بخشی از مقاله
خلاصه:
در این تحقیق یک اقتباس از موتور قطب چاکدار به عنوان یک موتور بدون جاروبک آهنربا دائم تک فاز مورد مطالعه قرار گرفته است.
برای این منظور در ابتدا آمپردور توزیع شده در فاصله هوایی در دو ساختار اولیه و تغییر یافتهی موتور قطب چاکدار به تفکیک مورد تحلیل قرار میگیرد. سپس مولفههای ساعتگرد و پادساعتگرد میدان دوار مغناطیسی بررسی شده و با اعمال تغییراتی که در ساختار اولیهی موتور داده شده است، مولفهی پادساعتگرد میدان دوار کاهش یافته و همچنین با تزریق یک پیچک اتصال کوتاه در استاتور موتور، علاوه بر تاخیر در تغییرات شار در ناحیه پیچکها که باعث به وجود آمدن دو میدان مغناطیسی در استاتور میشوند، گشتاور خروجی موتور را بهبود داد و در نهایت عملکرد موتور قطب چاکدار در دو ساختار اولیه و تغییر یافته مقایسه میشود.
به همین منظور از تحلیل دو بعدی FEM که توسط نرم افزارMaxwell انجام شده نیز استفاده شده است. با توجه به نتایج بدست آمده، موتور نامبرده از نظر مشخصههای عملکردی موتور از جمله گشتاور و راندمان، بهینه سازی شده است. نتایج حاصل شده بهبود قابل ملاحظهای را در گشتاور و راندمان نشان میدهد.
.1 مقدمه
امروزه کاربرد موتورهای قطب چاکدار توسعهی زیادی یافته است. این موتورها دارای ساختاری ساده، قیمت کم و بسیار بادوام و قابل اطمینان هستند و دارای مشخصاتی شبیه به موتورهای با خازن دایم کار میباشند، ولی آنها دارای راندمان و ضریب قدرت پایینی هستند.
با توجه به فراوانی هارمونیکهای فضایی و وجود گروههای مختلف راکتانس پراکندگی در استاتور موتور قطب چاکدار، به خوبی آشکار است که آنالیز موتور قطب چاکدار بسیار پیچیده است.[2] این موتورها با روشهای مختلفی آنالیز شدهاند.
روشهایی نیز به منظور بهبود عملکرد موتور القایی قطب چاکدار نیز استفاده شده است. از جمله میتوان به روشهای بهینه سازی برداری[3] و استفاده از الگوریتم ژنتیک [5] اشاره کرد. در این روشها معمولا تغییراتی برای قسمتهای مختلف ماشین به منظور بهبود عملکرد آن در نظر گرفته میشود.
برای داشتن سیستمی با عملکرد بهتر، بایستی موتور از نقطه نظر خروجیهای مختلف بهینه سازی با توابع هدف مختلفی انجام شده است. برای طراحی این موتورها همانند هر سیستم الکتریکی بایستی اثرات پارامترهای مختلف طراحی مورد توجه قرار گیرد، از جمله بهینه سازی موتور از نظر وزن اولیه، طراحی سیم پیچ اولیه و همچنین طراحی بهینه موتورهای قطب چاکدار به منظور داشتن همزمان ماکزیمم بازده و ضریب توان انجام شده است. روش بهکار رفته در این مقاله به منظور بهبود عملکرد موتور قطب چاکدار بر پایهی تغییر در یک قسمت ماشین میباشد. این مقاله به تحلیل میدان دوار مغناطیسی در موتور قطب چاکدار میپردازد، سپس با اعمال تغییر در ساختار موتور و همچنین اضافه کردن سیستم کنترل، عملکرد آن را بررسی می کند.
.2 ساختار موتور قطب چاکدار
موتورهای القایی عمومیترین موتورهایی هستند که در سامانههای کنترل حرکت صنعتی و همچنین لوازم خانگی استفاده میشوند. طراحی ساده و مستحکم، قیمت ارزان، هزینه نگهداری پایین و اتصال آسان و بدون واسطه به یک منبع متناوب، امتیازات اصلی موتورهای القایی هستند که مورد توجه قرار گرفتهاند، اما اصول عملکرد و استفاده این موتور از یک فاز، باعث شده که در لحظه اولیه، موتور به حرکت درنیاید، چون اختلاف بین دو میدان دوار 180 درجهاست که موتور را در حالتی قفل شده نگه میدارد.
برای رفع این مشکل از یک سیم پیچ به نام سیم پیچ کمکی استفاده میشود که این سیم پیچ باید دارای اختلاف فاز با سیم پیچ اصلی موتور باشد.[3] در موتور القایی میتوان به جای استفاده از سیم پیچ کمکی از پیچک اتصال کوتاه مسی - پیچک سایه - استفاده کرد که نوعی دیگر از موتور القایی را معرفی میکند که به نام موتور قطب چاکدار معروف است که در شکل1 ملاحظه میشود.
موتورهای قطب چاکدار - قطب سایه دار - یکی از انواع موتورهای القایی هستند که تنها یک سیم پیچی اصلی دارند. این موتورها به جای سیم پیچی کمکی، قطبهای برجستهای دارند که هر یک از آنها بوسیلهی یک پیچک اتصال کوتاه به نام پیچک سایه احاطه شده است. طرز کار این موتورها به گونهای است که به وسیلهی سیم پیچی اصلی شاری متغیر با زمان در قطبها القا میشود، وقتی شار قطبها تغییر میکند، ولتاژ و جریانی در پیچکها القا میشود که با تغییرات اولیه شار مخالفت میکند. این مخالفت، تغییرات شار در ناحیه پیچکها را به تاخیر میاندازد و در نتیجه بین دو میدان مغناطیسی استاتور که خلاف هم میچرخند، اندکی عدم تعادل ایجاد میکند، که موجب چرخش روتور میشود. جهت چرخش حاصل از سمت ناحیه بدون چاک به سمت ناحیه چاکدار قطب است
استفاده از قطبهای چاکدار، در مقایسه با دیگر روش های راه اندازی موتور القایی گشتاور راه اندازی کمتری تولید میکند. این موتورها کارایی بسیار کمتری دارند و لغزش آنها بسیار بیشتر از انواع دیگر موتورهای القایی تک فاز است. این قطبها تنها در موتورهای بسیار کوچکی 1/20 - اسب بخار وکمتر - به کار می روند که گشتاور راه اندازی بسیارکمی دارند. جاییکه امکان استفاده از این موتورها وجود داشته باشد، موتورهای قطب چاکدار ارزانترین طرح در دسترس میباشند. چون موتورهای قطب چاکدار برای راهاندازی به پیچک اتصال کوتاه متکی هستند، راهحل سادهای برای عکس کردن جهت چرخش چنین موتورهایی وجود ندارد. برای این کار، لازم است که در هر قطب دو پیچک سایه نصب شود و به اختیار یکی از آن دو اتصال کوتاه شوند.[5] موتورهای تک فاز قطب چاکدار در موارد متنوع مانند پنکه های رو میزی، پمپ آب کولر، فنها و… بکار می روند.
شکل - 1 ساختمان موتور قطب چاکدار القایی
موتورهای قطب چاکدار معایبی از جمله: گشتاور راهاندازی کم، تلفات بالا و بازده بسیار پایین - زیر 20 درصد - دارند.[4] موتور تکفاز بدون جاروبک آهنربا دائم یکی از ایدههای جدید و جالب است که برای افزایش بهرهوری و قابلیت اطمینان در پیکربندی لوازم خانگی پیشنهاد شده است. موتور بدون جاروبک آهنربا دائم که در شکل2 نشان داده شده، ماشین دوار خودسنکرونی است که دارای روتور مغناطیسی دائم بوده و از موقعیتهای مشخصی از شفت دوار روتور، جهت کموتاسیون الکترونیکی استفاده میشود. این موتور میتواند به همراه درایوهای الکترونیک مربوطه به صورت مجتمع باشد یا اینکه موتور از درایو مربوط جدا باشد، که این نوع از موتور، مزایا و معایبی دارد که به شرح زیر میباشد:
-1نویز پایین
-2 بهره بالا
-3کاهش ملزومات تحریک
-4نگهداری کم و طول عمر بیشتر با وجود مزایای ذکر شده، این موتور بدون جاروبک آهنربا دائم دارای مشخصات و معایب ذاتی میباشند که عبارتند از:[8] -1قیمت مواد مغناطیسی -2احتمال مغناطیس زدایی
شکل-2 ساختمان موتور بدون جاروبک آهنربا دائم
با توجه به ساختار موتورهای قطب چاکدار و بدون جاروبک آهنربا دائم، در ادامه به معرفی موتور جدیدی پرداخته میشود که ترکیبی از موتور قطب چاکدار با موتور بدون جاروبک آهنربا دائم است که در شکل3 نمایش داده شده است. این موتور باعث بهبود بخشیدن ساختار موتورهای قبلی شده و گشتاور بیشتری را به وجود میآورد. موتور ارائه شده با این ساختار، دارای مزایایی از جمله تلفات مسی و تلفات آهنی کم در محدوده استاتور، سر و صدای کم، سرعت بالا و قابلیت کنترل.
