بخشی از مقاله
چکیده:
با توجه به اهمیت روزافزون بهینهسازی در مصرف انرژی، محققان فناوریهای بسیاری را به منظور کاهش مصرف انرژی در صنایع مختلف ارائه دادهاند. فناوری موتور- درایوهای یکپارچه، با ارائه یک محصول واحد متشکل از موتور و سیستم کنترل الکترونیکی آن، با هدف کاهش مصرف انرژی در موتورهای الکتریکی که مهمترین و بزرگترین مصرفکننده انرژی در صنایع هستند، معرفی شده است.
موتور-درایوهای یکپارچه، به علت یکپارچه بودن، قابلیت جایگزینی با موتورهای معمولی صنایع که در فضاهای کوچک کار میکنند را دارند و نسبت به موتور و درایو مجزا، هزینه کمتری دارند و فضای کمتری اشغال میکنند.
از آنجا که این نوع موتورها در دنیای امروز کاربرد گسترده ای یافته اند، جای خالی آنها در صنایع کشور عزیزمان به شدت احساس میگردد. هدف از این مقاله، آنالیز مواد و تجهیزات و فناوری ساخت موتور- درایوهای یکپارچه جهت ساخت و بکارگیری آن در صنایع داخلی است.
مقدمه:
ابتکار طراحی یکپارچه موتور و سیستم کنترل الکترونیکی آن در یک سیستم، به دهه 90 میلادی در آزمایشگاههای تحقیقاتی برمیگردد. مبانی مدلها و محصولات نمونه آزمایشگاهی نیز در آن سالها ارائه داده شده بود. ساختارهای دیگر مانند موتورهای پلهای یا سیستمهای مبتنی بر سروموتورها به محدودیت تولید رسیده بودند.
در اوایل سال 1991، یک شرکت دانمارکی به نام Grundfos، یک موتور القایی و درایو الکترونیکی آن را به منظور تغذیه رنج وسیعی از پمپهای تولیدی خود، ترکیب کرد. اما شرکت آلمانی Franz Morat KG، اولین شرکتی بود که ترکیب موتور القایی و درایو فرکانسی را برای مصارف صنعتی در سال 1993 تولید کرد. محصول موتور- درایو یکپارچه این شرکت با نام Fumo، که در ظرفیت 0/65 تا 3 کیلووات برای ولتاژهای 230 تا 460 ولت ارائه میشد، در زمان خود، پیشرو و بسیار پیچیده بود. فناوری Fumo ادامه یافت و بعدها به یک فناوری تجاری تبدیل شد.
امروزه اکثر موتورهای مورد استفاده در کاربردهای سرعتمتغیر، از موتور و درایو مجزا استفاده میشود. اما پیشرفت تکنولوژی، استفاده از موتور- درایو یکپارچه را میسر کرده است. برخی از چالشهای استفاده از موتور و درایو مجزا عبارتند از: پیچیدگی نصب، تطابق اینورتر و موتور و مشکلات تغییر سرعت موتور.
اگر موتور و درایو به طور یکپارچه و در یک محل طراحی شود، همهی مشکلات مذکور میتواند حل شود. زیرا تولیدکننده، موتور و درایو را به نحوی طراحی میکند که هماهنگ با یکدیگر کار کنند. همچنین این سیستم در رنجهای مشخص سرعت و توان، بهینهسازی میشود. باتوجه به نزدیکی درایو و موتور به یکدیگر، به فضا و کابل بیشتر نیز نیازی نیست. به این ترتیب تمام مشکلات و مسائل ذکرشده مرتفع میگردند
موتور- درایوهای یکپارچه در مقایسه با موتور و درایوهای مجزا، دارای مزایای فراوانی است که از جمله آنها میتوان به قابلیت تنظیم سرعت، افزایش راندمان بار، کاهش تلفات با حذف کابلها، نصب آسان و کاهش هزینه نصب، حذف تابلوی کنترل و فضای مورد نیاز، کاهش مشکلات سازگاریالکترومغناطیسیِ - - EMC تابشی و کابلی به علت کاهش طول کابل از اینورتر به موتور و تنظیم دقیقتر درایو و موتور در کارخانهی تولیدکننده اشاره نمود.
کاربرد موتور-درایوهای یکپارچه بسیار گسترده است. از موتورهای یکپارچه میتوان در کاربردهای توانکم در سرعت کم و توانمتوسط در سرعتهای بالا مانند پمپ و فن از جمله پمپ آب خودرو استفاده نمود. از طرفی برای کاربردهای با توان متوسط در سرعتهای پایین نیز میتوان از فن با موتور جدا و بدون کوپل با موتور استفاده کرد که در موارد زیادی استفاده شده است. این موتورها در کاربردهای گشتاور بالا مانند صنایع حمل و نقل که توان مصرفی زیادی در سرعتهای پایین مصرف میکنند، نیز استفاده میشود.
در این مقاله به بررسی تکنولوژی ساخت سیستم موتور-درایو یکپارچه پرداخته خواهد شد. برای این منظور پرکاربردترین سیستم که متشکل از سیستم یکپارچه موتور القایی قفس سنجابی و درایور متصل می باشد را مورد بررسی قرار خواهد گرفت. برای این منظور پروسه ساخت هر کدام از موتور و درایو تشریح گردیده و در هر مبحث تکنولوژی و مواد و تجهیزات هر کدام از زیر پروسهها همچون واحد تولید ورق و کنارهم گذاری و برش لایه های روتور و استاتور، واحد دایکست روتور قفس سنجابی، واحد مونتاژ روتور، واحد مونتاژ استاتور، مونتاژ نهایی موتور و زیر پروسههای ساخت و کوپل سیستم درایو مورد مطالعه قرار میگیرد.
شکل:1 موتور-درایو یکپارچه محصول شرکت ABB
-2 پروسه ساخت موتور قفس سنجابی
در ابتدا لازم است هسته و بدنه استاتور و روتور ساخته شود. هسته فولادی با عرض مناسب برش داده شده و در کنار یکدیگر قرار داده می شود که این مجموعه ورقه های لق و آزاد به مرحله حرارت دادن و ثابت شدن - annealing - انتقال می یابد. از اینجا ورقه های استاتور با استفاده از جوشکاری TIG و یا جوشکاری لیزری در کنار هم قرار گرفته و به یکدیگر متصل می گردند. ورقه های روتور نیز تحت پرس ریخته گری در کنار هم قرار گرفته و آلومینیوم مذاب به هسته روتور تزریق می گردد تا محفظه قفس سنجابی ساخته گردد. هسته روتور در نهایت جهت مقاومسازی بیشتر تحت حرارت قرار می گیرد.
برای استاتور، هسته متشکل از ورقه های در کنار هم و متصل شده آماده است تا به صورت استاتور کامل اسمبل گردد. شیارهای استاتور عایق شده و لوله های کاغذ مانندی در داخل شیارها نصب می گردد که در آن نقاط ساقهای سیم پیچیها در داخل شیارها نصب می شود. سپس سیم پیچیها در داخل شیارها و نصب شده و جهت انتقال بین شیارها در مسیر خود خم می گردد و با توجه به معماری موتور سربندی سیم پیچیها انجام می پذیرد.
جهت محافظت از استاتور در مقابل اتصال کوتاه احتمالی، سیم پیچیها توسط روکش اپوکسی پوشانده می شوند. هسته استاتور یراق بندی شده وارد مرحله تراشکاری ماشینی می گردد تا قطر داخلی و خارجی مورد نظر طراحی تامین گردد. سپس محفظه خارجی بر روی استاتور نهایی نصب می گردد
برای روتور، یک توپی داخلی نصب گردیده و به قطر داخلی روتور متصل می گردد که در آن نقطه روتور بالانس می شود. بلبرینگها سپس در دو انتهای روتور نصب شده و در انتها کل آرمیچر تست گردیده و بر روی آن یک پوشش مقاوم در برابر اکسیداسیون قرار داده می شود. در اینجا روتور نهایی گردیده و جهت نصب در داخل استاتور آماده می باشد.
در شکل 2، پروسه از ورق سازی و در کنار هم قرار دادن ورقه ها آغاز می گردد. از آنجا، خروجی که شامل ورقه های در کنار هم و لق روتور می باشد به عنوان ورودی به پروسه Die Casting انتقال می یابد که خروجی آن هسته کامل شده روتور است که به واحد مونتاژ روتور ارسال می گردد. در مورد استاتور نیز ورقه آن در واحد ورق سازی تولید و در کنار هم قرار داده می شود. سپس به واحد مونتاژ استاتور ارسال می گردد. در نهایت روتور و استاتور تکمیل شده با هم ترکیب گردیده و مونتاژ نهایی انجام می پذیرد.
شکل:2 اجزای اصلی پروسه ساخت موتور
.2,1 زیر پروسه Lamination and Stacking
شکل 3 مراحلی را که در واحد تولید ورق و کنارهم قرار دادن آنها می بایست انجام گیرد، نشان می دهد. مرحله اول تولید و برش ورق را شامل می گردد. مرحله بعد برش ورقها در جاهایی که لازم است جهت امور بعدی خالی بماند را شامل می گردد. البته در بیشتر موارد BLANKING ورقه های استاتور و روتور به صورت همزمان انجام می پذیرد؛ مگر در مواردی که فاصله هوایی بین روتور و استاتور بسیار کم باشد.
پس از این مرحله لایه های هر کدام از استاتور و روتور در کنار هم به صورت لق قرار گرفته و توسط یک سیم به هم بسته می شوند تا ثابت بمانند و به مرحله بعد که سیستم حرارت دهی و اتصال لایه ها به یکدیگر - annealing - می باشد انتقال داده می شود. در این مرحله لایه ها به کوره جهت حرارت دهی و اتصال وارد می گردند.
