whatsapp call admin

دانلود مقاله موتورهای پله‌ای

word قابل ویرایش
50 صفحه
11700 تومان
117,000 ریال – خرید و دانلود

موتورهای پله‌ای

-۱- مقدمه
موتورهای پله‌ای دسته‌ای از ماشینهای الکتریکی هستند که اطلاعات دیجیتالی را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کنند. اگر چه موتورهای پله‌ای سالهای قبل از ۱۹۲۰ میلادی مورد استفاده قرار می‌گرفته‌اند، ولی با ظهور کامپیوترهای دیجیتال، استفاده از این موتورها رشد بسیار سریعی پیدا کرد. به عنوان مثال، هنگامی که یک خروجی منطقی ظاهر می‌شود، رتور در موقعیت زاویه‌ای از پیش تعیین شده‌ای قرار می‌گیرد. این نوع موتورها در محرک کاغذ دستگاههای چاپگر و یا دیگر وسایل جانبی کامپیوتر مانند تعیین موقعیت هد بر روی دیسک

مغناطیسی به کار می‌روند. در مواقعی که تغییر از یک وضعیت ثابت به موقعیت ثابت دیگری مورد نیاز باشد (چه در کاربردهای صنعتی، نظامی یا پزشکی) از موتورهای پله‌ای استفاده می‌شود. موتورهای پله‌ای از نظر اندازه و ساختمان داخلی، انواع مختلفی دارند ولی به دو دسته مهم موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر و موتور پله‌ای مغناطیس دائم تقسیم می‌شوند که هر دو نوع، در این فصل مطالعه می‌شوند. در این فصل، متوجه می‌شویم که خواص عملکرد موتورهای پله‌ای رلوکتانس متغیر، بسیار شبیه ماشینهای رلوکتانسی (که قبلاً مورد مطالعه قرار گرفته است) می‌باشد. همچنین موتور پله‌ای مغناطیس دائم دارای عملکردی شبیه ماشین سنکرون مغناطیس دائم (که در فصل هفتم بیان گردید) است.

 

۸-۲- ساختمان اصلی موتورهای پله‌ای رلوکتانس متغیر چند تکه
دو نوع موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر به صورت یک تکه و چند تکه است. در اولین تقریب، رفتار این دو نوع موتور را می‌توان با معادلات مشابهی بیان نمود. در واقعی اصول عملکرد موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر، مشابه ماشینهای رلوکتانسی است (که در فصلهای قبل تشریح شد) و تنها تفاوت آنها در نحوه عملکردشان است. به همین خاطر، برای بیان عملکرد موتورهای پله‌ای، نیاز به بیان بعضی تعاریف جدید و گسترش بعضی از تعاریف قبلی می‌باشد. در ابتدا موتورهای پله‌ای چند تکه با جزئیات بیشتری مورد بحث قرار می‌گیرد و پس از آن، توضیح مختصری در مورد موتورهای پله‌ای رلوکتانس متغیر یک تکه داده می‌شود.

در بیشتر مواقع، موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر چند تکه، حداقل از سه موتور رلوکتانسی تک فاز تشکیل شده است که بر روی یک محور رتور قرار گرفته‌اند و محورهای مغناطیسی آنها نسبت به یکدیگر اختلاف زاویه دارند. رتور یک موتور سه طبقه ساده در شکل (۸-۲-۱) نشان داده شده است. این رتور، از سه رتور دو قطبی تشکیل شده است که مسیر با حداقل مقاومت مغناطیسی آن در راستای زاویه قرار دارد. در زبان موتورهای پله‌ای، هر یک از این

شکل (۸-۲-۱): رتور یک موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر سه تکه، دو قطب مقدماتی

رتورهای دو قطبی، به رتور دو دندانه‌ معروف هستند. حال یکی از این رتورها را به تنهایی در نظر بگیرید. هر رتور دارای یک استاتور تک فاز با محور مغناطیسی خاص آن است. در شکل (۸-۲-۱)، این رتورها با حروف b,z و c مشخص شده‌اند. استاتورهای هر یک از این رتورها به طور مجزا در شکل (۸-۲-۲) نشان داده شده است؛ استاتور با سیم‌پیچ این رتورها به طور مجزا در شکل (۸-۲-۲) نشان داده شده است؛ استاتور با سیم پیچ as با رتورa، استاتور با سیم پیچ bs با رتور b و . . . در ارتباط است. در اینجا باید نکات زیادی را بررسی کنیم. اول آنکه هر یک ا

ز این استاتورهای تک فاز، دو قطبی است و دارای ساختمانی شبیه ماشینهای dc با دو سیم‌پیچ روی دو قطب خود می‌باشد. در حالت خاص، جهت مثبت جریان از سر as1 وارد و از سر ۱َas خارج می‌شود. سپس به متصل می‌گردد که جهت مثبت جریان سیم پیچ دوم، از سر به است. اگرچه در شکل (۸-۲-۲)، سیم‌پیچها با دوایر و مشخص شده‌اند، ولی هر کدام از کلافهای سیم پیچ استاتور از Ns/2 دور تشکیل شده‌اند که هر دو کلاف و دارای تعداد دور یکسانی هستند. حال می‌خواهیم نکته مهم دیگری را بررسی کنیم. تا کنون زاویه (یا ) در رتور

قطب برجسته، زاویه بین محور رتور و محور as استاتور با مسیر حداکثر مقاومت مغناطیس بود (به عنوان مثال، شکلهای (۴-۵-۱)، (۴-۵-۴) و (۶-۲-۱))، ولی در شکل (۸-۲-۲) زاویه با مسیر حداقل مقاومت مغناطیسی معمول و استاندارد است، در نتیجه از قاعده زاویه در ماشینهای سنکرون و رلوکتانسی تبعیت نمی‌کنیم.

شکل (۸-۲-۲): ساختمان استاتور موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر سه تکه، دو قطب مقدماتی
اغلب در موتورهای پله‌ای، هر تکه را یک فاز می‌نامند. به عبارت دیگر یک ماشین سه تکه به نام ماشین سه فاز معروف است. البته این نام ممکن است باعث گمراهی شود؛ زیرا ماشینهای سه فاز را جزء سیستمهای سه فاز ac می‌دانیم. با توجه به اینکه در موتورهای پله‌ای، عملکرد آنها براساس قطع و وصل ولتاژ از یک سیم‌پیچ به سیم‌پیچ دیگر استاتور استوار است، در نتیجه این نوع موتورها را می‌توان از ماشینهای dc مجزا دانست. اگر چه تعداد تکه‌های (فازهای) یک موتور پله‌ای از سه فاز بیشتر است و گاهی به ۷ فاز هم می‌رسد، ولی تحلیل موتورهای پله‌ای رلوکتانس متغیر سه فاز معمول می‌باشد. پس در موتورهای پله‌ای، تعبیر ما از کلمه فاز باید تغییر کند.

قبل از بیان معادلات این موتورها، بررسی کنیم که آیا از نحوه عملکرد این ماشینها درک درستی پیدا کرده‌ایم. بر این اساس، ابتدا فرض می‌کنیم که سیم پیچهای bs و cs مدار باز هستند و یک ولتاژ ثابت dc (که یک جریان dc را تولید می‌کند) به سیم پیچ as اعمال می‌شود. با توجه به اینکه سیستمهای مغناطیسی این موتور سه فاز مجزا هستند، لذا سیم‌پیچها با یکدیگر هیچ گونه تزویج مغناطیسی ندارند. هنگامی که فقط سیم پیچ ac تحریک می‌شود، شار مغناطیسی ایجاد شده فقط در جهت محور ac می‌باشد. از مطالب فصل دوم متوجه می‌شویم که بر طبق شکل (۸-۲-۱)، مسیر با حداقل مقاومت مغناطیسی هنگامی است که محور فاز a رتور با محور as استاتور در یک راستا باشد. در این شرایط، یک نقطه تعادل با گشتاور بار صفر ایجاد می‌شود و زاویه در تمام قسمتهای شکل (۸-۲-۲) یکسان است که مقدار صفر یا ۱۸۰ درجه می‌باشد و برای بحث ما آسانتر است که زاویه صفر درجه را در نظر بگیریم. (اگر به طور لحظه ای جهت جریان ias عوض شود، چه اتفاقی برای رتور به وجود می‌آید؟)

موتورهای پله‌ای به منظور تبدیل اطلاعات دیجیتال (گسسته) به تغییر در موقعیتهای زاویه‌ای به کار می‌روند. یکی از موارد کاربرد این موتورها در دستگاههای چاپگر و روباتها است. حال نحوه ایجاد تغییر وضعیت در این موتورها چگونه است؟ برای این منظور، تغذیه سیم پیچ as به طور لحظه‌ای قطع می‌شود و فوراً جریان dc در سیم پیچ bs جاری می‌گردد. در این وضعیت، مسیر با حداقل مقاومت مغناطیسی در راستای محور سیم‌پیچ bs استاتور قرار می‌گیرد و در نتیجه رتور در جهت عقربه‌های ساعت از موقعیت ْ۰= به

 

ْ۶۰-= می‌چرخد. توجه کنید که محور mmf، از محور مثبت as به محور مثبت bs منتقل می‌شود؛ به عبارت دیگر، محور mmf به مقدار ْ۱۲۰ درخلاف جهت عقربه‌های ساعت به چرخش در می‌آید ولی رتور در جهت عقربه‌های ساعت و به مقدار ْ۶۰ می‌چرخد. به نظر می‌رسد که اشتباهی رخ داده است. همان‌گونه که از فصل چهارم می‌دانیم، در صورتی که به سیم‌پیچهای شکل (۸-۲-۲) جریانهای سینوسی با توالی abc تزریق شود، یک mmf شکاف هوایی ایجاد می‌گردد که در خلاف جهت عقربه‌های ساعت به چرخش در می‌آید. به عبارت دیگر، ابتدا

mmf شکاف هوایی در جهت مثبت محور as و سپس در جهت محورهای bs و cs ایجاد می‌شود. اما در موتورهای پله‌ای رلوکتانس متغیر خواهیم دید که جهت چرخش می‌تواند در جهت mmf و یا در خلاف جهت mmf دوار شکاف هوایی باشد و این موضوع به تعداد فازها (طبقات رتور)، تعداد قطبهای استاتور (که توسط سیم‌پیچهای استاتور ایجاد می‌گردد) و تعداد دندانه‌های رتور بستگی دارد.

اگر به جای اعمال ولتاژ به سیم‌پیچ bs، ولتاژ به سیم‌پیچ cs اعمال شود، مطابق شکل (۸-۲-۲) رتور از موقعیت ْ۰= به زاویه ْ۶۰= در خلاف جهت عقربه‌های ساعت به چرخش در می‌آید. بنابراین با اعمال ولتاژ dc به طور مجزا به سیم‌پیچهای …,as,cs,bs,as رتور با پله‌های ْ۶۰ در جهت عقربه‌های ساعت به چرخش در می‌آید. برای چرخش (تغییر پله‌ای) رتور در دو جهت، نیاز به یک رتور حداقل سه فازه (سه تکه) می‌باشد.

قبل از بیان بعضی مفاهیم در مورد موتور پله‌ای، درباره اعمال ولتاژ به سیم پیچها بیشتر توضیح می‌دهیم. اگر در شکل (۸-۲-۲) به هر دو سیم پیچ as و bs ولتاژی اعمال شود، چه اتفاقی پیش می‌آید؟ به عبارت دیگر با تغذیه سیم پیچ as، رتور در زاویه ْ۰= قرار می‌گیرد و سپس بدون قطع منبع as، سیم پیچ bs نیز تغذیه می‌شود. در این حالت، رتور در جهت عقربه‌های ساعت از زاویه ْ۰= به زاویه ْ۳۰-= منتقل می شود. در نتیجه موقعیت پله‌های رتور به نصف تقلیل می‌یابد که به این نحوه کارکرد موتور، عملکرد نیم‌پله‌ای می‌گویند.

اکنون زمان آن است تا بعضی تعاریف موتور پله‌ای را بیان کنیم. در این موتور، تعداد دندانه‌های رتور هر تکه را با RT و تعداد دندانه‌های استاتور در هر تکه را با ST نشان می‌دهیم. به عنوان مثال، در شکلهای (۸-۲-۱) و (۸-۲-۲) تعداد دندانه‌های رتور و استاتور هر فاز، ۲ عدد است و بنابراین ۲RT=St= می‌باشد. معمولاً در موتورهای پله‌ای رلوکتانس متغیر چندتکه، مقادیر RT و ST با یکدیگر مساوی می‌باشند. همچنین تعداد تکه‌های (فازهای) هر موتور، با N نشان داده می‌شود که به عنوان مثال در این موتور ۳=N است. اکنون زاویه دندانه را با TP نشان می‌دهیم که به صورت زاویه بین دو دندانه متوالی تعریف می شود. در شکل (۸-۲-۲)، ْ۱۸۰=TP می‌باشد. پس می‌توان نوشت:

(۸-۲-۱)
تعریف دیگری که در موتورهای پله‌ای وجود دارد، طول پله‌ای می‌باشد که با SL مشخص می‌گردد. مقدار SL بیانگر زاویه چرخش رتور در هنگام تغییر در وضعیت تحریک سیم‌پیچ استاتور (ولتاژ dc) از یک فاز به فاز دیگر است. در شکل (۸-۲-۲) مقدار SL برابر ۶۰ درجه می‌باشد. در این شکل، اگر هر فاز به طور مجزا تحریک شود، رتور از محور as به bs و سپس cs و.‌.‌. تغییر زاویه می‌دهد که این زاویه چرخش با زاویه دندانه برابر است. به عبارت دیگر، حاصل ضرب تعداد تکه‌ها (فازها) در طول پله‌ای رتور، برابر زاویه دندانه است. بنابراین،
(۸-۲-۲) TP=NSL
(8-2-3)
در ادامه، کاربرد عبارتهای جدید را بیان می‌کنیم.

شکل (۸-۲-۳): موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر سه تکه چهار قطب با چهار دندانه رتور
اگر چه موتور پله‌ای شکلهای (۸-۲-۱) و (۸-۲-۲) شروع خوبی برای تحلیل عملکرد موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر چهار قطب سه فاز، با چهار دندانه رتور را مطابق شکل (۸-۲-۳) در نظر بگیرید. در این موتور ۴RT- و ۳N= است و بنابراین از رابطه (۸-۲-۱)، زاویه دندانه به مقدار ْ۹۰RT 2=TP به دست می‌آید. از معادله (۸-۲-۲) در می‌یابیم که طول پله‌ای به مقدار ْ۳۰=SL/TP/N است و توالی تغذیه as,cs,bs,as، .‌.‌. زاویه پله‌ای ۳۰ درجه را در جهت عقربه‌های ساعت ایجاد می‌کند.

شکل (۸-۲-۴): موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر سه تکه چهار قطب با هشت دندانه رتور
ماشین شکل (۸-۲-۴) یک موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر چهار قطب، سه تکه با هشت دندانه رتور را نشان می‌دهد. در این حالت، ۸=RT و ۳=N است و در نتیجه ْ۴۵=TP و ْ۱۵=SL می‌باشد. به هر حال در این ماشین، توالی as,cs,bs,as، .‌.‌. باعث ایجاد زاویه پله‌ای ۱۵ درجه در خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌شود.

واضح است که با افزایش دندانه‌های رتور، طول پله‌ای کاهش می‌یابد. طول پله‌ای موتورهای پله‌ای رلوکتانس متغیر چند تکه عموماً در حدود زوایای ۲ تا ۱۵ درجه است.

در شکل (۸-۲-۴) یک تناقضی با مطالب قبل وجود دارد. در این شکل، زاویه بین محور as و محور بین دو دندانه رتور می‌باشد؛ در حالی که قبل از این و در این بخش، را زاویه بین محور as و مسیر با حداقل مقاومت مغناطیسی در نظر می‌گرفتیم تا مقاومت مغناطیسی مربوط به سیم پیچ as، در ْ۰= حداقل شود. در نگاه اول به نظر می‌رسد که از این قانون تخلف کرده‌ایم، ولی باید گفت که در شکل (۸-۲-۴)، زاویه برابر صفر، هنگامی است که مقاومت مغناطیسی مسیر مغناطیسی با سیم‌پیچ as حداقل باشد. در این شکل باید ، زاویه بین دو دندانه رتور و محور سیم پیچ as حداقل باشد. در این شکل باید ، زاویه بین دو دندانه رتور و محور سیم پیچ as باشد تا مسیر با حداقل مقاومت مغناطیسی رتور و سیم پیچ as در ْ۰= تامین شود. بنابراین ما زاویه را بین دندانه‌ها در نظر گرفته‌ایم تا قراردادی که در ابتدای این بخش بیان کردیم، حفظ گردد. در شکل (۸-۲-۵) یک موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر چهار قطب و سه تکه را با هشت دندانه رتور نشان می‌دهد.

مثال ۸-۲-۱: طول پله‌ای یک موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر هشت قطب، سه تکه را با ۱۶ دندانه رتور محاسبه کنید. ]ْ۵/۷=[SL
مثال ۸-۲-۲: موتور رلوکتانسی دو فاز و دو قطب شکل (۴-۶-۱-ب) را در نظر بگیرید. برای این موتور تعیین کنید: ] الف) TP؛ ب) SL؛ ج) هنگامی که تغذیه ولتاژ dc از سیم پیچ as به سیم پیچ bs منتقل شود، جهت چرخش را معین کنید. الف) ْ۱۸۰=TP؛ ب) ْ۹۰=SL؛ ج) در جهت عقربه‌های ساعت و یا در خلاف جهت عقربه‌های ساعت[

شکل (۸-۲-۵): شکل برش خورده یک موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر سه تکه با هشت دندانه رتور (با اجازه شرکت وارنر الکتریک)
۸-۳- معادلات موتورهای پله‌ای رلوکتانس متغیر چند تکه
معادلات ولتاژ یک موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر چند تکه به صورت زیر نوشته می‌شوند:
(۸-۳-۱)
(۸-۳-۲)
(۸-۳-۳)
و شکل ماتریسی آن به صورت زیر است:
(۸-۳-۴)
که p معرف عملگر d/dt است. برای متغیرهای ولتاژ، جریان و شار مغناطیسی پیوندی داریم:
(۸-۳-۵)
و،
(۸-۳-۶)
با توجه به اینکه تزویج مغناطیسی بین فازها وجود ندارد، در نتیجه روابط شار مغناطیسی پیوندی به صورت زیر خواهند بود:
(۸-۳-۷)
برای تعیین مقادیر اندوکتانسهای خودی Lasas، Lbsbs و Lcscs، ابتدا یک ماشین دو قطب مقدماتی را مطابق شکل (۸-۲-۲) در نظر می‌گیریم. با استفاده از مطالب فصل اول و با تقریب مناسب داریم:
(۸-۳-۸)
(۸-۳-۹)
(۸-۳-۱۰)
در این روابط، Lis اندوکتانس نشتی و LA و LB مقادیر ثابت با شرط LA>LB هستند. موقعیت مکانی رتور نیز به صورت زیر تعریف می‌شود:
(۸-۳-۱۱)
که متغیر ساختگی انتگرالگیری است. در اینجا از (موقعیت واقعی رتور) به جای (موقعیت زاویه الکتریکی) استفاده می‌کنیم. اگر چه و با معادله (کهP تعداد قطب است) ارتباط دارند، ولی استفاده از در تحلیل موتورهای پله‌ای مناسبتر است. همچنین ملاحظه می‌کنیم که رابطه (۸-۳-۸) با رابطه (۱-۷-۲۹) یا (۲-۷-۳) مشابه است؛ با این تفاوت که در رابطه (۸-۳-۸)، نسبت به مسیر با حداقل مقاومت مغناطیسی سنجیده می‌شود. همچنین با توجه به اینکه اندوکتانس خودی سیم پیچ bs، مشابه سیم پیچ as است، پس را به راحتی می‌توان رابطه (۸-۳-۹) را از معادله (۸-۳-۸) به دست آورد. به هر حال چون نسبت به محور as سنجیده می‌شود، پس زاویه بین محورهای bs و as از جابجایی زوایه‌ای کم می‌شود؛ به طوری که در ، زاویه کسینوس رابطه (۸-۳-۹) صفر می‌شود. معادله (۸-۳-۹) با ، مشابه رابطه (۸-۳-۸) با است. به طور مشابه، جابجایی زاویه‌ای معادله (۸-۳-۱۰) به مقدار می‌باشد. به هر حال، چون است، پس می‌توان جابجایی زاویه‌ای را برای Lcscs استفاده نمود.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 11700 تومان در 50 صفحه
117,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد