طراحی موتور القایی – قسمت اول

مقدمه

موتورهای القایی قفس سنجابی به دلیل ذات ستبر و مناسب خود به طور فزآینده ای در صنایع مختلف در حال استفاده هستند. عدم نیاز به تعمیر و نگهداری قابل توجه و قیمت مناسب آنها روز به روز بر محبوبیت و گستردگی استفاده از آنها افزوده است. بدلیل پدیده ناشی از القای مغناطیسی موتور القایی یک مدار مغناطیسی تک تحریک است (به روتور ولتاژی اعمال نمی گردد).

طراحی دقیق، فنی و عملی الکتروموتور القایی را از کجا باید شروع کنیم؟ شما باخواندن این مقاله، طراحی دقیق و فنی الکتروموتور القایی را به صورت عملی را می آموزید. این مقاله به دلیل طولانی شدن در دو پست جداگانه منتشر شده است. که از طریق لینک های زیر می توانید به آنها دسترسی پیدا کنید.

1- طراحی موتور القایی – قسمت اول

2- طراحی موتور القایی – قسمت دوم

ملاحظات مهم و ارزیابی های لازم برای طراحی موتور القایی

باید توجه داشت که جهت استاندارد بودن الکتروموتور مورد نظر بایستی مطابق استاندارد IEC یا NEMA و مطابق اندازه های درج شده در آنها طراحی و ساخته شود. مثلا الکتروموتور 1.5 کیلووات چهار قطب سه فاز است، بایستی بر روی فریم سایز نرم 80 طراحی شود. در حالت کلی ابعاد الکتروموتور به موارد زیر بستگی دارد؛

• نوع خنک کار
• نوع محفظه
• مدار الکتریکی با چه چگالی جریانی کار می کند؟
• مدار مغناطیسی با چه شاری مواجه است؟
• گشتاور در یک سرعت خاص
• چرخه کاردهی به بار
• فرکانس شروع و توقف

به روابط زیر دقت کنید. این روابط تقریب مناسبی از ابعاد مورد نیاز الکتروموتور به ما می دهد.

همچنین می توان گفت   D²Ln = (حجم) x (سرعت) = S/(11Kw B_g*ac)

عدد S را می توانید از توان خروجی شفت (kW یا Hp) و راندمان و ضریب توان بدست بیاورید.

B_g = چگالی شار یا بارگزاری مغناطیسی تعیین شده

ac = چگالی جریان یا بارگزاری الکتریکی تعیین شده

• انتخاب Bg به صورت تجربی (با توجه به محدودیت تلفات در دندانه های و جریان مغناطیس کننده) تعیین می کند که چقدر مواد هسته مغناطیسی استفاده می شود.Bg بالا به معنای مواد مغناطیسی کمتر، اما تلفات مغناطیسی بیشتر است. فرکانس و نحوه خنک کاری نیز بر انتخاب مقدار Bg تاثیر گذار هستند.
• انتخاب مقدار بارگذاری الکتریکی تخصیص یافته ac (آمپر عبوری از هر متر از محیط فاصله هوایی) از طریق جدول بدست آمده انجام می شود. با این عدد تعیین می کند که چه مقدار مواد الکتریکی (سیم مسی) استفاده می شود. ضریب ac بالا به معنای مواد الکتریکی کمتر اما تلفات الکتریکی بیشتر است. انتخاب مقدار سیم مسی مصرفی بر خنک کاری موتور نیز تاثیر داشته و ممکن است انتخاب چگالی جریان زیاد، بدلیل داغ شدن بیش از اندازه موتور باعث عدم کارکرد مناسب آن شود.
• مقدار سبک و سنگین کردن این ضرایب به اهداف طراحی بستگی دارد. حجم و وزن کم، تلفات زیاد و راندمان کم، در مقایسه با حجم و وزن زیاد، تلفات کم و راندمان بالا.
• مقادیر B_g و ac به چرخه کار و دمای محیط نیز بستگی دارند.

شکل شماره 1: جدول مقادیر B_g و ac بر اساس منبع شماره [3]

راندمان و ضریب توان

راندمان و ضریب قدرت (بر اساس تجربه) را به منظور تبدیل توان خروجی (شفت) به توان ورودی در نظر بگیرید، سپس حجم روتور را محاسبه کنید ²(قطر روتور D)*(طول روتور L).

جدول 2: مقادیر ضریب توان و راندمان برای یک موتور 60 هرتز NEMA کلاس B از مرجع [2]

نسبت ابعاد

 نسبتD/L شکل قطب، مربع یا مستطیل بودن آن را تعیین می کند. شکل را از جداول (و از روی تجربه) انتخاب کنید و D و L را محاسبه کنید.

طراحی موتور القایی طول فاصله هوایی

طول فاصله هوایی از فرمول تجربی به چندین عامل بستگی دارد.

• عوامل الکترومغناطیسی: جریان مغناطیسی، تلفات نوسانات
• عوامل مکانیکی: تلرانسهای مکانیکی، یاتاقانها، انحنای شفت، عدم تعادل مغناطیسی

در این مورد در کتابها و مراجع مختلف روابط متفاوتی معرفی شده اند که عمدتا تجربی می باشند برخی از این روابط در ادامه آورده شده است.

محاسبه تعداد استاتور در هر فاز وابسته به B و L و D قبلی، ولتاژ تغذیه (عددی) و شکل چگالی شکل شار مفروض (αi) می باشد.

در روابط زیر

B_g شار در هر قطب

K_E ضریب یا فاکتور Back EMF

T_{ph تعداد دور در هر فاز}

K_f ضریب یا فاکتور فرم نوعا برابر 1 فرض می شود.

K_w1 ضریب یا فاکتور سیم پیچی برای مولفه اصلی نوعا 0.955

f فرکانس مولفه اصلی

چگونه تعداد شیارهای استاتور را انتخاب کنیم

تعداد شیارها و طرح مناسب برای سیم پیچی سه فاز را (با استفاده از تجربه) انتخاب کنید. تعداد شیار بیشتر و کمتر دارای مزایایی می باشد که در ادامه مورد بحث قرار می گیرد.

• شیارهای کمتر: 1) کم هزینه 2) فضای بدون استفاده کمتر بدلیل نیاز به عایق در شیار و دهانه شیارها
• شیارهای بیشتر: 1) نشت القایی کمتر و گشتاور شکست بزرگتر 2) کوچک بودن مقدار mmf هامونیکها 3) خنک سازی بهتر

 نوعا نسبت عرض شیار به طول پان بین 1 تا 4 است.

هندسه شیار استاتور

در موتورهای کوچک: با قطر کم مخروطی بودن دندانه ها و شیارها قابل توجه است و شیارها (دندانه های موازی) مخروطی شکل استفاده می شوند. این امر بیشترین فضای ممکن شیار را برای چگالی شار داده شده فراهم می کند. از آنجایی که سیم های گرد کوچک برای سیم پیچی کردن راحت تر هستند و شکل مخروطی شیار ها مشکلی برای آنها ایجاد نمی کند، از آنها استفاده می شود.

در موتور های بزرگتر: با قطر بیشتر دندانه های مخروطی کمتر هستند و اغلب از هادی های نواری استفاده می شوند که نیازمند شیار های جانبی موازی به جای دندانه های مخروطی هستند.

انتخاب اندازه شیار استاتور

چگالی جریان استاتور را انتخاب کنید ( به صورت تجربی اما این مقدار به دمای محیط، شرایط خنک کردن، و چرخه کار بستگی دارد)، و پس از آن، اندازه هادی استاتور را پیدا کنید. اندازه چگالی جریان برای موتورهای کوچک و تکفاز بین 6 تا 8 آمپر و برای موتورهای بزرگ کوچکتر انتخاب می شود با زیاد شدن تعداد قطبها معمولا چگالی جریان را کمتر در نظر می گیرند.

7. سپس مقدار اولیه انتخاب شده برای ac را بررسی کنید تقریبا درست است. اگر نه، به مرحله انتخاب ضریب ac بازگردید، یک مقدار متفاوت برای ac انتخاب و مراحل 2 تا 5 را تکرار کنید.

8. اندازه دندانه استاتور را با توجه به استحکام مکانیکی بدون اینکه چگالی شار خیلی بالا برود انتخاب کنید.

9. ضریب پر شدگی معقول و ممکن را با توجه به تجربه برای شیارهای استاتور انتخاب کنید و با توجه به مقدار سیمها قطر بیرونی شیارها را محاسبه کنید.

انتخاب چگالی شار

10- مقادیر مناسب چگالی شار را در یوغ بیرونی استاتور انتخاب و قطر خارجی استاتور را محاسبه کنید.

مقاومت سیم پیچ های استاتور را محاسبه کنید.

11. مقاومت سیم پیچ استاتور را محاسبه کنید

 مقاومت سیم پیچ ها را با جمع جبری بازوها و طول سرکلافهای الکتروموتور محاسبه کنید.

طراحی موتور القایی – تعداد شیارهای روتور را انتخاب کنید.

تعداد شیارهای روتور را با توجه به تعداد شیارهای استاتور و تعداد قطبهای موتور به گونه ای انتخاب کنید که از ایجاد گشتاور cogging جلوگیری شود. (این کار به صورت تجربی و با توجه به هارمونیکهای فضایی انجام می شود.)

 با توجه به روابط زیر از این ترکیبهای شیار اجتناب کنید (Ref.[2] Lipo)

و ترکیب شیارهای توصیه شده مطابق جدول زیر است.(Ref.[2] Lipo)

طراحی موتور القایی – میله های روتور

14. چگالی جریان را در میله های روتور و حلقه های انتهایی انتخاب کنید (به دمای محیط، شرایط خنک کننده و چرخه کار بستگی دارد)، و با توجه به میله های روتور و جریان های حلقه انتهایی، مساحت سطح مقطع را حساب کنید.(Ref.[4] Fu)

15. هندسه میله روتور (نسبت عرض به عمق) حال بستگی به مشخصه سرعت- گشتاور و گشتاور راه اندازی دارد. و با استفاده از آزمون و خطا و تجربه بدست می آید.

اثر پوستی

مقاومت میله های روتور و حلقه انتهایی، و از روی آن تلفات هادی را محاسبه کنید. (با استفاده ریاضی و تقریب، ضرایب اثر پوستی)

اثر پوستی باعث توزیع غیر یکنواخت جریان در هادی می شود. چگالی جریان در نوار روتور بالاتر از فاصله هوایی است.

در طرح های مرسوم ماشین های القایی با تغذیه خط 60Hz اثر پوستی با ضریب اصلاح K_R و K_X برای مقاومت میله های روتور و اندوکتانس نشتی شیارها نشان داده می شود.(Ref.[1] Boldea)

K_R و K_X به شکل و اندازه شیار روتور، جنس هادی و فرکانس جریان روتور بستگی دارد. معمولا K_R در محدوده 1 تا 5 و K_X درمحدوده 0.2 تا 1 قرار دارند.(Ref.[1] Boldea)

هنگام ارزیابی گشتاور راه اندازی یا گشتاور شکست در موتورهای که مستقیما با ولتاژ خط راه اندازی می شوند (DOL)، اثر پوستی ممکن است نادیده گرفته شود. هرچه قدرت موتور بیشتر باشد این پدیده هم شدیدتر است.

خلاصه ای کوتاه و مفید از طراحی موتور القایی

در ابتدا بدانیم؛ الکتروموتور مورد نظر بایستی مطابق استاندارد IEC یا NEMA و مطابق اندازه های درج شده در آنها طراحی و ساخته شود. ابعاد را با استفاده از فرمول ها وآیتم های ذکر شده انتخاب می کنیم، سپس راندمان،توان وطول فاصله هوایی را محاسبه می کنیم. طول فاصله هوایی به عوامل الکترومغناطیسی و مکانیکی، همچون؛ جریان مغناطیسی، تلفات نوسانات، تلرانسهای مکانیکی، یاتاقانها، انحنای شفت، عدم تعادل مغناطیسی بستگی دارد.

بعد ازآن نوبت به انتخاب اندازه شیار و چگالی شار می رسد، سپس مقاومت سیم پیچ های استاتور را محاسبه کرده و تعداد شیارهای روتور را انتخاب کنید. حال با انتخاب چگالی جریان را در میله های روتور و حلقه های انتهایی، و با توجه به میله های روتور و جریان های حلقه انتهایی، مساحت سطح مقطع میله های روتور را حساب کنید. اگر چگالی جریان در نوار روتور، بالاتر از فاصله هوایی باشد، باعث توزیع غیر یکنواخت جریان در هادی می شود که به آن اثر پوستی می گویند.

بقیه این مطلب را در قسمت دوم مقاله با عنوان “طراحی موتور القایی – قسمت دوم” دنبال کنید.

اگر در زمینه طراحی موتور القایی سوالی دارید در همین جا کامنت بگذارید در کمتر از 48 ساعت پاسخ خواهیم داد. اگر در زمینه ساخت و طراحی الکتروموتور نیاز به خدمات مشاوره و طراحی دارید با شماره تلفن های 40331927-021 و 40331967-021 تماس بگیرید. ما در موسسه موتور درایو تا به حال بیش از 200 الکتروموتور مختلف در انواع الکتروموتورهای فن، هود، کولر، موتورهای الکتروپمپ، الکتروموتورهای صنعتی و سردرب آسانسور و همچنین الکتروموتور اصلی آسانسور طراحی کرده و ساخته ایم.