– مقدمه
با پیشرفت فناوری و افزایش تجهیزات الکتریکی و همچنین رشد جمعیت در چند دهه اخیر، مصرف انرژی به ویژه در بخش خانگی افزایش چشمگیری داشته است. طبق ترازنامه انرژی که توسط وزارت نیرو منتشر شده، سهم مصرف بخش خانگی در سال 1400، %2/32 از کل مصرف کشور است که نسبت به سال 1399 و تنها در یک سال، حدود %5/7 افزایش یافته است.
حدود %65 برق مصرفی در بخش خانگی و صنعتی متعلق به موتورهای الکتریکی است که افزایش بازده و صرفهجویی در مصرف برق این تجهیزات میتواند تاثیر بسزایی در کاهش مصرف برق کشور داشته باشد. به طوری که پتانسیل کاهش مصرف و صرفهجویی اقتصادی موتورهای الکتریکی مورد استفاده در صنایع اتحادیه اروپا %29 و در کشور آمریکا حدود %23 تخمین زده میشود.
موتورهای الکتریکی مورد استفاده در بخش خانگی عمدتاً از نوع القایی تکفاز و با بازده بسیار پایین کمتر از %50 هستند. تعداد بسیار زیاد این موتورها موجب تلفات قابل ملاحظه انرژی در بخش خانگی میشود. لذا جایگزینی موتورهای کم بازده با موتورهای پربازده جدید یکی از راهکارهای کاهش مصرف انرژی در این بخش است. از طرفی در ایران، به دلیل تغییرات آب و هوایی و افزایش دمای هوا و رواج استفاده از تجهیزات سرمایشی و تهویه مطبوع در تابستان، پیک مصرف برق به این فصل از سال منتقل شده است که این موضوع منجر به مشکلاتی در زمینه تأمین توان مورد نیاز کشور در روزهای گرم سال و در نتیجه کاهش اجباری مصرف و خاموشیهای چند ساعته از سوی شرکتهای برق منطقهای شده است که نارضایتی مشترکین و خسارتهایی به بخشهای تولیدی و صنعتی را به دنبال داشته است.
طبق گزارش تحلیلی ستاد توسعه فناوریهای حوزه آب و انرژی، بخش عمدهای از ظرفیت شبکه توزیع برق در پیک بار، به تجهیزات و وسایل سرمایشی اختصاص دارد که سهم حدود %35 از مصرف پیک بار تابستان را داراست. بنابر مطالب بیان شده، به منظور حل مشکل پیک شبکه در تابستان، مهمترین راه حل، پیکسایی سرمایشی، با اولویت بخش خانگی، است. در صورتیکه بتوان تنها ده درصد از مصرف برق در این بخش را کاهش داد، دیگر نیاز به افزایش ظرفیت شبکه برای جبران کمبود عرضه برق نخواهد بود.
با توجه به اقلیم گرم و خشک ایران، یکی از پرتعداد ترین و پرمصرفترین موتورها، موتور الکتریکی مورد استفاده در کولر آبی است. طبق آمارهای رسمی حدود 17 میلیون موتور کولر آبی در کشور فعال است که افزایش بازده و کاهش مصرف انرژی در این موتورها میتواند منجر به کاهش 30 تا 50 درصدی مصرف برق و در نتیجه آزادسازی بخش زیادی از ظرفیت شبکه برق کشور در فصل تابستان شود.
با توجه به آمارها و مطالب بیان شده و در نتیجه لزوم افزایش بهرهوری در سیستم مصرف انرژی برق کشور، شرکت الکتروژن به عنوان بزرگترین تولیدکننده الکتروموتورهای کولری در کشور نیز به سهم خود در جهت تحقق این هدف گام برداشته و از حدود 7 سال پیش، مطالعه و تحقیقات خود بر روی طراحی و تولید موتورهای BLDC پربازده و همچنین موتورهای القایی پربازده با گرید انرژی A جهت جایگزینی با الکتروموتورهای کولری معمول را آغاز کرده است.
تئوری ماشینهایوتورهای رد زیر اشاره کردصولات جدید در مقابل الکتروموتورهای القایی تکفاز الکتریکی مدرن پس از کشف پدیده القای الکترومغناطیسی توسط فارادی در سال 1831 میلادی شکل گرفت و اولین موتور DC در دهه 1840 ساخته شد. با این حال به دلیل محدودیت و عدم توسعه دستگاههای الکترونیک قدرت و مواد آهنربایی دائم، طراحی موفق موتور BLDC بیش از یک قرن بعد صورت گرفت. هریسون[1] و ری[2] اولین ثبت اختراع برای یک مدار کموتاتور تریستوری جایگزین تجهیزات کموتاتور مکانیکی، در سال 1955 به ثبت رساندند که دقیقاً ابتداییترین موتور BLDC بود.
برای ایجاد نیروی الکترومغناطیسی متناوب و تغذیه هادیهای استاتور لازم بود که سیگنال لازم برای هدایت تریستور مربوطه تولید شود. در حالی که هنگام توقف موتور هیچ جریانی از هادیها عبور نمیکرد و گشتاور راهاندازی وجود نداشت. در نتیجه پژوهشگران کموتاتورهای مختلفی معرفی میکردند که در نهایت پس از آزمایشات زیاد، موتور بدون جاروبک با کموتاسیون الکترونیکی به کمک سنسورهای اثر هال[3]، در سال 1962 توسعه یافتند.
به طور کلی موتورهای آهنربای دائم بدون جاروبک یا در اصطلاح BLDC، از نوع موتورهای آهنربایی و سنکرون هستند که در ساختار روتور آنها از آهنربای دائم استفاده میشود و تفاوت آنها با نوع دیگر موتورهای سنکرون آهنربایی، یعنی PMSM، در نحوه کنترل این موتورهاست. امروزه موتورهای آهنربای دائم به دلیل مزایایی چون بازده بالا، طول عمر طولانی، سروصدای پایین و مشخصههای گشتاور-سرعت مطلوب به طور گستردهای در صنایع مختلف از قبیل صنعت خودرو، هوافضا و تجهیزات خانگی به کار گرفته شدهاند.
موتور BLDC یکی از الکتروموتورهایی است که میتواند جایگزین موتورهای القایی تکفاز در سیستم کولر آبی معمول شود. این موتورها بر پایه موتورهای DC توسعه یافتهاند و در حالت ایدهآل شکل موج جریان استاتور به صورت 6 پلهای و مربعی مشابه با ماشین DC است. با این تفاوت که کموتاسیون الکترونیکی جایگزین کموتاسیون مکانیکی معمول شده است.
در یک موتور DC کموتاتوردار، معکوس شدن پلاریته توسط جاروبکها انجام میشود. در حالی که در یک موتور BLDC جاروبکهای مکانیکی حذف شده و عمل کموتاسیون توسط یک مدار کلیدزنی ادوات الکترونیک قدرت و با استفاده از موقعیت زاویهای روتور انجام میگیرد.
3- ساختار موتور BLDC
در سادهترین حالت، یک موتور آهنربا دائم شامل یک آهنربا است که به عنوان روتور عمل میکند. استاتور این موتورها بیشتر به صورت سه فاز سیمپیچی میشوند. این سیمپیچها به طور متعادل و با موقعیت مکانی 120 درجهای نسبت به هم در استاتور توزیع شدهاند؛ به طوری که هر فاز به صورت متوالی برقدار میشود. هنگامی که سیمپیچهای استاتور از منبع تغذیه میشوند، به آهنربای الکتریکی تبدیل شده و شروع به تولید میدانی یکنواخت در فاصله هوایی میکنند. اگرچه منبع تغذیه DC است، اما عملیات کلیدزنی، باعث ایجاد ولتاژ AC با شکل موج ذوزنقهای میشود. در یک موتور DC کموتاتوردار، معکوس شدن پلاریته جریان توسط جاروبکها انجام میشود. در حالی که در یک موتور BLDC جاروبکهای مکانیکی حذف شده و عمل کموتاسیون توسط یک مدار کلیدزنی ادوات الکرونیک قدرت و با استفاده از موقعیت زاویهای روتور انجام میگیرد.
در موتورهای BLDC، در هر لحظه از دو سمپیچ فاز جریان عبور میکند. جریانی که در هر سیمپیچ جاری میشود، یک بردار میدان مغناطیسی تولید میکند. با تغییر سیمپیچ ها با توجه به سیگنالهای سنسور اثر هال و موقعیت روتور، سیمپیچ متناظر به صورت قطب N و S فعال میشود. درحالی که ساختار روتور خود دارای آهنرباهای دائمی است و قطبهای N و S استاتور را دنبال کرده و موجب چرخش روتور میشود.
به طور کلی گشتاور در موتور BLDC در اثر عکسالعمل میدان مغناطیسی منتجه استاتور و میدان مغناطیسی آهنربایی روتور تولید میشود. با کنترل جریانی که در سه سیمپیچ جاری میشود، یک میدان مغناطیسی میتواند در جهت و اندازه مشخص توسط استاتور تولید و در نتیجه گشتاور تولیدی کنترل شود. در حالت کلی، مشخصههای موتور به سیمپیچی استاتور و آرایش آهنرباها در روتور وابسته است و با توجه به ترکیب تعداد قطبها و شیارها، ولتاژ القایی در هر فاز استاتور ممکن است دارای هارمونیکهای مختلف و در نتیجه شکل موج متفاوت باشد. موتورهای مغناطیس دائم بر اساس شکل موج ولتاژ القایی که به طراحی برمیگردد، به دو دسته موتور با ولتاژ القایی سینوسی و ولتاژ القایی ذوزنقهای تقسیم میشوند.
4- مزایا و معایب موتورهای BLDC
موتورهای BLDC نیز همچون هر محصول دیگری دارای مزایا و معایب مختلفی است که از آنها میتوان ب موارد زیر اشاره کرد:
بازده بالا: در بین موتورهای موجود، موتورهایBLDC ابدهی نسبتا بالایی دارند. بهره بالاتر این موتور در اصل به واسطه وجود میدان مغناطیس دائم در روتور می باشد که میدانی پیوسته و ثابت است و بر خلاف موتورهای القایی، در روتور تلفات مسی ایجاد نمیکند. همچنین حذف جاروبکها و گیربکس، کاهش اصطکاک و تلفات مکانیکی و در نتیجه افزایش بازده را به همراه دارد.
عدم نیاز به گیربکس: در موتورهای BLDC گشتاور ماشین ثابت است و در محدوده سرعت طراحی، حداکثر بازده قابل حصول است، بنابراین دیگر نیازی به گیربکس وجود نخواهد داشت.
نویز پایین: به دلیل عدم نیاز به هیچگونه جاروبک مكانیكی یا حلقه لغزان در موتورهای BLDC ، تمام نویزهای مكانیكی به استثنای نویزهای مربوط به بلبرینگها، کوپلینگها و بار حذف میشوند.
نیاز به نگهداری کمتر، قابلیت اطمینان و طول عمر بالاتر: جاروبکهای مكانیكی و حلقههای لغزان معمول منابع خرابی و عدم اطمینان در موتورهای DC هستند. با حذف این اجزاء در موتورهای BLDC، طول عمر موتور وابسته به طول عمر عایقی، بلبرینگها و عمر مواد مغناطیسی میباشد که تحت شرایط کاری مناسب طول عمر بالایی خواهد بود. همچنین گیربکس نیز در معرض فرسودگی قرار دارد و منبع عدم اطمینان و نیازمند تعمیرات و نگهداری است. حذف آن موجب افزایش قابلیت اطمینان میشود.
چگالی گشتاور بالاتر: در موتورهای BLDC سیمپیچ میدان وجود ندارد و بنابراین فضای لازم برای آن ذخیره و موجب کاهش حجم کلی موتور میشود.
و از معایب آنها نیز میتوان موارد زیر را نام برد:
قیمت مواد مغناطیسی: قیمت مواد آهنربای دائم با چگالی انرژی بالاتر، مانع از استفاده از آنها در کاربردهایی میشود که قیمت و هزینه استفاده از این مواد بیشتر از ایجاد مزایای مذکور میباشد. به عنوان مثال آهنرباهای سرامیكی که کمترین قیمت را در بین مواد آهنربایی دارند، دارای کمترین چگالی انرژی نیز هستند. آهنرباهای نئودمیوم بالاترین چگالی انرژی و قیمتی حدود 3 برابر قیمت آهنرباهای سرامیكی دارند. مواد آهنربایی ساماریوم -کبالت، از چگالی انرژی قابل قبولی برخوردارند اما به علت دمای کاری بالاتر حدود 9 برابر آهنرباهای سرامیكی قیمت دارند.
احتمال مغناطیسزدایی: حداکثر توان موتور BLDC را حرارت محدود میکند. حرارت خیلی زیاد چگالی شار آهنرباها را کاهش داده و حتی ممکن است باعث مغناطیسزدایی آنها شود.
[1] Harrison
[2] Rye
[3] Hall Effect Sensor
نظرات کاربران