تحسينات المحركات الكهربائية الموفرة للطاقة

أهمية التحسينات على المحركات الكهربائية الموفرة للطاقة

يجب أن يقلل التصميم الجديد لمحرك تحريضي لتشغيل آلة صناعية من الخسائر في قلب المحرك والملفات، كما أنه يمكن تحقيق الحد من الخسائر الأساسية باستخدام سماكة أقل للوحة القطب، ونتيجة لذلك يكون لها فقد أقل من اللوح غير الموجه بسمك مشترك (0.5) مم، ولكن مع خصائص مغنطة أسوأ قليلاً للصفائح، وفي الوقت نفسه؛ فإنه يجب أن تسمح الصفيحة المستخدمة بأن يتم تثقيب اللب على آلة تثقيب ميكانيكية.

لذلك وكما هو موضح في الأعمال الصناعية يمكن تحقيق انخفاض كبير في الفاقد الأساسي للوحة بسمك (0.2) مم، كما يتسبب استخدام الألواح ذات السماكة الأصغر، على سبيل المثال (0.12) مم أو الصفيحة غير المتبلورة، وذلك كما هو موضح في الرسومات التالية، حيث أن هناك صعوبات فنية كبيرة ويتطلب طرقاً أخرى لقطع اللب، مما يؤدي إلى تلف كبير في من العزل وهيكل هذه الألواح .

ونتيجة لذلك، تحصل على خسائر مماثلة للوحة بسمك (0.2) مم، وإلى جانب ذلك تتمتع هذه الألواح بقدرة مغناطيسية منخفضة، خاصة عند الترددات المنخفضة، خاصة عندما تكون هناك قيم تحريض مغناطيسي كبيرة في القلب، كما يمكن أن تسبب تياراً ممغنطاً عالياً جداً في المحرك الكهربائي.

أيضاً يمكن تقليل خسائر اللف عن طريق تقليل مقاومة اللف، أي زيادة مساحة المقطع العرضي لسلك لف الجزء الثابت، كما أن الأمر الذي يتطلب توسيع فتحات الجزء الثابت وزيادة مساحة فتحات الجزء المتحرك، بحيث يمكن تحقيق ذلك من خلال زيادة القطر الخارجي للجزء الثابت وتوسيع أبعاد المحرك ضمن الحدود التي يسمح بها مصنعو الآلات الكهربائية.

ومع ذلك؛ فإن زيادة أبعاد الجزء الثابت والدوار لا يمكن أن يقلل من أبعاد أسنان الجزء الثابت، وذلك لأن هذا سيزيد من الحث المغناطيسي في قلب المحرك ويزيد من تيار المغنطة، بحيث يمكن أيضاً تقليل مقاومة الجزء الثابت عن طريق تقليل عدد الدورات المتسلسلة في لف الجزء الثابت، ومع ذلك خاصةً عند الترددات المنخفضة، مما يؤدي هذا أيضاً إلى زيادة الحث المغناطيسي بشكل مفرط.

التفسيرات الخاصة بهندسة تحسين المحركات الكهربائية

ومع الأخذ في الاعتبار الاعتبارات المذكورة أعلاه، خاصةً بعد تصميم وتصنيع واختبار العشرات أو نحو ذلك من إنشاءات المحركات المختلفة، كما تم تطوير هيكل محرك حديث أخيراً من سلسلة (SK 135/120)، وذلك مع فتحات تنقيط الجزء الثابت وفتحات الدوار شبه المغلقة مع قلب مصنوع من (M270–35A)، وهي صفيحة معدنية بسمك (0.35) مم، بحيث ترد بيانات التصميم الخاصة بها في الجدول التالي، والتي تلبي قيود الأبعاد الكلية التي تفرضها الشركات المصنعة للآلات الكهربائية وخاصة الغسالات.

في هذا الجدول، يتم عرض بيانات التصميم الخاصة بمحرك (SK 120/120) المنتج حالياً للمقارنة، كما وتجدر الإشارة إلى أن كلاً من عدد الفتحات والقطر الداخلي للجزء الثابت قد تم فرضه من خلال الاعتبارات التكنولوجية الناتجة عن استخدام التصنيع الميكانيكي لملفات الجزء الثابت، وعند تطوير هذا التصميم؛ فإنه تم النظر في استخدام الدوار ذي الفتحات المغلقة لشكلين وأبعاد مختلفة للجسر ، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي.

كما أن الخصائص الميكانيكية والكفاءة المقاسة لمحرك سلسلة (SK 120/120) المصنعة ومحرك سلسلة (SK 135/120)؛ يجعلها المصمم بفتحات دوارة شبه مغلقة ومغلقة، وذلك لنوعين من جسر فتحة الدوار، بحيث بقيم مختلفة بتردد جهد التغذية يظهر في الرسومات البيانية التالية وبالترتيب:

كما بعد تصنيع واختبار المحركات النموذجية ذات الفتحات الدوارة المغلقة والجسور ذات السماكات المختلفة، بحيث وجد أنه بالنسبة للترددات المنخفضة (10 و 20 هرتز)، مما أدى إغلاق فتحات الدوار إلى تحسين الخصائص الميكانيكية للمحرك وزيادة كفاءته، خاصة للحمل المقدر، ومع ذلك عندما تم إمداد المحرك بجهد كهربائي (350) هرتز؛ فإنه أدى إغلاق فتحات الدوار إلى انخفاض كبير في الحث المغناطيسي في الدوار.

ونتيجة لذلك تقليل عزم الدوران الكهرومغناطيسي للمحرك أقل من المسموح به القيمة، وكذلك تدهور ملحوظ في الكفاءة وبناءً على الخصائص الميكانيكية والأداء المقاسة؛ فإنه تم اختيار تصميم محرك سلسلة (SK 135/120)، وذلك من خلال فتحات دوارة شبه مغلقة، بحيث تم الحصول على قيم كفاءة أعلى بكثير لهذا الحل مقارنةً بمحرك (SK120 / 120)، لذلك؛ فإن العمل في نطاق تردد واسع يجعل من المستحيل الاستفادة من الميزات الإيجابية للحل مع فتحات الدوار المغلقة.

كما هو موضح في الجدول السابق؛ فإنه تم تحقيق فئة الكفاءة (IE2) للمحرك(SK 135/120)، وذلك عند تشغيله بجهد (50) و (350) هرتز، وعندما تم تشغيل هذا المحرك بجهد (10) هرتز؛ فقد كانت الكفاءة أقل بنسبة (11.9 %) من فئة (IE2)، ولكن في نفس الوقت بنسبة (10.5 %) بنسبة أعلى من كفاءة المحرك المنتج حالياً، وبالمقارنة بذلك عند تشغيل المحرك بجهد (20) هرتز، كما تكون الكفاءة التي تم الحصول عليها أقل بنسبة (7.7%) من فئة (IE2)، ولكن في نفس الوقت أعلى بنسبة (6.8%).

الخسائر الأساسية للمحرك الكهربائي المدعوم لتحسين التصميم

يمكن أن نرى مما سبق أن الحساب الدقيق للخسائر في قلب المحرك أمر بالغ الأهمية لتحديد الكفاءة بشكل صحيح، خاصة بالنسبة لترددات التشغيل الأعلى، كما وتجدر الإشارة إلى أن خسائر اختبار عدم التحميل تُستخدم غالباً بشكل مباشر عند تحديد الخسائر الأساسية لمحركات الحث الكهرومغناطيسي، وفي الواقع عندما يتم تحميل المحرك؛ فإنه يتم تقليل الخسائر الأساسية إلى حد ما.

ومع ذلك، هناك زيادة في الخسائر الإضافية التي تسببها الفتحة وتوافقيات المجال الموصل، وذلك حتى لو كان المحرك مزوداً بجهد توافقي أساسي، بحيث يقدم مصدر الطاقة من العاكس التوافقيات الإضافية الأعلى التي ينتجها العاكس، كما يتطلب حساب الخسائر الأساسية تحديد التوافقيات السائدة وحساب الخسائر مع مراعاة خصائص المادة الأساسية.

أيضاً تهيمن الخسائر الأساسية عندما يعمل المحرك بترددات عالية، وفي نفس الوقت وفي هذه الحالة؛ فإن حصة المركبات التوافقية الأعلى في الجهد الناتج عن العاكس (PWM) صغيرة نسبياً، وعلى سبيل المثال، عند تشغيله من عاكس الجهد النموذجي المستخدم في الغسالة التي تم فحصها وعند تردد الجهد الأساسي (350) هرتز؛ فإنه يتم أيضاً لعب دور ملحوظ بواسطة التوافقية الخمسة المقابلة للتردد 1800 هرتز، والتي تبلغ حصتها (0.23).

في الشكل التالي؛ فإن خسائر الجزء الثابت والدوار الأساسي للتوافقيات الأعلى (بما في ذلك الخسائر من التوافقية الأساسية في قلب الجزء الثابت)، وذلك كدالة للترتيب التوافقي لحمل محرك يبلغ (1.16) نيوتن متر، وفي هذه الحالة تحدث الخسائر السائدة بسبب فتحات الجزء الثابت والدوار (24 فتحة للجزء الثابت و 30 فتحة للجزء المتحرك) مع توافقيات تتوافق مع عدد الفتحات أو مجموعاتها (التوافقيات الفرعية) ومضاعفات عدد الفتحات.

ولتحليل الدائرة الميدانية؛ فإنه تم اختيار وحدة (RM) ثنائية الأبعاد للبرنامج التجاري (OPERA)، وذلك مع محلل التيار الدوامي العابر، بما في ذلك التناوب ووصف الدائرة للملفات بنمذجة الشرائح المتعددة لقضبان الدوار المنحرفة.