خلاصه پایان نامه مدل سازی، تحلیل و بهینه سازی گیربکس مغناطیسی با استفاده از روش اجزاء محدود FEM
پایان نامه دوره کارشناسی ارشد در رشته برق-گرایش قدرت
چکیده
گیربکس ها، اجزای ضروری و جداییناپذیر سیستم های انتقال قدرت میباشند. این ماشینها گشتاور را به سرعت و در بعضی مواقع سرعت را به گشتاور تبدیل میکنند. استفاده از گیربکس های مکانیکی در این سیستمها از دیرباز تا کنون به عنوان رابطی میان بخش تولید نیروی محرکه و بخش مصرف این توان متداول بوده است. با گسترش استفاده از این گیربکسها مشکلات و معایب این ماشینها ظاهر شده و طراحان را بر آن داشته تا به دنبال جایگزینی مناسب برای گیربکس مکانیکی باشند.
گیربکسهای مغناطیسی به دلیل نداشتن تماس فیزیکی میان روتورهای داخلی و خارجی، بسیاری از مشکلاتی که به دلیل تماس فیزیکی گریبانگیر گیربکسهای مکانیکی بوده است را ندارد. مشکلاتی چون نیاز به روغنکاری و گریسکاریهای دورهای، سر و صدا، نیاز به تعمیرات دورهای و ... را ندارد.
در این پایان نامه ما گیربکسهای مغناطیسی را بررسی کرده و سپس با انتخاب یک نمونه از این گیربکسها به دنبال ایجاد تغییر در جهت بهینهسازی و همچنین تجاریسازی این ماشین بودهایم. تغییراتی که در این پایاننامه بر روی گیربکس انجام شده است شامل بررسی تاثیر تغییر تعداد جفتقطبها و همچنین بررسی درمورد تاثیر جنس آهنربای مصرفی بر روی رفتار گشتاوری ماشین بوده است. به خوبی مشاهده شده است که افزایش جفتقطبها باعث افزایش گشتاور خروجی از سیستم شده است.
واژههای کلیدی: گیربکس مغناطیسی، افزایش جفت قطب ها، چگالی گشتاور حجمی و روش اجزای محدود دو بعدی
مقدمه
گیربکسها یکی از اعضای سیستم انتقال قدرت می باشد که وظیفه گیربکس در این سیستمها تبدیل دور و گشتاور است. گیربکس وظیفه دارد که گشتاور (قدرت) و دور موتور را تغییر داده و به دلخواه مصرف کننده آن را درآورد. در ابتدا گیربکسهای مکانیکی برای انجام این وظیفه ساخته شدهاند.
گیربکسهای مکانیکی کاربردهای وسیعی در ماشینهای صنعتی و انتقال قدرت دارند. با اینکه این گیربکسها دارای ویژگیها و مزایای متعدد و بسیار مهمی هستند و نقش غیر قابل انکاری در صنعت دارند اما دارای معایب ذاتی و انکارناپذیری نیز میباشند که گشتن به دنبال جایگزینی مناسب برای این گیربکسها را اجتنابناپذیر نموده است. مشکلات و معایبی چون اصطکاک ناشی از مکانیزم عمل تماسی، تلفات وابسته به انتقال انرژی چون گرما، روغنکاریهای متعدد و دورهای و سر و صدا و نویزهای شنوایی ناشی از تماس فیزیکی شفتهای ورودی و خروجی. که این معایب هزینهی تعمیر و نگهداری این گیربکس ها را افزایش داده و طول عمر مفید این گیربکسها را کاهش میدهد. گیربکسهای مغناطیسی میتوانند راه حل مناسبی برای این مشکل بوده و جایگزین مناسبی برای گیربکسهای مکانیکی باشند[1].
گیربکسهای مغناطیسی تکنولوژی جدیدی هستند که به سرعت پدیدار شدهاند. مکانیزم انتقال گشتاور بدون تماس فیزیکی، مهمترین مشخصه و مزیت این گیربکسها میباشد. به عبارت دیگر این مشخصه و خصوصیت ذاتی باعث جدا شدن تماس مکانیکی شفت ورودی و خروجی از یکدیگر شده و این موضوع به نوبهی خود مشکلات بعدی چون مشکل روغنکاری، خنککنندگی را از بین میبرد. عدم تماس فیزیکی همچنین باعث کاهش قابل توجه در نویزهای شنوایی، افزایش قابلیت اطمینان و حفاظت در مقابل اضافه بار در راندمان حداکثر را به دنبال دارد[2]. مطالعات گستردهای در رابطه با گسترش، بهبود عملکرد و بازدهی گیربکسهای مغناطیسی انجام شده است و مدلها و طراحیهای متفاوت و زیادی در راستای این هدف ارایه شده است. اما همگی این طراحیها دارای اشتراکاتی هستند. به عبارت دیگر همهی آنها دارای یک اجزای مشترک میباشند بطوریکه در شکل(1-1) میبینید، گیربکسها از 3 جزء اصلی رتور خارجی، رتور داخلی و قطعات ثابت قطب تشکیل میشوند که رتور داخلی و خارجی به ترتیب به شفت با سرعت بالا و شفت با سرعت پایین مربوط میشوند.
اساس کار این گیربکسها بر این است که با دوران رتور داخلی میدان ناشی از قطبهای داخلی جریانی در لایهی میانی القاء کرده و باعث ایجاد میدان مغناطیسی در این لایه می شود. با توجه به قانون لنز این میدان با میدان به وجود آورندهی خود مخالفت میکند و میدانی در جهت مخالف ایجاد میشود. قطبهای نصب شده در رتور خارجی با قطبهای به وجود آمده در لایهی میانی کوپل شده و میچرخد که این چرخش در جهت خلاف گردش رتور داخلی میباشد. با توجه به تفاوت در تعداد قطبهای داخلی و خارجی سرعت چرخش روتور خارجی کمتر از روتور داخلی میباشد
اهمیت بررسی گیربکسهای مغناطیسی
از گذشته و با اختراع ماشین بخار، همواره انتقال قدرت یکی از مهمترین چالشهای پیش روی طراحان و مهندسان بوده است. با اختراع چرخدندهها و پس از آن گیربکسهای مکانیکی و بهرهگیری از این ماشین تازه وارد به صنعت، مشکلات استفادهی از این دستگاهها نیز همزمان خودنمایی کرده است. مشکلاتی که ناشی از تماس فیزیکی چرخدندهها در این گیربکسها بوده است.
با ظهور گیربکسهای مغناطیسی و عدم وجود تماس فیزیکی میان روتورها، بزرگترین مشکل گیربکسهای مکانیکی مرتفع شده است. این گیربکسها در ابتدا برای مصارف کوچک استفاده میشدند[1] و رفته رفته و باپیشرفت تکنولوژیها و همچنین حضور صنایع شیمیایی برای تولید مغناطیسهای مرغوبتر، این گیربکسها نیز وارد صنایع سنگین شدند. در سالهای اخیر مطالعات بسیار گستردهای در زمینهی گیربکس مغناطیسی برای افزایش گشتاور خروجی، افزایش راندمان و همچنین کاهش نوسانات گشتاور انجام شده است. مجموعهی این کارها برای آمادهسازی این ماشین جدید برای جایگزینی با گیربکسهای مکانیکی بوده است.
یکی دیگر از زمینههای تحقیق بر روی گیربکس مغناطیسی، تلاش برای بهینهسازی این ماشین میباشد. به طوریکه پیشتر گفته شد، اجزای اصلی این ماشین را قطبهای مغناطیسی تشکیل میدهند که از آهنرباهای دایم ساخته شدهاند. امروزه و با افزایش قیمت این مغناطیسهای دایم و انحصاری بودن تولید این مواد برای چند کشور خاص، استفادهی بهینه از این مواد امری ضروری و اجتنابناپذیر میباشد.
پس میتوان ضرورت تحقیق بر روی گیربکس مغناطیسی را در موارد زیر خلاصه نمود:
افزایش گشتاور تولیدی
افزایش راندمان
تولید گشتاوری مطمئن و بینوسان
بهینه سازی
کاهش قیمت تمام شده و تجاری سازی محصول
کاربردهای گیربکس مغناطیسی
صنایع شیمیایی [1]
نیروگاههای بادی[4]
کاربردهای پزشکی[6]
رباتهای خانگی، پزشکی و انساننما[6]،[12]
استفاده در صنایع نظامی[7]
استفاده در تلمبهها و پمپها
استفاده در خودروها[8]
صنایع هواپیمایی[9]
نیروی محرکهی کشتیها
صنایع هوافضا[11]
Abstract
Gears are inseparable and necessary parts of power transmission systems. These machines change torque into speed and sometimes they change speed into torque. Using mechanical gears in these systems has been common as a means of transforming the power from the generat motive force to the consuming section from old time up to now. By the expansion of gears usage their problems and shortcomings have arisen and made designers search for suitable replacement for these mechanical gears.
Magnetic gears, due to not having physical contact with internal and external rotors, do not have many of the problems that mechanical gears face such as periodical lubrication, greasing, noise, fixing and … .
In this thesis, we analyze magnetic gears, and then, by selecting one of them as a sample, we are to make changes for optimizing and commercializing this machine. Changes made on gear in this thesis include analyzing the effect of changing the number of pole pairs and also analyzing the effect of the type of magnet in use on the torque behavior of the machine. It was clearly observed that the increase of pole pairs has lead to the increase of output torque of the system.
Key words: Magnetic gears, increasing pole pairs, density of torque's volume and 2D finite element method
فهرست پایان نامه مدل سازی، تحلیل و بهینه سازی گیربکس مغناطیسی با استفاده از روش اجزاء محدود FEM
فهرست:
فصل1: مقدمه
1-1- مقدمه...................................................................................................................................................................
1-2- اهمیت بررسی گیربکس مغناطیسی............................................... ................................ ............................
1-3- کاربرد گیربکس مغناطیسی............................................................ ..................... ..................... ...................
1-4- مزایای این گیربکسها................................................................... ..................... ..................... ......................
1-5- معایب این گیربکسها................................................................... ..................... ..................... ......................
1-6- هدف، روش و مراحل انجام تحقیق................................................... ..................... ..................... ................
1-7- ساختار پایاننامه.......................................................................... ..................... ..................... ..................... ..
فصل2: معادلات حاکم بر گیربکس مغناطیسی
2-1- معرفی موضوع............................................................................ ..................... ..................... ..................... .....
2-2- معادلات حاکم بر گیربکس.............................................................. ..................... ..................... ...................
2-3- هارمونیکهای موجود در گشتاور دندانهای........................................ ..................... ..................... ............
فصل3: گیربکسهای مغناطیسی
3-1- گیربکس مغناطیسی برای مکانیزمهای انتقال گشتاور کوچک............... ..................... ..................... ...
3-1-1- اندازهگیری گشتاور انتقالی...................................................... ..................... ..................... ..................
3-1-2- ویژگیهای انتقال.................................................................. ..................... ..................... ......................
3-2- گیربکس مغناطیسی بر مبنای تغییرات رلوکتانس................................ ..................... ..................... .......
3-2-1- انتقال گشتاور....................................................................... ..................... ..................... ........................
3-2-2- نوسانات گشتاور................................................................... ..................... ..................... ........................
3-3- گیربکسی با قابلیت استفاده در صنعت خودرو.................................... ..................... ..................... ...........
3-3-1- تحلیل بیباری گیربکس..................................................... ..................... ..................... .......................
3-3-2- تحلیل بارداری....................................................................... ..................... ..................... .......................
3-4-گیربکسی با قابلیت استفاده در صنایع حمل و نقل سنگین.................... ..................... ...........................
3-4-1- انتقال گشتاور....................................................................... ..................... ..................... ........................
3-5- سیستمی مرکب از ماشین مغناطیس دایم بدون جاربک و گیربکس مغناطیسی ...........................
3-5-1- گشتاور الکترومغناطیسی...................................................... ..................... ..................... .....................
3-5-2- گشتاور دندانهای................................................................... ..................... ..................... .......................
3-6- گیربکس مغناطیسی خطی........................................................... ..................... ..................... .....................
3-6-1- چگالی نیروی انتقالی............................................................. ..................... ..................... .....................
3-6-2- تاثیر تغییر در ساختمان گیربکس............................................... ..................... ..................... ............
فصل4: شبیهسازی و بررسی گیربکس مغناطیسی در نرمافزار اجزای محدود(FEM)
4-1- مقدمه....................................................................................... ..................... ..................... ..................... ........
4-2- نتایج اولیه حاصل از مدلسازی....................................................... ..................... ..................... ..................
4-2-1 اعتبارسنجی نتایج.................................................................. ..................... ..................... .......................
4-3- تاثیر افزایش جفتقطبها بر روی گیربکس مغناطیسی........................ ..................... ..................... ......
4-3-1- بررسی تاثیر همزمان افزایش تعداد جفتقطبها و ضخامت فاصلهی هوایی ..............................
4-3-2- بررسی تاثیر افزایش تعداد جفتقطبها بر روی توزیع چگالی شار بر روی گیربکس مغناطیسی ..................... ..................... ..................... ...............................................................................................
4-3-3- بررسی تاثیر افزایش تعداد جفتقطبها بر روی چگالی گشتاور در گیربکس مغناطیسی .......
4-4- تاثیر جنس آهنرباهای دایم در گشتاور خروجی................................. ..................... ..................... .........
4-4-1- بررسی چگالی گشتاور حجمی آهنربا در گیربکس مغناطیسی. ..................... .............................
4-5- نتیجه گیری................................................................................. ..................... ..................... .........................
فصل5: جمعبندی و پیشنهادات
5-1- مقدمه....................................................................................... ..................... ..................... ..................... ........
5-2- جمع بندی.................................................................................. ..................... ..................... ..................... ....
5-3- نوآوری....................................................................................... ..................... ..................... .............................
5-4- پیشنهادات................................................................................. ..................... ..................... .........................
منبع:
1] E. gouda, S. mezani, L. Baghli, and A. Rezzoug, “Comparative Study Between Mechanical and Magnetic Planetary Gears”, IEEE Transactions On Magnetics, February 2011.
[2] L. L. Wang, J. X. Shen, P. C. K. Luk, W. Z. Fei, C. F. Wang, and H. Hao, “Development of a Magnetic-Geared Permanent-Magnet Brushless Motor”, IEEE Transactions On Magnetics, Octobr 2009.
[3] Noboru Niguchi and Katsushiro Hirata, “Cogging Torque Analysis of Magnetic Gear, IEEE Transactions On Industrial Electronics, May 2012.
[4] Linni Jian, K. T. Chau, and J. Z. Jiang, “A Magnetic-Geared Outer-Rotor Permanent_Magnet Brushless Machine for Wind Power Generation”, IEEE Transactions On Industry Application,May/June 2009
[5] Nicolas W. Frank, Siavash Pakdelian, and Hamid Toliayt, “Passive Suppression of Transient Oscillations in the Concentric Planetary Magnetic Gear”, IEEE Transactions On Energy Conversion, September 2011
[6] koji Ikuto, Shunichi Makita, Suguru Arimoto, “non-contact magnetic gear for Transmission Mechanism”, in IEEE Proc. MEMS ’91, Sep. 1991, vol. 33, no. 3, pp. 125–130
[7] K.atllah, S.D. Calverly and D. Howe, “ design, Analyesis and Realisation of a High Performance Magneits Gear”, IEE Proc-electr. Power Appl, Vol. 151, No. 2, March 2004
[8] Mathieu Aubertin, Abdelmounaïm Tounzi, and Yvonnick Le Menach, “Study of an Electromagnetic Gearbox Involving Two Permanent Magnet Synchronous Machines Using 3-D-FEM”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 44, No. 11, November 2008
[9] K. Atallah and D. Howe, “A Novel High-Performance Magnetic Gear”, IEEE Transactions on Magnetics VOL. 37, NO. 4, JULY 2001
[10] Kais Atallah, Jan Rens, Smail Mezani, and David Howe, ”A Novel “Pseudo” Direct-Drive Brushless Permanent Magnet Machine”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 44, No. 11, November 2008
[11] Robert C. Holehouse, Kais Atallah, and Jiabin Wang, “Design and Realization of a Linear Magnetic Gear”, IEEE Transactions on Magnetics, VOL. 47, NO. 10, OCTOBER 2011
[12] Noboru Niguchi, Katsuhiro Hirata, Masari Muramatsu, and Yuichi Hayakawa, “Transmission Torque Characteristics in a Magnetic Gear”, XIX International Conference on Electrical Machines - ICEM 2010, Rome
[13] Chen Mu, Chau K, Li Wenlong and Liu Chunhua, “Cost-effectiveness Comparison of Coaxial Magnetic Gears with Different Magnet Materials”, Transactions