عنوان

طراحی بهبودیافته و تحلیل حرارتی موتور آهن‌ربا دائم شار محور با روتور درونی به روش المان‌محدود,‮‭IMPROVED DESIGN AND THERMAL ANALYSIS OF INTERIOR ROTOR AXIAL FLUX PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MACHINE USING FINITE ELEMENT METHOD‬

Number

‭۲۰۲۷۲پ‬

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

طراحی بهبودیافته و تحلیل حرارتی موتور آهن‌ربا دائم شار محور با روتور درونی به روش المان‌محدود

Parallel Title Proper

‮‭IMPROVED DESIGN AND THERMAL ANALYSIS OF INTERIOR ROTOR AXIAL FLUX PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MACHINE USING FINITE ELEMENT METHOD‬

First Statement of Responsibility

/داود حبیبی نیا

Name of Publisher, Distributor, etc.

: مهندسی برق و کامپیوتر

Date of Publication, Distribution, etc.

، ‮‭۱۳۹۷‬

Name of Manufacturer

، افشاری

Specific Material Designation and Extent of Item

‮‭۱۷۰‬ص‬

Text of Note

چاپی - الکترونیکی

Text of Note

فاقد کلید واژه لاتین

Dissertation or thesis details and type of degree

دکتری

Discipline of degree

برق قدرت

Date of degree

‮‭۱۳۹۷/۱۰/۰۵‬

Body granting the degree

تبریز

Text of Note

امروزه، ماشین‌صهای شار محور با روتور آهن‌صربا دائم به‌صعلت داشتن بازده و چگالی گشتاور بالا، وزن و حجم پایین و نیز سهولت کنترل، در مقایسه با سایر موتورها، برای بسیاری از کاربردها به‌صویژه کاربردهایی با محدودیت فضای طولی، مورد علاقه طراحان، محققان و سازندگان موتورهای الکتریکی قرار گرفته‌صاند .این موضوع با افزایش قابلیت دسترسی به مواد آهن‌صربای دائم و بهبود روش‌صهای کنترل بدون حس‌صگر این ماشین‌صها اهمیت بیش‌صتری پیدا می‌صکند .در این رساله ساختار روتور درونی و استاتور با هسته فروصمغناطیس مورد استفاده قرار گرفته و فرآیند طراحی بهینه موتور آهن‌صربا دائم شار محور با استفاده از یک تابع چند هدفی و روش جستجو در قالب یک برنامه بهینه‌صسازی در محیط برنامه نویسی ‮‭MATLAB‬ انجام شده‌صاست .در انجام این بهینه‌صسازی توجه زیادی به انتخاب شیارصبرصقطب‌صبرصفاز) ترکیب شیار و قطب (و نیز طراحی نوع سیم‌صپیچی شده‌صاست .در ضمن تحلیل حساسیت هریک از پارامترهای خروجی ماشین طراحی‌صشده، به پارامترهای طراحی و نیز تاثیر انتخاب هریک از توابع هدف بر روی سایر مشخصه-های ماشین، مورد بررسی قرار گرفته‌صاست .نکته حائز اهمیت دیگر در ارتباط با این رساله، استفاده از توابع هدف متفاوت در تشکیل تابع هدف اصلی است .نتیجه نهایی طراحی بهینه هم به‌صصورت نتایج تابع هدف اصلی و هم نتایج هریک از توابع هدف منفرد ذخیره‌صشده‌صاست .حاصل این فرایند بهینه‌صسازی معرفی پنج طرح برای موتور مشخص است که در بخش بعدی باید توسط تحلیل المان‌صمحدود مغناطیسی تایید شوند .ماشین‌صهای منتخب در بخش طراحی بهینه، توسط تحلیل‌صهای المان‌صمحدود دوصبعدی و سه‌صبعدی در محیط نرم افزار ‮‭Flux‬ بررسی شده و توسط نتایج دقیق این تحلیل‌صها موتور نهایی انتخاب شده‌صاست .این تحلیل‌صها شامل تحلیل‌صهای گذرا و استاتیکی است، که برصاساس این تحلیل‌صها، بسیاری از پارامترهای درونی و عملکردی ماشین مانند تلفات در بخش‌صهای مختلف، گشتاور متوسط و دندانه، توزیع چگالی شار فاصله هوایی، مقاومت‌صها و اندوکتانس‌صهای سیم‌صپیچی ماشین استخراج شده‌صاند .هم‌صچنین تحلیل‌صهایی برای بررسی رفتارهای گذرای ماشین مانند راه‌صاندازی، عملکرد بار نامی و اضافه‌صبار، انجام شده‌صاست .تمام مقادیر به‌صدست‌صآمده توسط تحلیل‌صهای عددی) المان‌صمحدود (با مقادیر محاسباتی توسط معادلات طراحی که در فرآیند بهینه‌صسازی استفاده شده‌صبودند، مقایسه شده‌صاند .درضمن، معادلاتی جهت محاسبه اندوکتانس‌صهای اشباع‌صشده ماشین برصاساس مشخصه‌صهای مغناطیسی مواد هسته استاتور ارائه شده‌صاند تا در فرایند طراحی بتوان مقادیر اندوکتانس‌صهای اشباع‌صشده را نیز محاسبه کرد .درادامه، مدل ماشین منتخب برای اجرای تحلیل حرارتی در محیط نرم افزار ‮‭Flux‬ ایجادصشده و سایر جزئیات مانند محور، بولبرینگ‌صها، پوسته خارجی موتور و دریچه‌صهای هدایت هوا به آن اضافه شده‌صاند .نکته کلیدی در اجرای تحلیل حرارتی به‌صدست‌صآوردن ضرایب همرفت حرارتی سطوح مختلف درونی موتور است .برای این‌صمنظور ابتدا تمام سطوح موتور تفکیک شده و دسته‌صای از تحلیل‌صهای دوصبعدی ‮‭CFD‬ در محیط ‮‭FLUENT‬ انجام شده‌صاند تا مقادیر این ضرایب که وابسته به سرعت سیال هستند، به دست آیند .ضرایب همرفت حرارتی به هرصیک از سطوح مربوطه در محیط ‮‭Flux‬ سه‌صبعدی اعمال‌صشده و تحلیل حرارتی گذرا و حالت دائم برای موتور انجام گرفته‌صاست .در ضمن، مقدار تلفات هسته استاتور برصاساس توزیع غیرصیکنواخت حجمی درصنظرگرفته‌صشده‌ص‍ و به عنوان ورودی به مدل تحلیل حرارتی اعمال شده‌صاست .برای تحلیل حرارتی موتور در شرایط اضافه‌صبار و تعیین استانداردهای مربوط به سیکل‌صهای عملکردی موتور، تحلیل مغناطیسی ماشین منتخب برای حالت بار کامل و چهار حالت مختلف اضافه‌صبار) از ‮‭۲۵‬ تا ( ‮‭۱۰۰‬ انجام شده‌صاست .توان‌صهای تلفاتی به‌صدست-آمده توسط هریک از این تحلیل‌صهای اضافه‌صبار، به عنوان منابع حرارتی، در مدل حرارتی ماشین، درنظر گرفته‌صشده و تحلیل حرارتی گذرا و دائمی بر روی آن‌صها انجام شده‌صاند

Text of Note

‮‭Nowadays, Axial Flux Permanent Magnet Synchronous Machines (AF-PMSM) have become interesting for designers and researchers in many applications, especially those having axial space limitations because of their high efficiency and torque density, small volume, light weight and ease of control, compared to other motors. It is also going to have more important considering increased accessibility of permanent magnet materials and improvement of sensorless control methods. In this thesis, the interior rotor structure with ferromagnetic stator core is selected and the procedure of optimal design of this machine is implemented considering a multi-objective cost function and a search-based method using MATLAB software. The choice of slot per pole per phase (slot/pole combination) and winding design during the optimization procedure have received more attention. Sensitivity analysis of each output parameter of the designed machine to other designing parameters and the effect of selecting each individual cost function on the other machine characteristics are also studied. Another important feature of this work is using different cost functions to form the main cost function so that the final results of the optimal design are recorded for both main cost function and individual cost functions. The final result of this optimization procedure suggested ۵ combinations of designs parameters for a certain motor to be validated by magnetic finite element analysis in the next section. The motor was analyzed using ۲D and ۳D finite element method in FLUX software by using the suggested combinations of the design parameters and the final design is selected among the ۵ possible designs. These analyses are a set of static and transient analysis that many internal and operational parameters of the machines such as power loss in different parts of the machine, average and cogging torque, air gap flux density distribution, winding resistance and the winding inductances are extracted based on the analysis. Further analysis are also performed to find the transient behavior of the machine such as starting, rated operation and overload operation. All of the Finite Element analysis results are compared to the analytical results of design equations that were used in the optimization procedure. Moreover, a method is introduced to find the saturation inductances based on magnetic characteristic of the stator iron, using modified inductance equations. This method is useful in the design step of the machine to find the saturation inductances. Afterword, in order to perform thermal analysis, the FLUX model of the selected machine is created and the extra details such as bearings, shaft, enclosure and air inlet/outlet windows are added to the model. The keypoint in thermal analysis is finding convection coefficients of the machine at internal surfaces. To do this, the different surfaces of the machine are modelled to perform a Computational Fluid Dynamic (CFD) analysis with FLUENT to find aforementioned coefficients which are entirely dependent on the fluid velocity. These thermal convection coefficients are applied on the corresponding surfaces in FLUX ۳D model and the static and transient thermal analysis are performed. The stator core losses are also considered in the thermal model based on non-uniform volumetric distribution of the power losses. To perform thermal analysis of the machine considering overload condition, and to determine the standard operational duty cycles of the motor, magnetic analysis of the selected machine are performed in full load and four different overload conditions from ۲۵ to ۱۰۰ . The power losses of each of these overload analysis are used as thermal sources in the thermal model to analyze the steady state and transient behavior of the machine‬

Parallel Title

‮‭IMPROVED DESIGN AND THERMAL ANALYSIS OF INTERIOR ROTOR AXIAL FLUX PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MACHINE USING FINITE ELEMENT METHOD‬

حبیبی نیا، داود

Habibinia, Davod

Public note

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی