آموزش و آنالیز در نرم افزار ماکسول (بر پایه المان محدود)

در شکل زیر مشخصه جریانهای فاز موتور نشان داده شده است. به علت تعداد فازهای پنج گانه در مقایسه با حالت مرسوم سه فاز و همچنین نوع طراحی بکار رفته، این ساختار دارای قابلیت تحمل خطای بیشتری نسبت ساختارهایی با سیم پیچی سه فاز می باشد.

در این پست شبیه سازی یک موتور BLDC با توان 7.5 کیلووات با سرعت 750 دور بر دقیقه را مورد بررسی قرار می دهیم. در شکل زیر مدل دوبعدی این موتور در نرم افزار ماکسول نمایش داده شده است.

استاتور در این موتور مشابه با استاتور موتور القایی بوده و دارای شیارهایی نیمه بسته به شکل ذوزنقه ای است که دو لایه سیم پیچی را در خود جای داده است. وجود هشت آهنربا در سطح داخلی روتور به خاطر تعداد قطبهای موتور می باشد. آهنرباها نزدیک به محیط خارجی روتور و در نزدیکی شکاف هوایی قرار داده شده اند، به صورتیکه فضاهای داخلی که آهنرباها را در خود جای داده اند، با یک پل فی باریک از هم جدا می شود. برای داشتن گشتاور دندانه ای در کمترین سطح و همچنین ریپل پایین در گشتاور خروجی موتور باید به عواملی مانند فاصله آهنرباها از سطح خارجی روتور، پهنای پل فی جداکننده فضاهای تعبیه شده از هم و همچنین شکل و محل قرارگیری این فضاها دقت کافی مبذول گردد، ضمن اینکه باید به جهت مغناطیسی شدن آهنرباها هم توجه ویژه ای بشود. در شکل زیر مشخصه گشتاور خروجی موتور نمایش داده شده است.

این مشخصه مربوط به نقطه کار نامی موتور مذکور می باشد که با توجه به پیک تو پیک گشتاور و متوسط گشتاور در شکل، مشخصه مذکور دارای 14.2 درصد ریپل گشتاور می باشد که برای این موتور مقدار خوبی است. در ادامه شکل موج جریانهای سه فاز و اندوکتانس های خودی فازهای موتور نشان داده شده است.

اما شاید علاقه مند به مشاهده مشخصه گشتاور دندانه ای در این موتور باشیم. برای بدست آوردن این مشخصه همان طور که می دانیم باید به سیم پیچها تحریک صفر اعمال شود و موتور در سرعت بسیار کمی چرخانده شود، ضمن اینکه از سطح مش بندی بیشتری در ابعاد موتور خصوصا در شکاف هوایی و نقاط باریک نسیت به شبیه سازی گذرا در حالت عادی باید استفاده کرد. در شکل زیر این مشخصه نمایش داده شده است.

برای بدست آوردن گشتاور دندانه ای در چنین سطحی می توان از تحلیل پارامتری متغیرهای مختلف مربوط به آهنرباها و روتور در محیط دوبعدی استفاده کرد. با بررسی حالتهای نسبتاً زیاد می توان حالت بهینه را پیدا کرد.

خوب این هم از مطلب امروز. امیدوارم که برای شما دوستداران طراحی موتور و علاقه مندان دیگر مفید واقع شود.

با در اختیار داشتن ابعاد و مشخصات موتور چون توان خروجی و سرعت نامی، یک نمونه اولیه از موتور در قسمت RMX نرم افزار ماکسول شبیه سازی شده و بعد از اصلاح تعدادی پارامترها و تنظیم نقطه کار موتور، مدل دو بعدی از موتور موردنظر در نرم افزار ماکسول ایجاد می شود. عملکرد مدل دو بعدی یکبار با ساختار اصلی و بار دیگر با ساختار روتور تغییر شکل داده شده بررسی می گردد.

برای اندازه گیری ریپل گشتاور همانند آزمایش قبل عمل می کنیم. با اندازه گیری این دو مقدار و محاسبه ریپل، مقدار ریپل 43.39 درصد بدست می آید. با مقایسه نتایج با آزمایش قبلی مشخص می شود که ریپل گشتاور به میزان 9.7 درصد کاهش یافته است.

همان طور که ملاحظه می شود مقدار ماکزیمم و مینیمم گشتاور نسبت به حالت قبلی اندکی کاهش یافته و شکل موج متراکم تر شده است. باید توجه داشت که کاهش نقاط ماکزیمم و مینیمم گشتاور کوگینگ و شکل آن بر ریپل گشتاور دینامیک موتور اثر مستقیمی دارد. با طراحی بهینه مکان و پهنای شکاف های موردنظر روی سطح روتور می توان گشتاور کوگینگ و در نتیجه ریپل گشتاور دینامیک موتور را کنترل کرد.

موتور BLDC یک نوع موتور سنکرون آهنربا دائم است که دارای سیم پیچی های توزیع شده در ( شیارهای) استاتور است. روتور بدون سیم پیچی و دارای آهنرباهای دائم در سطح داخلی یا خارجی خود می باشد. این آهنرباها میدان مغناطیسی دائم در شکاف  هوایی ایجاد می کنند و از تقابل میدان حاصل از این آهنرباها و میدان استاتور گشتاور در موتور حاصل می شود.
 در این موتور بجای استفاده از کموتاتور و جاروبک که در موتور DC معمول است، از سوئیچ های الکترونیکی و سنسورهای تشخیص موقعیت روتور برای هدایت جریان در سیم پیچی های استاتور استفاده می  شود. در حالت کلی نیاز به دانستن لحظه ای موقعیت روتور در موتور BLDC نیست و تنها دانستن شش لحظه زمانی کفایت می کند، بنابراین برخلاف موتور PMSM نیاز به سنسور موقعیت با دقت بالا ندارد.
تعداد شیارهای استاتور و تعداد قطبها  به عواملی چون ابعاد موتور، مشخصات توان و گشتاور نامی، نوع شیار و نوع آرایش قطب در موتور بستگی دارد. دو نوع معمول آرایش قطب به صورت داخلی (جاسازی شده در روتور) و خارجی (روی سطح بیرونی روتور) می باشد. جنس ماده آهنربا دائم می تواند آلنیکو، سرامیک، ساماریوم کبالت و نئودیوم آهن بور باشد که البته مشخصات مغناطیسی این مواد و قیمت آنها متفاوت است و اینکه از کدام یک استفاده شود بستگی به کاربرد موردنظر و هزینه در دسترس برای تهیه آن دارد.
این موتور با مزایایی چون بازده زیاد، ساختار ساده، قابلیت اطمینان بالا، نویز پایین و نیاز به تعمیر و نگهداری کم شناخته می شود.

این نرم افزار از سه قسمت اصلی تشکیل شده است:

1. محیط طراحی ساده و اولیه در قسمت "RMxtp "

در این قسمت شما می توانید به طراحی اولیه انواع موتورها (و ژنراتورهای) الکتریکی بپردازید. رویه طراحی به این شکل است که بعد از انتخاب ماشین الکتریکی موردنظر، با در اختیار داشتن ابعاد موردنظر برای طراحی ماشین و وارد کردن مقدار آنها در فیلدهای مربوطه، یک هندسه اولیه از ماشین موردنظر ابجاد می شود. شما می توانید قسمتهای مختلف ماشین مانند استاتور، روتور، سیم پیچی ها و . را مشاهده کنید و در صورت نیاز ابعاد و شکل بندی آنها را تغییر بدهید. برای مشاهده منحنی ها، صفحه مشخصات و عملکردهای مختلف چون راه اندازی، بی باری و بار کامل لازم است یک ستاپ (Setup)  برای آنالیز ماشین موردنظر انتخاب شود. بعد از ایجاد ستاپ موردنظر باید اعتبارسنجی یا درستی طراحی شما توسط نرم افزار سنجیده شود. این کار را می توان توسط دکمه " Validate " در بالای صفحه انجام داد. بعد از انجام این کار در صورتی که طراحی شما مشکلی نداشته باشد و همه مقدارها را درست وارد و تنظیم کرده باشید، صفحه اعتبارسنجی طراحی باز خواهد شد و با تیک های سبزرنگ در جلوی هر قسمت، درستی طراحی شما نمایش داده خواهد شد. دقت کنید که باید تمام تیکها به رنگ سبز باشد. در صورتیکه تیک مربوط به هر قسمت از طراحی شما سبز نبود باید به قسمت موردنظر مراجعه و با بررسی دقیق مشکل موردنظر را برطرف کنید.

بعد از انجام مرحله اعتبارسنجی، نویت به آنالیز طراحی انجام شده می رسد. این کار با فشرن دکمه " Analyse all" در بالای صفحه ( که به شکل علامت تعجب است) صورت می گیرد. بعد از انجام این کار آنالیز موردنظر انجام شده و نتایج برای مشاهده در خروجی نرم افزار ایجاد می شود. برای مشاهده نتایج باید به قسمت " Curve " در بالای صفحه مراجعه کنید. در این قسمت می توانید مشخصات و منحنی های مختلفی چون ولتاژ، جریان ، بازده و . را مشاهده کنید و همچنین عملکردهای مختلف ماشین را بررسی و ملاحظه کنید. در قسمت صفحه مشخصات مقدارهایی که شما برای طراحی از آنها استفاده کردید و همچنین خروجی هایی که موتور آنها را محاسبه کرده است (چون بازده، گشتاور، سرعت و .) به صورت عددی نمایش داده شده است.

به هر حال باید توجه کرد که محیط " RMxtp " یک محیط ساده و با کاربری آسان برای بررسی عملکرد ماشین الکتریکی است که با استفاده از معادلات ریاضی طراحی شده توسط نرم افزار، به آنالیز ماشین موردنظر می پردازد و  در کسری از ثانیه نتایج را ایجاد می کند. برای بررسی دقیق و آنالیز پیشرفته ماشین الکتریکی موردنظر باید از محیط دوبعدی و سه بعدی نرم افزار استفاده کرد.


2. محیط طراحی دوبعدی

در این قسمت می توان طراحی دقیق و مناسبی در دو بعد از ساختار موردنظر ایجاد کرد، آنالیزهای مختلفی بر روی نمونه اولیه انجام داد و همچنین به بهینه سازی طرح موردنظر اقدام کرد. در این محیط با استفاده از ابزارهای رسمی که در اختیار کاربر قرار داده می شود، می توان مدلی دوبعدی با طول و عرض مشخص روی صفحه ایجاد کرد و با تحلیل آن پرداخت. در حالت تحلیل گذرا می توان عمق مدل رو تنظیم کرد ولی در حالت استاتیک تمام محاسبات توسط نرم افزار بر عمق یک متر انجام می شود که سپس باید بر حسب عمق مدل خود از یک ضریب تبدیل برای اصلاح عمق مدل استفاده کرد. مدت زمان لازم برای انجام آنالیز  به عواملی مانند مشخصات PC یا لپ تاپ شما، ابعاد ساختار اولیه، نوع آنالیز، مش بندی فیزیکی ساختار و دقت استپ موردنظر برای انجام شبیه سازی بستگی دارد.

3. محیط طراحی سه بعدی

در صورتی که نیاز به شبیه سازی بسیار دقیق و با دقت بالایی از ساختار موردنظر باشد، در حالت سه بعد می توان ساختار حجمی و کاملی از نمونه اولیه را ایجاد کرد و مانند حالت دو بعدی به شبیه سازی و آنالیز آن پرداخت. معمولاً مدت زمان زیادی برای انجام شبیه سازی در سه بعد لازم است (با عنایت به عوامل تاثیرگذار مطرح شده در حالت دو بعدی)، بنابراین در صورتی که بتوان از تقارن در ابعاد حجم موردنظر استفاده کرد و ساختار حجمی نمونه اولیه را کاهش داد،   می توان سرعت انجام آنالیز نمونه اولیه را بالا برد و نتایج را در مدت زمان کمتری بدست آورد.

تصویری از محیطهای مختلف طراحی در نرم افزار ماکسول: