انتخاب مناسب الگوي مغناطيسي و چيدمان آهنربا با هدف بهينه‌سازي چند هدفه موتورهاي با آهنرباي سطحي

Optimal Pole-Shaping in Surface-Mounted PM Machines using Analytical Modeling: Cogging Torque and Flux Density Harmonics

در اين مقاله يك مدل تحليلي براي پيشبيني گشتاور دندانه و چگالي شار با در نظر گرفتن اثر شيار استاتور در ماشين‌هاي با آهنرباي سطحي ارايه شده است. از رابطه تنسور تنش ماكسول براي محاسبه گشتاور دندانه در فاصله هوايي استفاده ميشود. الگو مغناطيسشوندگي آهنربا شعاعي و موازي در نظر گرفته شده است و نتايج بهدست آمده از مدل تحليلي با روش المان محدود تاييد ميشود. با استفاده از مدل تحليلي فراهم شده اقدام به بهينه‌سازي همزمان گشتاور دندانه و نسبت مولفه مكاني اصلي به مولفههاي مكاني مرتبه بالاتر چگالي شار فاصله هوايي مينماييم. گشتاور دندانه و مولفههاي مكاني چگالي شار بسيار به هندسه آهنربا حساس ميباشند، بنابراين با بهينه كردن هندسه آهنربا ميتوان عملكرد ماشين را بهبود بخشيد. از روشهاي طراحي هندسه آهنربا استفاده شده بهينه سازي طول كمان آهنربا، جابجايي قطب آهنربا و استفاده از آهنربا با مغناطيس شوندگي متفاوت ميباشد. از آن جهت كه دو متغير ذكر شده در تابع هدف از يك جنس نمي‌باشند، از مقادير نرماليزه شده متغيرها در تابع هدف استفاده شده است، براي بهينه سازي پارامترهاي روتور از الگوريتم جستجو مستقيم استفاده ميشود.

An analytical model for prediction of air gap flux density and cogging torque in slotted Surface PM (SPM) machines have been presented. Cogging torque has been calculated by integrating the Maxwell stress tensor inside the air gap. Two different magnetization patterns (radial and parallel) have been considered and their results have been compared with each other. The obtained model has been verified with Finite Element Analysis (FEA). Using the proposed model, the cogging torque and low-order harmonics of the magnetic flux density have been optimized. The cogging torque and air-gap flux density THD are very sensitive to the pole-shaping, thus changing the pole-shaping optimization can be obtained. Three methods (optimal pole-arc, magnet pole-shifting and mixed materials) have been used to design pole-shaping in SPM machines. A weighted normalizing method has been applied with direct search method to find the optimum solution. Finally, the validity of the proposed model and the obtained results has been verified with FEA.