در مورد موتور رلوکتانسی سنکرون

مقدمه

موتورهای AC متداول را می ­توان به دو دسته موتورهای القایی و موتورهای سنکرون تقسیم کرد.

1) موتورهای القایی: در این موتورها استاتور به شبکه AC وصل می ­شود و در روتور جریان AC بعلت عمل القا برقرار می­ شود. سیم­ پیچی تحریک در این نوع موتورها – که از نوع توزیع شده است – در استاتور قرار دارد و روتور به صورت قفسه سنجابی یا سیم ­­بندی شده ساخته می ­شود. روتور که جزء متحرک موتور است، تحت سرعت n چرخش می­ کند که مقدار آن کمی از سرعت دوران محور گردان استاتور یا همان سرعت سنکرون  کمتر است. وجود اختلاف سرعت بین محور روتور و میدان گردان استاتور باعث ایجاد پدیده «لغزش» در موتور القایی شده و تلفات مسی را افزایش می دهد؛ ضمن اینکه  به دلیل وجود لغزش، فرآیند کنترل این موتورها نیز پیچیده ­تر است. یک مزیت مربوط به موتورهای القایی را می­ توان در هزینه پایین ­تر آنها نسبت به سایر موتورهای AC در نظر گرفت.

2) موتورهای سنکرون: در این موتورها پدیده لغزش وجود ندارد و روتور تحت سرعت ثابتی بنام سرعت سنکرون چرخش می­ کند. بر اساس نحوه تولید گشتاور می­ توان این موتورها را به سه دسته کلی موتورهایی با سیم پیچی تحریک در روتور، موتورهای مغناطیس دائم  و موتورهای رلوکتانسی  تقسیم کرد.

موتورهای رلوکتانسی [1] از نظر ساختمان نسبت به سایر موتورهای AC ساده­ تر بوده و علاوه بر آن دارای قابلیت اطمینان بالایی می­ باشند. این موتورها را می­ توان به دو دسته کلی موتورهای سوئیچ رلوکتانسی [2]  و موتورهای رلوکتانسی سنکرون [3] تقسیم کرد.

موتورهای سوئیچ رلوکتاسی از نظر ساختمان شاید ساده­ ترین نوع ماشین­های الکتریکی باشند. این موتورها دارای استاتور و روتور قطب برجسته بوده و سیم­ پیچی تحریک آنها در استاتور قرار دارد که برخلاف موتورهای القایی به صورت متمرکزشده به دور قطب استاتور پیچیده می ­شود. در این موتورها به دلیل تمایل روتور به هم راستا شدن با موج شار تولیدی استاتور جهت حداکثرشدن شار تولیدی، به وجود هادی در روتور نیازی نیست، بنابراین تلفات مسی روتور در این نوع موتورها وجود ندارد. البته اگر چه ساخت این ماشین­ ها ساده است لیکن برای تحریک سیم ­پیچ­ها باید از مبدلهای خاصی استفاده شود و به دلیل اینکه جریان فازها معمولاً توسط کلیدهای حالت جامدی از قبیل تراتزیستورها یا تریستورهای مبدل به صورت متوالی قطع و وصل می ­شود، فرآیند کنترل آنها کمی پیچیده می ­باشد. عیب اساسی دیگر این نوع ساختارها وجود ریپل گشتاور و نویز صوتی در حالت عملکرد معمول آنهاست که برای کاهش اثر آنها، به طور معمول از روشهای کنترلی پیشرفته استفاده می ­شود.

اما بریم سراغ موتور مورد بحث خودمان!

اولین معرفی تحلیلی و تکنیکی از موتور رلوکتانسی سنکرون، (SynRM) با تولید گشتاور رلوکتانسی و نیروی مگنواستاتیکی سینوسی با استفاده از موتور القایی مرسوم، بوسیله کوستکو در سال 1923 ارائه شد. به هرحال این ماشین از پایداری و فقدان گشتاور راه ­اندازی در طول راه ­اندازی مستقیم خط رنج می­ برد. بعد از آن، بوسیله واگتی در سال 1990 نشان داده شد که موتور رلوکتانسی سنکرون، می ­تواند به آسانی با استفاده از تکنیک کنترل حلقه بسته کنترل شود و عیب­های بالا می­ تواند با روشهای کنترل جهت ­دار میدان یا کنترل مستقیم گشتاور، برطرف شود. بعلاوه ماشین قادر به عملکرد با چگالی گشتاور و توان قابل ملاحظه خواهد بود.

بعد از سال 1990 روند توسعه و پیشرفت این نوع از موتور مورد توجه قرار گرفته و طراحی های برای بهبود عملکرد آن چون افزایش ضریب توان، افزایش گشتاور و کاهش ضربان گشتاور آن ارائه شد. در سالهای اخیر نیز مسئله اضافه­ کردن آهنرباها به حصارهای شار جهت افزایش مؤثر ضریب توان و چگالی توان موتور مورد بحث و بررسی قرار گرفته و موجب پیدایش ساختارهایی شده که موتور رلوکتانسی سنکرون تجهیز شده به آهنرباهای دائم (PMASynRM) نامیده می ­شود.

موتور رلوکتاسی سنکرون دارای ساختمان ساده­ و مقاومی می ­باشد، به صورتیکه استاتور آن شبیه استاتور یک موتور القایی سه فاز است، یعنی یک سیم پیچ معمولاً سه فاز متعادل درون شیارهای استاتور جای می­ گیرد و روتور آن از نظر مغناطیسی همانند یک روتور قطب برجسته بدون سیم ­پیچی و بدون مغناطیس دائم است. در این موتور همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، در داخل روتور لایه ­های هوایی (حصار شار) وجود دارد که طراحی شکل و محل قرارگیری آنها حائز اهمیت بسیار زیادی است و به نحوی در داخل روتور ایجاد می ­شوند که موجب اختلاف اندوکتانس در راستای محور مستقیم d و محور ربعی q روتور می­ شوند. با تحریک سیم ­پیچی ­های استاتور، میدان گردانی در شکاف هوایی ایجاد می ­شود که با حرکت ابتدایی روتور، به دلیل وجود اختلاف اندوکتانس، این میدان رلوکتانس متغیری را بر حسب موقعیت روتور در مقابل خود می ­بیند که موجب تولید گشتاوری بنام گشتاور رلوکتانسی شده و باعث ادامه چرخش روتور می ­شود.

نسبت اندوکتانس محور مستقیم به محور ربعی (Ld/Lq ) در این موتور پارامتر مهمی است که «نسبت برجستگی» ( ξ) نامیده می ­شود و هر چه بزرگتر باشد، در یک زاویه بار معین موجب تولید گشتاور و توان بیشتر از موتور خواهد شد.

شکل 1) موتور رلوکتانسی سنکرون

نسبت به موتورهای القایی، موتور رلوکتانسی سنکرون به دلیل عدم وجود سیم ­پیچی در روتور دارای بازده بالاتر و هزینه ساخت کمتری می ­باشد، ضمن اینکه کنترل آن نیز ساده ­تر است.

در موتور رلوکتانسی سنکرون، با مشکل شارژ مغناطیسی مواجه نیستیم، زیرا روتور نه سیم پیچی دارد و نه آهنربای دائم در نتیجه قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به موتورهای مغناطیس دائم دارد. همچنین در این موتور با مشکل پیچیدگی کنترل موتور سوئیچ رلوکتانسی روبرو نخواهیم شد، زیرا جریان فازها با کلیدزنی قطع و وصل نمی ­شوند.

از مهمترین عیب­های ساختار موتور رلوکتانسی سنکرون، می ­توان به ضریب توان پایین، سرعت کارکردی پایین و ریپل گشتاور اشاره کرد. توجه می­ کنیم که ضربان گشتاور ناشی از تغییرات مقاومت مغناطیسی است که باعث تولید سروصدا و افزایش سطح نویز می ­شود.

ساختمان موتور رلوکتانسی سنکرون

موتور رلوکتانسی سنکرون، از دسته موتورهای رلوکتانسی می ­باشد که گشتاور در آن از تغییرات مقاومت مغناطیسی (رلوکتانس) بر حسب موقعیت روتور حاصل می شود. این موتور دارای سه جزء اصلی استاتور، روتور و سیم­ پیچی معمولاً توزیع­ شده در شیارهای استاتور می باشد. استاتور این موتورها شبیه به استاتور سایر موتورهای ac بوده ولی روتور آن زیر هر قطب دارای تعدادی لایه غیرمغناطیسی است که عموماً از جنس هوا بوده و حصار شار [4] نامیده می­ شود. این حصارهای شار بوسیله قسمتهای باریک فلزی از یکدیگر جدا می ­شوند که به این قسمتهای فلزی، پلهای فلزی [5] گفته می ­شود. وجود این پل­ ها باعث افزایش مقاومت روتور از نظر مکانیکی شده و در انسجام و یکپارچگی لایه­ های آهنی اهمیت زیادی دارند. از طرفی قسمت فلزی باریکی نیز وجود دارد که انتهای حصارها را از شکاف هوایی جدا می­ کند که پل­ های مماسی [6] نامیده می­ شوند که آنها به نگه ­داشتن کل ساختار مورق هسته روتور کمک می­ کنند.

پل­ های مرکزی و مماسی باعث نشتی شار پیوندی و تضعیف گشتاور خروجی و بازده موتور می­ شوند، اما وجود آنها از نظر مکانیکی و همچنین تقویت ساختار روتور اهمیت فراوانی دارد. در شکل 2 اجزای یک موتور رلوکتانسی سنکرون نشان داده شده است. حصارهای شار در جهت شعاعی بوسیله قسمتهای فلزی از هم جدا می ­شوند که این قسمتهای فلزی را هدایت گر شار [7] می­ نامند.

شکل 2) قسمتهای مختلف روتور یک موتور رلوکتانسی سنکرون

در موتورهای رلوکتانسی سنکرون هدف حصارهای شار، ایجاد یک روتور ناهمسان­گرد برای متمرکز­سازی خطوط شار از طریق مسیرهای آهنی روتور می ­باشد. خطوط شار عبوری از طریق روتور دارای دو مسیر متفاوت هستند. یکی به صورت مسیری با نفوذپذیری مغناطیسی بالا که معمولاً مسیر محور d نامیده می شود. دیگری مسیری با نفوذپذیری پایین که در آن خطوط شار، حصارهای شار را قطع می­ کنند. این مسیر معمولاً مسیر محور q نامیده می­ شود.

در این نوع موتور، اندوکتانس در راستای محور d از اندوکتانس در راستای محور q بزرگ­تر می ­باشد، بنابراین بین این دو مقدار اختلافی وجود دارد که گشتاور رلوکتانسی موتور رابطه مستقیم با آن دارد. از طرفی نسبت اندوکتانس محور d به محور q روتور، پارامتری است که نسبت برجستگی  نامیده می ­شود و ضریب توان موتور به آن بستگی دارد (cosθ=ξ-1/ξ+1). بالا بودن ضریب برجستگی باعث افزایش ضریب توان می­ شود که مطابق آن توان لازم اینورتر برای چرخاندن ماشین کاهش می ­یابد و نیز تلفات مسی هم پایین می­ آید، پس موتور رلوکتانسی سنکرون باید ضریب برجستگی بالایی داشته باشد تا ضریب توان و راندمان موتور افزایش یابد.

نسبت پهنای حصارهای شار به پهنای هدایت گر ­های شار، نسبت عایقی نامیده می ­شود که اثر مستقیم بر نسبت برجستگی دارد و در فرآیند طراحی موتور باید مقدار مناسبی برای آن در نظر گرفته شود. تنظیم شکل، ابعاد و مکان قرارگیری حصارها در روتور تأثیر زیادی بر مشخصات موتور چون گشتاور، ضریب توان و بازده خروجی دارد. در شکل 3 و 4 دو نمونه شکل بندی حصارهای شار در روتور نشان داده شده است.

شکل 3) حصار شار منظم (مستطیلی)

شکل 4) حصار شار دایره ای

همانطور که بیان شد، در موتور رلوکتانسی سنکرون، اندوکتانس محور d بیشتر از اندوکتانس محور  q می ­باشد، در نتیجه تأثیر اشباع بر روی اندوکتانس محور d بیشتر است. به همین دلیل هرگونه افزایش شار باعث ایجاد اشباع می­ شود که در نتیجه باعث کاهش ضریب برجستگی شده و در نهایت راندمان و ضریب توان را کاهش می ­دهد، بنابراین این نکته را باید در فرآیند طراحی روتور مورد توجه قرار داد.

دسته­ بندی موتورهای رلوکتانسی سنکرون چرخشی

 ساختارهای موتوری از نوع چرخشی را می توان بر حسب لایه ­بندی استفاده شده در روتور به دو دسته اصلی و مرسوم تقسیم­ کرد:

1-روتور با لایه ­بندی عرضی [8]

2- روتور با لایه بندی محوری [9]

پیکربندی دو نوع روتور موردنظر در شکل 4  نشان داده شده است. در شکل سمت چپ یعنی روتور با لایه ­های محوری، لایه ­های آهنی به صورت قائم در روتور قرار می­ گیرند و آن­ها با لایه­ های مغناطیسی از یکدیگر جدا می ­شوند. بدین دلیل این لایه­ ها به صورت محوری در روتور قرار می­ گیرند. نکته مهم در ساختمان این نوع روتورها تعداد لایه­ های غیرمغناطیسی می ­باشد که لایه­ های مغناطیسی را از هم جدا می کند. ضریب برجستگی این نوع ساختمان تا بیش از 20 گزارش شده است. اگرچه این نوع ساختار دارای چگالی گشتاور و ضریب توان بالاتری است، اما ساخت این نوع از روتورها بسیار مشکل و پرهزینه می ­باشد، ضمن اینکه قدرت مکانیکی ساختار محوری نسبت به نوع لایه ­بندی عرضی کم می­ باشد.

در شکل سمت راست یعنی برای ساخت روتور با لایه­ های عرضی ابتدا لایه ­های روتور با توجه به ابعاد آن برش داده می ­شود و در آخر این لایه ­ها به یکدیگر منگنه شده و در کنار هم قرار می ­گیرند. معمولاً تعداد لایه­ های هوایی که زیر هر قطب قرار می ­گیرند 2 الی 5 لایه است، البته وجود چنین لایه ­هایی باعث می­ شود که در این روتورها از پل­ های مغناطیسی استفاده کنیم که به لحاظ مکانیکی ضروری می ­باشد. این پل­ها معمولاً در ابتدا، انتها و گاهی در وسط لایه­ ها قرار می ­گیرند. به طوری که پل­های درونی در انسجام و یکپارچگی لایه ­های آهنی روتور اهمیت فراوانی دارند. ضریب برجستگی این نوع روتورها تا بیش از 10 گزارش شده است. ساخت این نوع از روتورها نسبت به نوع محوری، آسان­تر و ارزان­تر است و به همین خاطر پرکاربردتر می ­باشند.

شکل 4) روتور مربوط به موتور رلوکتانسی سنکرون با لایه بندی حصاری مختلف

——————————————————————————————————————————

Reluctance Motors [1]

[2] Switched Reluctance Motors

[3] Reluctance Synchronous Motors

[4] Flux barrier

[5] Central rib

[6] Tangent rib

[7] Flux guide

[8] transversally laminated rotor

[9] axially laminated rotor