دانلود رایگان مقاله طراحی بهینه هندسه شکاف روتور موتورهای القایی نوع قفسه محافظ

خلاصه
         این مقاله به بررسی طراحی بهینه شکاف های روتور قفسه محافظ و میل های مسی موتورهای القایی پرقدرت با توجه به مقادیر گشتاورپیچشی راه انداز، گشتاور خرابی، مقادیر نامی بازده و عامل نیرو و همینطور گرمایش روتور می پردازد. سه هندسه شکاف های روتور و سطح مقطع میل ها، حفظ همان سطح مقطع، مورد بررسی قرار می گیرند: شکل مستطیلی، شکل پله دار و شکل پله- سوراخ. این بررسی مبتنی بر تحلیل آلمان محدود موتور القایی در شرایطی است که تنها شکاف های روتور و ترکیب سطح مقطع میل ها از کاربردی به کابرد دیگر تغییر می کند. مقایسه نتایج شبیه سازی ثابت می کند که افزایش مهم گشتاور پیچشی راه انداز و مقدار بالای بازدهی موتورهای القایی نوع قفسه محافظ مسی را می توان در مورد شکل پله- سوراخ سطح مقطع میل های روتور، بدون کاهش چشمگیر گشتاور خرابی، به دست آورد. معیار ارزیابی هندسه بهینه میل های روتور و مقدار بهینه سطح مقطع میل ها مورد بررسی قرار می گیرند. 
1. مقدمه
          طراحی بهینه موتورهای القایی کلاسیک با توجه به گشتاور الکترومغناطیسی باید به ترتیب دو لازمه متناقض مقدار بالای گشتاور پیچشی راه انداز و مقدار بالای گشتاور خرابی را برآورده سازد. در مورد موتورهای القایی قفسه محافظ، این ویژگی های به شدت به هندسه شکاف روتور [1]، [3]، [5] وابسته هستند.
اینم مقاله نتایج مطالعه ای مربوط به تأثیر هندسه شکاف روتور شکل سطح مقطع میل ها بر گشتاور پیچشی راه انداز، گشتاور خرابی، بازدهی و عامل نیروی موتور القایی پرقدرت با قفسه محافظ مسی [2]، [4] را ارائه می کند. 
2. مدل عددی
           همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، موتور القایی قفسه محافظ سه فاز 500kW ، 750 rpm، 6  kV، 50 Hz و سه شکل سطح مقطع میل های روتور در نظر گرفته می شوند. سطح میل های روتور و سطح مقطع حلقه انتهایی، بعد شعاعی هسته مغناطیسی روتور و ویژگی های پوسته برای تمام کاربردهای عددی یکسان هستند. 
          بررسی تأثیر اشکال متنوع شکاف های روتور بر عامل های موتور بر تحلیل آلمان محدود دو بعدی استوار است که از جفت گیری مدار- میدان استفاده می کند. مدل عددی متناظر موتور قادر است تا تمام جنبه های خاص مرتبط با میدان الکترومغناطیسی، نظیر اشباع هسته های مغناطیسی، اثر پوست در میل های روتور و غیره، را به حساب آورد. 
3. تحلیل نتایج شبیه سازی
A. میل های مستطیلی شکل
          در مورد شکل مستطیلی سطح مقطع میل ها، شکل 1الف، افزایش نسبت h2/a2 بین ارتفاع و ضخامت میل های روتور از افزایش هر واحد گشتاور پیچشی راه انداز (Mp/Mn)، شکل 2، و کاهش هر واحد جریان راه انداز (Ip/In)، شکل 3، اطمینان حاصل می کند. ترکیب عمیق- میل گرد، با خصوصیات نسبت h2/a2 = 94/55 mm/ 4mm = 98/13، از مقادیر بالای گشتاور پیچشی راه انداز و مقادیر کاهش یافته جریان راه انداز در مقایسه با اشکال دارای مقادیر h2/a2 کمتر از 2 اطمینان حاصل می نماید. 
          افزایش گشتاور پیچشی راه انداز با نسبت h2/a2، شکل 2، اثری مطلوب است، اما به قیمت کاهشی قابل توجه در هر واحد گشتاور خرابی (Mmax/Mn)، شکل 4. 
         دو ویژگی الکترومغناطیسی گشتاور- لغزش (M- s) که در شکل 5 نشان داده شده است، با حدود min(h2/a2) کمتر و max(h2/a2) بالاتر هندس سطح مقطع میل های مستطیلی، شکل 1a، که در این بررسی مورد مطالعه قرار گرفته، منطبق هستند؛ به عبارت دیگر، میلی تقریباً مربعی، با a2 = 15mm و h2 = 14.92mm، خط پر، و بار مستطیلی عمیقی، با a2 = 4mm و h2 = 55.93mm، خط نقطه چین.
          افزایش نسبت h2/a2 سطح مقطع میل به میزان قابل توجهی بر توزیع چگالی جریان در راه اندازی موتور اثر می گذارد (شکل های 6-9). 

Abstract

           This paper deals with the optimal design of squirrel­ cage rotor slots and copper bars of high power induction motors with respect to the values of starting torque, breakdown torque, rated values of efficiency and  power factor as well as rotor heating. Three geometries of rotor slots and of bars cross-section, keeping the same cross-section area, are considered: rectangular shape, stepped shape and step-holed shape. This study is based on the finite element analysis of the induction motor where only the rotor slots and bars cross-section configurations change from an application to another. The comparison of simulation results proves that important increase of starting torque and high values of efficiency of copper squirrel-cage type induction motors can be obtained in case of step-holed shape of rotor bars cross-section, without significant decrease of the breakdown torque.  Criteria for evaluation of optimal geometry of rotor bars and of optimal value of bars cross-section area are studied.

I.    INTRODUCTION

         The optimal design of classical  induction  motors  with respect to the electromagnetic torque must answer two contradictory requirements, respectively high value of starting torque and high value of breakdown torque. In case of squirrel­ cage induction motors, these characteristics are very dependent on the rotor slot geometry [l], [3], [5].

           This paper presents the results of a study related to the influence of the rotor slots geometry, respectively of the bars cross-section shape on the starting torque,  breakdown torque, efficiency and power factor of a high power induction motor with copper squirrel-cage [2], [4].

II.    NUMERICAL MODEL

          A 500 kW, 750 rpm, 6 kV, 50 Hz three-phase squirrel-cage induction motor and three shapes of the rotor bars cross-section are considered, Fig. 1. The area of rotor bars and end-ring cross-section, the radial dimension of the rotor magnetic yoke and the stator characteristics are the same for all numerical applications.

         The study of the influence of various shapes of the rotor slots on the motor parameters is based on a 2D finite element analysis using a field-circuit coupling. The corresponding numerical model of the motor is able to take into account all the specific electromagnetic field related aspects, such as saturation of magnetic cores, skin effect in the rotor bars, etc.

III.    SIMULATION RESULTS ANALYSIS

A.    Rectangular shape bars

           In case of rectangular shape of bars cross-section, Fig. la, the increase of ratio h2/a2 between height and thickness of rotor bars ensures the increase of per unit starting torque (Mi/Mn), Fig. 2, and the decrease of per  unit  starting  current  (Ip/In), Fig. 3. The very deep-bar configuration, characterized by the ratio h2/a2 = 55.94 mm I 4 mm= 13.98, ensures high values of starting torque and reduced values of starting current compared to the shapes characterized by values h2/a2 less than 2.

         The increase of starting torque with ratio h2/a2, Fig. 2, is a positive effect, but with the "price" of an important  decrease of per unit breakdown torque (Mmax!Mn), Fig. 4.

          The two electromagnetic torque - slip characteristics (M-s) in Fig. 5, correspond to the lower (h2/a2)min and upper (h2/a2)max limits of rectangular bars cross-section geometry, Fig. la, considered in this study, i.e. an almost square bar, with a2 = 15 mm and h2 = 14.92 mm, solid line, respectively, a deep rectangular bar, with a2 = 4 mm and h2 = 55.93 mm, dashed line.

        The increase of the ratio h2/a2 of bar cross-section significantly affects the current density distribution at motor start-up, Figs 6 - 9.

خلاصه
1. مقدمه
2. مدل عددی
3. تحلیل نتایج شبیه سازی
A. میل های مستطیلی شکل
B. میل های پله دار
C. میل های پله- سوراخ
D. افزایش ناحیه سطح مقطع میل ها
4. نتیجه گیری
منابع

Abstract
1. INTRODUCTION al
2. NUMERICAL MODEL
3. SimuLATioN RESULTs ANALYSIS
A. Rectangular shape bars
B. Stepped shape bars
C. Step-holed shape bars
D. Increase ofbars cross-section area
4. CONCLUSIONS
REFERENCES