تحلیل حرارتی و ارتعاشی یک ماشین Vernier PM دو استاتوری Consequent-Pole با چگالی گشتاور بالا جهت کاربرد در خودروهای الکتریکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، دانشکده مهندسی برق، واحد مرودشت، دانشگاه آزاد اسلامی، مرودشت، ایران

2 - استاد، دانشکده مهندسی برق و الکترونیک، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران

3 نویسنده مسئول: استادیار، دانشکده مهندسی سامانه‌های هوشمند و علوم داده، گروه مهندسی برق، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر، ایران

4 استادیار، دانشکده مهندسی برق، واحد مرودشت، دانشگاه آزاد اسلامی، مرودشت، ایران

چکیده

ماشین Vernier PM1 به عنوان یک ماشین با گشتاور بالا و سرعت پایین شناخته می‌شود که دارای مزایای مختلفی از جمله چگالی گشتاور بالاتر، حجم ماده PM کمتر، گشتاور دندانه‌ای پایین‌تر، بهبود کارایی و ساختار ساده‌تر و مقاوم‌تر در مقایسه با سایر ساختارهای ارائه شده بر مبنای مغناطیس دائم می‌باشد. این ماشین‏ها گزینه مناسبی برای استفاده در خودروهای الکتریکی هستند. یکی از ساختارهای ارائه شده که برای این منظور مناسب است، ساختار ماشین Dual-Stator Consequent-Pole Vernier PM است که چگالی گشتاور بالا، مشخصات کارکردی مطلوب و حجم آهنربای مصرفی کمتری دارد. اما برای طراحی کامل این ساختار باید مطالعات مکانیکی شامل مطالعات حرارتی و ارتعاشی نیز روی ساختار الکترومغناطیسی طراحی شده صورت گیرد. اهمیت این مسئله به دلیل هندسه متفاوت ماشین‌های شار شعاعی معمولی، نیروهای مغناطیسی نامتعادل و محدودیت‌های مکانیکی و حرارتی می‌باشد. در این مقاله، طراحی سیستم انتقال حرارت و ساختار مکانیکی ماشین DS-CP-VPM صورت گرفته و مطالعات حرارتی و ارتعاشی انجام شده است. متغیرهای طراحی بر اساس آنالیز حساسیت با استفاده از روش اجزای محدود انتخاب شده‌اند. چندین محدودیت طراحی در ابعاد هندسی، چگالی جریان و چگالی شار مغناطیسی در مناطق مختلف و نیروهای مکانیکی درنظر گرفته شده است. نتایج حاصل برای یک ماشین 10 کیلو وات با گشتاور 2 کیلو نیوتن متر برای کاربرد وسیله نقلیه الکتریکی با استفاده از روش اجزای محدود سه بعدی تأیید می‌شود. در این مقاله تجزیه و تحلیل حرارتی – مکانیکی موتور مورد نظر را انجام داده و نتایج شبیه‌سازی در نرم افزار Comsol مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.

کلیدواژه‌ها


[1]    H. Gorginpour, “Dual-stator Consequent-pole Vernier PM Motor with Improved Power Factor,” IET Electric Power Applications, vol. 13pp. 652-661, 2019.
[2]    D.Li,  R. Qu,  and T. A Lipo,  “High-Power-Factor Vernier Permanent-Magnet Machines,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 50, pp. 3664-3674, 2014.
[3]    C. Sadarangani, “Electrical Machines– Design and Analysis of Induction and Permanent Magnet Motors,” IREE-EME 2000:018, KTH, 2000.
[4]    J. Faiz and A. Dadgari, “Heat Distribution and Thermal Calculations for a Switched Reluctance Motor,” Journal of Electrical and Electronics Engineering, Australia, IE Aust. & IREE Aust., vol. 12, pp.  349-361, 1992.
[5]    J. Faiz and M. B. B. Sharifian, “Core Losses Estimation in a Multiple Teeth Per Stator Pole Switched Reluctance Motor,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 30, pp. 189-195, 1994.
[6]    S. E. Wood and D. Greenwood, “Force Ventilated Motors Advantages in Fixed Variable Speed Application,” 5th International Conference on Electrical Machines and Drives, pp. 276-280, 1991.
[7]    F. Marignetti, V. D. Colli, and Y. Coia, “Design of Axial Flux PM Synchronous Machines Through 3-D Coupled Electromagnetic Thermal and Fluiddynamic Finite-element Analysis,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, pp. 3591–3601, Octobr 2008.
[8]    S. J. Salon, “Finite Element Analysis of Electrical Machines,” Norwell, MA, Kluwer, 1995.
[9]    X. Sun and M. Cheng,“Thermal Analysis and Cooling System Design of   Dual Mechanical Port Machine for Wind Power Application,”IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, pp. 1724–1733, May 2013.
[10]  D. A. Staton and A. Cavagnino, “Convection Heat Transfer and Flow Calculations Suitable for Electric Machines Thermal Models,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, pp. 3509-3516, September 2008.
[11]  L. J. Wu, Z. Q. Zhu, Fellow, IEEE, D. Staton, M. Popescu, and D. Hawkins, “Analytical Prediction of Electromagnetic Performance of SurfaceMounted Permanent Magnet Machines Based on Subdomain Model Accounting for Tooth-Tips,” IET Electric Power Applications, pp.1-11, August 2011.
[12]  D. Li,  R. Qu, and T. A. Lipo, “High-Power-Factor Vernier Permanent-Magnet Machines,” IEEE Transactions on Industry Applications, 50, pp. 3664-3674, 2014.
[13]  X. Qin and Q. Wang and Pierre-Daniel Pfister, “Torque Density Optimization of Spoke Array Vernier Permanent-Magnet Machines,” International Conference on Electrical Machines (ICEM), pp.2323-2329, September 2018.
[14]  M. Dranc, M. Chirca, and T. Breban, “Thermal and Demagnetization Analysis of an Axial-Flux Permanent Magnet Synchronous Machine,” Electrical and Power Engineering, pp.200-204, 2020.
[15]  B. Kim and T. A. Lipo, “Analysis of a PM Vernier Motor With Spoke Structure,” IEEE Transactions on Industry Applications, 52, pp. 217-225, 2016.
[16]  M. Vali, T. Niknam, H. Gorginpour, and  B. Bahmani‑Firouzi,  “Optimal Design Procedure of a High‑torque‑density Dual‑stator Consequent‑pole Vernier PM Machine,” Electrical Engineering, vol. 102, pp. 2637-2657, 2020.
[17]  F.P. Incropera and D.P. Dewitt, “Introduction to Heat Transfer,” John Wiley & Sons, New York, 2002.
[18]  P. H. Mellor, D. Roberts, and D. R. Turner, “Lumped Parameter Thermal Model for Electrical
Machines of TEFC Design,” Electric Power Application, IEE Proc.-B, vol. 138, pp. 205-218, 1991.
[19]  J. Faiz, R. Iranpour, and P. Pillay, “Thermal Model for a Switched Reluctance Motor of TEFC During
Steady-state and Transient Operation,” Journal of Electric Machines and Power Systems, vol. 26, pp. 77-92, 1998.
[20]  V. S. Sharma, G. R. Singh, and K.Sørby. “A Review on Minimum Quantity Lubrication for Machining Processes,” Materials and Manufacturing Processes vol. 30, pp. 935-953, 2015.