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

عنوان مقاله [English]

Thermal and Vibration Analysis of a Dual Stator Consequent-Pole Vernier PM Machine with High Torque Density for application in Electric Vehicles

نویسندگان [English]

  • Mozaffar Vali 1
  • Taher Niknam 2
  • Hamed Gorginpour 3
  • Bahman Bahmani‑Firouzi 4
1 Department of Electrical Engineering, Marvdasht Branch, Islamic Azad University, Marvdasht, Iran
2 Electrical and Electronics Engineering Department, Shiraz University of Technology, P. O. Box: 7155713876, Shiraz, Iran
3 Department of Intelligent Systems Engineering and Data Science, Persian Gulf University, Bushehr, Iran
4 Department of Electrical Engineering, Marvdasht Branch, Islamic Azad University, Marvdasht, Iran
چکیده [English]

The Vernier PM machine is known as a machine with high torque and low speed, which has several advantages such as higher torque density, lower PM material volume, lower gear torque, improved performance and simpler and more durable structure compared to other structures based on the magnet is permanent. These machines are a good option for use in electric vehicles. One of the proposed structures that is suitable for this purpose is the structure of the Dual-Stator Consequent-Pole Vernier PM machine, which has high torque density, optimal functional characteristics and lower magnet consumption. But for the complete design of this structure, mechanical studies including thermal and vibration studies must be done on the designed electromagnetic structure. This is important because of the different geometry of conventional radial flux machines, unbalanced magnetic forces, and mechanical and thermal constraints. In this paper, the design of heat transfer system and mechanical structure of DS-CP-VPM machine has been done and thermal and vibration studies have been performed. Design variables were selected based on sensitivity analysis using the finite element method. Several design limitations in geometric dimensions, current density and magnetic flux density in different areas and mechanical forces have been considered. The results are confirmed for a 10 kW car with a torque of 2 KN for the application of an electric vehicle using the three-dimensional finite element method. In this paper, the thermal-mechanical analysis of the engine is performed and the simulation results in Comsol software are evaluated.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Vernier PM Machines
  • Thermo-Mechanical Analysis
  • Finite Element Method
  • Comsol Software

مراجع

[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.
الکترومغناطیس کاربردی
دوره 10، شماره 2 - شماره پیاپی 25
شماره پیاپی 25، دوفصلنامه پاییز و زمستان
آبان 1401
صفحه 93-104

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 01 مهر 1400
  • تاریخ بازنگری: 30 دی 1400
  • تاریخ پذیرش: 15 تیر 1401
  • تاریخ انتشار: 01 آبان 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار