سازی آن به روش اجزاء محدود 20 
3-1- مقدمه 21 
3-2- طراحی ماشین 55 هرتزی، 500 کیلووات، سه فاز و 300 دور در دقیقه 21 
3-3- اعتبار سنجی طرح و تحلیل موتور طراحی شده به روش اجزاء محدود (FEM) 27 
3-3-1- ترسیم هندسه مسئله 28 
3-3-2- تخصیص مواد تشکیل دهنده قسمت¬های مختلف موتور طراحی شده 28 
3-3-3- تغذیه سیم¬پیچ¬های آرمیچر 29 
3-3-4- تعریف شرایط مرزی 30 
3-3-5- مش¬بندی 30 
3-3-6- نتایج شبیه¬سازی 31 
3-3-6-1- نتایج شبیه¬سازی در حالت مدار باز 32 
3-3-6-2- نتایج شبیه¬سازی در حالت بار کامل 33 
3-3-6-3- محاسبه تلفات آهن موتور طراحی شده با استفاده از تحلیل FEM 34 
3-4- نتیجه¬گیری از فصل 35 
فصل چهارم: مدلسازی دینامیکی گذرایی موتور AFPM طراحی شده 36 
4-1- مقدمه 37 
4-2- معادلات ولتاژ موتور طراحی شده 37 
4-3- مقاومت در هر فاز موتور طراحی شده 38 
4-3-1- اثر پوستی 38 
4-4- عکس¬العمل آرمیچر و محاسبه ماتریس اندوکتانس موتور طراحی شده 39 
4-5- محاسبه شارهای پیوندی ناشی از آهنرباهای دائم در موتور طراحی شده 41 
4-6- محاسبه ولتاژ القایی در هر فاز 42 
4-7- محاسبه¬ی مقادیر پریونیت پارامترهای موتور طراحی شده 43 
4-8- مقایسه پارامترهای موتور طراحی شده با چند ماشین نمونه ساخته شده قبلی 44 
4-9- بررسی ضریب قدرت موتور طراحی شده 47 
4-10- شبیه¬سازی دینامیکی موتور طراحی شده در حالت عملکرد اتصال مستقیم به شبکه 47 
4-10-1- نتایج حاصل از شبیه¬سازی در ولتاژ و فرکانس نامی 51 
4-11- نتیجه¬گیری از فصل 59 
فصل پنجم: انتخاب فرکانس تغذیه و بازنگری در الگوریتم طراحی ماشین AFPM نوع TORUS-NS 60 
5-1- مقدمه 61 
5-2- انتخاب فرکانس تغذیه برای ساختار معرفی شده 62 
5-2-1- نتایج استخراج شده از معادلات ابعادی و مدلسازی¬ تحلیلی 63 
5-2-2- نتایج استخراج شده از مدلسازی و شبیه¬سازی¬ها به روش اجزاء محدود 69 
5-2-3- نتایج استخراج شده از مدلسازی و شبیه¬سازی¬های دینامیکی گذرایی 74 
5-2-4- نتایج استخراج شده از عملکرد موتورهای طراحی شده با در نظر گرفتن سیستم درایو 78 
5-2-5- نتیجه¬گیری در گام نخست و انتخاب فرکانس تغذیه 86 
5-3- بازنگری در الگوریتم طراحی ماشین AFPM نوع TORUS-NS 86 
5-4- نتیجه¬گیری از فصل 86 
فصل ششم: نتیجه¬گیری و پیشنهادات 87 
6-1- مقدمه 88 
6-2- جمع¬بندی و نتیجه¬گیری 88 
6-3- پیشنهادات 89 
مراجع 90 

 

طراحی بهینه و آنالیز یک موتور PM بدون جاروبک DC شار محوری برای خودروی الکتریکی

چکیده

در این پایان نامه یک موتور شار محوری بدون جاروبک dc برای استفاده درایو مستقیم در یک خودروی برقی درون شهری طراحی شده است. یک مدل دینامیک ساده از خودرو برای بدست آوردن گشتاور خروجی مطلوب درنظر گرفته شده است و با توجه به فرض قرار گرفتن چهار موتور در چهار چرخ خودرو، گشتاور 25 نیوتن متر و توان 3.4 کیلووات برای هر موتور در نظر گرفته شده است. از آنجا که طراحی بهینه برای کاهش گشتاور دندانه-ای انجام شده است و ترکیب قطب و شیار و نسبت قوس قطب به گام قطب مهم‌ترین تاثیر را بر گشتاور دندانه ای دارند، درنتیجه بروی حالت‌های مختلف تعداد قطب و شیار و نوع سیم‌پیچی و تاثیرشان بر گشتاور دندانه‌ای، نیروهای نامقارن وارد شده بر روتور، گشتاور خروجی، تحمل خطا، و شکل موج نیروی ضد محرکه القایی برای عملکرد بدون جاروبک dc بحث شده است و در انتها ساختار استاتور چندتکه‌ای با 10 قطب 12 شیار و عرض دندانه نابرابر انتخاب گردیده است. در طراحی اولیه برای این ساختار، نسبت قوس قطب به گام قطب برابر 0.7 کمترین گشتاور دندانه‌ای را در پی خواهد داشت. در صورت افزایش قوس قطب به گام قطب برای داشتن نیروی ضد محرکه القایی ذوزنقه‌ای‌تر و عملکرد بدون جاروبک dc بهتر، دیده می‌شود که گشتاور دندانه‌ای تا 2.15 نیوتن‌متر افزایش می‌یابد. از جایابی بهینه شیار مجازی بروی دندانه‌هایی که کویل بدور آنها پیچیده نشده است استفاده شده است تا گشتاور دندانه‌ای به مقدار 0.98 نیوتن‌متر کاهش یابد بدون آنکه کاهش گشتاور خروجی را در پی داشته باشد. ماشین نهایی پس از اعمال شیار مجازی بهینه دارای گشتاور خروجی با ریپل کوچک قابل-قبولی می‌باشد.

1 – فصل اول مقدمه 1 
1-1- خودروهای الکتریکی 1 
1-1-1- خودروهای تمام الکتریکی 2 
1-1-2- خودروهای هیبرید شارژ شونده 2 
1-1-3- خودروهای هیبریدی 3 
1-1-4- خودروهای هیبریدی با سیستم چرخ طیار 3 
1-1-5- خودروهای پیل سوختی 4 
1-2- ماشین آهنربای دائم 6 
1-2-1- موتور آهنربا دائم با تغذیه ولتاژ ذوزنقه ای (BLDC) 6 
1-2-2- مقایسه BLDC و BLAC 6 
1-2-3- خصوصیات موتور BLDC 8 
1-2-4- مشخصات حالت ماندگار موتور 10 
1-2-5- کار در سرعت های بالا 11 
1-2-6- درایو مستقیم 13 
1-2-7- عملکرد موتور آهنربا دائم BLDC 13 
1-3- مواد مغناطیس دائم 16 
1-4- انواع ماشین PM برحسب قرار گرفتن PM 18 
1-5- موتور شارمحوری 19 
1-5-1- ساختار تک وجهی 20 
1-5-2- ساختار دو وجهی با روتور بیرونی بدون شیار 21 
1-5-3- ساختار دو وجهی با روتور بیرونی شیاردار (نوع NN) 23 
1-5-4- ساختار دو وجهی با روتور درونی بدون شیار 25 
1-5-5- ساختار دو وجهی با روتور درونی شیاردار 25 
1-5-6- ساختار چندوجهی 26 
1-6- شیاردار یا بدون شیار 28 
1-7- سیم پیچی متمرکز غیر همپوشان 28 
1-8- توپولوژی آرمیچر چندتکه ای (SAT) 31 
2 – فصل دوم گشتاور دندانه ای 34 
2-1- مقدمه 34 
2-2- روش های كاهش گشتاور دندانه اي برای ماشین شارمحوری 35 
2-2-1- نسبت تعداد شیارهای استاتور به تعداد قطب های روتور 35 
2-2-2- شیار ها و دندانه های مجازی 36 
2-2-3- نسبت قوس قطب به گام قطب 37 
2-2-4- اریب کردن آهنرباهای روتور 38 
2-3- مدل کردن تحلیلی گشتاور دندانه ای 38 
3 – فصل سوم مشخصات ماشین آهنربا دائم SAT 42 
3-1- سرعت – گشتاور خودروی برقی 42 
3-1-1- نیروی کشش آیرودینامیکی 43 
3-1-2- مقاومت غلطشی 44 
3-2- ترکیب های قطب و شیار 45 
3-3- ضریب سیم پیچی 51 
3-4- طول آهنربا 52 
3-5- ضخامت آهن نگهدارنده 52 
3-6- تکه استاتور 53 
3-7- تعداد دور 55 
3-8 تلفات و بازدهی 56 
3-8-1- تلفات مسی 56 
3-8-2- تلفات آهنی 56 
3-8-3- بازدهی 57 
4 – فصل چهارم طراحی نهایی 58 
4-1- تعیین تعداد قطب و شیار و ساختار استاتور 58 
4-2- ماشین نهایی 71 
4-3- محاسبه تلفات 78 
4-3-1- تلفات استاتور 79 
4-3-2- تلفات روتور 79 
4-4- افزایش نسبت قوس قطب به گام قطب 80 
4-5- الگوریتم انبوه ذرات 83 
4-5-1- ايده كلي الگوريتم انبوه ذرات 83 
4-5-2- الگوريتم بهينه‎سازي انبوه ذرات(PSO) 86 
4-5-3- پارامترهاي PSO 88 
4-6- جایابی بهینه برای اعمال شیار مجازی در سیم پیچی تک لایه 93 
5 – فصل پنجم نتیجه گیری و پیشنهادات 96 
5-1- نتیجه گیری 96 
5-2- پیشنهادات 97 
مراجع 98 

 

بهینه‌سازی تموج شار مغناطیسی در ژنراتور سنکرون شار محوری با آهنربای دائم

چکیده

امروزه ژنراتورهای سنکرون شارمحوری با آهنربای دائم در توربین های بادی کوچک به کار گرفته می شوند. استفاده از این نوع ژنراتورها باعث حذف گیربکس می شود و تلفات مکانیکی، وزن سیستم و تعمیر و نگهداری را کاهش می دهد و قابلیت اطمینان و راندمان سیستم توربین بادی افزایش می یابد. بررسی های صورت گرفته در این پایان نامه در جهت دست یابی به یک ساختار ژنراتور شارمحوری با حداقل مولفه های هارمونیکی در شار و ولتاژ القایی می باشد و دربردارنده ی طراحی، تحلیل و شبیه سازی ساختارهای مختلفی از ژنراتور شارمحوری است. در این پایان نامه ساختارهای مختلفی از ژنراتور شارمحوری با استاتور بدون شیار، شیاردار و بدون هسته از نظر مولفه های هارمونیکی در چگالی شار فاصله ی هوایی مقایسه می شوند. همچنین چگالی شار مغناطیسی و ولتاژ القایی ناشی از شکل های مختلف آهنربا نیز مورد بررسی و مقایسه قرار می گیرد. بعلاوه، تاثیر آرایش آهنرباها و طریقه ی نصب آن ها روی چگالی شار مغناطیسی و ولتاژ القایی نشان داده می شود. سپس ویژگی های مطلوب برای دستیابی به یک ساختار مناسب از لحاظ حداقل مولفه های هارمونیکی در چگالی شار مغناطیسی و ولتاژ القایی معرفی می شود و بر اساس این ویژگی ها دو ساختار اولیه و بهینه طراحی و شبیه سازی می گردد. در نهایت این دو ساختار از لحاظ عملکرد با یکدیگر مورد مقایسه قرار می گیرند. شبیه سازی ها با روش اجزای محدود و توسط نرم افزار Maxwell ورژن 14 انجام شده و به منظور بهینه سازی توسط الگوریتم ژنتیک از نرم افزار MATLAB ورژن 7 استفاده شده است.

1 1 مقدمه 
2 1-1 مقدمه ای بر ژنراتورهای شارمحوری 
5 2 ساختار ژنراتورهای شار محوری و شار شعاعی 
6 2-1 ماشین شار محوری 
6 2-1-1 انواع ماشین های شارمحوری 
7 2-1-2 انواع ماشین های شارمحوری با آهنربای دائم بدون جاروبک از نظر ساختار 
8 2-1-3 ماشین های AFPM یک طرفه 
9 2-1-4 ماشین های AFPM دوطرفه 
10 2-1-5 ماشین دو طرفه ی با استاتور داخلی و دارای شیار 
10 2-1-6 ماشین دو طرفه ی با استاتور داخلی و بدون هسته ی آهنی 
11 2-1-7 ماشین AFPM دو طرفه با روتور داخلی 
12 2-1-8 ماشین های چند طبقه 
13 2-2 آهنربای دائم 
13 2-2-1 انواع آهنرباها 
14 2-2-2 عوامل موثر در انتخاب آهنربا 
14 2-2-3 انواع شکل های مرسوم آهنربای Nd-Fe-B 
15 2-3 آرایش قرار گرفتن آهنرباها 
15 2-4 طرز قرار گرفتن آهنرباها روی سطح روتور 
16 2-5 هسته ی استاتور 
18 2-6 جنس هسته ی استاتور 
18 2-6-1 فولاد الکتریکی غیر جهت دار 
19 2-6-2 پودر مغناطیسی نرم 
20 2-6-3 آمورف یا فلزات غیر بلورین 
20 2-7 هسته ی روتور 

21 2-8 سیم پیچی ماشین های AFPM 
21 2-8-1 سیم پیچی سه فاز توزیع شده در شیارها 
23 2-8-2 سیم پیچی نوع درام 
24 2-8-3 سیم پیچی استاتور بدون هسته ی فولادی 
24 2-8-4 سیم پیچی با قطب برجسته 
25 2-9 ماشین های شار شعاعی 
29 2-10 مقایسه ی ماشین های شارمحوری و شار شعاعی 
31 3 بررسی تاثیر پارامترهای طراحی بر اعوجاج شار مغناطیسی 
32 3-1چگالی میدان مغناطیسی توزیع شده در ماشین AFPM با استاتور غیرمغناطیسی 
33 3-2 چگالی میدان مغناطیسی توزیع شده در ماشین AFPM با استاتور فرومغناطیسی 
36 3-3 تاثیر ساختار هسته ی استاتور بر چگالی شار توزیع شده در فاصله ی هوایی 
36 3-3-1 ساختار ژنراتور 
39 3-3-2 مدار مغناطیسی ژنراتور با استاتور بدون شیار 
40 3-3-3 روش تحلیلی در ژنراتور با استاتور بدون شیار 
41 3-3-4 روش اجزای محدود در ساختار با هسته ی بدون شیار 
44 3-4 چگالی میدان مغناطیسی در ساختار با هسته ی فرومغناطیسی شیاردار در استاتور 
44 3-4-1 مدار مغناطیسی ژنراتور با استاتور شیاردار 
47 3-4-2 روش اجزای محدود در ساختار با هسته ی شیاردار در استاتور 
49 3-5 چگالی میدان مغناطیسی در ساختار با هسته ی غیرمغناطیسی در استاتور 
49 3-5-1 مدار مغناطیسی ژنراتور با استاتور بدون هسته ی فرومغناطیسی 
50 3-5-2 روش اجزای محدود در ساختار با استاتور بدون هسته ی فرومغناطیسی 
53 3-5-3 مقایسه ی ژنراتورها از نظر چگالی میدان مغناطیسی در فاصله ی هوایی 
54 3-6 تاثیر شکل های مختلف آهنربا در چگالی شار مغناطیسی فاصله ی هوایی 
68 3-7 ولتاژ القایی در هر فاز ناشی از هر آهنربا 

78 3-8 تاثیر طول کمان قطب در شار مغناطیسی آهنربای ذوزنقه 
80 3-8-1 چگالی شار مغناطیسی ناشی از آهنرباها با نسبت های مختلف α_p 
81 3-8-2 ولتاژ القایی ناشی از آهنربای ذوزنقه با مقادیر مختلف α_p 
87 3-9 تاثیر آرایش آهنرباها بر شار مغناطیسی فاصله ی هوایی 
93 3-10 تاثیر طریقه ی نصب آهنربا بر شار مغناطیسی ژنراتور AFPM 
100 3-11 ویژگی های ساختار مطلوب 
101 4 طراحی بهینه و مدل سازی ژنراتور شارمحوری 
102 4-1 مقدمه 
103 4-2 طراحی و ساختار ماشین 
112 4-3 مدل سازی اولیه 
112 4-3-1 تحلیل مغناطیسی مدل اولیه 
114 4-3-2 ولتاژ القایی در یک فاز 
116 4-3-3 عملکرد ژنراتور با ساختار اولیه 
118 4-4 طراحی بهینه ی ژنراتور شارمحوری 
118 4-4-1 مقدمه ای بر بهینه سازی 
118 4-4-2 بهینه سازی 
119 4-4-3 روش های متداول بهینه سازی 
120 4-4-4 الگوریتم ژنتیک 
121 4-4-5 مزایای الگوریتم ژنتیک 
122 4-4-6 معایب الگوریتم ژنتیک 
122 4-4-7 تابع هدف 
123 4-4-8 انتخاب کروموزوم ها و ژن ها 
123 4-4-9 تعیین محدودیت های بهینه سازی در ژنراتور شارمحوری 
126 4-5 بهینه سازی توسط GA 

127 4-6: تحلیل مغناطیسی مدل بهینه 
129 4-7: ولتاژ القایی در یک فاز ساختار بهینه 
130 4-8: عملکرد ژنراتور با ساختار بهینه 
132 4-9: مقایسه ی ساختار اولیه با ساختار بهینه 
135 5 نتیجه گیری 
139 پیشنهادات 
140 فهرست منابع 
142 واژه نامه ی انگلیسی به فارسی 
143 پیوست 
147 چکیده ی انگلیسی و کلید واژه ی انگلیسی 
148 صفحه ی عنوان انگلیسی 


 

کنترل برداری بدون حسگر سرعت و موقعیت در موتورهای شار محور مغناطیس دایم

چکیده

یکی از دغدغه های انسان امروزی، استفاده بهینه از آنچه در اختیارش قرار گرفته می باشد و در همین راستا پیشرفت های شایان توجهی نیز کرده است ساختار موتورهای الکتریکی نیز از این امر مستثنی نبوده و هر روزه روشی جدید در طراحی و ساخت و کنترل این ماشین ها ارائه می شود یکی از پیشرفته ترین ساختارهایی که تاکنون در زمینه موتورهای الکتریکی صورت گرفته است، موتورهای شار محوری مغناطیس دائم می باشد این موتورها با داشتن ساختاری مناسب جهت رساندن گشتاور به بار خود بسیار مورد توجه واقع شده اند از دیگر ویژگی های بارز این موتورها داشتن چگالی توان و گشتاور بالا و نیز قابلیت اطمینان و بازده ای بالا و از اینها مهمتر داشتن حجم کم در کنار داشتن تمام مزایای فوق می باشد همچنین با پیشرفت های انجام شده در زمینه مواد مغناطیس دایم این ماشینها بیش از پیش مورد توجه واقع شده اند اما مشکلی که در این ماشینها همچون سایر ماشین های الکتریکی وجود دارد، استفاده از حسگرهای مکانیکی سرعت و موقعیت در کنترل برداری آنها می باشد حسگرهایی که تاکنون در کنترل این ماشینها بکار می رفتند مثل حسگر اثر هال و یا Resolver و با مشکلاتی همچون هزینه زیاد و فضایی که اشغال می کنند و نیز اثر پذیری که از محیط اطراف می پذیرد و حتی قطع شدگی کابلهای اتصال را در پی دارند اما با پیشرفت های انجام شده در زمینه DSP می توان از روشهای کنترل سرعت بدون حسگر سرعت و موقعیتی که مبتنی بر مشاهده گرها باشند استفاده کرد در این روش کنترلی تنها محدودیت موجود داشتن DSP با فرکانس نمونه برداری بالا می باشد امروزه می توان از DSP هایی با زمان نمونه برداری کمتر از 100^( μs) نیز استفاده کرددر همین راستا در این پایان نامه هدف پیاده سازی روش کنترل برداری بدون حسگر سرعت مبتنی بر مشاهده گر می باشد در فصل اول ماشینهای شار محور و انواع آن و مدارهای معادل الکتریکی آن معرفی می شود در فصل دوم با انواع روشهای کنترل برداری بدون حسگر سرعت آشنا شده و در فصل سوم به معرفی کلی مشاهده گر فیلتر کالمن بسط یافته پرداخته می شود و در نهایت شبیه سازی ها و نتایج پیاده سازی انجام شده در فصل چهارم در محیط MATLAB انجام می شود

فهرست: 
فصل اول 
1-1) ساختار ماشین های مغناطیسی شار محور 1 
1-1-1) انواع ساختار استاتور: 1 
1-1-1-1) استاتور با قطب برجسته: 1 
1-1-1-2) استاتور با سیم پیچی توزیع شده: 2 
1-1-1-3) استاتور هسته دار و بدون هسته: 3 
1-1-1-4) استاتور شیاردار و بدون شیار: 3 
1-1-2) انواع ساختار روتور:4 
1-1-2-1) روتور هایی با مگنتهای سطحی 4 
1-2) توپولوژی ماشین های مغناطیس دائم شار محور: 6 
1-3) جنس مواد مغناطیسی بکار رفته درPM ها: 6 
1-4) کاربرد ماشین های AFPM : 7 
1-5) مزایا و معایب ماشین های AFPM: 7 
1-6) مدارهای مغناطیسی ماشین های AFPM: 8 
1-7) روابط حاکم بر ماشین های مغناطیس دائم شار محوری: 11 
1-8) تحلیل مداری ماشین های الکتریکی مغناطیس دائم: 17 
1-9) مدار معادل الکتریکی ماشین های مغناطیس دائم شار محور بدون تلفات هسته: 26 
1-10) عملکرد حالت ماندگار ماشین های AFPM همراه با تلفات هسته در مختصات dqo : 29 
1-11) مقایسه ماشین های شار محور با ماشین های شار شعاعی: 31 
1-12) جمع بندی: 34 
فصل دوم 
2-1) کنترل برداری حلقه باز شار برای تخمین سرعت با استفاده از جریانها و ولتاژهای استاتور: 36 
2-2) تخمین موقعیت روتور با استفاده از شارهای پیوندی استاتور : 48 
2-3) کنترل برداری همراه با تخمین موقعیت مبتنی بر هارمونیک سوم ولتاژ فازهای استاتور: 50 
2-4) کنترل برداری بدون حسگر موقعیت مبتنی بر ولتاژ ضد محرکه الکتریکی: 57 
2-5) مشاهده گر ها: 62 
فصل سوم 
3-1) روند کلی فیلتر کالمن بسط یافته: 74 
3-2) بکار گیری EKF در AFPM با توزیع شار سینوسی و بدون تلفات هسته: 75 
3-3) بکار گیری EKF در AFPM با توزیع شار سینوسی و با تلفات هسته: 86 
3-4) جمع بندی: 92 
فصل چهارم 
4-1) درایو کنترل جریان و سرعت ماشین شار محوری در مختصات روتور : 93 
4-2) نتایج شبیه سازی : 96 
4-2-1) موتور AFPM بدون اثر تلفات هسته: 96 
4-2-2) موتور AFPM همراه با تلفات هسته: 101 
فصل پنجم 
نتیجه گیری و پیشنهادات: 111 
مراجع 113 
Abstract 115 

 

بررسی پدیده مغناطیس‌زدایی در دو نوع ماشین مغناطیس دائم شار محوری و شار متقاطع

چکیده

استفاده از مغناطیس های دائم در ماشین های الکتریکی، سبب حذف تلفات اهمی بخش تحریک ماشین و به دنبال آن افزایش راندمان می گردد. از سوی دیگر استفاده از PM ها نه تنها ساختار ماشین را ساده و مستحکم می نماید وزن و حجم ماشین را کاهش و در نتیجه نسبت توان (گشتاور) به وزن (حجم) ماشین را افزایش می دهد. به هر حال از آن جهت که مغناطیس های دائم نقش اساسی در ساختار ماشین دارند، کوچکترین تغییر در مشخصه مغناطیسی آنها، احتمال بروز اختلال در عملکرد ماشین را به دنبال خواهد داشت. یکی از پدیده هایی که خواص PM را تغییر می دهد، پدیده مغناطیس زدایی است. این پدیده، وابسته به شدت و ضعف آن، با تغییر دامنه و شکل موج ولتاژ القایی، مشخصه عملکردی ماشین را تغییر خواهد داد. با وجود اهمیت بسیار زیاد این مساله، طراحی ماشین های PM همچنان بدون در نظر گرفتن این پدیده و تاثیرات آن انجام می گیرد. در این پایان نامه، تکنیک طراحی و مدلسازی کلاسیک ماشین های مغناطیس دائم با منظور کردن پدیده مغناطیس زدایی اصلاح و الگوریتم پیشنهادی روی یک موتور مغناطیس دائم شار محوری نمونه پیاده سازی شده است. نتایج بدست آمده از شبیه سازی نشان می دهند چنانچه طراحی و مدلسازی بر مبنای روش کلاسیک انجام شود، مشخصه های عملکردی بدست آمده برای ماشین همراه با خطا خواهد بود، به گونه ای که شاید ماشین خواسته های عملکردی مورد انتظار را نتواند به درستی برآورده نماید. علاوه بر این، نتایج این گزارش نشان می دهند زمانی که امکان محدود نمودن جریان آرمیچر وجود ندارد، استفاده از دمپر در ساختار موتور شار محوری در رژیم گذرایی می تواند تا حد قابل توجهی از شدت بروز این پدیده بکاهد. علاوه بر این نشان داده می شود که می توان بجای صرف هزینه و وقت جهت اصلاح ساختار ماشین هایی نظیر موتور مغناطیس دائم شار محوری، از ماشین های PM دیگر با قدرت یکسان و کاربری مشابه که احتمال بروز این پدیده در آنها بسیار کمتر است استفاده کرد. موتور قطب چنگالی بررسی شده در این پایان نامه یکی از انواع ماشین های مغناطیس دائم شار متقاطع با ساختاری مقاوم در برابر مغناطیس زدایی است، که می تواند جایگزین مناسبی برای ماشین های شار محوری باشد.

فصل اول- مقدمه 1 
1-1. مقدمه 2 
1-2. مواد مغناطیس دائم 7 
1-2-1. پارامترهای مهم یک مغناطیس دائم 7 
1-2-2. دسته¬بندی مواد مغناطیس دائم 8 
1-2-3. روش¬های ساخت مواد مغناطیس دائم 11 
1-2-4. منحنی مغناطیس¬زدایی مواد مغناطیس دائم 13 
1-3. پدیده مغناطیس¬زدایی 14 
1-4. جمع¬بندی فصل 16 
فصل دوم- سابقه پژوهشی موضوع پایان¬نامه 17 
2-1. مقدمه 18 
2-2. تعیین محدوده بروز مغناطیس¬زدایی در ماشین¬های الکتریکی 18 
2-3. بررسی پدیده مغناطیس¬زدایی به روش تحلیلی 19 
2-4. روش¬های ریاضی برای توصیف رفتار بازگشتی ماده NdFeB 21 
2-4-1. مدل خطی 22 
2-4-2. مدل چندجمله¬ای 23 
2-5. خطای اتصال کوتاه و پدیده مغناطیس¬زدایی 26 
2-6. مطالعه تاثیر پدیده مغناطیس¬زدایی بر روی مشخصه¬های ماشین 27 
2-7. راه¬کارهای ارائه شده جهت کاهش احتمال بروز پدیده مغناطیس¬زدایی 29 
2-8. جمع¬بندی فصل 36 
فصل سوم- معرفی ماشین مغناطیس دائم شار محوری نمونه 37 
3-1. مقدمه 38 
3-2. ساختار موتور مغناطیس دائم شار محوری 38 
3-3. فرآیند طراحی موتور AFPM 40 
3-4. موتور مغناطیس دائم شار محوری طراحی شده 44 
3-5. مدلسازی موتور مغناطیس دائم شار محوری طراحی شده 47 
3-6. جمع¬بندی فصل 51 
فصل چهارم- اصلاح الگوریتم مدلسازی موتور مغناطیس دائم شار محوری با در نظر گرفتن پدیده مغناطیس¬زدایی 52 
4-1. مقدمه 53 
4-2. الگوریتم طراحی و مدلسازی پیشنهادی با در نظر گرفتن مغناطیس¬زدایی 54 
4-3. پیاده¬سازی الگوریتم پیشنهادی روی ماشین نمونه 56 
4-4. مقایسه نتایج بدست آمده از مدلسازی ماشین نمونه با در نظر گرفتن پدیده مغناطیس-زدایی و بدون در نظر گرفتن آن 60 
4-5. جمع¬بندی فصل 62 
فصل پنجم- بررسی پدیده مغناطیس¬زدایی در موتور مغناطیس دائم شار محوری در شرایط عملکردی خاص 63 
5-1. مقدمه 64 
5-2. پدیده مغناطیس¬زدایی در حالت مدار باز 64 
5-3. پدیده مغناطیس¬زدایی در شرایط اتصال کوتاه سه فاز 64 
5-4. تغییرات شدت مغناطیس¬زدایی به ازای بارگذاری¬های 71 
5-5. خارج کردن روتور از استاتور و تاثیر آن بر روی مغناطیس¬های دائم 71 
5-6. بررسی ساختازهای مختلف دمپر و عملکرد آن¬ها در کاهش پدیده مغناطیس¬زدایی 72 
5-6-1. ساختار شماره 1 72 
5-6-2. ساختار شماره 2 74 
5-6-3. ساختار شماره 3 76 
5-7. تعیین مقاومت اتصال کوتاه بهینه در زمان توقف اضطراری با در نظر گرفتن پدیده مغناطیس¬زدایی 77 
5-8. جمع¬بندی فصل 81 
فصل ششم- بررسی پدیده مغناطیس¬زدایی در موتور مغناطیس دائم شار متقاطع قطب چنگالی 82 
6-1. مقدمه 83 
6-2. موتور مغناطیس دائم شار متقاطع 83 
6-3. موتور مغناطیس دائم شار متقاطع طراحی شده 84 
6-4. نتایج بدست آمده از تحلیل مغناطیس¬زدایی 87 
6-4-1. پدیده مغناطیس¬زدایی در حالت مدار باز 89 
6-4-2. پدیده مغناطیس¬زدایی در حالت بی¬باری 90 
6-4-3. پدیده مغناطیس¬زدایی در حالت بار کامل 91 
6-4-4. پدیده مغناطیس¬زدایی در حالت روتور قفل شده 93 
6-4-5. خارج کردن روتور از استاتور و تاثیر آن بر روی مغناطیس¬های دائم 95 
6-5. جمع¬بندی فصل 96 
فصل هفتم- نتیجه‌گیری و پیشنهادات 97 
7-1. نتیجه‌گیری 98 
7-2. نوآوری¬های کار انجام شده 99 
7-3. پیشنهاداتی جهت تکمیل و ادامه کار 99 
مراجع 101 

————————————————————————————————————————————–

برای دریافت فایل بر روی لینک زیر کلیک نمایید.

تومان49,000 تومان35,000افزودن به سبد خرید

————————————————————————————————————————————–