موتورهای گیرلس مورد استفاده در صنعت آسانسور

By
موتورهای گیرلس مورد استفاده در صنعت آسانسور

موتورهای گیرلس مورد استفاده در صنعت آسانسور

عبارت گیرلس (بدون جعبه دنده) مبین راه‌کارهای فنی سطح بالایی است که برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کیفیت بالای سواری در آسانسور کاربرد دارد. زمانی این فن‌آوری را به نام نامناسب «آسانسور واردلئونارد» (Ward-Leonard Lift) می‌شناختند. در آن زمان تنها شرکت‌های بزرگ چند ملیتی می‌دانستند چطور می‌توان تجهیزاتی با این فن‌آوری تولید کرد و تنها آن شرکت‌ها بودند که فن‌آوری‌های پیچیده لازم و آموزش‌های فنی منحصر به فرد آن را در اختیار داشتند. اوضاع از آن زمان تغییر فراوانی کرده است و امروزه حتی شرکت‌های کوچک تولیدکننده هم می‌توانند آسانسورهای خود را با موتورهای گیرلس عرضه کنند.

  •   آشنایی با موتورهای سنکرون مغناطیس دائم

از سال‌ها پیش موتورهای القائی یا آسنکرون به دلیل دارا بودن ساختمانی ساده و راه‌اندازی بدون دردسر به عنوان محرک بسیاری از دستگاه‌ها مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند. ضریب قدرت نامناسب، صدای زیاد، سرعت متغییر، تلفات حرارتی زیاد در زمان راه‌اندازی، تحمیل جریان راه‌اندازی بالا به شبکه برق، گشتاور راه‌اندازی نه چندان زیاد، نیاز به استفاده از نوع اسلیپ رینگ در توان‌های بالا از معایب این موتورها محسوب می‌شوند. در مقابل، ماشین‌های سنکرون با میدان مغناطیسی دائم (آهنربای دائم) به عنوان محرک مکانیکی از مزایائی همچون سرعت صددرصد ثابت، ضریب قدرت قابل تنظیم، راندمان بالا، کمپکت بودن، حذف سیم‌پیچی میدان، حذف منبع تغذیه DC، حذف اتلاف ژولی مدار تحریک، حذف حلقه‌های لغزان و جاروبک‌ها، طول بسیار کم در نوع رادیال و تعمیر و نگهداری ساده‌تر برخوردارند. هرچند به دلیل عدم امکان تنظیم و کنترل میدان، قابلیت تنظیم ضریب قدرت بعد از ساخت موتور امکان‌پذیر نبوده ولی در شرایط ساخت می‌توان هرگونه پیش‌بینی لازم صورت گیرد.

مطالعه نشان می‌دهد با توجه به منحنی‌های سیکل هیسترزیس و انرژی الکترومغناطیس مواد مغناطیسی دائم فرومانیتیک، خواص چهار کلاس از موادمغناطیسی دائم به شرح جدول قابل تنظیم است.

خصوصیات مواد کلاس A، ارزانی، شکل‌پذیری ساده، قابلیت قالب‌گیری و در مقابل بسیار حجیم‌اند و در ساخت موتورهای محرک کم‌ظرفیت مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند.

انواع کلاس‌های B و C از جنس سختتری برخوردار بوده و به سختی شکل می‌گیرند.

کلاس نوع B باید در جهت و راستای عملیات مغناطیس شدن طویل باشد.

و کلاس نوع C نسبت به از دست دادن خاصیت مغناطیسی بسیار حساس می‌باشد.

کلاس نوع D، بسادگی شکل‌پذیر است و قابلیت ماشین‌کاری روی آن بسیار خوبست و برای اغلب ماشین‌های سنکرون مغناطیس دائم قابل کاربرد است، به خصوص در آن دسته از ماشین‌هایی که قرار است طول محوری کوتاه داشته باشند؛ ولی در مقابل از قیمت بالا برخوردارند. بنابراین در اشکال ساده موتورها مواد کلاس B و C مناسبند، در حالی که مواد کلاس A و D بیشتر در مواردی که نیاز به تعدیل و سازش باشد کاربرد دارند. عملا مواد کلاس A برای ماشین‌های ارزان‌قیمت و مواد کلاس D که مشخصات و خواص مغناطیسی و مکانیکی خیلی بهتر ارائه می‌کنند برای ماشین‌های حساس‌تر استفاده می‌شوند.

طراحی مدار مغناطیسی این‌گونه ماشین‌های الکتریکی کمی پیچیده‌تر است. چگالی فوران مغناطیسی به خاطر فوران پراکندگی، رلوکتانس و اثرات عکس‌العمل استاتور از پس‌ماند مغناطیسی کمتر برخوردار است (Br). اثر از دست دادن خاصیت مغناطیسی این نوع ماشین‌ها زمانی وسعت می‌یابد که جریان الکتریکی در سیم‌پیچی‌های استاتور رو به ازدیاد گذارد و این در سه صورت زیر رخ می‌دهد:

  •   در راه‌اندازی (گرچه از آهنربای دائم قطب‌ها در مقابل حوزه الکترومغناطیسی عکس‌العمل بکمک نصب قفس راه‌انداز نظیر قفس مربوط به روتور موتورهای آسنکرون می‌توان بخوبی محافظت نمود)
  •   زمانی که موتور به حالت سنکرون کشیده می‌شود
  •   در اضافه بارهای زیاد و طولانی

ساختمان الکتروموتورهای سنکرون مغناطیس دائم

شکل ساختمانی این نوع موتورهای الکتریکی متاثر از وظایفی است که به عهده موتور گذارده شده و یا از آن انتظار می‌رود. بعضی از این اشکال در ترسیم شده‌اند. جهت حوزه مغناطیسی را با فلش مشاهده می‌نمایید. این نوع موتورها به دو صورت قطب صاف و قطب برجسته ساخته می‌شوند.

در موتور نوع دو قطب در داخل یک روتور استوانه‌ای که حامل قفس راه‌انداز می‌باشد ساختار این موتور نمایش داده شده است. هسته مغناطیسی در طول قطر خود بوسیله شیار‌های جداکننده به دو بخش N و S تقسیم شده که مانع ایجاد اتصال کوتاه فوران قطب‌ها باشد.

نوع دوم که از مواد کلاس B و C استفاده می‌شود، نوع قطب‌های برجسته است که قطب‌ها با بدنه استوانه روتور به کمک پیچ و مهره یا پرچ وصل می‌شوند. دراز مواد مغناطیسی کلاس D استفاده شده و قطب‌ها در سطح روتور از لبه آن تبعیت می‌کنند و این امر موجب جلوگیری از کاهش خاصیت مغناطیسی قطب‌ها می‌شود.

با یک انحراف شدید از شکل‌های معمولی روتورهای مغناطیسی دائم به صورت، حوزه الکترومغناطیسی از شکل رادیال در آمده و قفس درون روتور را با افزودن فلزاتی در نهایت به شکل سیلندری در می‌آورند.

تعادل بین کار سنکرون و آسنکرون موتور نیاز به دقتی خاص جهت انتخاب پارامترهای طراحی دارد. مواد مغناطیسی کلاس A یا D که بصورت شکلی مدور در نظر گرفته شده و در جهت محوری مغناطیس شده‌اند و به کمک ورقه‌های فاصله‌انداز فولادی فوران را هدایت می‌کنند که مطابق تولید فورانی قطبی و متباین در سطح فاصله هوایی می‌نمایند. استفاده از سپرهای محافظ و فاصله‌انداز‌های فوران مغناطیسی به منظور جلوگیری از مغناطیس‌زدائی قطب‌هاست (m.mf.s).

شکل‌های متنوع و گوناگون و نوظهوری برای چیدمان قطب‌ها اندیشیده شده‌اند که از آن جمله یکی به صورت روتوری صفحه مانند است که به عنوان یک صفحه قطبی با سیم‌پیچی سه‌فاز استاتور با هادی‌های اکتیو رادیال روبه‌روی یکدیگر قرار می‌گیرند. صفحه قطبی روتور را می‌توان از فولادی تهیه کرد که قطاع‌های مغناطیسی دائم را به عنوان قطب‌ها در خود جای داده باشند و از مواد کلاس D تهیه و میدان مغناطیسی نوع آکسیال را به وجود می‌آورند.

شایان ذکر است اشاره شود که از عمر کاربرد الکتروموتورهای سنکرون مغناطیس دائم در آسانسورهای نوع کششی چند سالی بیشتر نمی‌گذرد (۱۹۹۶ به بعد). این آسانسورها با قابلیت داشتن سرعت‌هایی که از ۵/۰ تا ۱۷ متر بر ثانیه می‌باشد از مزایای عمده‌ای همچون سرعت ثابت، راندمان بسیار بالا، صرفه‌جویی در انرژی بسیار خوب، وزن و حجم بسیار کم، طول محور بسیار کم، سرویس و نگهداری بسیار ساده، اشغال فضای بسیار کم و حذف موتورخانه آسانسور، ضریب قدرت بالا، حرکت و سکون بسیار نرم و بی‌صدا، ایمنی بسیار بالا، عدم وجود روغن‌های آلاینده در مکانیزم‌ کاری دستگاه، حذف گیربکس برخوردارند.

این نوع موتورها متشکل از دو بخش اصلی یکی استاتور که حامل سیم‌پیچی سه‌فاز بوده که به منبع تغذیه متصل می‌گردد و دیگری روتور که بصورت یک رینگ مغناطیس دائم تهیه شده می‌باشد.

عبارت گیرلس (بدون جعبه دنده) مبین راه‌کارهای فنی سطح بالایی است که برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کیفیت بالای سواری در آسانسور کاربرد دارد. زمانی این فن‌آوری را به نام نامناسب «آسانسور واردلئونارد» (Ward-Leonard Lift) می‌شناختند. در آن زمان تنها شرکت‌های بزرگ چند ملیتی می‌دانستند چطور می‌توان تجهیزاتی با این فن‌آوری تولید کرد و تنها آن شرکت‌ها بودند که فن‌آوری‌های پیچیده لازم و آموزش‌های فنی منحصر به فرد آن را در اختیار داشتند. اوضاع از آن زمان تغییر فراوانی کرده است و امروزه حتی شرکت‌های کوچک تولیدکننده هم می‌توانند آسانسورهای خود را با موتورهای گیرلس عرضه کنند.

  •   آشنایی با موتورهای سنکرون مغناطیس دائم

از سال‌ها پیش موتورهای القائی یا آسنکرون به دلیل دارا بودن ساختمانی ساده و راه‌اندازی بدون دردسر به عنوان محرک بسیاری از دستگاه‌ها مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند. ضریب قدرت نامناسب، صدای زیاد، سرعت متغییر، تلفات حرارتی زیاد در زمان راه‌اندازی، تحمیل جریان راه‌اندازی بالا به شبکه برق، گشتاور راه‌اندازی نه چندان زیاد، نیاز به استفاده از نوع اسلیپ رینگ در توان‌های بالا از معایب این موتورها محسوب می‌شوند. در مقابل، ماشین‌های سنکرون با میدان مغناطیسی دائم (آهنربای دائم) به عنوان محرک مکانیکی از مزایائی همچون سرعت صددرصد ثابت، ضریب قدرت قابل تنظیم، راندمان بالا، کمپکت بودن، حذف سیم‌پیچی میدان، حذف منبع تغذیه DC، حذف اتلاف ژولی مدار تحریک، حذف حلقه‌های لغزان و جاروبک‌ها، طول بسیار کم در نوع رادیال و تعمیر و نگهداری ساده‌تر برخوردارند. هرچند به دلیل عدم امکان تنظیم و کنترل میدان، قابلیت تنظیم ضریب قدرت بعد از ساخت موتور امکان‌پذیر نبوده ولی در شرایط ساخت می‌توان هرگونه پیش‌بینی لازم صورت گیرد.

مطالعه نشان می‌دهد با توجه به منحنی‌های سیکل هیسترزیس و انرژی الکترومغناطیس مواد مغناطیسی دائم فرومانیتیک، خواص چهار کلاس از موادمغناطیسی دائم به شرح جدول قابل تنظیم است.

ماشین‌های با روتور مغناطیس دائم
ماشین‌های با روتور مغناطیس دائم

تفاوت روش‌های توزیع نیروی محرکه الکترومغناطیسی داخلی این نوع موتورها را (نوع AXIAL) با موتورهای معمولی نوع RADIAL نشان می‌دهد. اصولا موتورهای سنکرون از سه ویژگی بسیار مهم زیر برخوردارند:

  •   سرعت صددرصد ثابت
  •   ضریب قدرت بسیار بالا (حتی برابر یک)
  •   راندمان بالا

در مقابل تنها دلیل عدم کاربرد گسترده این موتورها نسبت به موتورهای القایی در صنعت عدم امکان خودراه‌انداز بودن آنها بدون نیاز به تجهیزات اضافی است که با ابداع و کابرد مدارهای الکترونیک قدرت (نیمه هادی‌های کنترل شده) مشکل فوق برطرف و این نوع موتورها راه خود را در صنایع حمل و نقل و صنایع پتروشیمی باز نمودند.

مسیر میدان‌های الکترومغناطیسی موتورهای آکسیال و رادیال

اصول کار موتورهای سنکرون مغناطیس دائم

اساس کار تمام موتورهای الکتریکی بر مبنای تاثیر دو میدان الکترومغناطیسی بر یکدیگر (استاتور و روتور) در شرایط غیرهم محور می‌باشد که موتورهای سنکرون نیز از این قاعده پیروی می‌کنند. نتیجه این تاثیر متقابل به صورت گشتاوری متناسب با شدت دو حوزه مغناطیسی و مقدار جابه‌جایی محور دو میدان نمایان می‌گرددکه در نهایت موجب دوران یا حرکت موتورها خواهد شد.

تأثیر دو میدان روتور و استاتور بر یکدیگر

بزرگ‌ترین تفاوت بین یک موتور القایی آسنکرون AC و یک موتور سنکرون مغناطیس دائم این است که در موتور القایی با عبور جریان AC از درون سیم‌پیچی‌های استاتور، از طریق القای مغناطیسی میدان دواری نیز در روتور ایجاد می‌شود و به دلیل اثر متقابل میدان‌های استاتور و روتور، روتور در جهت میدان دوار استاتور به حرکت در خواهد آمد.

از طرفی برای القای جریان در روتور، اختلاف سرعتی بین سرعت میدان دوار و سرعت گردش روتور به وجود می‌آید. در غیر این صورت میدان دوار نسبت به روتور امکان حرکت نخواهد داشت و هادی‌های روتور شار میدان تولید شده توسط استاتور را قطع نکرده و در نتیجه ولتاژی در روتور القا نخواهد شد. این اختلاف سرعت بین سرعت میدان دوار و سرعت حرکت روتور در اصطلاح لغزش (Slip) نامیده می‌شود. لغزش یک مؤلفه بدون واحد است. از آنجا که در موتورهای القایی اختلاف سرعت شرط و ضرورت عملکرد آنهاست به این موتورهای موتورهای غیرهم‌زمان یا آسنکرون می‌گویند.

این در حالی است که در موتور سنکرون مغناطیس دائم توان روتور به طور مستقیم از یک منبع خارجی (در اینجا مغناطیس دائم) تامین می‌شود. هنگام وصل استاتور به شبکه سه فاز، میدانی دوار که سرعت آن متناسب با فرکانس شبکه و تعداد قطب‌های استاتور است در آن به وجود آمده و سطح روتور را جارو می‌کند.

میدان مغناطیسی مگنت‌های ثابت روتور با میدان چرخشی استاتور عکس العمل نشان می‌دهد و تولید گشتاور می‌کند. این دو میدان به صورت سنکرون می‌چرخند و زاویه بین آنها مقدار گشتاور را تعیین می‌کند.

ساختار یک موتور القایی آسنکرون
ساختار یک موتور مغناطیس دائم سنکرون
  •   مشخصات و منحنی‌های توان موتورهای سنکرون مغناطیس دائم

جهت مقایسه با موتورهای آسنکرون، منحنی‌های گشتاور هر دو نوع موتور در شکل ۸ درج شده است. در موتورهای آسنکرون عامل مهم و بسیار تأثیرگذار بر مشخصات انها مقدار حوزه مغناطیسی قطب‌های روتور (قوی یا ضعیف بودن مغناطیسی قطب‌ها) است که تأثیر آن را بر دو عامل جریان جذب شده از شبکه تغذیه و ضریب قدرت موتور در شکل مشاهده می‌کنید. در این خصوص معمولا سعی می‌شود نقطه کار این موتورها در شرایط مینیمم جریان، یعنی ضریب قدرت حدود یک انتخاب شود.

مقایسه منحنی‌های گشتاور موتورهای سنکرون و آسنکرون

نهایتا حوزه عملیاتی کار این موتورها با توجه به محدودیتی که برای جریان استاتور، میدان مغناطیسی روتور و پایداری کار موتورها (جابه‌جایی زاویه انحراف بین میدان‌های روتور و استاتور) می‌توان تعریف کرد، در شکل آمده است.

مشخصه جریان و ضریب قدرت
  •  اصول راه‌اندازی و مدارهای کنترل سرعت موتورهای سنکرون مغناطیس دائم

چهار روش برای راه‌اندازی موتورهای سنکرون به شرح زیر می‌توان در نظر گرفت:

  •   روش راه‌اندازی به صورت آسنکرون؛
  •   روش راه‌اندازی به صورت ژنراتور سنکرون؛
  •   روش راه‌اندازی به کمک یک موتور کمکی کوچک؛
  •   روش راه‌اندازی به کمک یک منبع تغذیه با فرکانس متغیر.

روش چهارم تنها روشی است که در صنعت آسانسور برای موتورهای سنکرون مغناطیس دائم کارآیی مناسب داشته و به کمک یک ابزار تغییردهنده فرکانس و ولتاژ (اینورتر) شرایطی برای موتور فراهم می‌شود که هم بتواند به راحتی از شرایط سکون به حرکت درآید و هم در شرایط کار بتواند در سرعت‌های ثابت بارهای متفاوتی را جابه‌جا کند.

به منظور دستیابی به هدف فوق می‌توان به استفاده از دو مکانیزم کنترل فرکانس از نوع حلقه باز و سیستم خودکنترل برای کنترل سرعت حلقه بسته اشاره داشت.