مقدمه ای بر راندمان موتور

چگونه راندمان موتور را افزایش دهیم؟

این راندمان موتور تحت تأثیر مقدار کمی تلفات از جمله تلفات مقاومتی، تلفات مکانیکی ناشی از اصطکاک، تلفات ناشی از اتلاف انرژی مغناطیسی در هسته و تلفات مختلف بسته به نوع ماده مورد استفاده قرار می گیرد. برای کارآمدتر کردن موتور باید تلفات موتور را کاهش دهیم. در اینجا چند روش یا نکاتی وجود دارد که می توان برای بهبود ضریب راندمان موتور اتخاذ کرد.

1. عملکرد قاب موتور محافظت مکانیکی برای سیم پیچ ها است. همچنین مسئول رابط نصب شده توسط پاها است. قاب موتور نقش حیاتی در عملکرد حرارتی آن ایفا می کند زیرا وظیفه انتقال گرمای تولید شده در داخل موتور را به سطح قاب دارد که در آن هوای دمیده شده توسط فن باعث اتلاف گرما می شود. این باعث کاهش تلفات حرارتی می شود.
2. نکته اساسی دیگر این است که حداقل فاصله بین دیوارهای نزدیک به پشت درپوش فن را حفظ کنید تا امکان ورود هوا فراهم شود. اطراف موتور را تمیز نگه دارید و به طور منظم هرگونه انسداد هوا را که ممکن است عملکرد سیستم خنک کننده را کاهش دهد بررسی کنید. بنابراین، هر چه موتور خنک‌تر کار کند، دوام بیشتری خواهد داشت.
3. استاتور جزء اصلی موتور است و باعث 60 درصد تلفات می شود، بنابراین برای کاهش این تلفات باید جرم سیم پیچ استاتور زیاد نگه داشته شود زیرا افزایش جرم باعث کاهش مقاومت می شود. موتورهای با راندمان بالا حاوی 25 درصد مس اضافی در مقایسه با موتورهای طراحی شده برای مدل‌های با راندمان استاندارد هستند.
4. تلفات روتور نیز منبع جزئی تلفات در نظر گرفته می شود که عمدتاً ناشی از درجه لغزش موتور است. لغزش در واقع تفاوت بین سرعت میدان مغناطیسی (RPM) و RPM واقعی روتور و شفت در یک بار معین است. از جمله لغزش با کم کردن سرعت موتور بارگیری شده از سرعت موتور بدون بار و تقسیم آن بر سرعت موتور بارگیری شده به دست می آید. بنابراین برای کاهش این تلفات باید لغزش را کاهش داد که با افزایش رسانایی روتور انجام می شود. مس به دلیل رسانایی بالا باید در مقادیر زیاد استفاده شود. اما مس باید دایکاست باشد زیرا اخیراً فرآیندی برای ریخته گری مس ایجاد شده است.
5. تلفات مغناطیسی هسته از هیسترزیس ناشی می شود و 20٪ از کل تلفات ناشی از جریان های گردابی هسته و اشباع است. با استفاده از مواد با کیفیت و کنترل کیفیت می توان تلفات را به حداقل رساند و در نتیجه کارایی را بهبود بخشید.
6. به منظور کاهش اثرات پسماند و اشباع، به جای فولاد کربن ارزان قیمت، از فولاد حاوی مقدار کمی سیلیکون برای لمینیت استفاده می شود. به این ترتیب می توان تلفات اصلی را حذف کرد. با کاهش ضخامت لمینیت و افزایش طول ورقه ورقه، می توان چگالی شار و تلفات هسته را به حداقل رساند.
7. تلفات جریان گردابی را می توان با اطمینان از عایق بندی مناسب بین ورق ها یا لمینت های مورد استفاده تا حد زیادی به حداقل رساند.
8. فاصله روغن کاری تابعی از سرعت نامی نصب موتور، اندازه یاتاقان، نوع گریس و افزایش دما است. بنابراین، لطفا در استفاده از روان کننده ها دقت کنید. انواع گریس را با هم مخلوط نکنید، حتی اگر از عناصر مشابهی استفاده کنند. اگر از گریس های دیگر در برنامه استفاده شود، این به طور مستقیم بر عملکرد موتور تأثیر می گذارد.

چگونه تلفات موتور را کاهش دهیم؟

از آنجایی که توزیع ضرر ازموتوربا توجه به اندازه توان و تعداد قطب ها متفاوت است، برای کاهش تلفات باید بر روی اقداماتی برای مولفه های تلفات اصلی توان ها و قطب های مختلف تمرکز کنیم. برخی از راه های کاهش ضرر به اختصار به شرح زیر است:

1. افزایش مواد موثر، کاهش تلفات سیم پیچ و تلفات آهن

با توجه به اصل تشابه موتورها، زمانی که بار الکترومغناطیسی بدون تغییر باقی می ماند و تلفات مکانیکی در نظر گرفته نمی شود، تلفات موتور تقریباً متناسب با مکعب اندازه خطی موتور است و توان ورودی موتور تقریباً متناسب با توان چهارم اندازه خطی است. از این رو، رابطه بین کارایی و استفاده مؤثر از مواد را می توان تقریب زد. برای به دست آوردن فضای بزرگتر تحت شرایط اندازه نصب معین به طوری که بتوان مواد مؤثرتری را برای بهبود کارایی موتور قرار داد، اندازه قطر بیرونی پانچ استاتور به یک عامل مهم تبدیل می شود. در همان محدوده پایه ماشین، موتورهای آمریکایی خروجی بیشتری نسبت به موتورهای اروپایی دارند. به منظور تسهیل اتلاف گرما و کاهش افزایش دما، موتورهای آمریکایی عموماً از پانچ های استاتور با قطر بیرونی بزرگتر استفاده می کنند، در حالی که موتورهای اروپایی به دلیل نیاز به مشتقات ساختاری مانند موتورهای ضد انفجار و کاهش میزان مس مصرفی در انتهای سیم پیچ و هزینه های تولید، عموماً از پانچ های استاتور با قطر بیرونی کوچکتر استفاده می کنند.

2. از مواد مغناطیسی بهتر و اقدامات فرآیندی برای کاهش اتلاف آهن استفاده کنید

خواص مغناطیسی (نفوذپذیری مغناطیسی و از دست دادن واحد آهن) مواد هسته تأثیر زیادی بر راندمان و سایر عملکرد موتور دارد. در عین حال، هزینه مواد هسته بخش اصلی هزینه موتور است. بنابراین انتخاب مواد مغناطیسی مناسب کلید طراحی و ساخت موتورهای با راندمان بالا می باشد. در موتورهای پرقدرت، تلفات آهن سهم قابل توجهی از تلفات کل را تشکیل می دهد، بنابراین کاهش مقدار تلفات واحد مواد هسته به کاهش تلفات آهن موتور کمک می کند. با توجه به طراحی و ساخت موتور، تلفات آهن موتور تا حد زیادی از مقدار محاسبه شده با توجه به مقدار تلفات آهن واحد ارائه شده توسط کارخانه فولاد فراتر می رود، بنابراین مقدار تلفات آهن واحد به طور کلی در طول طراحی 1.5 تا 2 برابر افزایش می یابد تا افزایش تلفات آهن در نظر گرفته شود.

دلیل افزایش تلفات آهن عمدتاً به این دلیل است که مقدار تلفات واحد آهن کارخانه فولاد با آزمایش نمونه مواد نواری طبق روش دایره مربعی اپشتاین به دست می‌آید، اما مواد پس از پانچ، برش و لمینیت تحت فشار زیادی قرار می‌گیرند و تلفات افزایش می‌یابد. علاوه بر این، شکاف هوای ناشی از وجود شکاف دندان منجر به میدان مغناطیسی هارمونیک دندان می شود که باعث از دست دادن بی باری در سطح هسته می شود که منجر به افزایش قابل توجه اتلاف آهن پس از ساخت موتور می شود. بنابراین علاوه بر انتخاب مواد مغناطیسی با تلفات واحد آهن کمتر، کنترل فشار لمینیت و انجام اقدامات فرآیندی لازم برای کاهش تلفات آهن نیز ضروری است. با توجه به فاکتورهای قیمت و فرآیند، ورق های فولادی سیلیکونی با عیار بالا و ورق های فولادی سیلیکونی نازک تر از 0.5 میلی متر در تولید موتورهای با راندمان بالا چندان استفاده نمی شوند. عموماً از ورق های فولادی الکتریکی بدون سیلیکون کم کربن یا ورق های فولادی سیلیکونی نورد سرد کم سیلیکون استفاده می شود. برخی از سازندگان موتورهای اروپایی کوچک از ورق های فولادی الکتریکی بدون سیلیکون با مقدار تلفات واحد آهن 6.5w/kg استفاده کرده اند. در سال‌های اخیر، کارخانه‌های فولاد، ورق‌های فولادی الکتریکی Polycor420 را با میانگین تلفات واحد 4.0w/kg راه‌اندازی کرده‌اند که حتی از برخی ورق‌های فولادی کم سیلیکون نیز کمتر است. این ماده همچنین دارای نفوذپذیری مغناطیسی بالاتری است.

در سال های اخیر، ژاپن یک ورق فولادی نورد سرد کم سیلیکون با عیار 50 RMA350 ساخته است. مقدار کمی از آلومینیوم و فلزات خاکی کمیاب به ترکیب آن اضافه می شود و در نتیجه نفوذپذیری مغناطیسی بالاتری را حفظ می کند و تلفات را کاهش می دهد. مقدار تلفات آهن واحد آن 3.12w/kg است. همه اینها احتمالاً پایه مادی بهتری را برای تولید و ارتقاء موتورهای با راندمان بالا فراهم می کند.

3. برای کاهش افت تهویه، اندازه فن را کاهش دهید

برای موتورهای 2 و 4 قطبی با قدرت بزرگتر، اصطکاک باد نسبت قابل توجهی را به خود اختصاص می دهد. به عنوان مثال، اصطکاک باد یک موتور 2 قطبی 90 کیلووات می تواند به حدود 30 درصد از کل تلفات برسد. اصطکاک باد عمدتاً از توان مصرفی فن تشکیل شده است. از آنجایی که اتلاف حرارت موتورهای با راندمان بالا به طور کلی کم است، می توان حجم هوای خنک کننده را کاهش داد و در نتیجه قدرت تهویه را نیز می توان کاهش داد. قدرت تهویه تقریباً متناسب با توان 4 تا 5 قطر فن است. بنابراین، اگر افزایش دما مجاز باشد، کاهش اندازه فن می تواند به طور موثر اصطکاک باد را کاهش دهد. علاوه بر این، طراحی معقول ساختار تهویه نیز برای بهبود راندمان تهویه و کاهش اصطکاک باد مهم است. آزمایشات نشان داده است که اصطکاک باد قسمت 2 قطبی پرقدرت یک موتور با راندمان بالا در مقایسه با یک موتور معمولی حدود 30 درصد کاهش می یابد. از آنجایی که تلفات تهویه با حاشیه زیادی کاهش می یابد و نیاز به هزینه اضافی زیادی ندارد، تغییر طراحی فن اغلب یکی از اقدامات اصلی انجام شده برای این قسمت از موتورهای با راندمان بالا است.

4. کاهش تلفات سرگردان از طریق اقدامات طراحی و فرآیند

تلفات سرگردان موتورهای ناهمزمان عمدتاً تلفات فرکانس بالا هستند که توسط هارمونیک های مرتبه بالای میدان مغناطیسی در هسته ها و سیم پیچ های استاتور و روتور ایجاد می شوند. برای کاهش تلفات سرگردان بار، دامنه هارمونیک هر فاز را می توان با استفاده از سیم پیچ سینوسی متصل به سری Y-Δ یا سایر سیم پیچ هارمونیک پایین کاهش داد، در نتیجه تلفات سرگردان را کاهش داد. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که استفاده از سیم‌پیچ سینوسی می‌تواند به طور متوسط ​​بیش از 30 درصد تلفات سرگردان را کاهش دهد.

5. فرآیند دایکاست را برای کاهش تلفات روتور بهبود دهید

با کنترل فشار، دما و مسیر تخلیه گاز در طول ریخته‌گری آلومینیوم روتور، می‌توان گاز موجود در میله‌های روتور را کاهش داد و در نتیجه هدایت را بهبود بخشید و تلفات آلومینیوم روتور را کاهش داد. در سال های اخیر، ایالات متحده با موفقیت تجهیزات ریخته گری روتور مسی و فرآیندهای مربوطه را توسعه داده است و در حال حاضر در حال انجام تولید آزمایشی در مقیاس کوچک است. محاسبات نشان می دهد که اگر یک روتور مسی جایگزین روتور آلومینیومی شود، تلفات روتور را می توان تا حدود 38٪ کاهش داد.

6. استفاده از طراحی بهینه سازی کامپیوتر برای کاهش تلفات و بهبود کارایی

علاوه بر افزایش مواد، بهبود خواص مواد و بهبود فرآیندها، طراحی بهینه‌سازی کامپیوتری برای تعیین معقول پارامترهای مختلف تحت محدودیت‌های هزینه و عملکرد استفاده می‌شود و در نتیجه به حداکثر بهبود ممکن در کارایی دست می‌یابد. استفاده از طراحی بهینه می تواند زمان طراحی موتور را به میزان قابل توجهی کوتاه کند و کیفیت طراحی موتور را بهبود بخشد.