26326

طراحي و بهينه¬سازي ماشين¬هاي الكتريكي آهنرباي دائم شار شعاعي چندتكه در راستاي محور

PhD

مهندسي برق قدرت

1396

1400/12/25

ابوالفضل واحدي

رضا نصيري زرندي

مهندسي برق

تمركز اين رساله بر توسعه بنيادين يك روش طراحي ماشين¬هاي الكتريكي شار شعاعي با هدف بهبود مشخصه¬هاي عملكردي آن¬ها است. روش طراحي موردنظر شامل يك ساختار ويژه تحت عنوان «ساختار چندتكه در راستاي محور» است، كه در آن بخش¬هاي ماشين (به طور ويژه روتور) از تكه-هاي جداگانه¬اي تشكيل شده است كه داراي مشخصات طراحي متفاوت هستند. در اولين قدم مباني مفهومي مربوط به چگونگي بهبود مشخصه شكل موج گشتاور موتور، به عنوان مشخصه عملكردي اصلي موردنظر در اين رساله، معرفي مي¬شود. به دنبال اين بخش يك الگوريتم پايه¬اي براي محاسبه بهينه طراحي اين ماشين¬ها ارائه خواهد شد كه در آن دستيابي به طرح بهينه با صرف هزينه محاسباتي كم و دقت زياد موردنظر است. سپس دو نمونه موتور داراي آهنرباي دائم با اتكا بر ايده مذكور موردمطالعه قرار مي¬گيرند: يك موتور سنكرون آهنرباي سطحي براي كاربرد محركه اتوبوس الكتريكي، و يك نوع موتور سنكرون رلوكتانسي تقويت¬شده با آهنرباي دائم، براي وسايل نقليه توان پايين نظير موتورسيكلت الكتريكي. در مورد نخست علاوه بر بررسي بهبود شكل موج گشتاور، ملاحظات مكانيكي مرتبط با طراحي محور موتور، نظر به تأمين استقامت در مقابل خستگي مكانيكي، موردمطالعه قرار خواهد گرفت. همچنين با استفاده از يك مدل تركيبي عددي- تحليلي عملكرد حرارتي اين موتور محاسبه شده و اطلاعات اوليه مربوط به الزامات سيستم خنك¬كننده آن تعيين مي¬شود. در مورد موتور نوع دوم (طراحي توان پايين) نيز به بهبود شكل موج گشتاور، افزايش بهره¬وري استفاده از مواد مغناطيس دائم، و بهبود ضريب قدرت موتور در قياس با انواع متداول ماشين¬هاي رلوكتانسي تقويت‌شده و با آهنرباي دائم پرداخته مي¬شود. در پايان يك نمونه از موتور تركيبي رلوكتانسي- آهنرباي دائم ساخته شده و اندازه¬گيري¬هاي آزمايشگاهي با هدف سنجش اعتبار نتايج تئوري انجام مي¬شود. درنهايت نشان داده مي¬شود كه ساختار چندتكه در راستاي محور ظرفيت مناسبي براي بهبود طيف وسيعي از مشخصات عملكردي ماشين¬هاي شار شعاعي دارد. و محاسبه بهينه آن با الگوريتم پيشنهادي در اين رساله به‌سادگي امكان¬پذير است.

1401/01/22

Design and Optimization of Axially-Segmented Radial Flux Permanent Magnet Machines

3/16/2023 12:00:00 AM

According to the special role of electrical machines in advanced technologies such as renewable energy, transportation, etc. their design issue has been always an important research subject. This thesis focuses on the fundamental development of design methodology dedicated to radial flux electrical machines to improve their performance characteristics. The studied methodology includes a specific configuration named “axially segmented configuration,” in which the rotor is constructed by segments with different design parameters. As the first step, the basic concept of torque profile improvement will be introduced. Following that, a design algorithm will be proposed for the optimal calculation of such designs. Then, a surface permanent magnet (PM) synchronous motor for an electric bus, and a novel PM-assisted synchronous reluctance motor for light vehicles will be investigated. Besides the torque profile improvement, the mechanical design considerations, regarding the mechanical fatigue strength, will be studied for the first case. Moreover, its thermal performance will be evaluated via a hybrid numerical-analytical model, so that its cooling requirements will be determined. For the second case, i.e. low power design, the results for torque profile improvement, as well as PM utilization and power-factor enhancements will be addressed. Finally, a prototype will be provided and the experimental measurements will be carried out to verify the theoretical results of the thesis. It will be illustrated that the axially segmented configuration of electrical machines is significantly capable to enhance various performance characteristics of the machine.

ماشين¬هاي شار شعاعي , ساختار چندتكه در راستاي محور , ماشين آهنرباي دائم , شكل موج گشتاور الكترومغناطيسي , بهره¬وري مواد مغناطيس دائم

Radial flux machines , axially segmented configuration , PM machine , electromagnetic torque profile , PM utilization

Amin Nobahari

Abolfazl Vahedi