طراحی ماشین شار محوري مغناطیس داي م با استفاده از الگوریتم بهینهسازي تجمع ذرات بهبودیافته

Transcript

1 طراحی ماشین شار محوري مغناطیس داي م با استفاده از الگوریتم بهینهسازي تجمع ذرات بهبودیافته Downloaded from jiaeee.com at :7 +43 on Tuesday May 5th 8 چکیده: حمید محمد حسین میلاد نظامی وطندوست حمید رادمنش 3 Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers - Vol.5- No.- Sring 8 - استادیار دانشگاه فرماندهی و ستاد آجا تهران ایران hmh.343@yahoo.com - کارشناس ارشد دانشکده مهندسی برق دانشگاه صنعتی شاهرود شاهرود ایران milad_nezami@yahoo.com 3- استادیار دانشکده مهندسی برق دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاري تهران ایران Hamid.radmanesh@aut.ac.ir در این مقاله با استفاده از معادلات اندازه الگوریتم (mrove Particle Swarm Otimization) PSO و نرمافزار اجزاء محدود طراحی بهینه یک موتور (Axial Flux) AF بدون شیار اراي ه میشود. الگوریتم بهینهسازي PSO بهدلیل اجراي موازي مدت اجراي الگوریتم طراحی موتور را کاهش میدهد. این کاهش با تعداد CPUهاي متناسب است. هدف بهینهسازي دستیابی به (Electromotive force) Back EMF تقریبا سینوسی حداقل سازي وزن آهنرباa و حداکثر سازي بازده است. بهمنظور محاسبه دقیق ضخامت آهنربا داي م معادله جدید اراي ه شده است. در گام اول پارامتره يا بارگذاري الکتریکی و... بهوسیله PSO بهینهسازي طراحی مانند تعداد قطب فاصله هوایی مشخصشده تا بدینصورت اهداف طراحی ارضاء شود. موتور طراحیشده بهوسیله معادلات اندازه و PSO به کمک روش اجزاء محدود مورد ارزیابی قرار میگیرد تا صحت نتایج بهدستآمده تاي ید شود. کلمات کلیدي: تاریخ ارسال مقاله: 395// موتور PSO AFPM بهینهسازي آهنربا داي م و روش اجزاء محدود تاریخ پذیرش مشروط مقاله: 395/7/8 تاریخ پذیرش مقاله: 395/7/ نام نویسندهي مسي ول: دکتر حمید رادمنش نشانی نویسندهي مسي ول: ایران تهران خیابان شمشیري دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاري دانشکدهي مهندسی برق 3 مجله انجمن مهندسین برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول - بهار 397

2 Downloaded from jiaeee.com at :7 +43 on Tuesday May 5th 8 - مقدمه Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers - Vol.5- No.- Sring 8 علاقهمندان ا ستفاده از موتورهاي آهنربا داي م ) (PM به دلیل دارا بودن مشخصه عملکرد خوب و نویز کم این نوع موتورها در حال افزایش است[ ]. کاهش قیمت مواد مغناطیس داي م و ادوات الکترونیک قدرت که بهطور م ستقیم بر قیمت تمام شده موتورهاي PM تا ثیرگذار ا ست باعث ا ستفاده بیشازپیش این نوع موتورها در کاربردهاي مختلف شده ا ست[ ]. موتورهاي PM ازنظر جهت حرکت شار فا صله هوایی به دو د سته شار محوري ) (AF و شار ) 3 (RF شعاعی تق سیمبندي می شوند. ساختار موتورهاي آهنرباي داي م ) 4 (AFPM به دلیل حرکت محوري شار فاصله هوایی به صورت دیسکی است که این نوع ساختار باعث به وجود آمدن ویژگیه يا برجستهاي همچون چگالی گشتاور بالا راندمان عالی و تخت بودن ساختار موتور میش ود. از طرف دیگر ماشینه يا AFPM ازلحاظ تعداد رتور و ا ستاتور و نحوه ساخت ا ستاتور نیز داراي تنوع میبا شند. ازجمله ساختارهاي ا ستاتور میتوان به شیاردار بدون شیار و بدون هسته اشاره کرد. تنوع ساختار در موتورهاي AFPM باعث ایجاد تنوع عملکردي و کاربردي نیز شده است. ازجمله تفاوت عملکردي این نوع موتورها میتوان به نو سانات گ شتاور خروجی ا شاره کرد. این ساختار به دو صورت یک رتور و دو استاتور ) 5 (AFR و دو رتور و یک استاتور (TORUS) ساخته می ش و د[ 3 ]. به دلیل پیچیده بودن فرآیند ساخت استفاده بهینه از سیمپیچها و هسته استاتور موتورهاي AFPM با ساختار تک ا ستاتور و دو رتور گ سترش بی شتري پیداکردهاند. در ما شینها شار محوري شار عبوري بین ا ستاتور و رتور در راستاي محور جابجا میگردد حال آنکه این مورد در ماشینهاي متداول امروزي به صورت شعاعی انت شار می یابد. به عبارت دیگر شار تولید شده به وسیله آهنربا داي م موجود بر روي رتور ابتدا به صورت محوري وارد فا صله هوایی سیمپیچها و ه سته ا ستاتور شده سپس قسمتی از محیط هسته استاتور را بصورت شعاعی پیموده و مجدد م سیر ه سته ا ستاتور سیمپیچها و فا صله هوایی را به صورت محوري طی میکند و وارد قطب مخالف آهنربا داي م میشود.ساختار ماشین شار محوري مغناطیس داي م بدون شیار در شکل نمایش داده شده است. شکل( ): ساختار ماشین شار محوري مغناطیس داي م بدون شیار در [4] از روش بازسازي میدان سهبعدي براي مدلسازي ماشینهاي شار محوري مغناطیس داي م استفاده میشود. براي مدل سازي ولتاژ کاهشیافته نیز از روش محا سبه شار ن شتی ا ستفاده میشود. با توجه به نوع ساختار ماشینهاي شار محوري مغناطیس داي م در تحلیل به روش اجزاء محدود باید از مدل سهبعدي استفاده شود. روش بازسازي میدان سهبعدي داراي دقت بالاي همانند تحلیل به روش اجزاء محدود است و حجم محاسباتی بسیار کمتري دارد که باعث افزایش سرعت پاسخدهی و سهولت در انجام بهینهسازي میشود. در [5] به منظور حداقل سازي گشتاور دندانهاي موتور شار محوري مغناطیس داي م چندین روش مورب کردن آهنربا داي م اراي ه شده ا ست. میزان کاهش گشتاور دندانهاي نسبت به تغییرات میزان مورب بودن آهنربا داي م و هندسه آهنربا بررسی ش د ه است. با توجه به بررسی نتایج بهدستآمده استفاده از آهنربا داي م مورب شده نسبت به آهنرباهاي مرسوم میزان گشتاور دندانهاي را به میزان چشمگیري کاهش میدهد. موتورهاي شار محوري مغناطیس داي م با آهنربا سطحی و بدون ه سته ا ستاتور داراي راندمان بی شتر و طول محوري کمتري ن سبت به موتورهاي با هسته استاتور هستند. در [6] موتور شار محوري مغناطیس داي م دو رتور و یک ا ستاتور با رتور نوع ا سپوك و بخش رتور سینو سی اراي ه شده است. موتور اراي ه شده داراي آهنربا داخلی بخش رتور اسپوك و فاصله هوایی متغیر است که باعث سینوسی شدن شکل موج back EMF میشود. نتایج شبیهسازي نشان میدهد که با افزایش میزان چگالی شار فاصله هوایی موتور معرفیشده داراي چگالی توان و چگالی گ شتاور بی شتري ن سبت به موتورهاي مر سوم با آهنربا سطحی است. در [7] با استفاده از مدار معادل مغناطیسی بهبودیافته ژنراتور سنکرون یک ژنراتور شار محوري مغناطیس داي م بدون هسته دو رتور و یک استاتور بااتصال مستقیم بهمنظور استفاده در توربین بادي طراحی شده ا ست. در مدار معادل معرفی شده ا شباع رتور نیز در نظر گرف ته میشود. از الگوریتم بهی نهسازي چ ند هد فه ازد حام ذرات ) 6 (MPSO براي بهینه سازي ژنراتور ا ستفاده شده ا ست. اهداف طراحی حداقل سازي هزینه مواد مورداستفاده در ژنراتور و حداکثر سازي بازده انرژي سالیانه است. در [8] براي کاهش میزان گشتاور دندانهاي موتور از دو روش شیفت آهنربا داي م و آهنربا نامتقارن استفادهشده است. نتایج ا ستخراج شده ن شاندهنده این مو ضوع ا ست که ا ستفاده هم دو روش آهنربا مورب و شیفت آهنربا تا ثیر بسزایی در کاهش میزان گشتاور دندانهاي دارد. این دو روش بدون اضافه شدن پیچیدگی خاصی در فرآیند ساخت و ایجاد تغییر در ساختار موتور قابلاعمال هستند. همچنین نتایج نشان میدهند که طراحی موتور شار محوري مغناطیس داي م با گشتاور دندانهاي کوچک و پشته نیرومحرکه مغناطیسی ) back (EMF 7 تقریبا سینوسی باوجود ضرایب صحیح شیار بر فاز بر قطب نیز امکانپذیر است. 4 مجله انجمن مهندسین برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول بهار 397

3 Downloaded from jiaeee.com at :7 +43 on Tuesday May 5th 8 Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers - Vol.5- No.- Sring 8 π (4) E hrms N hbg Ag fkw که EE hrrrrrr ولتاژ مو ثر فاز KK ww ضریب سیمپیچی NN h تعداد دور یکفاز BB gg چگالی فوران میانگین فاصله هوایی AA gg سطح مقطع به منظور کنترل سرعت موتورهاي الکتریکی ورشهاي متعددي اراي ه شده است که یکی از متدوالترین روشهاي روش DTC است که در مراجع [9-] بیان شده است. در طراحی ماشینهاي الکتریکی متغیرهاي اختیاري وجود دارد که طراح آنها را با توجه به هدف طراحی و تجربه تعیین میکند. این متغیرهاي اختیاري تا ثیر بسزایی بر مشخصه عملکرد و ابعاد ما شین طراحیشده دار ند ازاینرو در طراحی ماشین هاي الکتریکی از الگوریتمه يا بهینه سازي ا ستفاده می شود.. به دلیل پیچیدگی و وجود وابستگی بین معادلات حاکم بر طراحی ماشینهاي الکتریکی اجرا برنامه بهینهس ازي نسبتا زیاد است. براي کاهش محاسباتی از بهینه سازي ازدحام ذرات ) 8 (PSO موازي شده ا ستفاده می شود. PSO داراي سرعت همگرایی نسبتا بالایی است و از طرفی موازي نوشتن برنامه این امکان را فراهم میکند تمام CPUها 9 کامپیوتر استفاده کرد. در این مقاله با ا ستفاده از معادلات اندازه و الگوریتم بهینه سازي تجمع ذرات بهبودیافته PSO معرفیشده الگوریتم طراحی بهینه ماشین AFPMاراي ه میشود. با استفاده از الگوریتم معرفیشده موتوري با توان یک کیلووات و س رعت 5 PSO اراي ه میشود. - معادلات اندازه ماشین AFPM دور بر دقیقه ) (RPM با استفاده از پارامترهاي اصلی یک ماشین الکتریکی مانند ابعاد آن را میتوان با استفاده از معادله توان خروجی به دست آورد. با صرفنظر از شار نشتی در ماشینهاي الکتریکی معادله یک به دست میآید[ ]. P out T m η e t i t dt mk ηe T ( ) ( ) که T دوره پریود ا ست که واب سته به فرکانس میبا شد ηη راندمان ee (tt) () mm تعداد فازها ولتاژ القایی ناشی از فوران فاصله هوایی ii (tt) () جریان یکفاز KK ضریب شکل موج توان الکتریکی EE حداکثر مقدار Back EMF و حداکثر مقدار جریان یکفاز است. مقدار KK از معادله قابلمحاسبه است. K T e( t) i( t) T E dt از طرفی ضریب دیگر بنام ضریب شکل موج جریان نیز تعریف میشود که با استفاده از معادله 3 قابلمحاسبه است. Ki rms T T i ( ( t) ) dt) (3) rrrrrr که مقدار جریان مو ثر یکفاز است. با فرض اینکه فوران فاصله هوایی و ولتاژ القایی ناشی از آن کاملا سینوسی باشد Back EMF براي تمامی ماشینهاي الکتریکی از معادله زیر قابلمحاسبه است. عبور فوران و ff فرکانس منبع تغذیه میباشد. به دلیل رفتار غیرخطی آهن نحوه توزیع سیمپیچها و یا شکل فوران فوران فاصله هوایی و back EMF مورداستفاده در ماشینهاي الکتریکی ایجادشده بهوسیله آهنربا داي م از حالت سینوسی خارجشده و معادله 4 دیگر برقرار نیست. با کنار گذاش تن فرضیات معادله 4 میتوانیم این معادله را براي تمامی شکل موجهاي فوران و EMF E E h rms π B g B g BB gggg Back بسط داد. (5) (6) (7) که EE حداکثر مقدار EMF فاصله هوایی و حداکثر مقدار چگالی فوران فاصله هوایی است. با استفاده از معادله تا 6 داریم: سطح مقطع عبوري فوران در ماشینه يا معادله زیر قابلمحاسبه است. E 4N h B g A g fk AFPM با استفاده از Do Ag π ( λ ) 8 E K N e h B g f w π ( λ ) Do (8) (9) KK ee که قطب ما شین شامل ضریب سیمپیچی و یک ضریب ثابتی تعداد جفت DD oo قطر خارجی ما شین λ ن سبت قطر خارجی به قطر داخلی ماشین الکتریکی است. جریان یکفاز ماشین با استفاده از معادله زیر قابلمحاسبه است. h AπD mn ave h + λ D ave D o Aπ + λ Do Ki mn h () () () با استفاده از معادله و 9 میتوان معادله اساسی ماشینه يا P ηme P out out K cos(ϕ) f λ π ηmkekik Bg A ( λ ) + cos( ϕ) D AFPM را به دست آورد. 3 o (3) (4) پس حال میتوان با استفاده معادله 3 قطر خارجی ماشین را به محاسبه کرد. پس داریم: D o ( Pout ) f λ A ( λ ) cos( ) π ηmk K K B + ϕ e i g (5) 5 مجله انجمن مهندسین برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول - بهار 397

4 Downloaded from jiaeee.com at :7 +43 on Tuesday May 5th 8 µ rbg L Kc( g + Wcu ) Bg Br K d (3) Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers - Vol.5- No.- Sring 8 چگالی توان ماشین نسبت توان خروجی ماشین الکتریکی به حجم ا شغال شده بهوسیله آن ا ست که با ا ستفاده از معادله 6 قابلمحا سبه است. P den Pout π Do L 4 tot (6) که LL tttttt طول محوري ما شین الکتریکی ا ست که از چهار ق سمت تشکیلشده است. L L + L + W + g + L tot cs cr cu (7) BB cccc گام قطب tt که KK aa حداکثر مقدار چگالی فوران در استاتور و نسبت متوسط چگالی فوران به حداکثر مقدار چگالی فوران در فاصله هوایی میباشد. t K πdo ( + λ) 4 a B B g g π (8) (9) با استفاده از معادله 7 الی 9 داریم: BgKaπ Do ( + λ) () Lcs 8Bcs به دلیل ساختار دوطرفه فوران فاصله هوایی از دو سمت وارد استاتور میشود به همین دلیل ضخامت استاتور دو برابر مقدار محا سبه شده در معادله 7 در نظر گرفته می شود. حال با روش م شابه میتوان طول هسته رتور را نیز به دست آورد. But Buπ Do ( + λ) BcrLcrLi But Li Lcr Bcr 8 Bcr نسب چگالی فوران فاصله هوایی به ضریب نشتی است. به () BB uu که )) دلیل وجود فاصله هوایی بین آهنربا داي م و هسته استاتور تمامی فوران به وجود آمده بهوسیله آهنربا از هسته استاتور عبور نمیکند و یا آن را بهطور کامل دور نمیزند به معنی دیگر فوران ایجادشده بهوسیله آهنربا داي م داراي نشتی است. در ماشینهاي بدون شیار این نشتی به دو صورت نشتی زیگزاگ و نشتی آهنربا داي م با رتور اتفاق میافتد. این دو نشتی با استفاده از معادله قابلمحاسبه میباشند[ 3 ]. Kd + ( µ r L gw L )( ( w + g) πµ w r πg 4L ln( + ) + L πµ w r ln( + t πg w () که LL ضخامت آهنربا μμ rr ضریب نفوذپذیري مغناطیسی آهنربا و ww عرض متوسط آهنربا است. براي محاسبه طول آهنربا از روشهاي مختلفی ا ستفاده می شود ولی در مقالات متعدد از معادله براي محاسبه ضخامت آهنربا استفاده میشود. در این رابطه نسبت عرض آهنربا به گام قطب تقریبا /58 در نظر گرفتهشده است. به همین عملا دلیل نمیتوان نسبت عرض آهنربا به گام قطب را متغیر طراحی قرار دارد. بهمنظور افزایش دقت الگوریتم طراحی و در نظر گرفتن نسبت عرض آهنربا به گام قطب بهعنوان یک متغیر طراحی از معادله 4 استفاده میشود. L e t log e πg t πg t πg πα t 6B sin( ) re + B π g πg + t U ( ) r e πg t πα 6B sin( ) re + B π g πg t U ( ) r e π (4) است. سیمه يا معادله 4 از معادله معرفیشده در مرجع [3] استخراجشده به دلیل اینکه قطر داخلی ماشین الکتریکی محدودکننده تعداد قرارگرفته شده در کنار یکدیگر است طول پیشانی سیمپیچها به قطر داخلی ماشین الکتریکی وابسته است. پس داریم: W cu D λ o D ) oλ πk ( N h Acu cu تعداد دور هر فاز و (5) AA cccc که سطح مقطع سیم پرکنندگی سیمپیچها است. KK cccc NN h 3- الگوریتم بهینهسازي PSO طراحی ضریب ماشینهاي الکتریکی باهدف حداقل سازي آهنربا مصرفی یک تابع بهینه سازي چند منظور با پیچیدگی زیاد بین روابط طراحی ا ست. به همین دلیل طراحی ماشینهاي الکتریکی داراي حجم محاسباتی بالایی و درنتیجه مدت اجرا زیادي هستند. براي کاهش اجراي برنامه باید از الگوریتمه يا بهینه سازي با سرعت همگرایی بالا و یا باقابلیت نو شته شدن به صورت موازي ا ستفاده کرد. در این مقاله از الگوریتم PSO که بهصورت موازي نوشتهشده است بهره میگیریم. الگوریتمه يا آنها بین بازهه يا متغیرهاي بهینهسازي نیازمند متغیرهاي هستند که با تغییر تعی نی شده به پاسخ بهینه دست پیدا کنند. مورداستفاده در این تابع بهینهسازي شامل تعداد جفت قطب ولتاژ ورودي چگالی جریان بارگذاري الکتریکی نسبت قطر خارجی به قطر داخلی چگالی فوران فاصله هوایی نسبت عرض آهنربا داي م به گام قطب و طول فاصله هوایی است. فلوچارت PSO مرسوم در ش ک ل نمایش داده ش د ه است. به دلیل وابستگی بین نتایج ذرات و نقاط بهینه محلی و سرا سري در حلقه داخلی الگوریتم PSO این نوع الگوریتم را نمیتوان بهصورت موازي نوشت و اجرا کرد. 6 مجله انجمن مهندسین برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول بهار 397

5 با اعمال تغییرات میتوان این الگوریتم بهینهسازي را بهصورت موازي نوشت و اجرا نمود. فلوچارت الگوریتم PSO در شکل 3 نمایش دادهشده است. شروع ایجاد جمعیت اولیه Downloaded from jiaeee.com at :7 +43 on Tuesday May 5th 8 Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers - Vol.5- No.- Sring 8 پارامترهاي الگوریتم بهینهسازي بهصورت زیر است. ضریب آموزش شخصی ضریب آموزش سراسري تعداد جمعیت حداکثر تعداد چرخش حداکثر سرعت ذرات حداقل سرعت ذرات CC.49 C.49 No MMMMMMMMMM 3 VVVVVVVVVVVV.(VVVVVVVVVVVV VVVVVVVVVVVV) VVVVVVVVVVVV.(VVVVVVVVVVVV VVVVVVVVVVVV) جدول (): مشخصات PSO در این مقاله توابع هدف بهینه سازي سینوسی کردن شکل موج Back EMF حداقل سازي میزان آهنربا مصرفی و حداکثر سازي راندمان میباشد. Back EMF سینوسی باعث سینوسی شدن جریان ورودي موتور و کاهش نوسانات گشتاور میشود. از آنجایی که قیمت مواد کمیاب مانند کبالت بالا است کاهش آهنربا داي م مورد استفاده در ماشین باعث کاهش قیمت اولیه میشود و طرف دیگر افزایش راندمان منجر به کاهش مصرف انرژي میشود. در طراحی ماشینهاي الکتریکی محدودیتهاي مکانیکی الکتریکی وجود دارد که باید در فرآیند طراحی به آنها توجه کرد. برخی از این محدودیت مانند حداکثر ف ضاي که ما شین میتواند ا شغال کند دماي سیمپیچها حداکثر ولتاژ ورودي حداکثر فرکانس و... میباشد. در راستایی برآورده کردن محدودیتهاي موجود جدول اراي ه شده است. جدول (): محدودیتهاي طراحی ماشین DO < 3 قطر داخلی ماشین (mm).4 < λ <.75 نسبت قطر داخلی به قطر خارجی Lcs, Lcr < 3 ضخامت یوغ رتور و استاتور (mm) g < طول فاصله هوایی (mm) Bcs, Bcr <.5 حداکثر چگالی شار رتور و استاتور (Tesla) Br.3 چگالی پسماند آهنربا داي م (Tesla) VL < حداکثر ولتاژ ماشین (Volt) h < 3 حداکثر جریان ماشین (Amer) Bg <.4 چگالی شار فاصله هوایی (Tesla) A < 3 بارگذاري الکتریکی () Pout توان خروجی ماشین (Wat) P < 6 حداکثر تعداد قطب (Pole) η >.9 حداقل راندمان m 3 تعداد فاز Tcoil 8 دماي سیم پیچی ماشین (Centigrade) ارزیابی تابع هدف ثبت بهترین موقعیت هر ذره بروز رسانی بردار سرعت تمامی ذرات بررسی تعداد ذرات انتقال ذرات به موقعیت جدید آزمایش همگرایی الگوریتم بررسی تعداد تکرار ثبت بهترین موقعیت کلی ذرات به عنوان پاسخ الگوریتم بهینه سازي پایان شکل (): فلوچارت PSO مرسوم[ 4 ] 4- نتایج تجزیهوتحلیل نرمافزار اجزاء محدود (FEA) با استفاده از معادلات اندازه ماشینهاي الکتریکی TROUS و الگوریتم PSO میتوان پارامترهاي ماشین الکتریکی موردنظر را باهدف حداقل سازي آهنربا م صرفی و ایجاد Back EMF تقریبا سینو سی به د ست آورد. طراحی انجامشده به کمک روش اجزاء محدود اعتبار سنجی شده. تغییرات مدت اجرا و پاسخ الگوریتم طراحی بهینه که با تلفیق م عادلات ا ندازه ماشین هاي الکتریکی TROUS و الگوریتم PSO بهدستآمده است نسبت به تغییر تعداد جمعیت الگوریتم PSO وابسته است که در شکل 4 و 5 نمایش دادهشده است. 7 مجله انجمن مهندسین برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول - بهار 397

6 شروع ایجاد جمعیت اولیه ارزیابی تابع هدف)برآزندگی تابع هدف( قیمت آهن ربا داي م Downloaded from jiaeee.com at :7 +43 on Tuesday May 5th 8 Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers - Vol.5- No.- Sring 8 ثبت بهترین موقعیت هر ذره بررسی تعداد ذرات ثبت بهترین موقعیت کلی ذرات بروز رسانی بردار سرعت تمامی ذرات انتقال ذرات به موقعیت جدید آزمایش همگرایی الگوریتم بررسی تعداد تکرار ثبت بهترین موقعیت کلی ذرات به عنوان پاسخ الگوریتم بهینه سازي پایان شکل (3): فلوچارت PSO با توجه به شکل 4 و 5 با افزایش تعداد ذارت PSO پاسخ نهایی بهبود پیدا میکند ولی از طرف دیگر مدت اجرا برنامه نیز افزایش خواهد دا شت. متغیرهاي اختیاري و پارامترهاي الگوریتم طراحی در جدول 4 آورده شده است. بهد ستآمده بهوسیله شکل (4): تغییرات مقدار تابع بهینهسازي نسبت به تغییرات جمعیت PSO شکل (5): A 67 LL (mmmm) /95 تغییرات اجرا برنامه نسبت به تغییرات جمعیت PSO جدول (3): مشخصات ماشین طراحیشده VV LL (VV) JJ ss (/mmmm ) 95/3 6 P 5 D o (mm) 59/8 λ /7 N h L cs (mm) 9/9 α /69 W cu (mm) 3/36 L cr (mm) 5/83 B g (T) /35 n /93 gg(mmmm) / PP dddddd (ww/mmmm ) /383 BB uu جدول (4): ویژگی عملکردي ماشین طراحیشده BB gg /35 P fe 6/76 BB gggg /57 h /845 BB,ssssssssssss /5 cos (φ) /98 BB,rrrrrrrrrr /5 η /93 /4 تعداد تکرار تعداد ذرات PSO تحلیلی تحلیلی مدت اجرا برنامه بر حسب ثانیه با استفاده از الگوریتم بهینهسازي PSO معادلات اندازه و تابع هدف مورد نظر ما شین طراحی می شود ك نتایج آن در جدول 3 و 4 نمایش داده شده است. 8 مجله انجمن مهندسین برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول بهار 397

7 Downloaded from jiaeee.com at :7 +43 on Tuesday May 5th 8 Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers - Vol.5- No.- Sring 8 نمودار (): هارمونیکها Back EMF با ا ستفاده از پارامترهاي بهد ستآمده میتوان موتور AFPM را در محیط نرمافزار هاي اجزاء م حدود موردبررس ی قرارداد و میزان د قت الگوریتم طراحی بهینه اراي ه شده را تعیین کرد. شکل (6): هسته استاتور موتور شار محوري مغناطیس داي م شکل (7): سیم پیچی موتور شار محوري مغناطیس داي م شکل (8): هسته رتور و آهنربا موتور شار محوري مغناطیس داي م شکل (9): ولتاژ القاء شده در سیمپیچها در حالت بیباري با توجه به شکل 9 و نمودار شکل موج back EMF به مقدار سینوسی خالص بسیار نزدیک است و این شکل موج داراي /989 در صد توزیع هارمونیکی ) (THD ا ست. به دلیل اینکه شکل 9 و نمودار از تحلیل اجزاء محدود حاصل شدهاند و این روش یک روش عددي است و دقت آن به پارامترهاي بسیار زیادي وابسته است. به دلیل خطاي اندکی که در محاسبات عددي روش اجزاء محدود وجود دارد در نمودار هارمونیکهاي زوج نیز دیده میشوند. توزیع فوران مغناطیس بهد ستآمده در فا صله هوایی با ا ستفاده از شبیه سازي اجزاء محدود و الگوریتم طراحی بهینه در شکل و نمایش دادهشده است. شکل (): چگالی فوران فاصله هوایی بهدستآمده از الگوریتم طراحی بهینه شکل (): چگالی فوران بهدستآمده درروش اجزاء محدود شکل از معادله معرفی در مرجع [] و شکل از تحلیل روش اجزاء محدود حاصل شده است شماره هارمونیک U W V ولتاژ مجله انجمن مهندسین برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول - بهار 397

8 Downloaded from jiaeee.com at :7 +43 on Tuesday May 5th 8 Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers - Vol.5- No.- Sring 8 با مقایسه شکل و میتوان گفت الگوریتم طراحی بهینه دقت قابل قبولی دارد. چگالی فوران مغناطیسی ف ا ص ل هاي هواي داراي THD در حدود 9/3 است که این امر باعث دور شدن شکل موج Back از حالت سینو سی خالص می شود در صورتیکه back EMF EMF ناشی از همین چگالی فوران داراي THD در حدود /989 است که این عدد در حد ایدهآل است. این کاهش THD در Back EMF به دلیل توزیع سیمپیچها در فضاي 6 درجه الکتریکی استاتور است. بنابراین میتوان گفت که توزیع سیمپیچها در فضایی استاتور باعث نزدیک شدن Back EMF به حالت سینوسی خالص میشود اما نمیتوان میزان توزیع سیمپیچ بیش از 6 قرارداد. شکل( ): توزیع چگالی فوران در هسته استاتور چگالی فوران ه سته ا ستاتور مانند Back EMF داراي شکل موج تقریبا سینوسی است. بنابراین به دلیل وجود Back EMF تقری با سینوسی و عدم وجود شیار در استاتور انتظار میرود که موتور طراحی شده داراي نو سانات گ شتاور کوچکی با شد. شکل 3 و 4 به ترتیب گشتاور و نوسانات گشتاور خروجی موتور است. شکل (3): گشتاور خروجی شکل (4): نوسانات گشتاور خروجی در جدول 4 مقادیر بهد ستآمده به روش تحلیلی و اجزاء محدود با یکدیگر مقایسه شدهاند که این جدول نشاندهنده دقت الگوریتم طراحی بهینه است. BB uu جدول (): مقایسه نتایج بهدستآمده با استفاده از روابط تحلیل با BB,rrrrrrrrrr روش اجزاء محدود BB gg /35 /343 P fe 6/76 6/639 BB gggg /57 /479 h /845 /754 BB,ssssssssssss /5 /479 cos (φ) /98 /96 /5 /49 η /93 /93 /4 /43 5- نتیجهگیري تحلیلی اجزاء محدود تحلیلی اجزاء محدود در این مقاله طراحی بهینه یک موتور AFPM با استفاده از معادلات اندازه و الگوریتم PSO اراي ه شده است. تابع هدف بهینهسازي به دست آوردن Back EMF تقریبا سینوسی و حداقل سازي ابعاد آهنرباي داي م مصرفی است. کاهش هزینه اولیه ساخت موتور AFPM تا حد زیادي به وزن آهنرباي داي م م صرفی واب سته ا ست. براي کاهش ز مان م حاس بات طراحی بهی نه موتور AFPM از الگوریتم PSO استفادهش ده است. الگوریتم PSO PSO معرفیش ده را برخلاف الگوریتم مرسوم میتوان بهصورت موازي نوشت و اجرا کرد. به همین دلیل با افزایش تعداد واحد CPU سرعت اجراي الگوریتم طراحی بهینه معرفیشده بهصورت خطی افزایش پیدا میکند. با استفاده از الگوریتم طراحی بهینه موتور AFPM معرفیشده موتوري با توان کیلووات و با سرعت 5 دور بر دقیقه طراحی صحت نتایج سنجی شده است. نتایج شده ا ست. بهدستآمده با استفاده از نرمافزار اجزاء محدود اعتبار پیشنهادشده را تاي ید کرده است. بهدستآمده دقت بالاي الگوریتم طراحی بهینه n this aer, the otimum design of an AFPM motor has been resented using sizing equations and PSO algorithm. The objective function of otimization is to obtain almost sinusoidal Back EMF and minimizing dimensions of used ermanent magnet. The reduction of initial cost of AFPM Motor construction is greatly deendent on the weight of used ermanent magnet. The PSO algorithm has been used to reduce the comutation time of AFPM Motor otimization design. t is ossible to write the introduced PSO algorithm in arallel and imlement unlike conventional PSO algorithm. For this reason, by increasing the number of CPU units the seed of introduced otimal design algorithm imlementation is linearly increases مجله انجمن مهندسین برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول بهار 397

9 Downloaded from jiaeee.com at :7 +43 on Tuesday May 5th 8 Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers - Vol.5- No.- Sring 8 cost and high annual energy yield. EEE Transactions on Magnetics, 6. 5(9):. -. [8] Gulec, M. and M. Aydin, Magnet asymmetry in reduction of cogging torque for integer slot axial flux ermanent magnet motors. ET Electric Power Alications, 4. 8(5): [9] عرب مارکده, غ و م. صدوق, کنترل مستقیم گشتاور و ضریب توان یک موتور القایی با خطی سازي ورودي-خروجی با استفاده از مبدل ماتریسی. نشریه مهندسی برق و الکترونیک ایران, 8(): 39. صفحه.3-39 [] مویدي راد, ح م.ع. شمسی نژاد و م. فرشاد, بهبود عملکرد درایو کنترل سرعت موتور القایی در محدوده ي سرعت هاي پایین و بالا با جبران ساز شار روتور. مهندسی برق و الکترونیک ایران نشریه 9(): 39. صفحه [] مویدي راد, ح م. فرشاد و م.ع. شمسی نژاد, مقاوم سازي و بهبود عملکرد درایو موتور القایی در قبال تغییرات شایع پارامترهاي موتور در حین کار با استفاده از کنترل کننده ي هوشمند مبتنی بر یادگیري عاطفی. نشریه مهندسی برق و الکترونیک ایران, (): 396. صفحه.3-8 [] Huang, S., et al., A general aroach to sizing and ower density equations for comarison of electrical machines. EEE Transactions on ndustry Alications, () : [3] Parviainen, A., Design of axial-flux ermanent-magnet low-seed machines and erformance comarison between radial-flux and axial-flux machines. Acta Universitatis Laeenrantaensis, 5. [4] Jin'no, K. and T. Shindo. Analysis of dynamical characteristic of canonical deterministic PSO. in Evolutionary Comutation (CEC), EEE Congress on.. EEE. By using introduced otimal design algorithm of AFPM motor, a motor with ower of kw and seed of 5 r has been designed. The accuracy of the obtained results has been validated using Finite Element software. The obtained results have been confirmed the high accuracy of the roosed otimal design algorithm. مراجع [] Cao, R., C. Mi, and M. Cheng, Quantitative comarison of flux-switching ermanent-magnet motors with interior ermanent magnet motor for EV, HEV, and PHEV alications. EEE Transactions on magnetics,. 48(8): [] Mahmoudi, A., et al,.design, analysis, and rototying of an axial-flux ermanent magnet motor based on genetic algorithm and finite-element analysis. EEE Transactions on Magnetics, 3. 49(4): [3] Mahmoudi, A., et al., mrovement to erformance of solid-rotor-ringed line-start axial-flux ermanent-magnet motor. Progress n Electromagnetics Research,. 4: [4] Ajily, E., K. Abbaszadeh, and M. Ardebili, Threedimensional field reconstruction method for modeling axial flux ermanent magnet machines. EEE Transactions on Energy Conversion, 5. 3(): [5] Aydin, M. and M. Gulec, Reduction of cogging torque in double-rotor axial-flux ermanent-magnet disk motors: A review of cost-effective magnet-skewing techniques with exerimental verification. EEE Transactions on ndustrial Electronics, 4. 6(9): [6] Aydin, M. and M. Gulec, A new coreless axial flux interior ermanent magnet synchronous motor with sinusoidal rotor segments. EEE Transactions on Magnetics, 6. 5(7) :. -4. [7] Daghigh, A., H. Javadi, and H. Torkaman, Design otimization of direct-couled ironless axial flux ermanent magnet synchronous wind generator with low Permanent Magnet Axial Flux Radial Flux Axial Flux Permanent Magnet Axial Flux nternal Rotor Multi Particle Swarm Otimization Electromotive force Particle Swarm Otimization Particle Swarm Otimization mrove Particle Swarm Otimization Rotational Per Minutes Total Harmonic Distortion مجله انجمن مهندسین برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول - بهار 397 3