– 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.

 

2- معرفی موتورهای BLDC

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