طراحي، بهينه سازي و تحليل اجزاي محدود موتور سنكرون آهن رباي دايم نوع ديسكي

Design, Optimization, and Finite Element Analysis of a Disk-Type Permanent Magnet Synchronous Motor

اين مقاله به طراحي تحليلي، بهينه سازي و شبيه سازي به روش اجزاي محدود يك موتور سنكرون آهن رباي دايم از نوع شارمحور با سرعت بسيار بالا مي پردازد. اين موتور داراي توان نامي تقريبي نيم اسب بخار و سرعت 60.000 دور بر دقيقه بوده كه در برخي از كاربردهاي صنعتي خاص مورد استفاده قرار مي گيرد. بر حسب مشخصات نامي مورد نظر براي موتور با استفاده از روابط تحليلي طراحي موتورهاي سنكرون آهن رباي دايم، محاسبات اجزاي مختلف موتور شامل مشخصات ابعادي، مغناطيسي و جنس مواد با جزئيات كامل تشريح مي شوند. در ادامه و با توجه به كاربرد خاص اين موتور كه در آن دست يابي به گشتاور مورد نياز با حداقل جريان و تلفات مسي مورد نظر است، ابعاد و مشخصات موتور به روش بهينه سازي و با استفاده از الگوريتم ژنتيك و با تابع هدف نسبت گشتاور به جريان تعيين مي گردند. الگوريتم بهينه سازي، مقادير بهينه فاصله هوايي، چگالي شار آهن رباي دايم، چگالي جريان خطي و تعداد دورهاي سيم پيچ استاتور را تعيين مي كند. جهت صحه گذاري طراحي هاي تحليلي و بهينه سازي انجام شده، مدل اجزاي محدود سه بعدي موتور در نرم افزار ماكسول ايجاد مي گردد و عملكرد موتور تحت شبيه سازي هاي مگنتواستاتيك و گذرا بررسي مي گردد. نتايج به دست آمده از شبيه سازي اجزاي محدود بر نتايج طراحي تحليلي صحه مي گذارند. همچنين اين نتايج بر موثربودن روش بهينه سازي ارائه شده بر كاهش تلفات اهمي دلالت دارند و تطابق بسيار مناسبي بين نتايج هر دو روش تحليل براي مقادير به دست آمده گشتاور، بهره موتور و چگالي شار وجود دارد.

This paper proposes to design، optimization and finite element simulation of an axial-flux، super-high speed، permanent magnet motor. The target motor with 0.5 hp rated power at speed of 60،000 rpm is used in a special industrial application. Based on nominal specifications of the motor and using analytical relations of motor design، the design calculations، sizing and motor dimensions are investigated. Due to special application of the target motor that needs to the demanded torque with minimum current and copper losses، the dimensions and design specifications of motor is optimized via genetic algorithm based on a torque per ampere cost function. Optimization algorithm determines the optimum value of airgap، permanent magnet flux density، current density and turns number of stator windings. To demonstrate of analytical design and optimization results، using 3-D model of motor in Maxwell software، finite element analysis are carried out in Magneto-static and Transient modes. The FEM simulation results confirm the analytical design results. Moreover، they show the significant reduction in RMS current and copper loss at rated torque. There is a good agreement between the values of torque، motor efficiency، and flux density resulted from both methods.