دراسة تصميم الآلة الكهربائية من حيث النموذج الأولي

الغاية من دراسة تصميم آلة كهربائية باستخدام النموذج الأولي

في السابق وباستخدام التجارب المختلفة؛ فإنه تم تصميم وتحليل محرك (LSPM9) بقوة 7.5 كيلو واط، بحيث يعرض الشكل التالي هيكل المحرك النموذجي ثلاثي الأطوار وثنائي القطب (يتكون كل منهما من ثلاثة أجزاء مغناطيسية)، كما يتكون هيكل هذا النموذج الأولي من (PM) ذات مستطيل الشكل يتم إدخاله في قلب الدوار لمحرك حثي قياسي ثلاثي الطور.

كذلك يكون للعضو الدوار الأمثل ذو الشكل المحدب اتجاه مغنطة شعاعي ويؤثر بشكل كبير على خصائص أداء محرك (LSPM)، بحيث يتكون قفص السنجاب الموجود على الجزء المتحرك من الألمنيوم، كما ويوجد 30 قضيباً موصلاً مع كون (P) هو عدد الأعمدة.

كما أن مادة قلب الجزء الثابت من الفولاذ (s18) وهناك (36) فتحة للجزء الثابت ومادة الأرض النادرة تتكون من “نيوديميوم” الحديد البورون (Nd – Fe – B)، والتي تستخدم في (PM)، بحيث يبلغ عرضها (26) ملم وطولها المحوري حوالي (130) ملم وقوتها القسرية وكثافة التدفق المغناطيسي المتبقي هي [Hc = 890 kA / m] و [Br = 1.23T] على التوالي.

كما يتكون محرك (LSPM) ثنائي القطب بقدرة (7.5) كيلو وات من تكوين ملف موزع ثلاثي الطور أحادي الطبقة، حيث أن عدد الموصلات في الفتحة (24)، وذلك باعتبار الملف الموزع ثلاثي الطور متصل في وضع (Y-delta)، حيث أن هذا النوع من توصيلات اللف ضروري لمعالجة تيار البدء العالي لدائرة المحرك ثلاثية الطور في محرك (LSPM).

كما يبدأ محرك (LSPM) كآلة غير متزامنة من خلال استخدام دوار القفص التعريفي، ويعمل كمحرك متزامن عادي تحت ظروف الحالة المستقرة، بحيث يتميز محرك (LSPM) بتيار بدء عالٍ بسبب الكبح العالي ومكون عزم الدوران النابض الناتج عن (PM)، كما تم تصميم شكل فتحة (PM) والقضبان الدوارة بحيث يجب أن يكون تيار البدء منخفضاً.

وقدر الإمكان ولتجنب ظواهر إزالة المغناطيسية الناتجة عن القوة الدافعة المغناطيسية العكسية (MMF) الناتجة عند درجات حرارة عالية، حيث يعد تحليل خصائص إزالة المغناطيسية أمراً مهماً لتحديد تصميم الدوار الموثوق به، لذلك يعزز هيكل الدوار الفعال بفتحة (PM) المُحسَّنة القدرة المضادة لإزالة المغناطيسية من خلال توفير درع مغناطيسي من خلال التيارات الدوارة في شريط الدوار لمحرك (LSPM)، في ظل ظروف الحالة العابرة.

الأمور التغييرية في تصميم الجزء الدوار للمحركات

يتضمن تعديل التصميم موضع المغناطيس من عمود الدوار وطول المغناطيس وعرضه والفجوة بين فتحات الدوارات والقضبان وحجم وشكل حواجز التدفق وطول الجسور، نظراً لأن (PMs) توفر مجال الإثارة الأساسي؛ فإن ملفات المغناطيسية ليست مطلوبة، بحيث يؤدي هذا إلى زيادة (PF) في حالة الحمل الكامل ويقلل من فقد النحاس تم تحسين تصميم حواجز التدفق.

وبالإضافة الى زاوية الفتحة لأجزاء (PM) الجانبية والمسافة من مركز العمود لتحقيق أعلى ارتباط تدفق لملف الجزء الثابت مع الحد الأدنى من تيار الطور، بحيث يساعد النموذج المغناطيسي الخطي المقطوع على تحسين زاوية فتحة [PM (αm)] والموضع الدقيق (LP) للمغناطيسات داخل قلب الدوار.

وبالتالي؛ فإن (FEM) هي خيار لا مفر منه لتحليل هيكل الدوار الأمثل لمحرك (LSPM) من أجل الحصول على كفاءة عالية و (PF)، بحيث تم تحسين شكل حواجز التدفق وقطاعات المغناطيس عن طريق حساب كثافة تدفق فجوة الهواء (Bg) ومحاثة (EMF) الخلفية و (Ld ،Lq) والكفاءة (η) و (PF) والعزم الكهرومغناطيسي (Te) عند السرعة المقدرة (nr).

النمذجة التحليلية المقترحة لمحرك (LSPM)

تعتبر الطريقة التحليلية ضرورية لتقليل الوقت المطلوب للحساب، خاصة أثناء عملية تحسين التصميم، أولاً تمت دراسة المفاهيم الأساسية لمحرك (IPM) بالتفصيل، كما وتم تطوير نموذج الدائرة المعيارية الخطية المشبعة (LPM) لمحرك (LSPM) باستخدام طريقة تحليلية، وذلك مع مراعاة التشبع المغناطيسي في مناطق مختلفة.

كما يمكن استخلاص (LPM) القائم على الطريقة التحليلية (0-D)، وذلك من أجل موضع دوار ثابت لتكرار دورات الدوار المختلفة التي تتضمن عملية حسابية تكرارية مثل (FEM) للنمذجة وتحسين الأجهزة الكهرومغناطيسية، بحيث يوفر (LPM) المشبع المحسن وسيلة ممتازة لفهم النمذجة الكهرومغناطيسية من أجل تحسين هيكل الدوار المعقد باستخدام معلمات تصميم فعالة.

لذلك؛ فإن تأثيرها خلال المرحلة المتقدمة والتأثير المقابل للجسور وقضبان الدوار، تم صياغته بطريقة التصميم هذه للحصول على الشكل الدوار الأمثل لمحرك (LSPM) مع الحد الأدنى من تسرب التدفق، وذلك من أجل تحسين التحميل المغناطيسي بشكل فعال.

أيضاً يمكن لـ (LPM) المعتمد للنمذجة التحليلية أن يأخذ بعين الاعتبار اتجاه مغنطة واحد فقط من (PM)، و خاصةً في الاتجاه الموازي أو العرضي، وعلى الرغم من أنه محرك (LSPM) من نوع التدفق الشعاعي والمكون الأكثر شيوعاً في كثافة تدفق فجوة الهواء هو عنصر شعاعي بدلاً من مكون عرضي؛ فإنه سيكون المكون المماسي لكثافة تدفق فجوة الهواء هو السائد.

لذلك إذا كان هناك طول فجوة هواء كبير أو متغير كما في حالة التدفق المحوري، وتبديل التدفق في آلات (PM) ذات القطب البارز والنوع المتحدث، كذلك (PM) الخطي المتزامن، لذلك؛ فإن نهج (LPM) المقترح للدوار (LSPM) ذو الشكل المحدب يعتبر فقط المكون الشعاعي الأكثر انتشاراً في كثافة تدفق فجوة الهواء في النموذج التحليلي.

يتم استخدام نموذج (LPM) لتحسين بنية الجزء الدوار المعقدة لمحرك (LSPM) عن طريق حساب المكون الأساسي الفعال لكثافة التدفق المغناطيسي في فجوة الهواء بشكل تحليلي وتحسين شكل الموجة (EMF) الخلفي للتحكم في تدهور المحتويات التوافقية، وعلاوة على ذلك؛ فإنه يتم استخدام (FEM) للتحقق من نتائج مخرجات النموذج التحليلي المقترح.

ولتحديد الشكل الأمثل لفتحة (PM) يوضح الشكل التالي توزيع خطوط التدفق في محرك (LSPM) في حالة عدم التحميل، وهنا يتم النظر في الجزء الثابت السلس، أي حذف تأثير الشق لتطوير نموذج تحليلي بسيط ومفيد خلال مرحلة التصميم المبكرة.

كذلك لا يوجد تشبع في نواب الجزء الثابت والدوار، ويتم إهمال تأثير نفاذيتها من أجل البساطة في الطريقة التحليلية، ومع ذلك لا تزال النتائج تعطي دقة عالية، بحيث يتم إدخال حواجز التدفق غير المغناطيسية لتجنب دائرة قصر مغناطيسية وللتحكم في مغنطة القطبين، كما يظهر نموذج الدائرة المجمعة وفقاً لخطوط التدفق التي تنبأ بها (FEM) في الشكل التالي.

كما يتكون الجزء المتحرك من محرك (LSPM) من طبقة واحدة من قطع المغناطيس الدائم (PM1 و PM2)، كما تشير خطوط التدفق المتنبئ بها عبر (FEM) إلى أنه يمكن فصل كثافة تدفق فجوة الهواء إلى قسمين في حلقة تدفق فوق خطوة قطب مغناطيسية واحدة.

في كل قسم متحمس بواسطة (PM1) كامل ونصف (PM2)، بحيث تظهر نماذج الدوائر المجمعة المقابلة في الشكل التالي (a) و (c)، لذلك تم تبسيط توزيع الشكل الموجي الفعلي لكثافة تدفق فجوة الهواء المعطى بواسطة المنحنى الأول إلى منحنى الثاني عبر نموذج (LPM) في الشكل التالي.