پاورپوینت ماشینهای الکتریکی مدرن-موتورهای سنکرون آهن ربای دائم

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 2 :

ماشينهاي الکتريکي مدرن
موتورهاي سنکرون آهن رباي دائم
Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM)

اسلاید 3 :

مقدمه
در گذشته، موتورهاي جريان مستقيم (DC)، خصوصاً موتورهاي DC تحريک مستقل، به صورت گسترده در محرکههاي سرعت متغير استفاده ميشدند. اين امر به دليل کنترل آسان آنها (که به صورت ذاتي داراي کنترل گشتاور و ميدان مستقل هستند) بود. اما ماشينهاي جريان مستقيم داراي مشکلاتي از جمله قيمت بالا، وزن و حجم بالا، وجود جاروبک و کموتاتور، وجود تلفات تحريک، تعمير و نگهداري بودند.

با پيدايش مواد مغناطيس دائم جديد با چگالي انرژي زياد در اواخر قرن بيستم ميلادي تحولي بزرگ در ساختار ماشين هاي جريان مستقيم ايجاد شد. استفاده از اين مواد منجر به حذف سيم پيچ و منبع انرژي خارجي در تحريك موتور هاي جريان مستقيم شد. از سوي ديگر پيشرفت در زمينه ساخت ادوات نيمه هادي در توان هاي بالا منجر به گسترش استفاده از اينورتر ها شد و اينورتر ها توانستند جايگزين كموتاتور هاي مكانيكي شوند و اين سرآغاز ساخت موتورهاي سنکرون آهن رباي دائم و موتورهاي جريان مستقيم بدون جاروبك بود. هم اکنون بيش از دو دهه است که از ماشينهاي سنکرون مغناطيس دائم هم در محرکههاي سرعت متغير، و هم براي کاربردهاي معمولي در رنج تواني چند وات تا چند کيلو وات استفاده ميشود.

اسلاید 4 :

مقدمه
سيمپيچي استاتور در موتورهاي سنکرون آهن رباي دائم همانند سيم پيچي موتورهاي القايي و موتورهاي BLDC است. اين سيم پيچي مي تواند به صورت توزيع شده و يا متمرکز باشد. روتور اين موتورها همانند موتور BLDC سيمپيچ نداشته و بسته به نحوه قرارگيري آهنربا در رتور مي تواند داراي ساختارهاي مختلفي شامل آهن رباي سطحي، آهن رباي داخلي و آهن رباي دفن شده باشد. در شکل زير استاتوري با سيم پيچ توزيع شده و روتوري با آهن رباي سطحي نشان داده شده است.

اسلاید 5 :

مزاياي موتورهاي PMSM
پيتر وَس در سال 1998 موارد زير را از جمله خصوصيات ماشينهاي سنکرون مغناطيس دائم برشمرد:
چگالي شار بالا در فاصله هوايي
نسبت توان به وزن بالا (چگالي توان بالا)
نسبت گشتاور به اينرسي بالا (لختي کم، مناسب براي کاربردهاي سروويي و کنترلي)
گشتاور صاف (ريپل گشتاور کم)
گشتاور کنترل شده در سرعت صفر (مناسب براي کاربردهاي کنترل موقعيت)
گستره وسيع سرعت (عملکرد خوب هم در ناحيه گشتاور ثابت و هم ناحيه تضعيف شار)
ضريب قدرت و بازده بالا

اسلاید 6 :

سيم پيچي توزيع شده
در سيم پيچي توزيع شده (Distributed Winding)، کلاف هاي هر فاز آرميچر در داخل چند شيار توزيع مي شود. در اين سيم پيچي تعداد شيار بر قطب بر فاز موتور عددي بزرگتر از 1 است (q>1). در اين سيم پيچي فاصله بازوي رفت و برگشت کلاف ها بيشتر از يک شيار است.

اسلاید 7 :

سيم پيچي متمرکز
در سيم پيچي متمرکز (Concentrated Winding) تعداد ”شيار بر قطب بر فاز“موتور عددي کوچکتر مساوي 1 است (q<=1) و فاصله بازوي رفت و برگشت کلاف ها معمولا برابر با يک شيار است. در شکل زير موتور 12 شيار 10 قطب با سيم پيچي متمرکز جهت استفاده در خودروي برقي نشان داده شده است. به موتورهای با q<=1 شیار کسری می گویند.

اسلاید 8 :

مقايسه سيم پيچي توزيع شده و متمرکز
1- سيم پيچي و مونتاژ سيم پيچي متمرکز آسانتر از سيم پيچ توزيع شده است. با توجه به اينکه در استاتور نوع سيم پيچ متمرکز، سيم پيچي قبل از مونتاژ انجام مي شود و کلاف ها بر روي هر دندانه ها پيچيده مي شوند ساخت و مونتاژ آن آسانتر است. در شکل زير نحوه سيم پيچي نوع متمرکز نشان داده شده است.

اسلاید 9 :

مقايسه سيم پيچي توزيع شده و متمرکز
2- ضريب تراکم (Winding Fill Factor) سيم پيچ نوع متمرکز بالاتر است. ضريب تراکم در واقع برابر با نسبت سطح مقطع خالص هادي هاي داخل شيار به کل مساحت شيار است. با توجه به اينکه در استاتور نوع سيم پيچ متمرکز سيم پيچ ها قبل از مونتاژ بر روي هر دندانه پيچيده مي شوند فضاي خالي داخل شيار کاملا پر مي شود و ضريب تراکم سيم پيچ ها بالا مي رود. در حالي که ضريب تراکم براي استاتورهاي سيم پيچ توزيع شده کمتر از 0/4 است در استاتورهاي سيم پيچ متمرکز اين عدد به حدود 0/5 مي رسد. افزايش ضريب تراکم باعث کاهش حجم موتور مي گردد.

3- طول سيم پيچ انتهايي (End Winding) در سيم پيچي متمرکز کمتر است. با توجه به اينکه در استاتور نوع سيم پيچ متمرکز هر کلاف بر روي يک دندانه پيچيده مي شود گام کلاف برابر با يک شيار بوده و طول انتهايي سيم پيچ کوتاه خواهد شد. کوتاه شدن طول انتهاي سيم پيچ علاوه بر صرفه جويي در مصرف مس منجر به کاهش تلفات مسي موتور و افزايش راندمان مي گردد.

اسلاید 10 :

4- گشتاور دندانه (Cogging Torque) در سيم پيچي متمرکز کمتر است. از آنجا که در استاتور نوع سيم پيچ متمرکز دهانه شيار ها بسيار کوچک و تعداد آنها نيز کم مي باشد گشتاور دندانه موتور نسبت به موتورهاي سيم پيچ توزيع شده کمتر است. در استاتور نوع سيم پيچ توزيع شده کلاف ها از لاي دهانه شيارها جازده مي شوند و اين کار مستلزم باز بودن دهانه شيارها به اندازه کافي مي باشد که گشتاور دندانه را زياد مي کند.

اسلاید 11 :

5- ضريب سيم پيچ (Winding Factor) سيم پيچ متمرکز نوع شیار کسری در بعضی ساختارها کمتر و در بعضی ساختارها بیشتر از سيم پيچ توزيع شده است. ضريب سيم پيچ (kw) از اين جهت اهميت دارد که ولتاژ ضدمحرکه متناسب با آن است و هر چه بزرگتر باشد به ازاي شار معين ولتاژ ضد محرکه بيشتر و گشتاور بزرگتري در موتور توليد مي گردد. يعني از سيم پيچ ها استفاده بهتري مي شود.

در سيم پيچي توزيع شده ضريب سيم پيچ از رابطه زير به دست مي آيد. در اين رابطه زاويه گام شيارها بر حسب درجه الکتريکي، n تعداد ”شيار بر قطب بر فاز“ موتور و گام کلاف مي باشد.

اسلاید 12 :

6- اندوکتانس سيم پيچ در سيم پيچي متمرکز بزرگتر است. در اين نوع سيم پيچي به دليل اينکه سطح زير هر کلاف تماماً هسته است اندوکتانس سيم پيچ ها بزرگ است. عامل ديگري که باعث بزرگتر شدن اندوکتانس شده است تعداد دور بيشتر سيم پيچ متمرکز است. لازم به ذکر است داشتن اندوکتانس بالا براي کارکرد موتور در سرعت هاي بالا و در منطقه تضعيف شار ضروري است. اندوکتانس بالاي سيم پيچ هاي متمرکز، حتي به کار بردن روتورهاي آهن رباي سطحي را در سرعت هاي بالا ممکن مي سازد. زيرا در اين روتورها به دليل قرار داشتن آهن ربا در سطح، فاصله هوايي بزرگي ديده مي شود و در صورت استفاده از سيم پيچ توزيع شده در استاتور اندوکتانس آن بسيار کوچک خواهد.

7- جريان اتصال کوتاه در سيم پيچي متمرکز کمتر است. به دليل بالا بودن اندوکتانس در اين موتور ها، به هنگام اتصال کوتاه ناگهاني جريان کمتري از موتور عبور کرده و احتمال آسيب رسيدن به آن کاهش مي يابد.

اسلاید 13 :

8- سيم پيچ متمرکز هارمونيک هاي فضايي بيشتري توليد مي کند. هارمونيک هاي فضايي باعث ايجاد تلفات هسته در روتور و تلفات فوکو در آهن رباها مي گردند. بنابراين تلفات روتور در اين نوع استاتور بيشتر از استاتور با سيم پيچي توزيع شده مي باشد. لازم به ذکر است ميدان گردان اصلي به دليل هم سرعت بودن با روتور تلفاتي در روتور و آهن رباها ايجاد نمي کنند اما هارمونيک هاي فضايي چون با سرعتي متفاوت با روتور مي چرخند باعث ايجاد تلفات مي شوند. اين هارمونيک به تعداد شيارها و قطب هاي موتور نيز بستگي دارد. در سيم پيچي متمرکز در صورتي که تعداد شيار بر فاز بر قطب موتور بين 0/2 تا 0/5 باشد دامنه هارمونيک ها به کمترين مقدار مي رسد.
هارمونيک هاي فضايي از گرفتن سري فوريه از شکل موج توزيع mmf در فاصله هوايي بدست مي آيد.

اسلاید 15 :

ساختار روتور با آهنرباي دائم سطحي (SPM)

در روتور با آهن رباي سطحي (Surface Permanent Magnet) آهنربا بر روي سطح روتور قرار ميگيرند. لازم به ذکر است که آهنرباهاي به کار رفته شده در اين ساختار بايد به صورت شعاعي مغناطيس شده باشند.
با مشاهده مسير محورهاي طولي (d) و عرضي (q) ميتوان دريافت که طول آهن در هر مسير يکسان است. از اين رو، با توجه به برابر بودن (تقريبي) مقاومت مغناطيسي مسيرهاي d و q، اين ساختار داراي اندوکتانسهاي برابر در محور d و q است. در نهايت اين موضوع منجر به صفر شدن گشتاور رلوکتانسي و ساده شدن مدل اين موتور ميشود.
همچنين به دليل يکسان بودن رلوکتانس محور d و q، ريپل گشتاور در اين ساختار کمتر است.
جهت مهار نيروي گريز از مرکز در سرعت هاي بالا لازم است در اين ساختار از يک لايه نازک فيبر محکم به دور آهن رباها استفاده شود.

اسلاید 16 :

ساختار روتور با آهنرباي دائم سطحي (SPM)

اسلاید 17 :

ساختار روتور با آهنرباي دائم دروني (IPM)
ساختار روتور با آهن رباي داخلي (Interior Permanent Magnet) يکي از پرکاربردترين ساختارهاي موتور سنکرون آهنرباي دائم بوده و داراي آهنرباهايي درون هسته روتور ميباشد. با توجه به اينکه در راستاي محور d آهن ربا وجود داشته و نفوذپذيري مغناطيسي آن همانند هواست ميتوان دريافت که اندو کتانس محور d در اين ساختار کوچکتر از اندوکتانس محور q است. اين قابليت منجر به ايجاد گشتاور رلوکتانسي ميشود که در کاربردهاي سرعت بالا و ناحيه تضعيف شار نقش مهمي را ايفا ميکند. به عبارت ديگر موتورهاي سنکرون آهنرباي دائم دروني به واسطه همين امر، داراي گستره وسيع سرعت ميباشند.
در اين ساختار به دليل نصب آهن ربا در داخل روتور مشکلي از نظر نيروي گريز از مرکز وجود ندارد.

اسلاید 18 :

ساختار روتور با آهنرباي دائم دروني (IPM)

اسلاید 19 :

در ساختار روتور با آهن رباي دفن شده (Buried PM) نيز آهنرباها درون هسته روتور قرار دارند، ولي چيدمان آنها با ساختار موتورهاي سنکرون آهنرباي دائم دروني متفاوت است. بر خلاف موتورهاي سنکرون آهنرباي دائم دروني که آهنرباها به صورت شعاعي مغناطيس شدهاند، راستاي مغناطيسي آهنربا در موتور سنکرون آهنرباي دائم دفن شده به صورت شعاعي نيست. راستاي مغناطيسي آهنرباها را ميتوان در شکل مشاهده کرد. در اين ساختار اندو کتانس محور d از اندوکتانس محور q بزرگتر است.
در ضمن چون فضای بیشتری را می توان برای آهنرباها در نظر گرفت، بنابراين اين ساختار امکان استفاده از آهنرباهاي ضعيفتر و ارزانتر را فراهم ميآورد. البته در اين ساختار براي اجتناب از بسته شدن مسير شار از طريق شفت موتور، بايد جنس شفت از مواد غير مغناطيسي انتخاب شود.
ساختار روتور با آهنرباي دائم دفن شده

اسلاید 20 :

ساختار روتور با آهنرباي دائم دفن شده