كاربرد موتورهاي سنكُرن مغناطيسي دائم (PMSM)

در صنعت آسانسورهاي بدون گيربكس و بدون موتورخانه

(نسل جديد آسانسورها)

عليرضا ترقي /مركز تحقيقات ساختمان و مسكن ايران

واژه‌هاي كليد

موتور سنكٌرن با رٌتور مغناطيس دائم (PMSM)، بدون گيربكس ، بدون موتورخانه ، vvvf ، Radial ، Axial

خلاصه مقاله

دنياي صنعتي امروز عرصه وسيع و پرشتاب نوآوري‌ها در كليه زمينه‌هاي صنعتي، ساختماني ، بيولوژيكي و ..... مي‌باشد. صنعت ساختمان در سال‌هاي اخير مواجه با تحولات شگرفي در طراحي و اجراي سازه‌هاي پيچيده، مصالح ساختماني نو، كاهش وزن ساختمان، صرفه‌جوئي در فضا و انرژي و زمان، تجهيزات و تاسيسات نوين و رعايت مسايل زيست محيطي گشته است. افزايش جمعيت جهان و ارتقاء سطح رفاه اجتماعي و ساخت و ساز ساختمان‌هاي بلندمرتبه، وجود آسانسورهاي پرسرعت، كم‌صدا و كم مصرف و كم حجم و كم‌ وزن را در ساختمان‌ها امري اجباري نموده است بگونه‌اي كه در برخي كشورها نصب آسانسور در ساختمان‌هاي عمومي بيش از يك طبقه اجباري است.

صنعت آسانسور عمدتاً همگام با ساير تجهيزات ساختماني و بعنوان شريان حركتي و نقل و انتقال داخل ساختمان‌ها در ساليان اخير مواجه با پيشرفت‌هاي شگرف و بي‌نظيري در دو زمينه 1- سيستم‌هاي محركه  و 2- سيستم‌هاي كنترلي گشته است. در زمينه سيستم‌هاي محركه ساليان درازي است كه موتورهاي A.C آسنكُرن قفس سنجابي مورد پذيرش قرار گرفته و با استفاده از گيربكس‌هاي كاهنده، سرعت را به مقدار دلخواه مي‌رسانند (تا حدود 5/2 متر بر ثانيه)، امروزه نسل جديد سيستم‌هاي محركه بدون گيربكس كه در سرعت‌هاي بالا قبلاً از سيستم‌هاي وارد- لئونارد استفاده مي‌شد (كه سيستمي است پيچيده، گران‌قيمت و با حجم و وزن زياد و نگهداري سخت) جاي خود را به آسانسورهاي با محركه موتورهاي سنكُرن بدون گيربكس و بدون موتورخانه و با مغناطيسي دائم (PMSM)داده است.

موضوع مقاله اصلي حول‌ محور كاربرد اين نوع محركه كه از ميدان مغناطيسي Axial برخوردار است (در موتورهاي معمولي ميدان مغناطيسي نوع Radial است) و اشاره به مشخصات‌ فني آن و مزاياي بسيار مهم آن دور ميزند.

كاربرد اين نسل از آسانسورها در كشور ما از سال 1380 و در دنيا از سال 1996 شروع شده است.

ويژگي‌هاي مهم اين نوع آسانسورها باختصار بشرح زير مي‌باشد:

8

1

راندمان بالاتر (بيش از 90درصد)، صرفه‌جوئي قابل توجه در انرژي مصرفي حدود 35% نسبت به آسانسورهاي معمولي و 3VF ، كاهش تلفات حرارتي موتور محرك، كاهش چشمگير جريان راه‌اندازي، كاهش هزينه ساختماني، ضريب قدرت بالاتر (حدود بيش از 9/0)، كاهش وزن تا حدود 50 درصد، كاهش فضاي اشغالي، كاهش هزينه‌هاي ساختماني، سازگاري با محيط زيست و عدم وجود روغن آلاينده‌هاي محيط زيست، افزايش ايمني ناشي از خطر آتش‌سوزي، حجم بسيار كم، حركت بسيار نرم و روان و بي‌صدا و توقف بدون ضربه، كاهش قابل توجه سطح نويز سيستم، كاهش هزينه مصرف برق، حذف خطر سقوط ناشي از شكستن چرخ‌دنده گيربكس، كاهش زمان يا دوره نصب و سهولت نصب ( تا  كاهش زمان)، كاهش حدود 15 درصدي زمان انتظار مسافر، امكانات كنترلي بسيار بهتر و گسترده‌تر بدليل دور بسيار كم موتور محرك (بين 50 تا 150 دور در دقيقه)

از سال‌ها پيش موتورهاي القائي يا آسنكُرن بدليل دارا بودن ساختماني ساده و راه‌اندازي بدون دردسر بعنوان محرك بسياري از دستگاه‌ها مورد بهره‌برداري قرار مي‌گيرند. ضريب قدرت نامناسب، صداي زياد، سرعت متغيير، تلفات حرارتي زياد در زمان راه‌اندازي، تحميل جريان راه‌اندازي بالا به شبكه برق، گشتاور راه‌اندازي نه چندان زياد، نياز به استفاده از نوع اسليپ رينگ در توان‌هاي بالا از معايب اين موتورها محسوب مي‌شوند. در مقابل، ماشين‌هاي سنكُرن با حوزه مغناطيسي دائم (آهنرباي دائم) بعنوان محرك مكانيكي از مزايائي همچون سرعت صددرصد ثابت، ضريب قدرت قابل تنظيم، راندمان بالا، كمپكت بودن، حذف سيم‌پيچي ميدان، حذف منبع تغذيه D.C، حذف اتلاف ژولي مدار تحريك، حذف حلقه‌هاي لغزان و جاروبك‌ها، طول بسيار كم در نوع راديال و تعمير و نگهداري ساده‌تر برخوردارند. هرچند بدليل عدم امكان تنظيم و كنترل ميدان، قابليت تنظيم ضريب قدرت بعد از ساخت موتور امكان‌پذير نبوده ولي در شرايط ساخت مي‌توان هرگونه پيش‌بيني لازم صورت گيرد.

اصولاً مطالعه نشان مي‌دهد با توجه به منحني‌هاي سيكل هيسترزيس و انرژي الكترومغناطيس مواد مغناطيسي دائم فرومانيتيك (اشكال – 1 و 2)، خواص چهار كلاس از مواد مغناطيسي دائم بشرح جدول – 1 قابل تنظيم است.

خصوصيات مواد كلاس A، ارزاني، شكل‌پذيري ساده، قابليت قالب‌گيري و در مقابل بسيار حجيم‌اند و در ساخت موتورهاي محرك كم‌ظرفيت مورد بهره‌برداري قرار مي‌گيرند.

انواع كلاس‌هاي B و C از جنس سختتري برخوردار بوده و بسختي شكل مي‌گيرند.

كلاس نوع B بايد در جهت و راستاي عمليات مغناطيس شدن طويل باشد.

 و كلاس نوع C نسبت به از دست دادن خاصيت مغناطيسي بسيار حساس مي‌باشد.

كلاس نوع D، بسادگي شكل‌پذير است و قابليت ماشين‌كاري روي آن بسيار خوبست و براي اغلب ماشين‌هاي سنكُرن با مغناطيس دائم قابل كاربرد است، بخصوص در آن دسته از ماشين‌هائي كه قرار است طول محوري كوتاه داشته باشند ولي در مقابل از قيمت بالا برخوردارند. بنابراين در اشكال ساده موتورها مواد كلاس B و C مناسبند در حالي كه مواد كلاس A و D بيشتر در مواردي كه نياز به تعديل و سازش باشد كاربرد دارند. عملاً مواد كلاس A براي ماشين‌هاي ارزان‌قيمت و مواد كلاس D كه مشخصات و خواص مغناطيسي و مكانيكي خيلي بهتر ارائه مي‌كنند براي ماشين‌هاي حساس‌تر استفاده مي‌شوند.

طراحي مدار مغناطيسي اينگونه ماشين‌هاي الكتريكي كمي پيچيده‌تر است. چگالي فوران مغناطيسي بخاطر فوران پراكندگي، رلوكتانس و اثرات عكس‌العمل استاتور از پس‌ماند مغناطيسي كمتر برخوردار است (Br). اثر از دست دادن خاصيت مغناطيسي اين نوع ماشين‌ها زماني وسعت مي‌يابد كه جريان الكتريكي در سيم‌پيچي‌هاي استاتور رو به ازدياد گذارد و اين در سه صورت زير رخ مي‌دهد:

(I) در راه‌اندازي (گرچه از آهنرباي دائم قطب‌ها در مقابل حوزه الكترومغناطيسي عكس‌العمل بكمك نصب قفس راه‌انداز نظير قفس مربوط به روتور موتورهاي آسنكُرن مي‌توان بخوبي محافظت نمود)

(II) زماني كه موتور به حالت سنكُرن كشيده مي‌شود.

(III) در اضافه بارهاي زياد و طولاني

شكل‌‌هاي ساختماني

شكل ساختماني اين نوع موتورهاي الكتريكي متاثر از وظايفي است كه بعهده موتور گذارده شده و يا از آن انتظار مي‌رود. بعضي از اين اشكال در شكل‌هاي a , b , c , d , e - 3 ترسيم شده‌اند. جهت حوزه مغناطيسي را با فلش مشاهده مي‌نمائيد. اين نوع موتورها بدو صورت قطب صاف و قطب برجسته ساخته مي‌شوند.

در موتور نوع دو قطبي (شكل a-3)، در داخل يك روتور استوانه‌اي كه حامل قفس راه‌انداز مي‌باشد ساختار اين موتور نمايش داده شده است. هسته مغناطيسي در طول قطر خود بوسيله شيار‌هاي جداكننده به دو بخش N و S تقسيم شده كه مانع ايجاد اتصال كوتاه فوران قطب‌ها باشد.

نوع دوم كه از مواد كلاس B و C استفاده مي‌شود، نوع قطب‌هاي برجسته است (شكل b-3) كه قطب‌ها با بدنه استوانه روتور بكمك پيچ و مهره يا پرچ وصل مي‌شوند. در(شكلc-3) از مواد مغناطيسي كلاس D استفاده شده و قطب‌ها در سطح روتور از لبه آن تبعيت مي‌كنند و اين امر موجب جلوگيري از كاهش خاصيت مغناطيسي قطب‌ها مي‌شود.

با يك انحراف شديد از شكل‌هاي معمولي روتورهاي مغناطيسي دائم بصورت (شكل d-3)، حوزه الكترومغناطيسي از شكل راديال در آمده و قفس درون روتور را با افزودن فلزاتي در نهايت بشكل سيلندري در مي‌آورند.

تعادل بين كار سنكُرن و آسنكُرن موتور نياز به دقتي خاص جهت انتخاب پارامترهاي طراحي دارد. مواد مغناطيسي كلاس A يا D كه بصورت شكلي مدور در نظر گرفته شده و در جهت محوري مغناطيس شده‌اند و بكمك ورقه‌هاي فاصله‌انداز فولادي فوران را هدايت مي‌كنند مطابق (شكل e-3) توليد فوراني قطبي و متباين در سطح فاصله هوائي مي‌نمايند. استفاده از سپرهاي محافظ و فاصله‌انداز‌هاي فوران مغناطيسي بمنظور جلوگيري از مغناطيس‌زدائي قطب‌هاست (m.mf.s)

شكل‌هاي متنوع و گوناگون و نوظهوري براي چيدمان قطب‌ها انديشيده شده‌اند كه از آن جمله يكي بصورت روتوري صفحه مانند است كه بعنوان يك صفحه قطبي با سيم‌پيچي سه‌فاز استاتور با هادي‌هاي اكتيو راديال روبروي يكديگر قرار مي‌گيرند. صفحه قطبي روتور را مي‌توان از فولادي تهيه كرد كه قطاع‌هاي مغناطيسي دائم را بعنوان قطب‌ها در خود جاي داده باشند و از مواد كلاس D تهيه و ميدان مغناطيسي نوع آكسيال را بوجود مي‌آورند.

اين طرح و طرح‌هاي مختلف ديگر، بوسيله محققي بنام Binns و همكاران ايشان توسعه يافته است.

شايان ذكر است اشاره شود كه از عمر كاربرد الكتروموتورهاي سنكُرن با مغناطيسي دائم (PMSM) در آسانسورهاي نوع كششي چند سالي بيشتر نمي‌گذرد (1996 به بعد) اين آسانسورها با قابليت داشتن سرعت‌هائي كه از 5/0 تا 17 متر بر ثانيه (سريعترين آسانسو دنيا تا اين تاريخ) مي‌باشد از مزاياي عمده‌اي همچون: سرعت ثابت، راندمان بسيار بالا، صرفه‌جوئي در انرژي بسيار خوب، وزن و حجم بسيار كم، طول محور بسيار كم، سرويس و نگهداري بسيار ساده، اشغال فضاي بسيار كم و حذف موتورخانه آسانسور، ضريب قدرت بالا، حركت و سكون بسيار نرم و بي‌صدا، ايمني بسيار بالا، عدم وجود روغن‌هاي آلاينده در مكانيزم‌ كاري دستگاه، حذف گيربكس برخوردارند.

ساختمان الكتروموتورهاي سنكُرن با مغناطيس دائم (PMSM)

اين نوع موتورها متشكل از دو بخش اصلي يكي استاتور كه حامل سيم‌پيچي سه‌فاز بوده كه به منبع تغذيه متصل مي‌گردد و ديگري رتور كه بصورت يك رينگ مغناطيس دائم تهيه شده مي‌باشد.

اشكال a-4 و b-4  تفاوت روش‌هاي توزيع نيروي محركه الكترومغناطيسي داخلي اين نوع موتورها را (نوع AXIAL) با موتورهاي معمولي نوع (RADIAL) نشان مي‌دهد. اصولاً موتورهاي سنكُرن از سه ويژگي بسيار مهم زير برخوردارند:

1- سرعت صددرصد ثابت

2- ضريب قدرت بسيار بالا (حتي برابر يك)

3- راندمان بالا

در مقابل تنها دليل عدم كاربرد گسترده اين موتورها نسبت به موتورهاي القايي در صنعت عدم امكان خود راه‌انداز بودن آنها بدون نياز به تجهيزات اضافي است كه با ابداع و كابرد مدارهاي الكترونيك قدرت (نيمه هادي‌هاي كنترل شده) مشكل فوق برطرف و اين نوع موتورها راه خود را در صنايع حمل و نقل و صنايع پتروشيمي باز نمودند.

اصول كار

در موتورهاي سنكُرن در شرايط راه‌اندازي بدليل تغييرات Sind بصورت پريود يك مقدار گشتاور متوسط

موتور برابر صفر بوده و موتور قادر به حركت نمي‌باشد.

مشخصات و منحني‌هاي توانايي موتورهاي سنكُرن

                          لطفا ادامه این مطلب را در شماره آینده مجله دنیای آسانسور(30-29) مطالعه فرمائید...