توضیحات

پروژه شبیه سازی موتور سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) با سرعت بالا در نرم افزار انسیس مکسول(ANSYS Maxwell)

موتورهای سنکرون با آهنربای دائم (PMSM) که در حقیقت یک موتور سنکرون معمولی است که در آن به جای تحریک سیم پیچی شده رتور، جاروبک ها و حلقه های لغزان، از آهنربای دائم استفاده شده است. در سال های اخیر به دلیل خصوصیات ذاتی نظیر چگالی شار بالا در فاصله هوایی ، نسبت توان به وزن بالا، لختی کم، نسبت بالای گشتاور تولیدی به ممان اینرسی محور رتور، شتاب گیری سریع، گستره وسیع سرعت، ظرفیت گشتاور بالا، سادگی، عملیات نگهداری، ضریب توان و بازده مناسب تر نسبت به موتورهای DC و موتورهای القایی در بسیاری از کاربردهای صنعتی با سرعت متغیر در گستره توان کم و متوسط با رفتار قابل قبول ترجیح داده شده اند. و در شرایط کار با نهایت کارایی موتور مانند تجهیزات آزمایشگاهی، سانتریفیوژها، صنایع پتروشیمی و کنترل موقعیت و کاربردهای روباتیک از موتورهایPMSM استفاده می شود. از این نوع موتورها تا توان MW 1 تاکنون ساخته شده اند که می توان آنها را در زمینه های تولید انرژی نیز بکار برد.

موتور سنکرون مغناطیس دائم (PMSM):

کنترل سرعت موتورهای سنکرون مغناطیس دائم(Permanent Magnet Synchronous Motor) و خصوصیات ذاتی آنها ، موجب استفاده روزافزون آنها در صنایع مختلف گردیده است. موتور سنکرون مغناطیس دائم در حقیقت یک موتور سنکرون معمولی است. درنتیجه از نظر تعمیر، نگهداری و میزان استهلاک، در موقعیت بهتری نسبت به ماشین های القائی و DC قرار می گیرند و همچنین تلفات مسی در هادیهای تحریک رتور حذف شده و لذا باعث افزایش راندمان ماشین می گردد و نیز بدلیل محدود شدن تلفات به مس و آهن استاتور ، فرایند خنک سازی از طریق بدنه استاتور آسانتر صورت می پذیرد بنابراین افزایش راندمان و کوچک تر سازی حجم ماشین را امکان پذیر می سازد.

شكل موتور سنکرون مغناطیس دائم(PMSM).

از دیگر مزایای بکارگیری مغناطیس های دائم ، تغییرات گسترده مشخصه ماشین در یک اندازه معين بتوسط تغییرات در نوع مغناطيس ها و ترتیب قرارگیری آنها می باشد. این موتورها از قدرتهای کم تا قدرتهای زیاد و سرعتهای تا 6000 دور بر دقیقه، ساخته می شوند. از این نوع موتورها تا توان نامی 1 MW تاکنون ساخته شده اند که می توان آنها را در زمینه های تولید انرژی نیز بکار برد. بطور مثال موتوری با توان 1MW به عنوان محرکه پیش راننده یک کشتی بکار گرفته شده است.

شکل شماتیک ساده ماشین سنکرون مغناطیس دائم.

استاتور موتور سنکرون مغناطیس دائم همانند موتورهای القائی است و نیروی محرکه مورد نیاز آن، سینوسی می باشد، همانطور یکه جریان استاتور در اینگونه موتورها باید سینوسی باشد تا به گشتاور یکنواختی در اینگونه موتورها دست یابیم.

شكل برشی از یک ماشین سنکرون مغناطیس دائم.

ساختمان موتور سنکرون مغناطیس دائم:

آهنربای دائم روی رتور قرار گرفته است تا نیاز به جاروبک و حلقه لغزان مرتفع گردد. اجزاء اصلی ساختمان یک ماشین سنکرون مغناطيس عبارتند از : ۱- استاتور(stator) شامل دو بخش است: الف ورقه های استاتور که همانند موتورهای القائی و سنکرون از فولاد مغناطیسی نرم تهیه می شود.

ب- سیم پیچی استاتور(winding) که بصورت سه فاز یا تکفاز و معمولا دو لایه (با توجه به مزایای دو طبقه ) و بطور متناوب (یک در میان) روی هم بسته می شوند. کلاف های خاص هر گروه به یکدیگر وصل می شوند تا گروه فاز را تشکیل دهند. به هنگام سیم پیچی استاتور به منظور کاهش هارمونیک ولتاژ، سیم بندی معمولا بصورت گام کسری اجرا می شود. در سیم بندی موتورهای مغناطیس دائم کوچک بجای روش معمول سیم پیچی، از سیم پیچی سلونوئیدی استفاده می شود.

۲-فاصله هوایی(air gap) : فاصله هوایی یک مشخصه ویژه برای موتورهای دوار است که در موتورهای سنکرون مغناطیس دائم، تعیین کننده نقطه کار مغناطیس دائم در حالت بی باری ماشین است. طول فاصله هوایی در طراحی مکانیکی و ساختمانی موتور مؤثر است. اگر طول فاصله هوایی زیاد باشد، بدلیل برابر شدن اندوكتانس مغناطیس کننده محور d با محور q ( L L_md = L_mq = L_m )اثرات لغزش قابل صرفنظر می شود.

همچنین بدلیل بزرگ بودن فاصله هوایی ، اندوكتانس سنکرون(L_s=L_sl=L_m ) نیز کوچک بوده و لذا اثرات عکس العمل آرمیچر ناچیز می گردد و یک نتیجه دیگر بزرگ شدن فاصله هوایی ، کوچک شدن ثابت زمانی الکتریکی سیم بندی استاتور است که در مجموع این عوامل باعث کاهش قیمت ساخت موتور و تلفات هوا می شود. با این وجود با افزایش فاصله هوایی نیاز به آهنربای دائم با نیروی مغناطیسی قویتر است زیرا با افزایش فاصله هوایی، کاهش چگالی فوران در فاصله هوایی اجتناب ناپذیر می باشد.

۳- روتور(rotor): به منظور حصول به ثابت زمانی مکانیکی کوچک بایستی رتور را با نسبت بالای طول به قطر (L/D) ساخت. رتور در موتورهای سنکرون مغناطیس دائم به چهار گروه تقسیم می شوند:

الف- موتور سنکرون مغناطیس دائم با آهنربای روی سطح (SPM) یا Surface PM که آهنربای دائم روی سطح روتور قرار می گیرد و فوران بصورت شعاعی است. برای نصب آهنربا، روی سطح رتور از چسب های اپوکسی استفاده میشود.

ب- موتور سنکرون مغناطیس دائم با آهنربای داخلی (IPM) یا Interior PM که آهنربای دائم داخل روتور قرار گرفته و فوران بصورت شعاعی است. ساخت IPM ها مشکلتر است.

ج- موتور سنکرون مغناطیس دائم قطب چنگالی (Claw-pole PM) که در این نوع ماشین دیسک هایی که در طول محورشان مغناطیس شده اند، کنار هم پیچیده می شوند تا یک حالت چنگالی شکل بوجود آید.

د- موتور سنکرون مغناطیس دائم متقاطع یا اریب (TPM ) یا Transverse PM که در این نوع ماشین آهنربای دائم بین آهن نرم قرار گرفته و فوران بصورت محیطی است.

شکل آرایش های مختلف روتور موتور سنکرون مغناطیس دائم. الف) SPM، ب) IMPو ج) TPM.

تقسیم بندی موتور مغناطیس دائم:

بطور کلی می توان گفت که دو نوع موتور مغناطیس دائم جریان متناوب در صنعت به کار می رود. یک نوع از آنها موتور سنکرون مغناطیس دائم PMSM و نوع دوم موتور DC بدون جاروبک(BDCM) می باشد. در موتور نوع BDCM یا Brushless DC Motor که مشخصه های یک ماشین DC را دارد، ساختمانی شبیه به موتورهای AC سنکرون دارد و در آنها از جاروبک و کموتاتور استفاده نشده است. در یک موتور DC معمولی، جریان DC بوسیله کموتاتور و جاروبک به جریان مربعی با فرکانس متغیر تبدیل می شود. با اعمال این جریان مربعی به استاتور موتور BDCM و استفاده از میدان آهنربائی در رتور، یک موتور با مشخصات قبلی ولی بدون درگیری مکانیکی بدست می آید که موتور DC بدون جاروبک نامیده می شود.

وظیفه کموتاتور و جاروبک در آنها به عهده کلیدهای الکترونیکی می باشد. موتورهای DC بدون جاروبک مانند موتورهای AC، سنکرون، دارای میدان مغناطیسی بر روی روتور می باشند. ولی از نظر تعیین وضعیت روتور با موتورهای AC تفاوت دارند و بدین منظور در آنها از کلیدهای الکترونیکی که سیگنال های تعیین وضعیت را تولید می نمایند ، استفاده میشود و از مزیت عمر زیاد و سادگی تعمیرات و نگهداری در مقایسه با موتورهای متداول برخوردارند. موتورهای بدون جاروبک دارای استحکام بیشتر، گشتاور بیشتر و محدوده سرعت وسیع تری نیز هستند. از کاربردهای این نوع موتورها میتوان در سیستمهای اطلاعاتی ابزار دقیق نام برد.

کاربردهای موتور سنکرون مغناطیس دائم:

از کاربردهای موتور سنکرون مغناطیس دائم، می توان به کاربرد در علم پزشکی، هوا فضا، ماشین ابزارهای دقیق، صنعت نساجی و شیشه سازی، محرک های کنترل سرعت، سانتریفیوژها و صنایع پتروشیمی اشاره کرد. در صنایع نساجی و شیشه سازی معمولا سرعت ماشین های مختلف باید دقیقا یکسان و ثابت باشند تا مشخصات تولید نظیر ضخامت پارچه یا شیشه یکسان باشد. بنابراین موتورهای DC معمولی و موتورهای القایی جوابگوی چنین کاربردهایی نمی باشند و ناچار باید از موتور سنکرون مخصوص موتور سنکرون مغناطیس دائم استفاده کرد. سرعت زیاد، درجه اعتماد بالا و تعمیر و نگهداری پایین دلایل کاربردهای وسیع موتور سنکرون مغناطیس دائم در صنایع پزشکی و هوا فضا می باشند. علاوه بر کاربردهای صنعتی موتور سنکرون مغناطیس دائم، اینگونه موتورها در صنایع نظامی و صنایع مخابراتی نیز کاربرد زیادی پیدا کرده است. در صنایع نظامی موتور سنکرون مغناطیس دائم، بعنوان یک سرو موتور AC در سیستم های کنترلی پیشرفته بکار می رود و در اغلب سیستمهای مخابرات، رادارها و آنتن ها، موتور سنکرون مغناطیس دائم، بعنوان کنترل کننده موقعیت بکار می رود. با توجه به فیدبک موقعیت رتور در موتورهای سنکرون مغناطیس دائم، سنکرونیزاسیون بسهولت انجام می گیرد. و می توان سیستم را بگونه ای طراحی کرد، که دارای عملکرد خود راه اندازی باشد. لازم به ذکر است که فیدبک موقعیت در موتور سنکرون مغناطیس دائم در هر لحظه لازم و ضروری است.

در سیستم آسانسور بدون موتورخانه که از تکنولوژی موتورهای سنکرون با مغناطیس دائم بهره می برند ، مکانیزم های کاهنده سرعت گیربکس را حذف می کنند که این امر موجب کاهش وزن و اندازه موتور کششی میشود. با این راه حل موتور در داخل چاهک قرار می گیرد و در نتیجه نیازی به موتورخانه نیست و انعطاف پذیری ساختمان در زمینه معماری بیشتر خواهد شد و همچنین جمع و جور بودن و عدم نیاز به روغن کاری و نیروی گردنده بالا در سرعت پایین از مزایای این سیستم می باشد.

امروزه استفاده از انرژی الکتریکی یکی از شاخصه های شناسایی جوامع صنعتی در کشورهای درحال توسعه می باشد. در کشورهای پیشرفته، استفاده از انرژی الکتریکی در گوشه های زندگی بشری ریشه دوانده و هر روز روش های جدید برای تبدیل انرژی الکتریسیته به انواع دیگر انرژی مورد بهره برداری قرار می گیرد و روش های قدیمی نیز بازسازی و بهینه می شوند. از نیازهای اساسی جوامع صنعتی، استفاده از انرژی الکتریسیته، جهت تولید انرژی مکانیکی مورد نیاز صنایع کوچک و بزرگ می باشد و ماشین های الکتریکی، عمده ترین مبدل های مورد استفاده به منظور تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی و بالعکس می باشند.

ماشین های الکتریکی در زندگی روزمره انسان ها وارد شده و ابعاد تازه تری به خود می گیرند. هر روز صبح بسیاری از مردم ناخوداگاه با به کار انداختن یک موتور جریان مستقیم، اتومبیل خود را راه اندازی می کنند. اکثر خانواده ها از دستگاههای سرد کننده ای استفاده می کنند که سرمای خود را از کمپرس کردن گاز داخل آن توسط یک موتور القایی، تکفاز یا سه فاز به دست می آورد. بسیاری از مردم در آپارتمان های چندین طبقه زندگی می کنند.

موتورهای سنکرون سه فاز در سیستم های قدرت به صورت کنترل کننده قدرت راکتیو (کندانسور) مورد استفاده قرار می گیرند. کشاورزی پیشرفته امروز بدون موتورهای الکتریکی به یک صنعت از پا افتاده تبدیل می شود. در صنایع پیشرفتهای نظیر صنایع نظامی، پزشکی، هوافضا و … به وفور از موتورهای الکتریکی دقیق استفاده میشود که اکثر این موتورها دارای سیستم های کنترلی پیشرفته نیز می باشند. به طور کلی هر جایی که حرکت چرخشی و یا حرکت خطی بار موردنظر باشد، استفاده از موتورهای الکتریکی اجتناب ناپذیر می باشد. استفاده وسیع از موتورهای الکتریکی، مهندسین قدرت را بر آن می دارد که در طراحی، بهره برداری و کنترل موتور های الکتریکی دقت لازم را مبذول دارند، تا چنین وسیله ای که حتی مورد استفاده عامی ترین افراد نیز قرار می گیرد، به سادگی مورد بهره برداری قرار گیرد و نیازهای مختلف یک جامعه را برآورده سازد. علاوه بر این یک اصل اساسی که مهندسان طراح و بهره بردار مدنظر قرار می دهند، اینست که از لحاظ اقتصادی، طراحی و بهره برداری مقرون به صرفه داشته باشند.

کاربردهای ویژه ای از موتورهای الکتریکی وجود دارند که به سادگی قابل طراحی و بهره برداری نیستند. در اغلب صنایع تکنولوژیک کاربردهای خاصی از موتور الکتریکی انتظار می رود که مهندسان آن صنایع را وادار می سازد از طراحی های خاصی در ساخت موتورهای خود استفاده کنند و موتورهای ساخته شده را در شرایط خاصی مورد بهره برداری قرار دهند. معمولا برای چنین کاربردهای خاص سیستم های کنترل پیشرفتهای مورد نیاز است تا موتور مورد نظر تحت کاربرد ویژه ای بهره برداری شود.

موتورهای DC در گذشته به دلیل سادگی کنترل مجزای گشتاور و شار، در سیستم های سرعت متغیر، کاربرد فراوانی داشته اند. اما وجود جاروبک در این موتورها مشکلات عمده ای به همراه دارد که ساده بودن کنترل این نوع موتورها را تحت الشعاع قرار داده است و مثلا در محیط هایی که احتمال انفجار وجود دارد از موتورهای DC به دلیل وجود جرقه در جاروبک ها نمی توان استفاده کرد. علاوه بر آن، با افزایش سرعت، مدت زمان کموتاسیون کاهش یافته و افزایش ولتاژ القایی را در بردارد که به تبع آن جرقه های شدیدتری ایجاد میشود. بنابراین نمی توان از موتورهای DC در سرعت بالا، کارآیی مطلوب را انتظار داشت. با بهره گیری از موتورهای القایی می توان مشکلات موتورهای DC را تا حدی کاهش داد. ساختمان این موتورها ساده تر بوده و نگهداری از آنها راحت تر است. در توان های مساوی حجم و جرم کمتری دارند اما کنترل این نوع موتورها پیچیده و بازده آنها در حد متوسط می باشد.

در موتورهای سنکرون برخلاف موتورهای القایی، میدان گردان و روتور با یک سرعت ثابت که همان سرعت سنکرون است، می چرخند و رتور آنها، حاوی سیم پیچ میدان است که توسط جریان DC تحریک می شود و بنابراین در اینگونه موتورها نیز، نیاز به جارویک و حلقه لغزان است که باعث تلفات زیادی در ماشین می گردد. از مزایای بارز موتور سنکرون بالا بودن ضریب توان است ولی چون در سرعت ثابت می چرخند، برای کنترل سرعت مورد استفاده قرار نمی گیرند فقط در موارد خاص پس از راه اندازی با تغییر فرکانس استاتور، سرعت سنکرون دلخواه تنظیم می شود.

موتورهای سنکرون با آهنربای دائم (PMSM) در سال های اخیر به دلیل خصوصیات ذاتی نظیر : چگالی توان بالا، لختی کم، نسبت بالای گشتاور تولیدی به اینرسی، شتاب گیری سریع، سادگی، عملیات نگهداری، ضریب توان و بازده مناسب تر نسبت به موتورهای DC و موتورهای القایی در بسیاری از کاربردهای صنعتی با سرعت متغیر در گستره توان کم و متوسط با رفتار قابل قبول ترجیح داده شده اند و در شرایط کار با نهایت کارآیی موتور مانند تجهیزات آزمایشگاهی ، سانتریفیوژها و صنایع پتروشیمی از موتورهای PMSM استفاده میشود.

موتورهای سنکرون تحت سرعت ثابتی به نام سرعت سنکرون می چرخند و جزء ماشین های جریان متناوب (AC) محسوب می شوند. در این موتورها برخلاف موتورهای القایی، میدان گردان و روتور با یک سرعت ثابت که همان سرعت سنکرون است، می چرخند. استاتور موتورهای سنکرون سه فاز حاوی سیم پیچی سه فازی است که درون شیارهای استاتور جاسازی شده و در طول محیط آن پخش و توزیع گردیده اند، استاتور ماشین های سنکرون سه فاز شبیه ماشین های القایی سه فاز است.

استاتور موتور سنکرون به شبکه وصل می شود تا جریان سه فاز متناوبی به درون استاتور جاری شود. به سیم پیچی استاتور سیم پیچی آرمیچر نیز گفته می شود که این برخلاف ماشین های DC می باشد. سیم پیچی استاتور یا آرمیچر در ماشین های سنکرون طوری طراحی می شوند که بتوانند جریان و ولتاژ زیادی را متحمل شوند. روتور موتورهای سنکرون حاوی سیم پیچی میدان است و این سیم – پیچی توسط جریان DC تحریک می شود.

بنابراین در اینگونه موتورها نیز، نیاز به جاروبک و حلقه الغزان است، همین مساله باعث میشود که تلفات زیادی در ماشین ها بوجود آید و اینگونه موتورها احتیاج به تعمیرات و سرویس منظم داشته باشند.

مزایای موتورهای سنکرون:

1- ضریب توان و بازده بالا ۲- عدم حساسیت در مقابل نوسان ولتاژ 3- عدم استفاده از توان راکتیو ۴- امکان استفاده مستقیم با ولتاژ بالا ۵- استفاده از آن به عنوان مولد توان راکتیو برای افزایش ضریب توان خط به دلیل مشکلات راه اندازی و عدم کنترل سرعت کاربرد محدودی دارند مانند ساعت ولی بیشتر برای اصلاح ضریب توان مورداستفاده قرار می گیرند.

معایب موتورهای سنکرون:

١- احتیاج به یک وسیله راه اندازی ۲- قیمت بالا به دلیل احتیاج به یک جریان دائم برای قطب های آن علاوه بر جریان متناوب برای سیم پیچ استاتور ٣- نداشتن تحمل اضافه بار ۴- عدم کنترل سرعت.