طراحی و ساخت یک ماشین سوییچ رلوکتانس دو استاتوره با بازآرایی ریزنیروها

ماشین سوئیچ رلوکتانس دارای کاربردهای متعددی در صنعت می باشد. ساختار مستحکم و کارایی و عملکرد مناسب آن در شرایط محیطی نامناسب از جمله مزایای این ماشین است. عملکرد ماشین سوئیچ رلکتانس را می توان به وسیله تحریک بهینه و همچنین بهینه سازی طراحی ماشین بهبود بخشید. برای بسیاری از کاربردهای موتوری، دستیابی به ماکزیمم قابلیت تولید گشتاور از اهمیت خاصی برخوردار است. ایده طراحی ماشین های سوئیچ رلوکتانس جدید برای تولید گشتاور بر حجم بالاتر نسبت به موتور سوئیچ رلکتانس معمولی در کارهای تحقیقاتی متعددی مورد بررسی قرار گرفته است. از جمله استفاده از ماده مغناطیسی متفاوت در ماشین سوئیچ رلکتانس، تغییر تعداد قطب های روتور و استاتور و استفاده از ساختار جدید سوئیچ رلکتانس با روتور غیر یکپارچه. برای افزایش چگالی گشتاور در ماشین سوئیچ رلکتانس معمولی باید فاصله هوایی را تا حد امکان کوچک طراحی کرد. این امر منجر به اشباع شدید آهن می شود و موجب تولید نیروهای شعاعی با دامنه بسیار زیاد و درنتیجه افزایش لرزش و سروصدای ماشین می گردد. ساختار خاص ماشین سوئیچ رلکتانس که دارای برجستگی هم در قطب های استاتور و هم در قطب های روتور است و از طرفی عدم استفاده از آهنربای دائم در روتور موجب می شود که نقش فاصله هوایی در تبدیل انرژی الکترومغناطیسی بسیار موثر باشد. از طرفی می توان نشان داد که نیروهای حرکتی در نواحی بسیار کوچکی متمرکز شده اند. این امر مستلزم این است که ماشین سوئیچ رلکتانس در شرایط اشباع شدیدتری نسبت به سایر ماشین های الکتریکی تک تحریکه کار کند. این واقعیت بیانگر این مطلب است که با تغییرات جزئی در ساختار ماشین سوئیچ رلکتانس نمی توان انتظار افزایش چشمگیری در قابلیت تولید گشتاور ماشین را داشت. بلکه باید با ارائه ساختاری متفاوت و با تکیه بر آنالیز دقیق نیرو در ماشین به دنبال یافتن راه حل های مناسبی برای افزایش گشتاور در ماشین شد. با آگاهی از نحوه تبدیل انرژی الکترومکانیکی و بررسی نحوه توزیع فضایی کمیت های میدان الکترومغناطیسی، امکان طراحی ماشین سوئیچ رلکتانس با قابلیت های خاص بهینه شده وجود دارد. آنالیز نیرو در ماشین و بررسی مولفه های مفید نیرو در آن سهم بزرگتری نسبت به مولفه های غیر مفید داشته باشند که این امر منجر به تحولی بنیادین در طراحی ماشین می گردد. به منظور بررسی کارایی هر ساختار مغناطیسی جدید برای ماشین الکتریکی، ایجاد یک مدل دقیق و محاسبه نیرو با روش مناسب که نتایج آن قابل استناد باشند از اهمیت ویژه ای برخوردار است. برای محاسبه نیروی الکترومغناطیسی در ماشین سوئیچ رلکتانس می توان از روش های مختلفی استفاده نمود. در این تحقیق از روش ماکسول استرس تنسور بدین منظور استفاده شده است. این روش دارای دقت کافی در محاسبات نیروی الکترومغناطیسی داخل ماشین است و همچنین چگالی نیروهای محلی را به دست می دهد. لذا با امکان دسترسی به نحوه توزیع نیرو داخل ماشین با استفاده از روش ماکسول استرس تنسور، اطلاعات ارزشمندی حاصل می گردد که می تواند در طراحی بهینه ماشین و همچنین کنترل بهینه آن مورد استفاده قرار گیرد. با اطلاع از نحوه توزیع محلی نیروها داخل ماشین سوئیچ رلکتانس، می توان با طراحی و اصلاح ساختار ماشین، میدان های مغناطیسی داخل ماشین را به نحو دلخواه شکل داد و درنتیجه توزیع نیروی دلخواه را بدست آورد. با توجه به مطالعات انجام شده این حقیقت آشکار می شود که درصد زیادی از نیروهای الکترومکانیکی تولید شده داخل ماشین سوئیچ رلکتانس متعارف، در جهت ایجاد حرکت و تولید گشتاور عمل نمی کنند. در واقع بخش عظیمی از نیروهای تولید شده داخل ماشین نیروهای شعاعی هستند که موجب ایجاد لرزش در ماشین می شوند که این خود از عیوب اساسی ماشین سوئیچ رلکتانس است. در عمل تنها بخش بسیار ناچیزی از نیروهای تولید شده در جهت ایجاد حرکت و گشتاور داخل ماشین هستند.