بخشی از پاورپوینت
اسلاید 2 :
موتورهاي جريان مستقيم بدون جاروبک
Brushless DC Motors
اسلاید 3 :
مقدمه
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 ماشينهاي جريان مستقيم بدون جاروبك بود.
اسلاید 4 :
دسته بندي موتورهاي مغناطيس دائم
به طور كلي ماشين هايي كه در ساختار تحريك آنها از مواد مغناطيس دائم استفاده مي شود به نام موتورهاي مغناطيس دائم شناخته مي شوند . اين موتورها از جنبه هاي مختلف قابل تقسيم بندي هستند.
تقسيم بندي اول بر اساس مسير شار است که بر اين اساس مي توان اين موتورها را به دو دسته تقسيم كرد. دسته اول موتورهاي با شار شعاعي هستند كه مسير شار تحريك ميدان در راستاي شعاع ماشين قرار دارد دسته دوم موتور هاي شار محوري هستند كه مسير شار تحريك به موازات رتور است. در كاربردهاي عملي دسته اول بيشتر مورد توجه قرار دارند هر چند كه از دسته دوم در برخي كاربرد هاي محدود كه نياز به چگالي توان بالا و شتابگيري سريع است استفاده مي شود.
اسلاید 5 :
تقسيم بندي دوم بر اساس ساختار رتور است كه بر اين اساس اين موتور ها به دو دسته تقسيم مي شوند. دسته اول موتور هاي با رتور داخلي هستند. يکي از مزاياي اين موتورها اين است كه نسبت گشتاور به اينرسي بالايي دارند و براي كاربرد هايي كه نياز به شتاب گيري سريع دارند مناسبند. دسته دوم موتورهاي با رتور خارجي هستند كه بيشتر در كاربردهايي كه به سرعت ثابت نياز است مورد استفاده قرار مي گيرد. نمونه اي از ساختار اين موتورها در شكل نشان داده شده است.
نمونه اي از ساختار موتورهاي مغناطيس دائم (الف) رتور خارجي (ب) رتور داخلي
دسته بندي موتورهاي مغناطيس دائم
اسلاید 6 :
تقسيم بندي سوم براساس نحوه قرار گرفتن آهنربا بر روي روتور است كه بر اين اساس اين موتورها به سه دسته تقسيم مي شوند.
دسته اول موتور هاي مغناطيس دائم با آهنرباي سطحي است كه مواد مغناطيسي بر روي سطح رتور قرار داده شده اند (شکل الف).
دسته دوم موتور هاي مغناطيس دائم با آهنرباي دروني است كه مواد مغناطيس دائم در داخل رتور قرار گرفته اند (شکل ب)
و دسته سوم موتور هاي مغناطيس دائم با آهنرباي دفن شده در روتور مي باشد (شکل ج).
دسته بندي موتورهاي مغناطيس دائم
اسلاید 7 :
تقسيم بندي چهارم بر اساس نوع سيم پيچ استاتور است. بر اين اساس اين موتور ها به دو دسته تقسيم مي شوند دسته اول سيم پيچي توزيع شده است که در آن فاصله بين بازوي رفت و برگشت کلاف بيش از يک شيار است. دسته دوم سيم پيچي متمرکز است که هر کلاف به دور يک دندانه استاتور پيچيده شده و در واقع فاصله بين بازوي رفت و برگشت يک شيار است.
دسته بندي موتورهاي مغناطيس دائم
اسلاید 8 :
تقسيم بندي پنجم بر اساس شكل موج ولتاژ برگشتي القايي (Back-EMF) است. بر اين اساس اين موتور ها به دو دسته تقسيم مي شوند دسته اول موتور هاي جريان مستقيم بدون جاروبك(BLDC) هستند كه شكل موج ولتاژ برگشتي القايي در آنها به صورت ذوزنقه اي است (شکل الف). دسته دوم موتور هاي سنكرون مغناطيس دائم (PMSM)هستند كه شكل موج ولتاژ القايي برگشتي در آنها به صورت سينوسي است (شکل ب).
اسلاید 9 :
مقدمه
جايگاه موتورهاي BLDC و PMSM در دسته بندي کلي موتورها
اسلاید 10 :
موتورهاي جريان مستقيم بدون جاروبك داراي مشخصه گشتاور - جريان مشابه موتورهاي جريان مستقيم معمولي (کموتاتوردار) هستند و تمام ويژگي هاي كنترلي مناسب كه در موتورهاي جريان مستقيم معمولي وجود دارد در اين موتور نيز مشاهده مي شود. به همين دليل به اين نام، نامگذاري شده اند. تفاوت اين موتورها با موتورهاي DC معمولي اين است که در اين موتورها عمل كموتاسيون به صورت الكترونيكي انجام مي شود و نيازي به جاروبك و کموتاتور نيست. بنابراين مشكلات ناشي از كموتاسيون مكانيكي در اين موتورها وجود ندارد و از اينرو اين موتورها يك رقيب جدي براي موتورهاي جريان مستقيم معمولي هستند.
ساختار موتور BLDC
اسلاید 11 :
در موتورهاي جريان مستقيم معمولي، در حالت ژنراتوري ولتاژ و جريان داخل سيم پيچ ها به دليل چرخش موتور متناوب است اما کموتاتور آن را يکسو کرده و به ولتاژ و جريان DC تبديل ميکند. بنابراين ولتاژ و جريان ظاهر شده در خروجي آرميچر از نوع DC است. در حالت موتوري بر عکس اين قضيه اتفاق مي افتد يعني کموتاتور جريان DC ورودي به موتور را با تغيير وضعيت پي در پي تيغه ها به يک جريان متناوب تبديل کرده و به سيم پيچ هاي آرميچر مي دهد. به عبارت ديگر کموتاتور نقش يک مبدل البته از نوع مکانيکي را دارد. لازم به ذکر است در موتور DC براي تشخيص زمان تغيير جهت جريان در آرميچر به هيچ سنسوري احتياج نيست و در صورتي که محور جاروبک ها عمود بر محور شار تحريک باشد تغيير جهت جريان در زمان مناسب انجام مي شود.
ساختار موتور BLDC
اسلاید 12 :
شکل زير ولتاژ القاء شده در سيم پيچ هاي آرميچر و ولتاژ ظاهر شده در دو سر جاروبک ها را براي يکي از هادي هاي ماشين DC در حالت ژنراتوري نمايش مي دهد.
ساختار موتور BLDC
اسلاید 13 :
در موتورهاي جريان مستقيم مي توان جاي سيم پيچ آرميچر و تحريک (آهن ربا) را عوض کرد. يعني سيم پيچ آرميچر را به صورت ساکن بر روي استاتور و آهن ربا را بر روي روتور قرار داد. در اين صورت لازم است جاروبک ها همراه با روتور بچرخند تا عمل کموتاسيون انجام شود. اين کار چند مزيت دارد:
1- ساخت آرميچر ساکن به دليل عدم وجود نيروهاي گريز از مرکز ساده تر است.
2- خنک سازي آرميچر ساکن راحت تر است.
ساختار موتور BLDC
اسلاید 14 :
موتور BLDC دقيقا شبيه يک موتور DC معمولي معکوس با آرميچر ساکن است که در آن تغيير جهت جريان به جاي جاروبک توسط سوئيچ هاي الکترونيک قدرت انجام مي شود. تفاوت ديگر آن است که در موتور BLDC براي تعيين زمان تغيير جهت جريان به سنسور موقعيت احتياج مي باشد و در واقع اين سنسورها فرمان روشن شدن را به سوئيچ ها مي دهند. البته نياز به دانستن موقعيت روتور در تمام لحظه ها نيست و در موتورهاي سه فاز دانستن 6 لحظه زماني کفايت مي کند.
ساختار موتور BLDC
اسلاید 15 :
سيم پيچي استاتور موتورهاي BLDC شبيه سيم پيچي موتور هاي القايي سه فاز است و روتور آن از مواد مغناطيس دائم كه بر روي هسته قرار گرفته اند تشكيل شده است. جهت توليد Back-emf ذوزنقه اي شعاع آهنربا در تمام نقاط يکسان در نظر گرفته مي شود يعني طول فاصله هوايي يکسان است. همچنين معمولا از سيم بندي متمرکز براي استاتور استفاده مي شود. اما در موتورهاي PMSM معمولا آهنربا قوسي شکل بوده و طول فاصله هوايي در همه نقاط يکسان نيست
ساختار موتور BLDC
اسلاید 16 :
امروزه انواع مختلفي از مواد مغناطيس دائم در دسترس هستند. براي مثال آلنيكو، فريت، مواد كمياب خاكي ساماريم-كبالت و نئوديم-آهن-بور نمونه هايي از موادي هستند كه در ساخت ماشين هاي الكتريكي مورد استفاده قرار گرفته اند. در بين اين مواد نئوديم-آهن-بور اخيرا بيشتر مورد توجه قرار گرفته اند زيرا چگالي انرژي بسيار زيادي دارند. ويژگي اين مواد مغناطيسي به همراه مشخصه مغناطيسي آنها در شكل نشان داده شده است. مواد مغناطيسي فريت بيشتر از بقيه مورد استفاده قرار مي گيرند زيرا قيمت مواد اوليه آنها ارزان است ولي در مقابل چگالي انرژي، پسماند و مغناطيس زدايي پاييني دارد. مواد مغناطيسي نئوديم-آهن-بور (NdFeB) بالاترين چگالي انرژي، پسماند و مغناطيس زدايي را دارند اما قيمت آنها بسيار بالاست.
انواع مواد مغناطيس دائم
اسلاید 17 :
منحني B-H مواد مغناطيسي مختلف
اسلاید 18 :
مقايسه ويژگي هاي مواد مغناطيسي مورد استفاده در موتورهاي مغناطيس دائم
اسلاید 19 :
1- راندمان بالا: در مقايسه با موتورهاي القايي، موتورهاي مغناطيس دائم بازدهي بالاتري دارند زيرا در اين موتورها جريان مغناطيس كنندگي و تلفات مسي رتور حذف مي گردد. همچنين در مقايسه با موتورهاي جريان مستقيم معمولي به علت حذف كموتاسيون مكانيكي، تلفات ناشي از جاروبك ها حذف مي شود.
2- اندازه كوچك و وزن كم (چگالي توان بالا): استفاده از مواد مغناطيسي با چگالي بالا بر روي رتور به جاي استفاده از رتور سيم بندي شده باعث كوچك شدن موتور از لحاظ اندازه و سبك شدن آن مي شود.
3- نياز به تعمير و نگهداري كمتر و طول عمر بالاتر و قابليت اطمينان بيشتر: به علت حذف جاروبك ها و کموتاتور در اين موتور، مسائل مربوط به تعمير و نگهداري و عيب هاي ناشي از آنها حذف مي شود.
4- نويز کمتر: در مقايسه با موتورهاي جاروبک دار در اينجا به دليل حذف جاروبک و جرقه هاي ناشي از آن، نويزهاي الکتريکي مزاحم کمتري ايجاد مي شود.
مزاياي موتورهاي BLDC
اسلاید 20 :
1- قيمت بالا: هزينه بالاي مواد مغناطيس دائم مورد استفاده در اين موتورها قيمت كل موتور را افزايش مي دهد و اين هزينه مي تواند استفاده آن را در برخي از كاربردها محدود كند.
2- از بين رفتن خاصيت مغناطيسي مواد مغناطيس دائم مورد استفاده : مواد مغناطيسي مورد استفاده بر روي رتور در اين موتورها ممكن است در اثر نيروهاي ضد مغناطيسي شديد و دماي بالا خاصيت مغناطيسي خود را از دست بدهند. اما با طراحي مغناطيسي و حرارتي مناسب مي توان از اين امر جلوگيري کرد.
3- نياز به استفاده دائمي از درايور: به دليل کموتاسيون الکترونيکي، در اين موتورها حتي در کاربردهاي سرعت ثابت نياز به درايور و کنترل کننده مي باشد.
4- خطاهاي اينورتر: به دليل وجود آهن رباي دائم و ولتاژ back-EMF اتصال کوتاه در باس DC اينورتر مي تواند منجر به بروز گشتاور ترمز ناگهاني و سوختن کليدهاي الکترونيک قدرت شود.
معايب موتورهاي BLDC
