موتور رلوکتانسی سنکرون RSM

موتورهای رلوکتانسی (Reluctance Motors) از نظر ساختمان نسبت به سایر موتورهای AC ساده ­تر بوده و علاوه بر آن دارای قابلیت اطمینان بالایی می­باشند. این موتورها را می­توان به دو دسته کلی موتورهای سوئیچ رلوکتاسی (Switched Reluctance Motors) و موتورهای رلوکتاسی سنکرون (Reluctance Synchronous Motors) تقسیم کرد.

موتور رلوکتانسی سنکرون (Reluctance Synchronous Motors) :

موتور رلوکتاسی سنکرون ، دارای ساختمان بسیار ساده می­باشد. استاتور این موتور شبیه استاتور یک موتور القایی سه فاز است، یعنی یک سیم پیچ معمولاً سه فاز متعادل درون شیارهای استاتور جای می­گیرد 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 (۱) نشان داده شده است، در داخل روتور لایه ­های هوایی وجود دارد که طراحی شکل و محل قرارگیری آنها حائز اهمیت بسیار زیادی است و به نحوی در داخل روتور ایجاد می­شوند که موجب اختلاف اندوکتانس در راستای محور مستقیم d و محور ربعی q روتور می­شوند. با تحریک سیم ­پیچی­ های استاتور، میدان گردانی در شکاف هوایی ایجاد می­شود که با حرکت ابتدایی روتور، به دلیل وجود اختلاف اندوکتانس، این میدان رلوکتانس متغیری را بر حسب موقعیت روتور در مقابل خود می­بیند که موجب تولید گشتاور رلوکتانسی و ادامه چرخش روتور می­شود. نسبت اندوکتانس محور مستقیم به محور ربعی در این موتور، پارامتر مهمی است که «نسبت برجستگی» نامیده می­شود و هر چه بزرگتر باشد، در یک زاویه بار معین موجب تولید گشتاور و توان بیشتر از موتور خواهد شد.

موتور رلوکتانسی سنکرون

نسبت به موتورهای القایی، این نوع از موتور دارای بازده بالاتر و هزینه ساخت کمتری می­باشد، ضمن اینکه کنترل آن نیز ساده ­تر است. مهمترین قسمت از طراحی این موتور به تعیین اندازه، ابعاد و محل قرارگیری حصارهای شار در روتور مربوط می­شود. از مهمترین عیب­ های ساختار موتور رلوکتانسی سنکرون، می­توان به ضریب توان پایین، سرعت کارکردی پایین و ریپل گشتاور اشاره کرد. جهت مقابله با ضریب توان پایین و همچنین بهبود گشتاور خروجی، می­توان از آهنرباهای دائم استفاده کرد که در داخل حصارهای شار جاسازی می­شوند. کاربرد آهنرباهای دائم در روتور، موجب پیدایش ساختار جدیدی با نام موتور رلوکتانسی سنکرون با آهنرباهای تعبیه­ شده (PM-SynRM) می­شود که دارای مشخصات خروجی بهتری از موتور رلوکتانسی سنکرون معمول می­باشد.

ساختمان موتور رلوکتانسی سنکرون

موتور رلوکتانسی سنکرون ، از دسته موتورهای سنکرون می­باشد که گشتاور در آن از تغییرات مقاومت مغناطیسی (رلوکتانس) بر حسب موقعیت روتور حاصل می­شود. این موتور دارای سه جزء اصلی استاتور ، روتور و سیم ­پیچی معمولاً توزیع­ شده در شیارهای استاتور می­باشد. 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 (Flux barrier) نامیده می­شود. این حصارهای شار بوسیله قسمتهای باریک فلزی از یکدیگر جدا می­شوند که به این قسمتهای فلزی، پل­های مرکزی (Central rib) گفته می­شود. وجود این پل­ها باعث افزایش مقاومت روتور شده و در انسجام و یکپارچگی لایه­ های آهنی اهمیت زیادی دارند. از طرفی قسمت فلزی باریکی نیز انتهای حصارها را از شکاف هوایی جدا می­کند که پل ­های مماسی (Tangent rib) نامیده می­شوند که به نگه­داشتن کل ساختار مورق هسته روتور کمک می­کنند. پل­ های مرکزی و مماسی باعث نشتی شار پیوندی و تضعیف گشتاور خروجی و بازده موتور می­شوند، اما وجود آنها از نظر مکانیکی و همچنین تقویت ساختار روتور اهمیت فراوانی دارد. در شکل (۲) اجزای یک موتور رلوکتانسی سنکرون نشان داده شده است. حصارهای شار در جهت شعاعی بوسیله قسمتهای فلزی از هم جدا می­شوند که این قسمتهای فلزی را هدایت­گر شار (Flux guide) می­ نامند.

قسمت های 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 می­باشد. 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 می­شود. دیگری مسیری با نفوذپذیری پایین که خطوط شار ، حصارهای شار را قطع می­کنند. این مسیر معمولاً مسیر محور q نامیده می­شود. در این نوع موتور، اندوکتانس در راستای محور d از اندوکتانس در راستای محور q بزرگ­تر می­باشد، 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 می­شود و ضریب توان موتور رابطه مستقیم با آن دارد. بالا بودن ضریب برجستگی باعث افزایش ضریب توان می­شود که مطابق آن توان لازم اینورتر برای چرخاندن ماشین کاهش می­یابد و نیز تلفات مسی هم پایین می­آید، پس موتور رلوکتانسی سنکرون باید ضریب برجستگی بالایی داشته باشد تا ضریب توان و راندمان موتور افزایش یابد. نسبت پهنای حصارهای شار به پهنای حمل­کننده­های شار، نسبت عایقی نامیده می­شود 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.

همانطور که بیان شد، در موتور رلوکتانسی سنکرون، اندوکتانس محور d بیشتر از اندوکتانس محور q می­باشد، در نتیجه تأثیر اشباع بر روی اندوکتانس محور d بیشتر است. به همین دلیل هرگونه افزایش شار باعث ایجاد اشباع می­شود که در نتیجه باعث کاهش ضریب برجستگی شده و در نهایت راندمان و ضریب توان را کاهش می­دهد، 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 می­توان بر حسب لایه­ بندی استفاده شده در روتور به دو دسته اصلی و مرسوم تقسیم­ کرد:

۱-روتور با لایه ­بندی عرضی (transversally laminated rotor)

۲- روتور با لایه بندی محوری (axially laminated rotor)

پیکربندی دو نوع روتور موردنظر در شکل های (۳) و (۴) نشان داده شده است. در روتور با لایه­ های محوری ، لایه­ های آهنی به صورت قائم در روتور قرار می­گیرند و آن­ها با لایه های مغناطیسی از یکدیگر جدا می­شوند. بدین دلیل این لایه­ ها به صورت محوری در روتور قرار می­گیرند. نکته مهم در ساختمان این نوع روتورها تعداد لایه­ های غیرمغناطیسی می­باشد که لایه ­های مغناطیسی را از هم جدا می­کند. ضریب برجستگی این نوع ساختمان تا بیش از ۲۰ 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 می­باشد، ضمن اینکه قدرت مکانیکی ساختار محوری نسبت به نوع لایه­ بندی عرضی کم می­باشد.

موتور رلوکتانسی سنکرون با لایه بندی عرضی روتور

موتور رلوکتانسی سنکرون با لایه بندی محوری روتور

برای ساخت روتور با لایه­ های شعاعی 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 می­گیرند. معمولاً تعداد لایه­ های هوایی که زیر هر قطب قرار می­گیرند ۲ الی ۵ لایه است ، البته وجود چنین لایه­ هایی باعث می­شود که در این روتورها از پل­ های مغناطیسی استفاده کنیم که به لحاظ مکانیکی ضروری می­باشد. این پل­ها معمولاً در ابتدا، انتها و گاهی در وسط لایه­ ها قرار می­گیرند. به طوری که پل­ های دورنی در انسجام و یکپارچگی لایه­ های آهنی روتور اهمیت فراوانی دارند. ضریب برجستگی این نوع روتورها تا بیش از ۱۰ گزارش شده است. ساخت این نوع از روتورها نسبت به نوع محوری ، آسان­تر و ارزان­تر است و به همین خاطر پرکاربردتر می­باشد.

موتور رلوکتانسی سنکرون با لایه ­بندی عرضی

دلایل مورد توجه بودن روتور با لایه­ های عرضی

همان طوری که می­دانیم موتورهای رلوکتانسی سنکرون، دارای ضربان گشتاور نسبتاً بالایی می­باشند که راه­ های متعددی برای کاهش اثر آن وجود دارد که از جمله می­توان به مورب­ سازی شیارهای روتور و یا استاتور، استفاده از سیم­ پیچ­هایی با گام کسری و نحوه آرایش یافتن شیارهای هوایی روتور اشاره کرد. هر یک از این عوامل تأثیرات خاصی بر عملکرد موتور خواهند داشت؛ مثلاً بوسیله مورب­ سازی می­توان ریپل گشتاور ساختار را تقریباً برطرف کرد و یک موتور با گشتاور خروجی بسیار هموار را بدست آورد. اما همان طوری که قبلاً نیز بیان شد در روتور با لایه­ های محوری، شیارهای مغناطیسی به صورت قائم در روتور قرار می­گیرند و شیارهای غیرمغناطیسی آن­ها را از هم جدا می­کند. پس با توجه به نحوه قرار گرفتن شیارهای مغناطیسی در روتور، ساخت این نوع روتورها پیچیده و هزینه ساخت آن زیاد است. لذا با توجه به مطالب ذکر شده در مورد ساخت روتور با شیارهای محوری، مورب­ سازی روتور بسیار سخت و یا به عبارت دیگر امکان­پذیر نمی­باشد. در نتیجه یکی از ابزارهای جبران ضربان گشتاور را از دست داده­ایم. از طرف دیگر تلفات آهن در روتور با شیارهای محوری به دلیل تغییر شار در شیارهای روتور در نتیجه شیارهای استاتور، نسبت به روتور با شیار شعاعی زیاد می باشد که عامل منفی به حساب می­آید. بنابراین این عوامل باعث می­شود که استفاده از ساختارهایی با لایه ­بندی عرضی بر لایه­ بندی محوری ترجیح داده شود.

انواع ساختار موتور با لایه­ بندی عرضی

موتور با ساختار لایه­ بندی عرضی می­تواند به صورت روتور داخلی یا روتور خارجی طراحی شود. یکی از مزیت­ های ساختار روتور خارجی در این است که می­توان شیارهای استاتور را برای تعبیه سیم­ پیچی­ های استاتور بزرگتر در نظر گرفت که امکان افزایش چگالی گشتاور و بازده بهتر را ممکن می­سازد. مزیت دیگر، کاهش نیروهای گریز از مرکز وارده به حصارهای شار روتور می­باشد. همچنین امکان طراحی ساختار روتور خارجی با توان و گشتاور مشابه با ساختار روتور داخلی در حجم کمتر وجود دارد که موجب کاهش هزینه ساخت خواهد شد. در شکل (۵) دو نمونه از موتور رلوکتانسی سنکرون با ساختار روتور داخلی و روتور خارجی نشان داده شده است.

موتور رلوکتانسی سنکرون

معادلات ریاضی حاکم بر موتور رلوکتانسی سنکرون و مدار معادل آن :

معادلات مربوط به ولتاژ موتور بر اساس معادلات ماشین سنکرون در چهارچوب مرجع dq به صورت زیر بیان می­شوند :

دیاگرام فازوری مربوط به موتور رلوکتانسی سنکرون را می­توان با توجه به معادلات موردنظر به صورت شکل (۶) بیان کرد.

دیاگرام فازوری موتور رلوکتانسی سنکرون

معادله مربوط به گشتاور برای یک موتور رلوکتانسی سنکرون سه فاز به صورت زیر می­باشد:

در معادله (۵) P تعداد قطب­های ماشین،  جریان در راستای محور d و  جریان در راستای محور q می­باشد. همانطور که ملاحظه می­شود گشتاور تابعی از اختلاف اندوکتانس در راستای محور d و q است.

با توجه به معادلات بیان شده، می­توان مدار معادل موتور رلوکتانسی سنکرون بدون درنظر گرفتن تلفات هسته را به صورت شکل (۷) نمایش داد.

مداصرف نظرکردن از تلفات هسته

کارشناسان ما آماده هستند تا تمامی پروژه های شما در زمینه طراحی و شبیه سازی موتورهای رلوکتانسی را انجام دهند.برای سفارش پروژه بر روی دکمه زیر کلیک کنید.