Znižanje valovitosti karakteristike statičnega navora sinhronskega reluktančnega motorja z uporabo statistične metode načrtovanja poskusovZUPANČIČ, DAMIJAN (Avtor)
Čorović, Selma (Mentor)
Sinhronski reluktančni motorAnsys Maxwellelektrični strojimetoda končnih elementovoptimizacija z uporabo statistične metode načrtovanja poskusovznižanje valovitosti statičnega navoraGlavni cilj pričujočega magistrskega dela zajema problematiko modeliranja in
optimizacije sinhronskega reluktančnega motorja s ciljem znižanja valovitosti
statičnega navora z uporabo statistične metode načrtovanja poskusov. V prvem delu
naloge so bile primerjane lastnosti omenjenega električnega stroja z ostalimi
najpogosteje uporabljenimi stroji v današnji industriji. Sinhronski reluktančni motor
je bil primerjan s pogosto uporabljenimi motorji kot so: DC motor, asinhronski
motor, PMSM, BLDC, SRM (Tabela 1). Primerjava je pokazala, da ima sinhronski
reluktančni motor zelo dobre lastnosti pri preobremenitvah, nudi dobro zanesljivost
in ima dolgo življenjsko dobo z nizkimi vzdrževalnimi zahtevami. V nadaljevanju
magistrske naloge sledi še podrobnejši opis delovanja sinhronskega reluktančnega
motorja v primerjavi z hibridnimi različicami tega tipa motorja. Sinhronski
reluktančni motor ima enako statorsko obliko kot konvencionalni asinhronski motor,
z enako konfiguracijo navitja. Razlikuje se po zgradbi rotorja, ki je lahko zgrajen na
tri možne načine: prva možnost je, da rotor sestoji iz polnega železa, sledita možnosti
prečnega in vzdolžno lameliranega rotorja iz mehko magnetne pločevine. V literaturi
sem najpogosteje zasledil prečno lameliran rotor, saj ima dobre mehanske lastnosti in
ponuja dobre možnosti pri dizajniranju in znižanju valovitosti navora. Prečno
lameliran rotor ima umeščene magnetne pregrade (zračne reže), katere so izrezane iz
pločevine. Ti izrezi predstavljajo pregrado za prehod magnetnega polja, tako da
nastane povišana magnetna upornost oz. reluktanca v eni smeri rotorja (v q-osi), kar
omogoča vrtenje rotorja in distribucijo navora na rotorsko gred. V rotor sinhronskega
reluktančnega motorja je lahko umeščenih različno število magnetnih pregrad, z
različno širino in obliko. Postavitev in dimenzije pregrad so ključnega pomena za
distribucijo navora, vključno z valovitostjo le tega. Če v magnetne pregrade vstavimo
še trajne magnete, pa dobimo hibridno različico, katera omogoča višji povprečni
navor in hkrati boljši faktor delavnosti. Druga hibridna verzija združuje lastnosti
asinhronskega motorja, kjer je v zračne reže umeščena kratkostična kletka. Ta verzija
omogoča samostojni zagon motorja ob priklopu na mrežo. Ko se vrtilna hitrost
rotorja približa vrtilni hitrosti magnetnega polja, potegne rotor v sinhronizem in od
tega trenutka naprej se vrti s sinhronimi vrtljaji. Zadnja hibridna različica združuje
lastnosti obeh predhodno naštetih hibridnih različic, kjer del magnetnih pregrad
zapolnjujejo trajni magneti in del kratkostična kletka.
Po principu delovanja spada sinhronski reluktančni motor med sinhronske
stroje, saj se vrti sinhrono s statorskim vrtilnim poljem. Sinhronski reluktančni motor
je poimenovan po njegovi unikatni lastnosti (»reluktančni«), saj razvije navor
izključno na podlagi razlike magnetne upornosti (reluktance) rotorja. V osnovni
različici rotor ne vsebuje niti navitij niti trajnih magnetov. Zaradi tega sinhronski
reluktančni motor nima električnih izgub v rotorju. Poleg tega sinhronski reluktančni
motor nudi robustem dizajn, nima težav s preobremenitvami in je cenovno zelo
konkurenčen z ostalimi tipi strojev.
Poleg navedenih prednosti ima ta motor nekaj pomanjkljivosti, med katerimi je
najbolj izrazita valovitost navora. Na podlagi tega dejstva sem se odločil, da se v
magistrski nalogi osredotočim na znižanje valovitosti navora. Na podlagi pregledane
razpoložljive literature sem ugotovil, da obstajajo različni pristopi za znižanje
valovitosti navora. Študija je pokazala, da ima geometrija motorja (še zlasti rotorja)
pomemben vpliv na nivo valovitosti navora. V okviru magistrske naloge sem zato
preučil možnosti zmanjšanja valovitosti navora z ustrezno izbiro geometrije rotorja,
pri čemer konfiguracije statorja nisem spreminjal.
Celotna geometrijska analiza rotorjev je bila izvedena s programskim orodjem
Ansys Maxwell, ki omogoča numerično modeliranje in analizo na podlagi metode
končnih elementov. Numerični model je bila zgrajen v dveh dimenzijah (2D), zaradi
osne simetrije motorja in hitrejše numerične analize (nižje število elementov).
Najprej je bila narisana oblika statorja na podlagi standarda IEC 100/4.936 (Kienle
Spiess), kateri ima 36 statorskih utorov. V modelu je bila določena pločevina M800-
50A (glej dodatek – Appendix A) tako za stator, kot za rotor. Glavni izziv izgradnje
modela sinhronskega reluktančnega motorja je bila v izgradnji rotorjev (različice z
eno, dvema, tremi magnetnimi pregradami). V vseh treh primerih je bilo potrebno
definirati magnetne pregrade na način, da jih je bilo možno spreminjati za potrebe
parametrizacije v postopku numerične analize v Ansys Maxwell-u. Vsaka magnetna
pregrada je v osnovi definirana z dvema parametroma (z razdaljo od gredi do
pregrade in širino pregrade). Vsaka posamezna pregrada je opisana z desetimi
točkami, katere povezujejo omenjene parametre. Vse definicije točk so podane v
tabelah 3, 5 in 7. Ko je bila izrisana geometrija, določen material, je sledila definicija
robnih pogojev, navitij in vzbujanja. Navitje je bilo razporejeno enoplastno po utorih,
ob določenih predpostavkah. Motor je bil med numerično analizo vzbujan z
enosmernim tokom, kjer je bila prva faza na maksimalni vrednosti, ostali dve na
minus polovici (ob faznem kotu 90°). Tako vzbujanje je bilo določeno, ker je v tej
magistrski nalogi potekala analiza statičnega navora. Med analizo smo obračali rotor
po kotno stopinjo in opazovali spremembo statičnega navora. Kot izhodno veličino
smo dobili statični navor v odvisnosti od pozicije rotorja. Že iz te karakteristike se je
videla različna prisotnost višjih harmonikov v signalu, kateri kažejo na valovitost
navora.
V nadaljevanju so bili pridobljeni podatki obdelani z Matlab-om (analiza
valovitosti statičnega navora) in Minitab-om (statistično metodo načrtovanja
poskusov za optimizacijo stroja). Sledila je izvedba parametrizacije, da smo dobili
boljši vpogled, kako vpliva sprememba pozicije in širine magnetnih pregrad (ločene
analize za oblike rotorjev z eno, dvema in tremi pregradami) na obliko navora. Po
končani parametrizaciji je sledila obdelava dobljenih signalov statičnega navora z
Fourier-ovo transformacijo (FFT), katera je omogočila analizo višjih harmonikov, ki
predstavljajo valovanja navora. Za analizo višjih harmonikov v signalu navora je bila
napisana skripta v Matlabu, ki se nahaja v dodatku (Appendix C). Analiziral sem
samo prvih dvajset višjih harmonikov, kateri so bili najbolj kritični v vseh primerih.
Po končani analizi višjih harmonikov je sledila priprava na optimizacijo.
Optimizacijski postopek je bil usmerjen k doseganju najboljših lastnosti motorja, kjer
je bil optimizacijski cilj nastavljen k doseganju najvišjega razmerja med najvišjim
povprečnim navorom in najnižjo valovitostjo navora. Uvedeni so bili štirje scenariji,
kateri so zajemali različne kombinacije višji harmonikov v kombinaciji z osnovnim
harmonikom. V predzadnjem koraku so podani rezultati optimizacije po statistični
metodi načrtovanja poskusov. Ta metoda je zelo pospešila dosego končnega modela,
predvsem pri dizajnu s tremi pregradami (večje število parametrov). Vsi parametri so
bili spreminjani tri-nivojsko s ciljem, da preiščemo prostor (presek rotorja) in
umestimo magnetne pregrade na način, da bo zadoščeno prvotnemu optimizacijskem
cilju. V zadnjem koraku so bile primerjane vse rešitve dizajnov (z eno, dvema in
tremi magnetnimi pregradami) in na podlagi primerjave je bil izbran najboljši dizajn.
Končna primerjava vseh pridobljenih rezultatov statistične metode načrtovanja
poskusov je pokazala, da je najboljši dizajn z dvema magnetnima pregradama glede
na zastavljeni optimizacijski cilj.20172017-04-11 14:20:02Magistrsko delo/naloga91496VisID: 37402sl