
مقدمه
استفاده از مواد مغناطيس دائم در ساختمان ماشينهاي الکتريکي مزايايي در بر دارد که از آن جمله ميتوان به موارد زير اشاره کرد:
- افزايش قابل توجه بازده ماشين به سبب حذف تلفات سيم پيچي تحريک؛
- افزايش نسبت گشتاور و يا توان خروجي به حجم و وزن؛
- عملکرد ديناميکي بهتر؛
- ساده سازي ساختار و نگهداري موتور؛
- کاهش قيمت در برخي از گونههاي اين ماشين.
موتورهاي مغناطيس دائم را ميتوان بر اساس اصول متفاوتي نظير طراحي موتور، ساختار مدار قدرت درايو، موقعيت مواد مغناطيس دائم در ساختمان روتور، روش کنترل موتور و تنظيم جريان دسته بندي کرد. عملکرد يک موتور مغناطيس دائم با مواد مغناطيسي، موقعيت مواد مغناطيسي درون روتور، ساختار روتور، تعداد قطبها، شکل موج نيروي محرکه القايي و وجود ميراسازهاي روي روتور تغيير ميکند. بر اساس موقعيت مواد مغناطيس دائم درون روتور، ماشينهاي سنکرون مغناطيس دائم گردان با ميدان شعاعي را ميتوان به صورت زير دسته بندي کرد[1]:
- روتور با مغناطيس داخلي؛
- روتور با مغناطيس سطحي؛
- روتور با مغناطيس درون سطحي؛
- روتور با مغناطيسهاي مدفون با توزيع متقارن؛
- روتور با مغناطيسهاي مدفون با توزيع نامتقارن.
در موتورهاي مغناطيس دائم نوع سطحي و درون سطحي شار اصلي ماشين، شاري است که توسط مواد مغناطيس دائم توليد ميشود و شار توليد شده توسط سيم پيچي آرميچر(استاتور) ماشين، به نام عکس العمل آرميچر شناخته ميشود.
عکس العمل آرميچر باعث ميشود شار اصلي ماشين در فاصلهي هوايي که وظيفهي ايجاد گشتاور و ولتاژ القايي در سيم پيچيهاي استاتور را دارد در بعضي نقاط تقويت شده و در برخي نقاط ديگر تضعيف شود و از حالت متقارن خارج شود. اين تغيير در شکل موج شار فاصلهي هوايي باعث ايجاد برخي مشکلات در عملکرد ماشين مانند افزايش ميزان ريپل(نوسانات) گشتاور الکترومغناطيسي توليدي، افزايش ميزان هارمونيکها در شکل موج شار و ولتاژ القايي و همچنين پديدهي دي مغناطيس شدن (مغناطيس زدايي يا از بين رفتن خاصيت مواد مغناطيس دائم) مواد مغناطيس دائم به کار برده شده در روتور را به همراه دارد.
عکس العمل آرميچر توسط جريانهاي سيم پيچيهاي استاتور در ماشينهاي سنکرون ايجاد ميشود و طبق اصول مغناطيس، خطوط شار بوجود آمده بايد يک مسير بسته با کمترين ميزان مقاومت مغناطيسي را طي کند. بنابراين اين خطوط شار در هر قطب ماشين از يک سمت وارد روتور ميشوند و از سمت ديگر از روتور خارج ميشوند. بسته به نوع قطب ماشين(N يا S بودن) و جهت مغناطيس کنندگي مواد مغناطيس دائم، ميدان ايجاد شده توسط عکس العمل آرميچر در يک قسمت همسو با ميدان توليد شده توسط مواد مغناطيس دائم ميباشد و در قسمت ديگر مخالف با ميدان ايجاد شده توسط مواد مغناطيس دائم ميباشد.
پديدهي دي مغناطيس شدن در سمتي از مواد مغناطيس دائم رخ ميدهد که شار توليد شده توسط مواد مغناطيس دائم با شار توليد شده توسط آرميچر مخالفت ميکند. اگر ميدان آرميچر بسيار زياد باشد باعث ميشود به مرور زمان مواد مغناطيس دائم بر اثر پديدهي دي مغناطيس شدن خاصيت خود را از دست بدهند و نياز به تعويض داشته باشند که بسيار پر هزينه ميباشد.
اين پديده در موتورهاي داراي توان بالا که ممکن است در برخي شرايط تحت اضافه بار کار کنند و يا اينکه در صورت وقوع احتمالي اتصال کوتاه در کسري از ثانيه جريان بسيار زيادي از سيم پيچيهاي استاتور آن عبور ميکند، داراي اهميت بسيار زيادي ميباشد.
ميدان ايجاد شده توسط جريانهاي استاتور باعث ميشود ريپل گشتاور الکترومغناطيسي توليدي نيز افزايش يابد و در نتيجهي آن نويزهاي صوتي موتور افزايش يابد، که در کاربردهاي حساس و نظامي مانند پيشرانههاي زير دريايي، اين نويز صوتي از نقطه نظر اختفاي زيردريايي بسيار مشکل ساز ميباشد.
1-2- تاريخچه
تکنيکهاي مختلفي براي کاهش اثر عکس العمل آرميچر در موتورهاي سنکرون مغناطيس دائم به کار برده ميشود.
يکي از اين روشها، استفاده از يک فاصلهي هوايي با اندازهي متفاوت ميباشد. يعني افزايش فاصلهي هوايي در قسمتي از قطب که بايد عکس العمل آرميچر کاهش يابد[2]. در اين روش سعي ميشود اندازهي فاصلهي هوايي ميان روتور و استاتور در دو سمت قطب ماشين متفاوت باشد. اين اختلاف اندازه در طول فاصلهي هوايي در يک قطب ماشين باعث ميشود اندازهي رلوکتانس مسيري که بايد توسط شار ايجاد شده توسط آرميچر طي شود افزايش يافته و عملاً اندازهي شار توليدي آرميچر کاهش يابد. يکي از معايب اين روش، کاهش ميزان متوسط گشتاور توليدي به دليل افزايش طول فاصلهي هوايي ميباشد.
روش ديگر براي کاهش اثر شار توليدي آرميچر در ماشين مغناطيس دائم، استفاده از يک شکاف هوايي (يک شيار ريز) در وسط قطب ماشين ميباشد [2]. استفاده از اين شکاف باعث ميشود رلوکتانس مسير شار توليدي آرميچر افزايش يابد و بنابراين اندازه شار کاهش يابد.
روش ديگر که بيشتر براي ماشينهاي سنکرون روتور سيم پيچي شده استفاده ميشود، عبارت است از استفاده از يک قطعهي کوچک از جنس مواد مغناطيس دائم در سمتي از قطب ماشين که عکس العمل آرميچر باعث مي شود شار فاصلهي هوايي کاهش يابد. جهت مغناطيس کنندگي اين مادهي مغناطيس دائم به کار برده شده بايد با جهت ميدان توليدي توسط آرميچر مخالفت نمايد تا از کاهش بيش از اندازهي شار در يک سمت قطب ماشين جلوگيري شود[2]. استفاده از اين روش باعث ميشود شار در فاصلهي هوايي شکلي تقريباً متقارن بدست آورد و هم از نظر مغناطيس زدايي، مواد مغناطيس دائم محافظت شوند و هم به دليل بهبود شار فاصلهي هوايي، ريپلهاي گشتاور الکترومغناطيسي توليدي کاهش يابد.
در ماشينهاي مغناطيس دائم با توان بالا، به دليل بالا بودن اندازهي جريان آرميچر، مواد مغناطيس دائم در معرض پديدهي مغناطيس زدايي قرار دارند. مخصوصاً در حالاتي مانند اتصال کوتاه و يا اضافه بار که اين شرايط مي تواند خاصيت مغناطيسي اين مواد را به کلي از بين ببرد.