چکیده

کاربردهای سرعت‌پایین و گشتاور بالا نظیر تولید انرژی بادی، از ساختارهای دارای تعداد قطب بالا استفاده می‌کنند. این مسئله سبب افزایش شار نشتی در ماشین‌های میدان طولی و یا شعاعی سنتی می‌شود در حالی که توان خروجی ثابت باقی می‌ماند. در ماشین‌های شار عرضی (TFMs), افزایش توان خروجی متناسب با تعداد قطب‌ها با عرضی شدن جهت شار صورت می‌گیرد. اما، TFMs ها همچنان مشکل نشتی نسبتاً بالا را تحمل کرده و کاربردهای آن‌ها در صنایع کنونی محدود شده است. به‌منظور بررسی این نشتی، مدل‌های نسبتاً دقیق و سریع سه‌بعدی مورد نیاز است. تاکنون، مدل‌های المان محدود (FEM) به‌صورت فراگیر برای محاسبه این میدان‌های مغناطیسی سه‌بعدی مورد استفاده قرار می‌گرفته است. اما روش FEM مستلزم تعداد زیادی المان است و از این رو بسیار زمان‌بر است (برای یک مسئله واحد، ساعت‌ها زمان می‌برد). یک مدل پارامتری دقیق‌تر و سریع‌تر برای بیشینه‌سازی ضریب قدرت در عین حال که چگالی گشتاور نیز بالا باشد، ضروری است. در این مقاله، مدل بار مغناطیسی سه‌بعدی به‌منظور بررسی قابلیت‌های آن‌ برای مدل‌سازی ساختارهای TFM استفاده شده است. در این راستا، یک روش جستجوی پارامتری خودکار به‌منظور کمینه‌سازی حجم ماشین اعمال شده است، یعنی بدون در نظر گرفتن ضریب قدرت اگرچه چگالی شار مغناطیسی و نشتی شیارها ثابت است. اگرچه این روش، نقطه مینیمم بهینه کلی را نتیجه نمی‌دهد، اما به‌طور حتم این روش برای طراحان با تجربه ماشین‌های الکتریکی که مایل هستند درک بهتری از فیزیک این ماشین‌ها داشته باشند، مفید و جالب‌توجه خواهد بود. به‌منظور ترسیم دقت مدل بار مغناطیسی، خطای نتیجه نهایی در روش جستجوی پارامتری با روش FEM ی سه‌بعدی مقایسه شده است که نشان‌دهنده این است که خطای حاصل از پیش‌بینی نیرو،  تنها 8.9% می‌باشد.

1-مقدمه

انرژی تولید شده از منابع انرژی تجدید پذیر با ژنراتورهای درایو مستقیم مستلزم عملکرد آن تحت سرعت‌های پایین با سرعت‌های نامی در رنج 10 تا 90 r/min می‌باشد. یک ساختار ماشین با تعداد قطب‌های زیاد و چگالی نیروی بالا به‌منظور حفظ جرم، تلفات و اندازه در محدوده مجاز، لازم خواهد بود. در این راستا، ماشین شار عرضی (TFM) انتخاب شده است به این خاطر که دارای مشخصه‌های ذاتی به‌منظور افزایش توان متناسب با تعداد قطب‌ها برای مسیرهای مدور است. در ماشین‌های میدان طولی و شعاعی، این مسئله باعث افزایش توان نمی‌شود بلکه در مقابل باعث می‌شود که نشتی بین قطبی غالب شده که در نهایت به‌شدت چگالی گشتاور را تحت تأثیر قرار می‌دهد. TFM در مقابل امکان افزایش تعداد قطب‌ها و نیز چگالی گشتاور را به‌صورت همزمان فراهم می‌کند که در واقع این گشتاور نیز با فاصله سیم‌پیچ‌ها مستقل از فاصله قطب‌ها، تقویت می‌شود. افزایش گشتاور باعث می‌شود که مسیرهای شار سه‌بعدی در ماشین به وجود بیاید. همان‌طور که از نام آن برمی‌آید، مسیر شار اصلی عمود بر مسیر حرکت است، در حالی که مسیر نشتی اصلی در امتداد مسیر حرکت TFM می‌باشد. بنابراین، مدل‌های سه‌بعدی دقیق برای طراحی TFM ها و محاسبه عملکرد آن‌ها لازم است. مشخصه‌های TFM ها این است که شار نشتی قابل‌توجهی در آن‌ها وجود دارد درنتیجه ضریب قدرت آن‌ها را کاهش می‌دهد....