آشنایی با موتور سنکرون مغناطیس دائم و انواع آن

ساختار کلی موتور سنکرون مغناطیس دائم

یک موتور سنکرون مغناطیس دائم از سه قسمت اصلی تشکیل شده است: استاتور، روتور، آهنرباهای دائم

استاتور قسمت ساکن موتور می­ باشد که معمولاً از ورقه ­های نازک از جنس سیلیکون و آهن ساخته می­ شود تا تلفات هسته در پشته استاتور کاهش یابد. این استاتور حاوی شیارهایی است که سیم ­پیچی ­های تحریک مربوط به فازهای مختلف در آن قرار داده شده ­اند. نحوه قرارگیری سیم ­پیچ ها در شیار معمولاً به صورت توزیع ­شده می ­باشد و تعداد آنها مشخص ­کننده تعداد فاز موتور می ­باشد. سیم­ پیچی هر فاز از تعدادی دسته کلاف چند دوری تشکیل شده که معمولاً به صورت سری به هم متصل می­ شوند، به صورتی که تعداد دور هر یک از این دسته کلافها با دیگری برابر است. سیم­ پیچی­ های قرار گرفته در شیارهای استاتور می­ توانند به صورت تک لایه یا دولایه باشند که در هر حالت دولایه با عایقی مخصوص از هم جدا می ­شوند و حدود نصف فضای شیار را اشغال می­ کنند.

روتور قسمت متحرک موتور می­ باشد که آهنرباهای دائم در داخل یا روی سطح آن تعبیه شده ­اند و همانند استاتور به صورت پشته ­ای از ورقه­ های نازک فلزی ساخته می­ شود. این قسمت به طور مستقیم روی محور موتور قرار دارد و حرکت آن از طریق محور به بار متصل به موتور اعمال می­ شود.

آهنرباهای دائم برای ایجاد میدان مغناطیسی روتور و تقابل آن با میدان حاصل از استاتور جهت ایجاد گشتاور و حرکت در موتور مورد استفاده قرار می­ گیرند. با بکارگیری آنها نیاز به استفاده از سیم ­پیچهای تحریک در روتور موتور سنکرون مغناطیس دائم نبوده و در نتیجه تلفات مسی مربوطه به سیم­ پیچی روتور در موتور حذف می­ شود. این آهنرباها می­ توانند بسته به کاربرد و نوع موتور در داخل یا روی سطح روتور تعبیه شده و به آرایش­های مختلفی در داخل آن قرار داده شوند.

انواع موتورهای سنکرون مغناطیس دائم

در حالت کلی این موتورها بر حسب نوع حرکت به صورت خطی و چرخشی تقسیم ­بندی می­ شوند، به صورتی که در حالت خطی، حرکت موتور در جهت یک خط مستقیم می­ باشد، در حالیکه در حالت چرخشی، حرکت به صورت دایره ­ای حول یک مرکز مشخص صورت می­ گیرد.

موتورهای مغناطیس سنکرون دائم چرخشی

این موتورها در حالت کلی به دو صورت شار شعاعی و شار محوری ساخته می ­شوند که نوع اول آنها مرسوم ­تر می باشد. در ماشین­های شار شعاعی جهت شار مغناطیسی به صورت شعاعی بوده و جهت جریان الکتریکی به صورت محوری است، در حالیکه در ماشین­های شار محوری عکس این قضیه برقرار است. در ماشین­های شار محور نسبت به شار شعاعی، نسبت گشتاور بر اینرسی موتور بیشتر بوده و پاسخ گشتاور سریع تر می­ باشد. در شکل 1 و 2 به ترتیب نمایی دوبعدی از یک ماشین شار شعاعی و شار محوری با جهت­ های شار مغناطیسی و جریان الکتریکی نمایش داده شده است.

شکل 1) موتور سنکرون مغناطیس دائم شار شعاعی

شکل 2) موتور سنکرون مغناطیس دائم شار محوری

موتور سنکرون مغناطیس دائم شار شعاعی

این موتورها در دو دسته کلی آهنربا سطحی و آهنربا داخلی جای می­ گیرند و ممکن است به صورت روتور داخلی یا روتور خارجی طراحی شوند. در نوع روتور داخلی، استاتور در پیرامون روتور و در بیرون از آن قرار گرفته است، در حالیکه در نوع روتور خارجی روتور در بیرون و استاتور در مرکز آن قرار دارد. در نوع روتور خارجی به سبب فضای بیشتری برای قرارگیری آهنرباهای دائمی، می­ توان تعداد قطب موتور را افزایش داد.

موتور مغناطیس دائم با آهنرباهای سطحی:

در این گونه موتورها آهنرباها روی سطح روتور قرار می گیرند. ساخت و ساز این گونه موتورها بعلت مکان قرارگیری آهنرباها راحت تر از نوع آهنربا داخلی می باشد اما رنج عملکردی آنها به سرعت های پایین محدود می شود، زیرا در سرعت های بالا نیروهای گریز از مرکز وارد به آهنرباها افزایش یافته و قدرت مکانیکی ساختار تضعیف می شود. شکل و  ابعاد آهنرباها روی سطح روتور و فاصله قرارگیری آنها از یکدیگر تأثیر بسزایی در گشتاور دندانه ای ساختار خواهد داشت و مقدار بهینه اندازه و فاصله آهنرباها از یکدیگر را می توان با تحلیل های پارامتری در محیط های المان محدود مشخص کرد. نمونه ای از موتور سنکرون مغناطیس دائم با آهنرباهای سطحی در شکل 3 نمایش داده شده است.

شکل 3) موتور سنکرون مغناطیس دائم با آهنرباهای سطحی

موتور مغناطیس دائم با آهنرباهای داخلی:

در موتور سنکرون مغناطیس دائم داخلی، آهنرباها در داخل روتور قرار می­ گیرند و به شکهای مختلفی آرایش می­ یابند. یک مزیت موتور مغناطیس دائم داخلی در مقایسه با نوع مغناطیس دائم سطحی، امکان متمرکز­نمودن شار تولید شده توسط آهنربا در روتور و دست­یابی به چگالی شار فاصله هوایی بالاست. بعلاوه آهنرباهای دفن شده در روتور بخوبی در برابر مغناطیس ­زدایی و تنش­های مکانیکی محافظت می­ شوند. نمونه ای از ساختار موتور موردنظر در شکل 4 نشان داده شده است که از آهنرباهای مستطیلی در روتور تشکیل شده است.

شکل 4) موتور سنکرون مغناطیس دائم با آهنرباهای داخلی

از طرف دیگر در موتورهای سنکرون مغناطیس دائم داخلی علاوه بر گشتاور مغناطیسی (یا گشتاور میدان)، یک گشتاور رلوکتانسی نیز بعلت خاصیت برجستگی قطب و اختلاف اندوکتانس موتور در راستای محور d و q ایجاد می ­شود، بنابراین نسبت به موتورهای نوع آهنربا سطحی در اندازه و ابعاد مشابه، می­ توانند گشتاور متوسط خروجی بیشتری تولید کنند و در ناحیه توان ثابت رنج گسترده ­تری از سرعت را دارا خواهند بود . در اکثر این موتورها، آهنرباهای تعبیه شده در روتور دارای اندکی فضای خالی در پیرامون خود می ­باشند که این فضای خالی، حصار شار نامیده می­ شود. یکی از فواید حصار شار، افزایش گشتاور رلوکتانسی موتور می باشد، ضمن اینکه شکل و اندازه حصارهای شار بر مشخصه گشتاور دندانه ­ای و ریپل گشتاور موتور تأثیر دارد و باید به شیوه مناسبی طراحی شود.

 گوناگونی آرایش­ آهنرباها در موتور سنکرون مغناطیس دائم داخلی نسبت به نوع سطحی بیشتر است. این آرایشها می ­تواند به صورت مستطیلی، مستطیلی تقسیم ­شده، فرو رفته با شکل دایره ­ای، مستطیلی جنبی ، V شکل، U شکل و W شکل باشد، ضمن اینکه آرایش­ V شکل می ­تواند به صورت تک لایه یا دولایه و آرایش U شکل به صورت تک لایه، دولایه و یا سه لایه باشد. افزایش لایه­ ها می­ تواند به تولید متوسط گشتاور خروجی بیشتر منجر شود، اما فرآیند طراحی و ساخت موتور پیچیده ­تر شده و هزینه ساخت را نیز افزایش خواهد داد.

تاریخچه مختصر آهنرباهای دائم

ساخت آهنرباهای دائمی با فولاد سخت مغناطیسی از قرن 18 در لندن شروع شد، اما تاریخ واقعی استفاده از ماشین­های با مغناطیس دائم (مثل ماشین سنکرون مغناطیس دائم) در صنعت با آمدن آلنیکو در نیمه دوم قرن 20 ام شروع شده است. با این حال، به دلیل فرآیند پیچیده تولید آلنیکو (آلیاژهای آلومینیوم، نیکل، کبالت، آهن) بعد از سال 1960 فریت جایگزین آن شد. با وجود حداکثر انرژی ناچیز به دلیل فراوانی مواد اولیه و هزینه­ های تولید پایین فریت، هنوز هم به طور گسترده در بسیاری از کاربردها، استفاده می ­شود. با توجه به اینکه فریت از ذرات ریز (اکسید آهن، باریوم، استرانسیوم) ساخته شده، برای استفاده در شکل­های پیچیده موردتوجه است.

 ساماریوم – کبالت (Sm-Co) از جمله مواد مغناطیسی خاک کمیاب است که بعد از سال 1960 توسعه یافته ­است. قیمت و دسترسی به این مواد موفقیت تجاری آنها را محدود کرده است، اما با پایداری حرارتی خوبی که دارند کاربرد آنها را در دماهای بالا امکان­پذیر کرده است. جنرال موتور و سامی ­موتور در سالهای اخیر به طور همزمان پیشرفت در فرآوری آلیاژهای نئودیمیوم، آهن و بورن (Ne-Fe-B) را اعلام کردند، این نوع از آهنرباها به طور وسیع در بسیاری از کاربردهای صنعتی استفاده می­ شوند. ترکیب نئودیمیوم، آهن و بورن با توجه به قابلیت داشتن انرژی زیاد و قیمت نسبتاً کم در مقایسه با ساماریوم – کبالت، بهترین ماده برای کاربردهای با اندازه کوچک است. ترکیب ساماریوم، آهن و نیترید به عنوان جدیدترین ماده مغناطیسی در اواسط سال 1980 معرفی شده است. این ترکیب در برابر مغناطیس ­زدایی، خوردگی و تغییرات حرارت، مقاومت بالایی دارد که از معایب آهنربای نوع نئودیمیوم، آهن و بورن است.

منحنی های مغناطیسی آهنرباهای دائم

به طور معمول، ممکن است نیازهای قطعی برای مواد آهنربا دائم به صورت قطبش اشباع بالا، یک درجه حرارت کوری بالا، یک ناهمسان گردی کریستالی بالا به صورت یک خصوصیت ماده و یا احتمال شکل دادن ناهمسان گردی قابل توجه در نظر گرفته می شود. مانند مواد نرم مغناطیسی، حلقه هیسترزیس، یک منحنی مشخصه مهم برای آهنرباهای دائم است. معمولاً فقط قسمتی از منحنی که در ربع دوم حلقه هیسترزیس قرار دارد، در نظر گرفته می شود. باید توجه داشت که در ساختار مدارهای مغناطیسی با آهنرباهای دائم، هندسه مدار مغناطیسی به چنان صورتی انتخاب می شود که یک تولید انرژی ماکزیمم معمول (BHmax) برای هر ماده آهنربا دائم بدست آورده شود (مشابه با شکل 5)

شکل 5) منحنی چگالی شار بر حسب میدان مغناطیسی یک آهنربای نمونه

عملکرد مغناطیسی آهنرباهای دائم بر حسب سه کمیت ذیل توصیف می­ شود:

الف) پسماند مغناطیسی (B_r) که مغناطیس ­کنندگی یا شار مغناطیسی باقی­مانده در مواد مغناطیسی است.

ب) شدت میدان مغناطیسی معکوس (H_c) برای به صفر رساندن پسماند مغناطیسی.

ج) حداکثر انرژی تولیدی یا (BH)Max که حداکثر انرژی است که مواد آهنربای دائم می­ توانند نگه دارند.

مقدار این سه پارامتر برای مواد آهنربا دائم مختلف متفاوت می باشد و این مسئله در هنگام طراحی ساختار موتور و یا ژنراتور مدنظر قرار داده می شود. خصوصیات معروف­ترین مواد آهنربا دائم در جدول 1 نشان داده شده است. همانطور که مشخص است مقدار پسماند مغناطیسی و شدت نیروی میدان مغناطیسی معکوس در آهنرباهای NdFeB بیشتر از ساماریوم کبالت است، اما باید توجه کرد که مقاومت گرمایی آهنرباهای ساماریوم کبالت از آهنرباهای NdFeB بیشتر است، ضمن اینکه ساماریوم کبالت شکننده ­تر از NeFeB می­ باشد. آهنربای از جنس آلنیکو دارای پسماند مغناطیسی بالاتری از آهنرباهای از جنس فریت می­ باشد، اما شدت میدان مغناطیسی معکوس آن پایین­ تر است، بنابراین آسان­تر مغناطیس ­زدا می­ شود.

جدول 1) مقایسه خصوصیات مواد آهنربا دائم