17FELM1343 بهينهسازي طراحي يك ژنراتور آهنربا داي م ششفاز با رتور خارجي جهت كاربرد در توربينهاي بادي محمدابراهيم موذن سيداصغر غلاميان دانشكده مهندسي برق و كامپيوتر دانشگاه صنعتي نوشيرواني بابل بابل ايران چكيده ژنراتور سنكرون آهنربا داي م شار شعاعي با رتور خارجي از نظر فني و اقتصادي انتخاب مناسبي براي استفاده در توربينهاي بادي بدون جعبهدنده است. از معايب اصلي ژنراتورهاي مورد استفاده در كاربردهاي سرعت پايين حجم بالا و هزينه ساخت زياد ميباشد. بنابراين در اين مقاله طراحي بهينه چند هدفه يك ژنراتور آهنربا داي م رتور خارجي جهت كاهش تلفات و هزينه ساخت انجام شده است. به همين منظور ابتدا با بررسي و ايجاد يك مدل تحليلي الكترومغناطيسي براي ژنراتور الگوريتم طراحي آن استخراج شده است. سپس با انتخاب يك تابع هدف مناسب و تعيين متغيرهاي طراحي پارامترهاي ژنراتور توسط الگوريتم ژنتيك بهينهيابي شدهاند. در پايان صحت طراحي بهينه به واسطه تحليل اجزاي محدود اعتبارسنجي شده است. واژههاي كليدي ژنراتور آهنربا داي م با رتور خارجي توربين بادي طراحي بهينه الگوريتم ژنتيك مقدمه 1. توليد انرژي الكتريكي به واسطه انرژي باد به دليل ويژگيهايي همچون سازگاري با محيط زيست منبعي نامحدود و هزينه توليد انرژي پايين در مقايسه با منابع انرژي تجديدپذير ديگر رشد بسيار زيادي را طي دو دهه گذشته داشته است. در ايران مناطقي با پتانسيل بسيار مناسب جهت استفاده از انرژي باد وجود دارد. طبق گزارش سازمان انرژيهاي نو ايران منطقه حاشيه فلات هامون سيستان و ميل نادر در مسير جاده زابل به نهبندان محدوده بسيار پرقدرت و متداوم وزش بادهاي سيستان شناساي ي شده است كه درصد رتبه بندي باد به 98 درصد رتبهي جهاني ميرسد[ 1 ]. در اين منطقه متوسط سرعت باد 8/7 متر بر ثانيه در طول سال بوده كه حداقل سرعت وزش باد 5/7 و حداكثر مقدار آن 10/2 متر بر ثانيه مي باشد. بنابراين ژنراتور مورد مطالعه در اين مقاله براي بهرهبرداري در اين منطقه طراحي شده است. بازدهي بالا كاهش حجم كلي سيستم قابليت اطمينان بالا و كاهش هزينه تعمير و نگهداري از مزاياي سيستم توربين بادي بدون جعبهدنده ميباشد[ 2 ]. از ميان ژنراتورهاي مرسوم ژنراتورهاي آهنربا داي م به دليل راندمان قابليت اطمينان و چگالي توان بالا و همچنين حجم كمتر انتخاب مناسبي براي استفاده در توربينهاي بادي بدون جعبهدنده ميباشند[ 3][2 ]. موارد پيشهرو از جمله تحقيقهايي ميباشد كه به منظور بهبود عملكرد ژنراتورهاي آهنربا داي م انجام شده است: در [4] طراحي تحليل اجزاي محدود و تست عملي يك ژنراتور آهنربا داي م با رتور خارجي براي استفاده در توربينهاي بادي بدون جعبهدنده اراي ه شده است. تحليل صورت گرفته نشان ميدهد كه ژنراتور در يك محدوده وسيع تغييرات سرعت داراي عملكرد قابل اطمينان و بسيار خوب ميباشد. در [5] انرژي تحويلي ساليانه سه نوع ژنراتور متصل به توربين بادي يعني ژنراتور القايي دوسو تغذيه ژنراتور سنكرون با تحريك خارجي و ژنراتور سنكرون آهنربا داي م با يكديگر مقايسه شدهاند. نشان داده شده است كه ژنراتور سنكرون آهنربا داي م بدون جعبهدنده داراي بيشترين انرژي تحويلي ساليانه به شبكه ميباشد. يك روش موثر به منظور بهبود ريپل گشتاور و
همچنين بهبود كيفيت ولتاژ ژنراتور سنكرون آهنربا داي م با رتور خارجي متصل به توربين بادي در [6] اراي ه شده است. عوامل موثر بر گشتاور دندانه اي و كيفيت ولتاژ شناسايي شده و سپس با انتخاب مقادير مناسب براي اين پارامترها بهبود ريپل گشتاور و كيفيت ولتاژ القايي حاصل شده است. در [7] از يك روش بهينهسازي رياضي به نام ضراي ب لاگرانژ به منظور افزايش توان عبوري از فاصله هوايي يك ژنراتور سنكرون آهنربا داي م شار شعاعي تحت محدوديت تنش مماسي استفاده شده است. در [8] طراحي بهينه يك ژنراتور آهنربا داي م با رتور خارجي متصل به توربين بادي به منظور كاهش گشتاور دندانهاي و اعوجاج هارمونيكي كل اراي ه شده است. در فرآيند بهينهسازي توان خروجي بالا نيز مدنظر قرار گرفته است. متغيرهاي طراحي قوس قطب ضخامت ماده آهنربا داي م و ميزان قوس دندانه انتخاب شده و از توابع هدف مختلف به منظور رسيدن به طراحي بهينه استفاده شده است. در [9] طراحي بهينه يك ژنراتور آهنربا داي م براي استفاده در توربين بادي به منظور كاهش هزينه توليد انرژي انجام شده است. براي طراحي ژنراتور از دو مادهي آهنربا خاك كمياب و آهنربا فريت به عنوان ماده آهنربا داي م استفاده شده است. براي رسيدن به يك طراحي مناسب چندين تابع هدف اراي ه شده است. نشان داده شده است كه هزينه توليد انرژي و مواد مصرفي ژنراتور طراحي شده با آهنربا خاك كمياب به مراتب كمتر از آهنرباي فريت است. در اين مطالعه با توجه به نوع كاربرد از ژنراتور آهنربا داي م شار شعاعي با رتور خارجي استفاده شده كه نماي كلي آن در شكل 1 قابل مشاهده ميباشد. از مزيتهاي مهم ژنراتور آهنربا داي م رتور خارجي اين است كه [4]: الف قطر رتور آن بزرگتر از نوع رتور داخلي بوده كه امكان تعبيه تعداد قطب بيشتر و كوتاهتر شدن گام قطب نيز مهيا ميباشد. ب بسيار مناسب براي توربينهاي بادي بدون جعبهدنده ميباشد زيرا توپي (هاب) پرههاي توربين بادي بدون هيچ واسطهاي به رتور خارجي متصل ميشود. ج به دليل كوتاهتر بودن گامقطب طول مسير مغناطيسي كمتر شده كه منجربه كاهش ضخامت يوغ رتور حجم و وزن كلي ژنراتور ميشود. همچنين طول انتهاي كلاف كمتر شده كه كاهش تلفات مسي را نيز درپي دارد. با توجه به اصول طراحي ماشينهاي الكتريكي ژنراتورهاي متصل به توربينهاي بادي بدون جعبهدنده به دليل سرعت نامي پايين داراي حجم و وزن زياد ميباشند كه اين مساله منجربه افزايش تلفات و هزينه ساخت ژنراتور ميشود[ 7][4 ]. بنابراين هدف از طراحي بهينه در اين مقاله كاهش تلفات و هزينه ساخت ژنراتور ميباشد. در اين مقاله ابتدا روند طراحي ژنراتور آهنربا داي م و محاسبه تلفات و هزينه ساخت آن مورد بررسي قرار گرفتهاند. سپس با اراي ه مدل توربين بادي و فلوچارت طراحي پارامترها و متغيرهاي طراحي معرفي شدهاند. در پايان سيمپيچي استاتور.2 هسته استاتور هسته رتور خارجي ماده آهنربا داي م شكل 1: نماي سهبعدي از ژنراتور آهنربا داي م با رتور خارجي. شكل 2: نمايش ابعاد ماشين آهنربا داي م رتور خارجي با آهنربا سطحي. پايان بهينهسازي طراحي و تاييد اعتبار آن به واسطه تحليل اجزاي محدود انجام شده است. روابط اساسي طراحي ژنراتور آهنربا داي م در اين بخش محاسبه ابعاد قسمتهاي مختلف ژنراتور مورد بررسي قرار ميگيرد. ابعاد ژنراتور آهنربا داي م رتور خارجي با آهنربا سطحي در شكل 2 نمايش داده شده است. اولين گام در طراحي اين ژنراتور محاسبه ابعاد اصلي ماشين يعني قطر خارجي استاتور (D) و طول ماشين (L) ميباشد. بنابراين ايجاد يك رابطه تحليلي بين ابعاد اصلي و توان خروجي ژنراتور ضروري 2
ميباشد. به همين منظور ابتدا مولفه اول ولتاژ القايي ژنراتور به صورت تابعي از ابعاد اصلي طبق رابطه زير بيان شده است[ 3 ]: ( 1) در رابطه بالا k ضريب سيم بندي N n به ترتيب قطر داخلي و طول استاتور L B تعداد دور سيمپيچي هرفاز D و سرعت سنكرون (دور بر ثانيه) و حداكثر مقدار هارمونيك اول چگالي شار فاصله هوايي است. مقدار موثر جريان هرفاز ژنراتور نيز طبق رابطه زير ميباشد[ 10 ]: I πda (2) 2m 2N كه در آن m تعداد فاز و A حداكثر بارگذاري الكتريكي ويژه ژنراتور مي باشد. حال ميتوان طبق روابط زير ابعاد اصلي ماشين را به صورت تابعي از توان خروجي ژنراتور بيان نمود [10]: فاصله هوايي است. نوع ماده آهنربا داي م مورد استفاده در اين مقاله NdFeB35 با چگالي شار پسماند 1/23 ميباشد. ضخامت يوغ استاتور و رتور و همچنين عرض دندانه استاتور به صورت تابعي از چگالي شار فاصله هوايي به صورت روابط زير بيان ميشوند[ 13][7 ]: (7) (8) w و h كه چگالي شار يوغ به ترتيب ضخامت يوغ و عرض دندانه ميباشند. B B حداكثر چگالي شار دندانه k h B D P k B w B πd Q k B هسته Q حداكثر ضريب انباشت ورقه تعداد شيار استاتور و P تعداد كل قطبهاي ژنراتور است. E 2 n N DLB k 3. محاسبه تلفات ژنراتور S me I (3) (9) (4) (5) S gap كه توان ظاهري فاصله هوايي P out توان خروجي ژنراتور و ϵ نسبت ولتاژ القايي به ولتاژ ترمينال ميباشد. cos ضريب توان بار است كه براي ژنراتورهاي آهنربا داي م متصل به مبدلهاي پشت به پشت يك انتخاب مي شود[ 11 ]. با انتخاب نسبت مناسب بين طول و قطر خارجي استاتور ميتوان ابعاد اصلي ماشين را محاسبه نمود. نسبت مناسب طول خارجي به قطر استاتور براي ژنراتورهاي آهنرباي داي م شار شعاعي متصل به توربينهاي بادي بين 0/14 تا 0/5 گزارش شده است[ 12 ]. در ماشينهاي الكتريكي مسير برگشت شار بين قطبها از طريق دندانهها و يوغ استاتور و رتور ميباشد. بنابراين به منظور جلوگيري از اشباع مغناطيسي چگالي شار در بخشهاي مختلف ژنراتور به عنوان محدوديت طراحي درنظر گرفته شده است. تعيين ابعاد يوغ دندانه و ضخامت ماده آهنربا داي م مطابق با مدار معادل مغناطيسي ژنراتور منحني مغناطيسي هسته استاتور و رتور و مشخصه مغناطيسي ماده آهنربا داي م صورت ميگيرد. ضخامت ماده آهنربا داي م طبق رابطه زير قابل محاسبه ميباشد[ 5 ]: (6) كه هوايي h B μ B ضريب نفوذپذيري ماده آهنرباي داي م B چگالي شار پسماند ماده آهنربا داي م و B mg طول موثر فاصله حداكثر چگالي شار كه در اين بخش محاسبه تلفات ژنراتور مورد بررسي قرار ميگيرد. اين P تلفات شامل تلفات آهني هسته تلفات مسي سيمپيچ و تلفات اضافي مي باشد. در ماشينهاي آهنربا داي م با آهنربا سطحي تلفات آهني هسته رتور قابل صرفهنظر است[ 10 ]. همچنين از تلفات اصطكاك و بادخوري به دليل سرعت پايين صرفهنظر شده است[ 14 ]. بنابراين تلفات كل ژنراتور را ميتوان به صورت رابطه زير بيان نمود: تلفات مسي سيمپيچ P تلفات آهني هسته و P P P + P +P ژنراتور است. تلفات مسي كل طبق رابطه زير قابل محاسبه ميباشد: P mr I (10) تلفات اضافه در رابطه بالا R مقاومت هرفاز سيمپيچي استاتور مي باشد. تلفات آهني هسته در يوغ و دندانه استاتور مطابق رابطه زير محاسبه ميشود[ 9][5 ]: f P 2m ρ 50 B 1.5 2m ρ f 50 B 1.5 (11) در رابطه بالا ρ و ρ به ترتيب تلفات هيسترزيس و جريان گردابي مخصوص (وات بر كيلوگرم) ميباشند. f فركانس نامي ژنراتور B حداكثر چگالي شار در دندانه يا يوغ استاتور و وزن دندانهها يا يوغ استاتور m ميباشد. نوع ورق استفاده شده براي هسته استاتور و رتور در اين مطالعه M P 1 S cos D P ϵ L 0.5π k A B cos n 3
19 بوده كه در فركانس 50 هرتز و چگالي شار 1/5 تلفات مخصوص هيسترزيس و جريان گردابي آن به ترتيب برابر با 2 و 0/5 وات بر كيلوگرم است[ 9][5 ]. تلفات اضافه معمولا به صورت ضريبي از توان خروجي ماشين بيان ميشود. از آنجاييكه ژنراتور شار شعاعي با آهنربا سطحي يك ماشين سنكرون قطب صاف محسوب ميشود تلفات اضافه را ميتوان بين 0/0005 تا 0/0015 توان خروجي درنظر گرفت كه در اين مقاله 0/0015 انتخاب شده است[ 13 ]..4 محاسبه هزينه ساخت ژنراتور مدلهاي مختلفي به منظور محاسبه هزينه ساخت يك ماشين الكتريكي اراي ه شدهاند. مدل درنظر گرفته شده در اين مقاله شامل هزينه مواد فعال و هزينه ساختمان ژنراتور آهنربا داي م شار شعاعي ميباشد كه به صورت رابطه زير بيان ميشود[ 15 ]: (12) C كه هزينه مواد فعال ماشين و C هزينه ساختمان آن ميباشد. هزينه مواد فعال ماشين شامل هزينه مس آهن هسته و ماده آهنربا داي م است كه طبق رابطه زير محاسبه ميشود: (13) در رابطه بالا c c و c به ترتيب هزينه مخصوص () مس آهن هسته و ماده آهنربا داي م ميباشند. m m و m به ترتيب وزن كل مس آهن هسته و ماده آهنربا داي م استفاده شده در ژنراتور است. هزينه ساختمان به صورت تابعي از قطر خارجي ژنراتور و طول آن طبق رابطه زير تخمين زده ميشود[ 15 ]: (14) c كه و D هزينه ساختمان يك ماشين مرجع با قطر 1 متر و طول 0/3 متر است. L به ترتيب قطر و طول ماشين مرجع ميباشند. تمامي پارامترهاي مورد نياز براي محاسبه هزينه ساخت ژنراتور در جدول 1 اراي ه شده است. مطالعه چگونگي توزيع سرعت باد توسط تابع توزيع رايلي بيان شده است :[12] (15) U كه سرعت باد و U متوسط سرعت باد در يك منطقه ميباشد. انرژي ساليانه تحويلي به شبكه ژنراتور طبق رابطه زير قابل محاسبه ميباشد[ 12 ]: (16) كه C η راندمان ژنراتور و PU توان دريافتي از توربين بادي به ازاي يك سرعت باد مشخص ميباشد. در يك توربين بادي محور افقي توان قابل دريافت از انرژي باد طبق رابطه زير بيان ميشود[ 17][16 ]: (17) در اين رابطه R شعاع پره توربين و ρ چگالي هوا (1/2 كيلوگرم بر مترمكعب) ميباشد. بازده آيروديناميكي توربين بادي است كه بين 0/3 تا 0/45 گزارش شده است[ 17 ]. سرعت زاويهاي محور توربين بادي (راديان بر ثانيه) كه در واقع همان سرعت شفت ژنراتور است را ميتوان بر حسب تابعي از توان خروجي ژنراتور به صورت رابطه زير بيان كرد[ 16 ]: (18) كه در آن P توان نامي ژنراتور و λ نسبت سرعت قلهاي بوده كه بين 5 تا 7 ميباشد[ 17 ]. با توجه به اطلاعات بادسنجي منطقه حاشيه فلات هامون سيستان و ميل نادر در مسير جاده زابل به نهبندان سرعت نامي باد 10 متر بر ثانيه انتخاب شده است كه براي يك ژنراتور 15 كيلووات با انتخاب ٧= λ و ٠/٤٢= P C سرعت نامي شفت تقريبا 150 دور بر دقيقه تخمين زده شده است..6 فلوچارت طراحي AEO U e 365 24 η PU fu U P C ρ πr u ω 0.5ρ πλ u C η P روند طراحي ژنراتور به صورت فلوچارت در شكل 3 نمايش داده شده است. C C + C C c m + c m +c m C c /2 D /D L/L.7 انرژي باد الگوريتم ژنتيك.5 در اين قسمت محاسبه انرژي تحويلي ساليانه به شبكه و تخمين سرعت شفت ژنراتور مورد بررسي قرار گرفته است. سرعت باد بعنوان يك متغير تصادفي پيوسته مي تواند توسط يك تابع چگالي احتمال بيان شود.از توابع چگالي احتمال مختلفي براي توصيف سرعت باد ميتوان استفاده نمود. در اين الگوريتم ژنتيك يك روش جستجوي احتمالي است كه ايده اصلي آن برگرفته از سير تكامل در طبيعت ميباشد[ 16 ]. از مزيتهاي الگوريتم ژنتيك اين است كه به نقطه شروع وابسته نيست محدوديتي براي تابع هدف مانند مشتقپذيري و يا پيوستگي ندارد و همچنين احتمال به دام افتادن در بهينه 4
.8 محلي آن حداقل است. در اين الگوريتم هريك از اعداد متغيرهاي مساله به عنوان يك ژن شناخته ميشوند. هر كروموزوم نيز يك رشته از صفر و يك است كه متغيرهاي مساله را در بر ميگيرد. ژنها تشكيل كروموزوم داده و چندين كروموزوم دركنار هم تشكيل جمعيت ميدهند. در آغاز يك جمعيت اوليه به صورت تصادفي توليد شده و به ترتيب مراحل گزينش مجدد جهش و تبادل ژني روي اين جمعيت صورت مي گيرد. رفته رفته كروموزومهاي ضعيفتر حذف شده و جمعيتي با هدف توليد نسل بهتر ايجاد ميشود. در نسلهاي بعدي يك كروموزوم شرط نهايي تابع برازش را احراز مي كند[ 18 ]. پارامترهاي ژنراتور و متغيرهاي طراحي پارامترهاي اصلي ژنراتور و همچنين متغيرهاي طراحي در جدول 1 اراي ه شدهاند. علت اصلي استفاده از ژنراتور ششفاز در اين مقاله قابليت اطمينان بالاي آن در مقايسه با ژنراتور سهفاز است. ششفاز ماشين به دو دسته سهفاز به نامهاي XYZ و ABC تقسيم و نامگذاري شدهاند. به منظور جلوگيري از جدول 1: پارامترهاي ژنراتور و متغيرهاي طراحي. شكل 3: فلوچارت طراحي ژنراتور. انتشار خطا از يك گروه سهفاز به گروه ديگر و همچنين ممانعت از جاري شدن هارمونيكهاي مضرب سوم در ولتاژ و جريان خط مركز ستاره دو گروه سهفاز از يكديگر ايزوله ميباشند[ 19 ]..9 نتايج طراحي بهينه هدف از انجام طراحي بهينه كاهش تلفات و هزينه ساخت ژنراتور مي باشد. به همين منظور يك تابع هدف دو منظوره مناسب طبق رابطه زير تعريف شده است: (19) محاسبه ابعاد اصلي ژنراتور و تعداد دور سيمپيچي هرفاز پايان تعيين پارامترهاي ثابت طراحي مانند ns, Br, Pout و... خير تاييد صحت حداكثر بارگذاري الكتريكي ويژه بلي بلي شروع انتخاب مقدار براي متغيرهاي طراحي محاسبه ضخامت ماده آهنربا داي م و تمامي ابعاد هندسي ژنراتور تاييد صحت خير محاسبه اندوكتانس بلي چگالي شار فاصله هوايي سنكرون و مقاومت ژنراتور الكتريكي محاسبه تلفات هزينه ساخت و انرژي تحويلي ساليانه به شبكه ژنراتور بروزرساني متغيرهاي طراحي تاييد صحت ولتاژ ترمينال ژنراتور در بار نامي F, PMSG پارامترهاي ژنراتور و ضراي ب ثابت پارامترهاي اصلي ژنراتور توان خروجي ولتاژ نامي خط سرعت نامي شفت ژنراتور شيار بر قطب بر فاز طول فاصله هوايي قيمت مواد مصرفي ماشين هزينه هسته هزينه مس هزينه ماده آهنربا داي م هزينه ساختمان يك ماشين مرجع متغيرهاي طراحي ژنراتور حداكثر بارگذاري الكتريكي (Am) حداكثر چگالي شار فاصله هوايي (Bmg) نسبت قوس قطب به گام قطب (αi) نسبت طول به قطر داخلي استاتور (KL) نسبت ولتاژ القايي به ولتاژ ترمينال () تعداد جفت قطب (2P) حداكثر چگالي شار يوغ استاتور (Bys) حداكثر چگالي شار يوغ رتور (Byr) حداكثر چگالي شار دندانه استاتور (Bt) واحد وات ولت دور بر دقيقه مقدار خير 15000 400 150 2 آمپر بر متر 0/001 D 2/62 9/61 220/31 3250 محدوده تغييرات 10000 55000 0/738 0/984 0/6 0/9 0/14 0/5 1 1/4 4 32 1/1 1/5 1/3 1/6 1/5 2 5
در رابطه بالا P loss,ref و C ref حداقل تلفات و هزينه ساخت ژنراتور ميباشند. براي محاسبه حداقل مقادير تلفات و هزينه ساخت هركدام به صورت يك تابع هدف تك منظوره براي الگوريتم ژنتيك تعريف ميشوند. طبق بهينه سازي تلفات تلفات ژنراتور 547/4 وات و هزينه ساخت آن 3859/85 دلار محاسبه شده است. همچنين با بهينهسازي هزينه ساخت تلفات 912/13 وات و هزينه ساخت 1753/08 دلار محاسبه شده است. بنابراين حداقل تلفات 547/4 وات و حداقل هزينه ساخت 1753/08 دلار ميباشد. حال ميتوان طبق 19 تابع هدف دومنظوره را بهينهيابي نمود. در شكل 4 روند بهينهسازي تابع هدف دو منظوره F 2 اراي ه شده است. قابل مشاهده است. نتايج طراحي بهينه در جدول شكل 4: روند بهينهسازي تابع هدف دومنظوره. طبق بهينهسازي تك منظوره تلفات هزينه ساخت ژنراتور در مقايسه با حداقل هزينه ساخت (1753/08 دلار) تقريبا 120/2 درصد افزايش داشته است. براساس بهينهسازي تك منظوره هزينه ساخت تلفات محاسبه شده در مقايسه با حداقل مقدار خود (547/4 وات) 66/6 درصد افزايش داشته است. جدول 2: پارامترهاي ژنراتور بهينه شده. شكل 5: نمايش توزيع چگالي شار در بخشهاي مختلف ژنراتور. بنابراين توابع هدف تك منظوره تلفات و هزينه ساخت طبق نياز مساله منجربه طراحي بهينه براي ژنراتور نميشوند. با مراجعه به جدول 2 مشاهده ميشود كه تابع هدف F پارامتر انرژي تحويلي ساليانه به شبكه (AEO) واحد گيگاوات ساعت مقدار 62/11 95/61 687/16 1987/2 29010/6 0/982 0/788 0/155 1/08 7 1/51 1/1 1/59 702/63 637/05 99/25 41/89 28/82 8 40/18 3/3 308 424/34 نياز مساله يعني حداقل تلفات و هزينه ساخت را برآورده ساخته است زيرا تلفات و هزينه ساخت محاسبه شده براساس اين تابع هدف حداقل اختلاف را با مقادير ايدهآل خود دارند. از طرف ديگر هزينه ساخت آن در مقايسه با هزينه ساخت محاسبه شده طبق بهينهسازي تك منظوره تلفات 48/5 درصد كاهش يافته است و همچنين تلفات آن در مقايسه با تلفات محاسبه شده طبق تابع هدف تك منظوره هزينه ساخت كاهش 24/66 درصدي داشته است. 10.نتايج شبيهسازي به منظور اعتبارسنجي نتايج طراحي بهينه از نرمافزار Ansoft 16.v MAXWELL كه يك نرمافزار تحليل اجزاي محدود بوده استفاده شده است. در شكل 5 توزيع چگالي شار در قسمتهاي مختلف ژنراتور نمايش داده شده است. با دقت در اين شكل مشاهده ميشود كه چگالي شار راندمان (η) تلفات ژنراتور (Ploss) هزينه ساخت (CPMSG) حداكثر بارگذاري الكتريكي (Am) حداكثر چگالي شار فاصله هوايي (Bmg) نسبت قوس قطب به گام قطب (αi) نسبت طول به قطر داخلي استاتور (KL) نسبت ولتاژ القايي به ولتاژ ترمينال (ϵ) تعداد جفت قطب (2P) حداكثر چگالي شار دندانه استاتور (Bt) حداكثر چگالي شار يوغ استاتور (Bys) حداكثر چگالي شار يوغ رتور (Byr) قطر خارجي ژنراتور (De) قطر خارجي استاتور (D) طول ژنراتور (L) ضخامت يوغ استاتور (hys) ضخامت يوغ رتور (hyr) عرض دندانه استاتور (wt) ارتفاع دندانه استاتور (ht) ضخامت آهنربا (hpm) تعداد دور سيمپيچي هرفاز (Nph) مقدار موثر مولفه اصلي ولتاژ القايي خط (Eph) وات دلار آمپر بر متر ولت 6
Six Phase Line Voltage (V) 600 400 200 0 200 400 600 VAB [V] VBC [V] VCA [V] VXY [V] VYZ [V] VZX [V] 0 50 100 150 200 250 300 Time (ms) شكل 6: شكل موج ولتاژهاي ترمينال خط ژنراتور در بار نامي. Wind Turbines, IEEE Trans. Magn., vol. 36, no. 5, pp. 38023809, Sept. 2000. [5] H. Polinder, F. Pijl, G. Vilder and P. Tavner, Comparison of directdrive and geared generator concepts for wind turbines, IEEE Trans. Energy Convers., vol. 21, no. 3, pp. 725733, Sept. 2006. [6] J. H. J. Potgieter and M. J. Kamper, Torque and Voltage Quality in Design Optimization of LowCost NonOverlap Single Layer Winding Permanent Magnet Wind Generator, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 59, no. 5, pp. 21472156, May 2012. [7] J. Tapia, J. Pyrhönen, J. Puranen, P. Lindh and S. Nyman, Optimal Design of Large Permanent Magnet Synchronous Generators, IEEE Trans. Magn., vol. 49, no. 1, pp. 642650, Jan. 2013. [8] S. H. Lee, Y. Kim, K. Lee and S. Kim, Multiobjective Optimization Design of SmallScale Wind Power Generator With Outer Rotor Based on Box Behnken Design, IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 26, no. 4, pp. 605609, Jun. 2016. [9] A. McDonald and N. Bhuiyan, On the Optimization of Generators for Offshore Direct Drive Wind Turbines, IEEE Trans. Energy Convers., vol. 32, no. 1, pp. 348358, Mar. 2017. [10] J. F. Gieras, Permanent Magnet Motor Technology: Design and Applications, 3rd ed. New York, CRC Press, 2010. [11] I. Boldea, Variable speed generators Handbook. 1st ed., New York, CRC Press, 2005. [12] A. Khan and P. Pillay, Design of a PM Wind, Optimized for Energy Capture over a Wide Operating Range, IEEE Int. Elect. Mach. Drives Conf., San Antonio, TX, USA, pp. 15011506, 2005. [13] J. Pyrhönen, T. Jokinen and V. Hrabovcová, in Design of Rotating Electrical Machine,1st ed. Chichester, UK: Wiley, 2009. [14] S. Eriksson and B. Bernhoff, Loss Evaluation and Design Optimization for Direct Driven Permanent Magnet Synchronous Generators for Wind Power, J. Applied Energy, vol. 88, no. 1, pp. 265 271, Jan. 2011. [15] T.P.M. Bazzo, J.F. Kolzer, R. Carlson, F. Wurtz and L. Gerbaud, Multidisciplinary design optimization of directdrive PMSG considering the site wind profile, J. Elect. Power Syst. Res., vol. 141, pp. 467475, Dec. 2016. [16] H. Li and Z. Chen, Design Optimization and Site Matching of Direct Drive Permanent Magnet Wind Power Generator Systems, J. Renew. Energy, vol. 34, no. 4, pp. 1175 1184, Apr. 2009. [17] H. Jagau, A. Khan and P. Barendse, Design of a Sustainable Wind Generator System Using Redundant Material, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 23, no. 6, pp. 18271837, Nov. 2012. [18] G.F. Uler, O. A. Mohammed, Ch. S. Koh, Design optimization of electrical machines using genetic algorithms, IEEE Trans. Magn., vol. 31, no. 3, pp. 20082011, May 1995. [19] G. Singh, A. Kumar and R. Saini, "Performance evaluation of series compensated selfexcited sixphase induction generator for standalone renewable energy generation," J. Energy, vol. 35,No.1, pp. 288 297, Jan. 2010. در بخشهاي مختلف ماشين مطابق با محدوديتي ميباشد كه در طراحي بهينه اعمال شده است. ولتاژهاي خطي ترمينال ژنراتور تحت بار نامي براي دو گروه ABC و XYZ در شكل 6 قابل مشاهده ميباشد. مقدار موثر مولفه اصلي ولتاژ خط در بار نامي 397/23 ولت اندازهگيري شده است. مقدار ولتاژ خط اندازهگيري شده با مقدار نامي تنها 0/69 درصد اختلاف دارد كه نشان 11.نتيجهگيري دهنده دقت بالاي طراحي بهينه ميباشد. در اين مقاله طراحي بهينه يك ژنراتور سنكرون آهنربا داي م 15 كيلووات با رتور خارجي به منظور كاربرد در توربينهاي بادي بدون جعبهدنده اراي ه شده است. با توجه به نوع كاربرد ژنراتور هدف از طراحي بهينه كاهش تلفات و هزينه ساخت درنظر گرفته شده است. به همين منظور ابتدا روابط طراحي ژنراتور سنكرون آهنربا داي م شار شعاعي با رتور خارجي مورد بررسي قرار گرفته و از يك مدل مناسب براي ارزيابي هزينه ساخت ماشين استفاده شده است. سپس با استفاده از الگوريتم ژنتيك و تعريف تابع هدف مناسب متغيرهاي طراحي در يك محدوده از پيش تعيين شده بهينهيابي شدهاند. نشان داده شده است كه نيازهاي مساله يعني حداقل تلفات و هزينه ساخت ژنراتور به خوبي برآورده شده است. در پايان صحت طراحي بهينه انجام شده با استفاده از تحليل اجزاي محدود مورد تاييد قرار گرفته است. منابع [1] Renewable Energy Organization of Iran. Iranian Renewable Energy Organization Magazine [Online]. Available: http://www.satba.gov.ir/suna_content/media/image/2015/11/4222_orig.p df, 2010. [2] H. Li, Z. Chen and H. Polinder, Optimization of Multibrid Permanent Magnet Wind Generator Systems, IEEE Trans. Energy Convers., vol. 24, no. 1, pp. 8292, Mar. 2009. [3] Y. Chen, P. Pillay and A. Khan, PM wind generator topologies, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 41, no. 6, pp. 16191626, NovDec. 2005. [4] J. Chen, C.V. Nayar, and L. Xu, Design and FiniteElement Analysis of an OuterRotor PermanentMagnet Generator for Directly Coupled 7