Znižanje valovitosti karakteristike statičnega navora sinhronskega reluktančnega motorja z uporabo statistične metode načrtovanja poskusov

ZUPANČIČ, DAMIJAN (avtor), Čorović, Selma (mentor)

Glavni 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.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: Sinhronski reluktančni motor, Ansys Maxwell, električni stroji, metoda končnih elementov, optimizacija z uporabo statistične metode načrtovanja poskusov, znižanje valovitosti statičnega navora
• Vrsta gradiva: Magistrsko delo/naloga
• Organizacija: FE - Fakulteta za elektrotehniko
• Leto izida: 2017
• PID: 20.500.12556/RUL-91496
• Datum objave v RUL: 11.04.2017

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Static torque ripple reduction of the synchronous reluctance motor using design of experiments

Izvleček

The main objective of this Master thesis is torque ripple reduction which causes mechanical vibrations, shortens bearings lifetime, acoustic noise, etc. The torque ripple reduction is approached by analyzing (i.e. Torque ripple characteristics) the impact of different rotor geometries on resulting SynRM torque ripple. The rotor geometry was modified by changing the following parameters: - number of magnetic flux barriers, - position of magnetic flux barriers with respect to the shaft (i.e. distance between the individual barrier and the shaft), - and widths of each individual barrier. The state-of-the-art practice for solving these issues is to use Finite Element Method (FEM) numerical modelling. The FEM numerical modelling enables torque calculation, magnetic field density distribution and it applies parametric analysis, while the optimization process is based on Design of Experiments. This Master thesis includes three different rotor configurations with three different magnetic flux barrier variations, while the stator configuration was initially defined. The main goal was to reduce the number of parameters in the FEM numerical analysis with respect to the reduction of required computation efforts. Based on the output results obtained in this Master thesis the recommendation for Synchronous Reluctance Motor with the reduced torque ripple are given.

• Ključne besede: Synchronous Reluctance Motor, FEM numerical modelling using Ansys Maxell, Electrical machine modelling, electrical machine optimization using Design of Experiments, torque ripple reduction