کاهش عکس العمل آرميچر در موتورهاي مغناطيس دائم بدون جاروبک

مقدمه

استفاده از مواد مغناطيس دائم در ساختمان ماشين‌هاي الکتريکي مزايايي در بر دارد که از آن جمله مي‌توان به موارد زير اشاره کرد:

1. افزايش قابل توجه بازد‌ه ماشين به سبب حذف تلفات سيم پيچي تحريک؛
2. افزايش نسبت گشتاور و يا توان خروجي به حجم و وزن؛
3. عملکرد ديناميکي بهتر؛
4. ساده سازي ساختار و نگهداري موتور؛
5. 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]:

1. روتور با مغناطيس داخلي؛
2. روتور با مغناطيس سطحي؛
3. روتور با مغناطيس درون سطحي؛
4. روتور با مغناطيس­هاي مدفون با توزيع متقارن؛
5. 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.