موتورهای آسنکرون یا القایی

مروری جامع بر اجزا، اصول عملکرد و کاربردهای موتورهای آسنکرون یا القایی در صنعت.

۲۲ اردیبهشت ۱۴۰۴

کیوان رستم‌پور – موتورهای آسنکرون یا القایی که جزو موتورهای متناوب تقسیم‌بندی می‌شوند، در صنعت و ابعاد مختلف زندگی رواج فراوان یافته که علت آن هم سادگی ساخت، قدرت بالا، ارزان بودن و همچنین سهولت تعمیرات است (این موتورها فاقد جاروبک و مسئله کموتاسیون هستند). برای کنترل سرعت این موتورها می‌توان از درایو با قابلیت تغییر فرکانس بهره گرفت. طبق محاسبات Maxwells می‌دانیم در اطراف هر سیم حامل جریان به‌واسطه عبور جریان میدانی ایجاد می‌شود که در صورتی که جریان افزایش یابد، میدان ایجاد شده نیز قوی‌تر می‌شود.

در نتیجه با عبور جریان از استاتور، میدان مغناطیسی در سیم پیچ‌های استاتور ایجاد می‌شود و از آنجایی‌که این جریان‌ها دامنه ثابت و اختلاف فاز ۱۲۰ درجه دارند، در نتیجه میدان در هر لحظه از زمان در یکی از آن ها ماکزیمم بوده و جهت بردار برایند میدان سه فاز را نیز فازی تعیین می‌کند که ولتاژ در آن ماکزیمم است.

عملکرد موتورهای آسنکرون و نحوه تولید گشتاور

دامنه میدان دوار همواره ثابت و برابر بوده و با سرعت سنکرون در حال چرخش است. در موتورهای آسنکرون یا القایی، گردش میدان مغناطیسی استاتور باعث ایجاد گشتاور در رتور می‌شود. این پدیده به سبب بهره‌گیری از تحقیق آقای فارادی در سال ۱۸۳۱ است. نتیجه تحقیق بدین صورت است که میدان مغناطیسی در یک مسیر بسته سبب ایجاد شار در آن سطح می‌شود؛ در واقع جریان الکتریکی در آن سطح به راه می‌افتد، به همین خاطر در این نوع موتور رتور را اتصال کوتاه می‌کنند.

موتورهای آسنکرون یا القایی به دلیل نحوه عملکردشان، از اصل القای الکترومغناطیسی برای تولید گشتاور بهره می‌برند. القای این ولتاژ و جریان به‌گونه‌ای است که گشتاوری در رتور به‌وجود می‌آورد و سبب چرخش آن در جهت میدان دوار استاتور می‌شود (بنابر قانون لنز لازم است که رتور در جهت میدان دوار گردش کند تا بدین ترتیب با کاهش سرعت نسبی میان میدان دوار و محور رتور، ولتاژ القایی و جریان رتور را کاهش دهد، اما به‌دلیل وجود اصطکاک بین محور رتور و یاتاقان‌ها و وجود نیروی مقاومت هوا، سرعت رتور در حالت عادی هیچ‌گاه به سرعت میدان دوار نمی‌رسد).

این ویژگی از مشخصه‌های اصلی موتورهای آسنکرون یا القایی به شمار می‌رود. در واقع از تأثیر متقابل دو میدان ایجاد شده، گشتاور پدید می‌آید و چون استاتور ساکن است، رتور در جهت گشتاور ایجاد شده شتاب می‌گیرد. اگر سرعت رتور برابر سرعت سنکرون شود (در حالت خاص)، سرعت نسبی استاتور و رتور صفر شده؛ بنابراین ولتاژ القایی در رتور و در نتیجه جریان و میدان رتور و گشتاور القایی صفر می‌شود و سرعت رتور کاهش می‌یابد. اما به محض کاهش سرعت در رتور، دوباره ولتاژ القا می‌شود.

بیشتر بخوانید:

مزایای عملکردی موتورهای آسنکرون در صنعت

رفتار دینامیکی موتورهای آسنکرون یا القایی به‌گونه‌ای است که پیوسته در تلاش برای رسیدن به تعادل میان گشتاور و بار وارده هستند. به همین دلیل است که این موتورها در کاربردهایی مانند پمپ‌ها، فن‌ها و نوار نقاله‌ها بسیار محبوب‌اند، چون نیاز به کنترل دقیق سرعت ندارند و عملکرد نسبتاً پایداری دارند.

در این ماشین از دو نوع رتور بهره می‌گیریم که بسته به نوع کاربرد، انتخاب آن در طراحی و بهره‌برداری از موتورهای آسنکرون یا القایی اهمیت زیادی دارد. ساختار ساده، هزینه پایین نگهداری و طول عمر زیاد از دلایل رایج بودن این موتورها در صنعت است.

1. رتور سیم‌بندی شده

باید بدانیم که هسته رتور مورق بوده و از مواد فرومغناطیسی مرغوب ساخته شده است. این نوع در واقع یک سیم‌بندی سه فاز است که می‌تواند از سیم‌پیچ آلومینیوم یا مس تشکیل شده باشد. در موتورهای آسنکرون یا القایی، چون این رتورها دارای سیم‌بندی هستند، دارای قطب‌بندی بوده و بنابراین فقط در صورتی گشتاور تولید می‌کنند که تعداد قطب‌های رتور و استاتور یکی باشد.

معمولاً سرهای خروجی سیم‌بندی رتور توسط سه عدد رینگ لغزان و زغال به بیرون آورده می‌شود و در مسیر آن از مقاومت‌هایی استفاده می‌کنند. در موتورهای آسنکرون یا القایی استفاده از این مقاومت‌ها باعث می‌شود که با افزایش مقاومت رتور، بتوان گشتاور راه‌اندازی را افزایش و جریان راه‌اندازی را کاهش داد.

2. رتور قفس سنجابی

رتور قفس سنجابی از میله‌های مسی یا آلومینیومی تشکیل شده و از دو طرف رتور توسط دو حلقه مسی اتصال کوتاه می‌شود. در موتورهای آسنکرون یا القایی، این نوع رتور که به “قفسه‌ای” معروف است، فاقد قطب‌بندی خاص بوده و بنابراین با هر نوع استاتوری (با هر تعداد قطب) می‌تواند کار کند.

میان دو نوع رتور ذکر شده، رتور سیم‌بندی‌شده گران‌تر است، زیرا باوجود سیم‌پیچ، به حلقه‌های لغزان و جاروبک نیز نیاز دارد. اما در موتورهای آسنکرون یا القایی استفاده از این نوع رتور به دلیل سیم‌بندی توزیع‌شده، باعث راه‌اندازی نرم‌تر و ایجاد گشتاور یکنواخت‌تر می‌شود.

بین رتور و استاتور فاصله هوایی وجود دارد که می‌تواند از ۰.۴ تا ۴ میلی‌متر باشد. این فاصله در عملکرد موتورهای آسنکرون یا القایی اهمیت زیادی دارد، زیرا در صورت زیاد بودن آن، حرارت تولید شده در ماشین افزایش می‌یابد.

از طرفی، کاهش این فاصله در موتورهای آسنکرون یا القایی سبب کاهش تلفات، کاهش جریان مغناطیس‌کننده و بی‌باری شده و همچنین ضریب قدرت موتور را بهبود می‌بخشد. اما اگر فاصله زیاد شود، رلوکتانس افزایش یافته، اندوکتانس کاهش می‌یابد و تلفات مسی بالا می‌رود؛ به همین دلیل توصیه می‌شود این فاصله تا حد ممکن کوچک نگه داشته شود.