16224

16224

طراحي و تحليل چرخ دنده مغناطيسي دولايه قوسي مبتني بر تقويت و بهبود چگالي گشتاور انتقالي

دكتري

برق قدرت

مهرماه 1395

دكتر حسين حيدري

برق

چرخ دنده مغناطيسي به‌عنوان وسيله¬اي براي تطبيق سرعت و گشتاور در كاربردهاي مختلف به دليل برخورداري از برتري¬هاي فراوان در مقايسه با چرخ دنده¬هاي مكانيكي، در سال‌هاي اخير موردتوجه و بررسي قرارگرفته است. در اين رساله به بررسي و مدل‌سازي ساختار جديدي از چرخ دنده مغناطيسي با نام چرخ دنده مغناطيسي دولايه قوسي مورد بررسي قرار مي¬گيرد. اين ساختار با به‌كارگيري و تركيب دو ساختار شار محوري و شار شعاعي پيشنهاد ¬گرديده است. از همين رو ابتدا به معرفي مفهوم ساختارهاي شار محور و شار شعاعي در چرخ دنده مغناطيسي پرداخته، سپس مشخصات عملكردي به‌ويژه گشتاور چرخ دنده، استخراج و مورد تحليل قرار مي¬گيرد. به‌منظور صحت سنجي نتايج حاصل از تحليل عددي المان محدود و نيز ارائه مدلي كه بتواند مطالعات ديناميكي و استاتيكي را با سرعت‌بالاتري پردازش نمايد، مدل تحليلي مبتني بر معادلات لاپلاس و پواسون با استفاده از روش ناحيه بندي در نواحي مختلف چرخ دنده¬ معرفي مي¬گردد. مدل مذكور به دليل برخي ساده‌سازي‌ها از دقت لازم براي تصميم-گيري در فرايندهاي طراحي برخوردار نبوده لذا روشي جديد بنام روش تحليلي شبه سه‌بعدي بهبوديافته، با تركيب روش‌هاي عددي المان محدود و روش تحليلي، معرفي مي¬گردد. براي نشان دادن قدرت روش پيشنهادي، روش¬هاي مورب سازي به‌منظور بهبود گشتاور دندانه¬اي چرخ دنده موردمطالعه قرارگرفته و نتايج با روش المان محدود مقايسه گرديده است. در ادامه در يك مطالعه موردي، به‌منظور بهبود رفتار چرخ دنده شار شعاعي از توده ابررسانا، براي مدوله سازي شار مغناطيسي در فواصل هوايي و خاصيت شيلد مغناطيسي آن استفاده‌شده و نتايج المان محدود با مدل تحليلي چرخ دنده مغناطيسي ابررسانايي مقايسه شده است. درنهايت با تكيه‌بر روابط و مدل‌هاي ارائه‌شده و نيز اطمينان حاصل‌شده از توانايي آن‌ها، ساختار دولايه قوسي معرفي و نحوه عملكرد آن به تشريح ارائه گرديده و مدل تحليلي شبه سه‌بعدي براي آن استخراج گرديده است. نتايج خروجي اين ساختار به‌وضوح از برتري آن نسبت به مدل‌هاي موجود خبر مي¬دهد. طرح مذكور به‌منظور به‌كارگيري در يك نيروگاه بادي نوعي با ژنراتور شار محوري، مورد طراحي و بهينه‌سازي قرارگرفته است. اثر مواد آهنربايي مختلف به‌عنوان اصلي‌ترين ماده هزينه‌بر در چرخ‌دنده‌هاي مغناطيسي و نيز تلفات بررسي گرديده است. درنهايت نتايج رساله، مورد تحليل و مقايسه قرارگرفته و دستاوردها و چالش¬ها و نيز فرصت‌هاي پيش رو براي ادامه مسير بيان گرديده است. واژه¬هاي كليدي: چرخ دنده مغناطيسي، روش المان محدود، روش تحليلي، روش تحليلي شبه سه‌بعدي، دولايه قوسي، شار محوري، شار شعاعي، گشتاور، چگالي گشتاور، ميدان مغناطيسي.

1395/10/14

1/1/1900 12:00:00 AM

The concept of magnetic gears (MGs) as a tool for matching speed an​d torque, have superior advantages than mechanical gears an​d get a great attention in recent years. In this thesis, a new structure of MG named arcuate double sided MG (ADSMG) is introduced an​d modelled. This structure is inspired by two axial flux an​d radial flux topologies. Thus, at first, the concept of axial flux an​d radial flux structures are introduced an​d then the operational specifications, especially torque of MG, will be extracted an​d analyzed. In order to validate the results of finite element method (FE) numerical analysis an​d introduce a model to process the static an​d dynamic studies, an analytical model based on Laplace an​d Poisson’s equations using sub-domain technique will be introduced. This model don’t have enough accuracy for decision-making in the design process due to the some simplifications. So a new method named improved quasi 3-D analytical method inspired by combination of numerical FEM an​d analytical method, is introduced. To demonstrate the power of the proposed method, skew methods are studied to reduce cogging torque. Results are compared with the 3-D FEM. Then in a case study, in order to improve the gear’s specifications, bulk superconductor is applied to modulate magnetic flux in air gaps an​d using it’s magnetic shield property. Finally, with respect to the introduced relationships an​d models in previous chapters an​d their reliability, the ADSMG structure an​d its performances are presented in details. An IQAM model has been extracted for it. The results of this structure, clearly show its superiority compared to existing models. The model is applied an​d optimized for utilization in a typical wind power project. The effect of different magnetic materials as the most expensive material in MGs an​d corresponding losses are studied. Eventually, results of thesis are analyzed an​d compared. Ahead achievements an​d opportunities to continue the pass are stated. Keywords: magnetic gear, finite element method, analytical method, quasi 3-D analytical method, arcuate double sided, axial flux, radial flux, torque, torque density, magnetic field.