ماشین های شار متقاطع در مقایسه با ماشین های شار شعاعی، دارای مسیرهای شار کوتاه تری هستند و این امر منجر به چگالی شار مغناطیسی بالاتر در شکاف هوا و از این رو نیروی الکترومغناطیسی بالاتر می شود [28]. همانطور که در شکل 5.88 نشان داده شده است، ماشین شار متقاطع از هسته های استاتور مختلف ساخته شده است و امکان تهیه الگوی سه بعدی شار را فراهم می کند. سیم پیچ هر مرحله شامل یک سیم پیچ مارپیچ است؛ بنابراین، آنها از نظر الکتریکی از یکدیگر مجزا شده اند [29].
سفارش ترجمه تخصصی رشته مهندسی برق
معمولاً ماشین های شار متقاطع با تعداد قطب های زیاد طراحی شده اند. این ماشین ها در ترکیب با چگالی بالای شار در شکاف هوا، موجب ایجاد چگالی گشتاور بالا با سرعت کم می شوند و آن را به گزینه های احتمالی برای برنامه های محرک مستقیم، مانند محرک های درون چرخ تبدیل می کنند [30]. از سوی دیگر، ماشین شار متقاطع دستخوش شار نشتی زیاد می شود و ضریب توان را در گشتاور ویژه بالا کاهش می دهد. معمولاً ضریب توان پایین، به دلیل نیاز بیشتر به ولت آمپر، چگالی توان اینورتر را کاهش می دهد. علاوه بر این، تعداد زیاد قطب ها، باعث محدودیت در عملکرد پرسرعت موتور می شود، مگر اینکه فرکانس سوئیچینگ اینورتر به میزان قابل توجهی افزایش یافته باشد. این امر می تواند با هزینه پایین تر در بهره وری اینورتر همراه باشد. در صورتیکه نتوان فرکانس سوئیچینگ اینورتر را افزایش داد، ممکن است ریپل های گشتاور ماشین شار متقاطع هنگام عملکرد پرسرعت بیشتر شود [31].
ماشین های شار متقاطع به دلیل ساختار پیچیده سه بعدی برای طراحی و بهینه ساز،ی به رویکرد FEA سه بعدی نیاز دارند، و این امر می تواند زمان قابل توجهی را به خود اختصاص دهد. هزینه بالای پیاده سازی نیز یک عیب قابل توجه در استفاده از ماشین شار متقاطع در برنامه های رانشگر الکتریکی محسوب می شود.
سفارش ترجمه تخصصی رشته مهندسی برق
5.10.3 ماشین شار محوری PM
همانطور که طبق قانون نیروی لورنتس در معادله 5.13 نشان داده شده است، در ماشین های الکتریکی، هنگامی که میدان مغناطیسی و توزیع رسانا در محورهای مختلف جهت یابی شده باشد، نیروی الکترومغناطیسی تولید می شود. در ماشین های شار شعاعی که تاکنون رایج ترین ماشین در برنامه های کاربردی کششی محسوب شده اند، میدان مغناطیسی در جهت شعاعی و جریان در جهت محوری هدایت می شود. میدان مغناطیسی در ماشین های شار محوری، در جهت محوری و رساناها در جهت شعاعی قرار دارند. این می تواند استفاده بهتر از فضا، توان خاص بالاتر و بهره وری بهبود یافته را فراهم نماید.
شکل 5.89 ساختار ماشینPM شار محوری با دو روتور و یک استاتور را نشان می دهد. ماشین های شار محوری، طول محوری کوتاه را ارائه می دهند و این امر امکان استفاده از آنها در برنامه های محرک مستقیم با گشتاور بالا، مانند محرک های موتور درون چرخ را فراهم می کند [32]. ماشین های شار محوری را می توان با استفاده از چندین لایه از ترکیبات استاتور-روتور در خروجی های با گشتاور بالاتر پیکربندی کرد.
مونتاژ موتورهای شار محوری به دلیل ماهیت نیروهای محوری، بسیار پیچیده است. علاوه بر این، هسته مغناطیسی یک ماشین شار محوری به دلیل جهت یابی شار محوری، نمی تواند مشابه ماشین های شار شعاعی ساخته شود. به خصوص در هسته استاتور، از هسته آرمیچر با سیم پیچ مارپیچ استفاده می شود. این یک فرایند آهسته، دشوار و گران است [33].
شکل 5.89 ماشین شار محوری PM.
مسائل
5.1. اصول الکترومغناطیسی. مدار مغناطیسی نشان داده شده در شکل 5.90 الف از یک ماده مغناطیسی خطی با نفوذپذیری نسبی 2500 ساخته شده است. پارامترهای ابعادی هسته به شرح ذیل است: g=0.6 mm ، w=18 mm ، d=10 mm و طول مسیر شار lc=110 میلی متر. سیم پیچ 10 دور دارد. لطفاً در صورتی که در سیم پیچ جریان 20 آمپر اعمال شد، چگالی شار مغناطیسی را محاسبه کنید.
شکل 5.90.(الف) مدار مغناطیسی و (ب) مدار معادل.
5.2. همانطور که در شکل 5.91 نشان داده شده است، تلفات ماشین های الکتریکی و مواد هسته با وجود یک میدان مغناطیسی سینوسی در هوای شکاف و مغناطش ماده هسته از منحنی پسماند استفاده می کند. ناحیه داخل حلقه، اتلاف پسماندی نامیده می شود و به مقدار بیشینه چگالی شار مغناطیسی و فرکانس آن بستگی دارد.
سفارش ترجمه تخصصی رشته مهندسی برق
همانطور که در بخش 5.3 توضیح داده شده است، معمولاً بعلت شرایط غیر ایده آل در ماشین ها، از قبیل هارمونیک های شکاف، هارمونیک فضایی و غیره، نمی توان چگالی شار شکاف هوای سینوسی را بدست آورد. همانطور که در شکل 5.91 نشان داده شده است، ممکن است هارمونیک ها شکل موج چگالی شار شکاف هوا را تحریف نمایند. این اثر معمولاً به عنوان حلقه کهاد نامیده می شود. به نظر شما حلقه های کهاد چگونه می توانند بر منحنی پسماند تأثیر بگذارند؟ فرکانس و چگالی شار بیشینه این حلقه کهاد چیست؟
همانطور که در بخش 5.3 بحث شد، تلفات جریان گردابی ناشی از ولتاژهای القاء شده هستند. اگر شکل موج چگالی شار شکاف هوا دارای هارمونیک باشد، کدامیک سریعتر از این اصول خواهد چرخید، به نظر شما این مسئله چگونه بر تلفات جریان گردابی تأثیر می گذارد؟ به نظر شما چگونه می توان هارمونیک موجود در یک ماشین الکتریکی را کاهش داد؟
همانطور که در شکل 5.11 نشان داده شده است، استفاده از هسته فولادی لایه ای مقاومت کلی در مسیر مغناطیسی جریان های گردابی را کاهش می دهد و منجر به تلفات کمتر در هسته می شود. به نظر شما طراحی ماشین الکتریکی با ضخامت لایه بندی کمتر، موثر خواهد بود؟ با توجه به روند ساخت فولادهای برقی که در شکل 5.35 نشان داده شده است، چالش کاهش ضخامت لایه بندی ها چیست؟
سفارش ترجمه تخصصی رشته مهندسی برق
5.3. سیم پیچ های شکل 5.92 دو سیم پیچ توزیع شده مختلف پنج فاز و 80 شکاف را نشان می دهد: یکی با چهار قطب و چهار شکاف در هر قطب و فاز و دیگری با هشت قطب و دو شکاف در هر قطب و فاز. همانطور که قبلاً در شکل 5.15 مورد بحث قرار گرفت، توزیع رسانا- آمپر در شکاف هوا بواسطه تعداد بیشتر شکاف ها در هر قطب و فاز، به شکل موج سینوسی نزدیکتر خواهد شد. در شکل 5.92 مشاهده می شود که بواسطه تعداد بیشتر فازها، تعداد شکاف بیشتری در جهت جریان مشابه در یک قطب بوجود می آید. بنابراین، تعداد بیشتر فازها نیز به توزیع رسانا-آمپر سینوسی تر کمک می کند.
شکل 5.91 چگالی شار مغناطیسی و حلقه های پسماند در شرایط ایده آل و غیر ایده آل.
شکل 5.92. پیکربندی سیم پیچ80 شکاف، پنج فاز و چهار قطبی: (الف) نمودار سیم پیچ؛ (ب) نمودار سیم پیچ؛ (ج) نمودار فازور ولتاژ و پیکربندی سیم پیچ 80 شکاف، پنج فاز و هشت قطب؛ (د) نمودار فازور ولتاژ.
هنگام مقایسه پیکربندی سیم پیچ در شکل 5.15 با سیم پیچ در 5.92، چه چالش هایی در طراحی و اجرای سیم پیچ با تعداد فازهای بیشتر وجود دارد؟ به نظر شما وقتی تعداد فازها زیاد می شود، دسته بندی جریان سیم پیچ تغییر می کند؟ دیگر چالش های ماشین های الکتریکی و موتورهای متحرک با فازهای بیشتر چه می باشد؟
سیم پیچ های شکل 5.92 در هر قطب و فاز دارای تعداد قطب ها و تعداد شکاف های مختلف می باشند. تفاوت بین ماشین چهار قطب و ماشین هشت قطب از نظر گشتاور، سرعت و تلفات چیست؟ طراحی سیم پیچ با تعداد شکاف بیشتر در هر قطب و فاز چه مزایا و چالش هایی دارد؟ در تعداد فازها و تعداد شکاف های یکسان، کدام یک ساده تر است: دو یا چهار شکاف در هر قطب و هر فاز؟
5.4. مغناطیس های دائمی شکل 5.93، منحنی مغناطش PMدر دماهای مختلف را نشان می دهد. درT1، میزان بازماندگی مغناطیس T 1.2 می باشد. هنگامی که دما به T2 افزایش می یابد، بازماندگی به T 1.12 کاهش می یابد. در ابتدا، مغناطیس در نقطه Aعمل می کند. در این مرحله PC (PC1) را محاسبه کنید.
وقتی دما افزایش می یابد، نقطه عملیاتی به B تغییر می کند. چگالی شار مغناطیسی و شدت میدان مغناطیسی در این نقطه چیست؟
هنگام اجرا در نقطهB ، اگرPC مدار مغناطیسی به PC2 تغییر کند، چگالی شار مغناطیسی و قدرت میدان در نقطه C چه مقدار خواهد بود؟ چگالی شار بازماندگی در خط مغناطش جدید چقدر است؟ دلیل افت بازماندگی چیست؟
سفارش ترجمه تخصصی رشته مهندسی برق
5.5. ماشین های الکتریکی. اگر سرعت پایه یک موتور اینورتر محورrpm 2000 در Vdc 200 باشد، سرعت پایه در Vdc 400 چقدر خواهد بود؟ اگر توان بیشینه موتورkW 50 در Vdc 200 باشد، توان بیشینه در Vdc 400 چقدر خواهد بود؟
فرض کنید یک طراحی موتور (MD1) با جریان مشخص I1 و ولتاژ V1 وجود دارد. اگر ولتاژ به V2=1.5V1 افزایش یابد، چه تغییراتی در طراحی می توان ایجاد کرد تا طرح برای دستیابی به عملکردی مشابه MD1 بهینه شود؟ تغییرات طراحی در صورت افزایش جریان به I2 =1.5I، چه خواهد بود؟
شکل 5.93 منحنی مغناطیسی معمولی برای PM و نقاط عملیاتی.
اگر موتور برای جریان و ولتاژ مشخصی طراحی شده باشد و اگر با افزایش طول پشته، حجم موتور دو برابر یابد، چه اتفاقی می افتد؟ گشتاور بیشینه و توان بیشینه چگونه تحت تأثیر قرار می گیرند؟
در موتور و شکاف با ابعاد خاص، اگر تعداد دورها در یک موتور دو برابر شود، چه تغییراتی باید برای حفظ ضریب پر کردن شکاف مشابه، اعمال شود؟
در یک ماشینPM ، بازماندگی مغناطیس چه تاثیری بر EMFمعکوس و جریان توان موتور خاص دارد؟ همین مقدار را برای تعداد دورهای سیم پیچ ارزیابی کنید.
سفارش ترجمه تخصصی رشته مهندسی برق
اتلاف های مهمی که باید در منطقه پرسرعت به حداقل برسد، کدامند؟ در یک طراحی خاص، اگر EMF معکوس در منطقه پرسرعت کاهش یابد، چه تأثیری بر گشتاور بیشینه و کارآمدی منطقه پر سرعت (توان ثابت) می گذارد؟
فرض کنید در طراحی یک موتور قابلیت ارائه گشتاور پیوستهNm 50 و توان پیوسته kW20 در دمای °C150 وجود دارد. اگر دمای موتور به °C75 کاهش یابد، چه تأثیری بر توان و گشتاور پیوسته دارد؟
گشتاور دندانه‌ای چیست؟ راه های کاهش گشتاور دندانه‌ای چیست؟ باز شدن شکاف چگونه بر گشتاور دندانه‌ای تأثیر می گذارد؟ چاوله شدن چه تاثیری بر گشتاور بیشینه، گشتاور متوسط و ریپل گشتاور دارد