بررسی موتورهای براشلس در آسانسور

علی بی آرام، علی عامری – آسانسور سیستمی است که اساسا برای حمل‌و‌نقل عمودی انسان یا کالا‌ها استفاده می‌شود و کاربردش روزبه‌روز رو به افزایش است. در گذشته و حال موتور‌های مختلفی برای کاربرد آسانسور استفاده می‌شد که هر موتور مزایا و معایب خاص خودش را داشت. در گذشته از موتور‌های DC در آسانسور استفاده می‌شد، اما با گذشت زمان و پیشرفت علم و استفاده از مبدل‌ها و کنترل‌کننده‌های الکترونیک قدرت موتور‌های القایی سه‌فاز جایگزین موتور‌های DC شده است.
امروزه، بسیاری از صنایع تولیدکننده موتورها به‌دلیل کنترل سرعت نرم، چگالی توان بالا و پیچیدگی کمتر در مبدل‌ها و کنترلر‌های قدرت هنگام کار با منابع DC در مقایسه با موتور‌های دیگر، روی موتور جریان مستقیم بدون جاروبک (BLDC) تمرکز کرده‌اند.

این مقاله مروری بر موتور جریان مستقیم بدون جاروبک (BLDC) برای سیستم آسانسور است. همچنین برخی پیش‌نیاز‌ها و محاسبات گشتاور، سرعت زاویه‌ای و سرعت چرخش برای استفاده از این موتور در صنعت آسانسور ارائه می‌دهد.

تحول در طراحی موتورهای آسانسور

آسانسور سیستمی است که برای حمل‌ونقل عمودی افراد و کالا استفاده می‌شود. پیش از این بسیاری از صنایع موتور‌های القایی سه‌فاز را برای کاربرد آسانسور تولید می‌کردند و بیشتر سیستم‌های آسانسور با موتور IM راه‌اندازی می‌شد. با این حال، امروزه با انجام تحقیقات بر این اساس است که موتورهای کارآمدتر با قابلیت اطمینان بیشتر و سرعت بهتر را می‌توان جایگزین موتور IM کرد.

در گذشته موتورهای DC به‌دلیل کنترل آسان و کیفیت حرکت خوب و مطلوب، تنها گزینه برای استفاده در صنعت آسانسور بودند. پس از آن و با پیشرفت در الکترونیک قدرت، موتور‌های IM کنترل آسانسور را به دست گرفتند. این موتور ویژگی‌های منحصربه‌فردی مانند هزینه کمتر، سیستم قوی‌تر و نیاز به تعمیر و نگهداری بسیار کمتر نسبت به موتور‌های DC دارد.

هنگامی که آسانسور با موتور IM کار می‌کند، سرعت و گشتاور مورد نیاز سیستم را می‌توان با کمک گیربکس به دست آورد. برای ایجاد عملکردی روان و بهینه نیازمند آن هستیم که گیربکس سیستم را به‌صورت مکرر روغن‌کاری کنیم. در موتور PMSM هنگامی که سیستم با مدار اینورتر طراحی می‌شود، نیازی به گیربکس نخواهیم داشت.

درواقع با استفاده از اینورتر می‌توان سرعت مورد نیاز را مدیریت کرد، اما طراحی موتور‌های القایی با افزایش قطب هزینه‌بر است. در این موتور‌ها تعداد قطب‌ها به شش قطب محدود می‌شود، در صورتی که در موتور‌های PMSM تعداد قطب‌ها تا پنجاه هم خواهد رسید.

افزایش قطب‌ها و افت فرکانس به‌طور هم‌زمان باعث افزایش گشتاور و کاهش سرعت می‌شود، اما به طور کلی برخی محدودیت‌های مربوط به سیستم‌های معمولی مانند راندمان ضعیف، طراحی‌های بزرگ و ناکارآمد، مشکل نویز و تعمیر و نگهداری دشوارتر و همچنین نیاز به موتورخانه مجزا را دارد. برای غلبه بر این مشکلات این مقاله رویکرد اساسی برای طراحی موتور BLDC در سیستم آسانسور ارائه می‌دهد.

قبلا موتور‌های الکتریکی مختلفی برای آسانسور استفاده می‌شد.

بیشتر بخوانید:

• معرفی 3 علت روغن ریزی موتور آسانسور و راهکارهای طلایی رفع آن
• بررسی و مقایسه موتور آسانسور ایرانی و خارجی
• آشنایی بیشتر با انواع موتورهای الکتریکی مورد استفاده در صنعت آسانسور

موتور‌های DC آسانسور

دو ویژگی مهم مربوط به این نوع موتور‌ها وجود دارد. نخست این است که با تغییر ولتاژ می‌توان سرعت را کنترل کرد. درحالی‌که کابین آسانسور در حال رسیدن به ایستگاه باشد، توقف ناگهانی رخ می‌دهد که به راحتی کمتر برای مسافران و حتی آسیب‌دیدن سیستم مکانیکی آسانسور منجر می‌شود.

دوم اینکه در موتورهای DC با تغییر قطبیت‌های منبع جهت موتور معکوس می‌شود. بنابراین کنترل سرعت و برگشت‌پذیری آسان تنها مزیت‌های موتور‌های DC است؛ اما نیاز به تعمیر و نگهداری مکرر و تعویض کموتاتور و برس الکترومکانیکی برای کار مداوم و جلوگیری از خطر آتش‌سوزی ناشی از گردوغبار ایجادشده توسط این برس و مشکل جرقه‌زدن در مجموعه کموتاتور و تداخل فرکانس رادیویی با مدار الکترونیکی موتور از معایب این موتور در کاربرد آسانسور است.

شکل ۱ – موتور DC در آسانسور

موتور‌های AC آسانسور

به طور کلی دو موتور AC برای کاربرد آسانسور استفاده می‌شود که شامل موتور‌های IM و PMSM می‌شود. به طور معمول و کلی موتور‌هایی با توان ۵ اسب‌بخار برای آسانسور استفاده می‌شود که در این موتور‌ها سیم‌پیچ‌های استاتور موتور با ولتاژ سه‌فاز AC انرژی می‌گیرد و به‌دلیل وجود تناوب در ولتاژ منبع یک میدان مغناطیسی متغیر در موتور به وجود می‌آید و سیم‌پیچ‌های موتور به‌صورت اتصال ستاره یا مثلث به‌هم متصل می‌شوند. بنابراین سه میدان متغیر در موتور ایجاد می‌شود.

موتورهای PMSM

به‌تازگی موتورهای PMSM به‌دلیل کنترل آسان و چگالی توان زیاد، بازار را اشغال کرده‌اند. شرکت‌های تولیدکننده آسانسور هم موتورهای PMSM را برای کاربری در آسانسور ترجیح می‌دهند.

با استفاده از اینورتر در موتور PMSM می‌توان سرعت مدنظر موتور را به دست آورد. همچنین با طراحی بهتر موتور می‌توان سرعت را کنترل کرد. گشتاور و سرعت را نیز می‌توان با تغییر در قطب‌ها و فرکانس کنترل کرد. همچنین با درنظرگرفتن بار و ظرفیت یکسان از نظر ابعاد و جرم، موتور‌های PMSM نسبت به موتور‌های IM به‌دلیل نداشتن گیربکس، حدود ۵۰ درصد کوچک‌تر هستند.

بنابراین استفاده از موتورهای PMSM نسبت به موتور‌های IM بهتر و به‌صرفه‌تر است. باید در نظر داشت که موتور‌های PMSM دارای هارمونیک و ارتعاش است که باعث مختل‌شدن عمل حرکت عادی کابین می‌شود. اکنون تحقیقات برای کاهش هارمونیک و ارتعاش‌ها در موتور‌های PMSM انجام می‌شود.

بررسی موتور جریان مستقیم بدون جاروبک برای سیستم آسانسور

با استفاده از یک موتور رلوکتانسی برای آسانسور راندمان می‌تواند ۷۵ تا ۸۰ درصد باشد. این بهبود راندمان به‌دلیل کاهش تلفاتی همچون تلفات گردابی و هیسترزیس که عموماً در مدارات مبدل اتفاق می‌افتد، به دست می‌آید. همچنین با تحلیل شار مغناطیسی می‌توان با بهینه‌سازی زاویه استاتور و روتور تلفات را در موتور و گشتاور کاهش داد.

در صورتی که از موتور IM استفاده شود، با افزایش بار، گشتاور نیز افزایش می‌یابد و ازاین‌رو کاهش سرعت در موتور اتفاق می‌افتد. قبل از اختراع درایوها حفظ سرعت در موتور‌های IM دشوار بود. درایو‌های فرکانس متغیر یک مدار الکترونیکی قدرت، برای کنترل سرعت، با تغییر در ولتاژ و فرکانس است. به‌دلیل وجود درایوها تغییر ناگهانی در صنایع تولید آسانسور رخ داد و موتور‌های AC جایگزین موتورهای DC شدند.

تحلیل عملکرد آسانسور با موتور القایی و درایو

برای درک بهتر و دقیق‌تر کنترل سرعت و عملکرد آسانسور با موتور IM و درایو، یک سیستم آسانسور نصب‌شده با ظرفیت پنج نفر را بررسی می‌کنیم.

این آسانسور برای یک ساختمان با ارتفاع ۱۶.۲ متر با وزن کابینی با بار کامل ۳۱۰ کیلوگرم که هر نفر معادل ۶۸ کیلوگرم در نظر گرفته شده است و همچنین وزنه تعادل ۵۰۰ کیلوگرمی برای این سیستم در نظر گرفته شده است. این وزن ۱.۵ برابر وزن کابین آسانسور با بار کامل است. برای کنترل این سیستم از یک درایو متغیر IG5A استفاده می‌شود.

شکل ۲- مدار درایو برای موتور القایی

کنترل و ایمنی موتور آسانسور با مبدل AC به DC

مبدل AC به DC توسط منبع تغذیه متناوب سه‌فاز ۴۶۰ ولتی تغذیه می‌شود. در صورت مشاهده هر گونه تغییر، درایو این تغییر را حس و موتور را از منبع تغذیه جدا می‌کند. همچنین کنترل سرعت در دو جهت بالا و پایین با یک سیستم مکانیکی و الکتریکی (گاورنر) بررسی می‌شود. گاورنر از ازدیاد سرعت در سیستم جلوگیری می‌کند که در بالا و پایین جاه قرار دارد. در این سیستم سرعت آسانسور ۰.۶۵ متر بر ثانیه است و دارای ۳ سیم‌بکسل است که کابین و وزنه تعادل را به هم متصل کرده است.

در این آسانسور از اتصال ستاره برای موتور القایی سه‌فاز با توان ۵ اسب‌بخار معادل ۳.۸ کیلووات با گیربکس برای حرکت در جهت بالا و پایین استفاده شده است. سرعت نامی ۹۶۰ دور در دقیقه است و ولتاژ تغذیه ۴۰۰ ولت با فرکانس ۵۰ هرتزی است و جریان نامی این موتور ۸.۵ آمپر است و کلاس عایقی این موتور E در نظر گرفته شده است.

خروجی اینورتر، ولتاژ AC به موتور می‌دهد که فرکانس آن متغیر و وابسته به سرعت مورد نیاز است. فرکانس خروجی درایو باتوجه‌به سرعت مورد نیاز که توسط یک سرعت‌سنج به شفت موتور متصل است، متغیر است. درایو در هر لحظه وضعیت و موقعیت کابین را بررسی و درصورت وجود هرگونه خطا، موتور را از منبع تغذیه جدا می‌کند. البته نکته مهمی وجود دارد که خازن‌های DC انرژی را در خود ذخیره می‌کنند که در صورت اتصال کوتاه خطرآفرین است.

کاربرد موتور جریان مستقیم بدون جاروبک (BLDC) در آسانسور

این موتور، با مزایای مختلفی مانند نسبت گشتاور بالا به جریان، راندمان و چگالی توان زیاد این موتور در صنعت جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده است. باتوجه‌به این ویژگی‌ها، این موتور جایگزین خیلی از موتور‌ها شده است.

با تحقیقات انجام‌شده و مدل‌های شبیه‌سازی‌شده برای دستیابی به راندمان بیشتر و کنترل سرعت این نوع موتور و همچنین توانایی قراردادن یک ترمز احیاکننده روی این موتور می‌توان از این موتور در بسیاری از وسایل الکتریکی و همچنین در صنعت آسانسور استفاده کرد.

در شکل ۳ عملکرد چهار ربع نشان داده شده است که در ربع اول و سوم به‌ترتیب عملکرد موتور به سمت بالا و پایین با بار کامل و بی‌باری است، در صورتی که ربع دوم و چهارم به‌ترتیب عملکرد ترمز در دو جهت بالا و پایین با کابین با بار کامل و بی‌باری را نشان می‌دهد.

برای عملکرد درست، حرکت و توقف، حفظ جرم وزنه تعادل که یک‌ و نیم‌ برابر کابین است، الزامی است.

شکل ۳ – عملکرد چهار ربع سیستم آسانسور

از گیربکس برای به‌دست‌آوردن سرعت مورد نیاز برای ایجاد گشتاور مورد نیاز با تنظیم نسبت دنده استفاده می‌شود.

نحوه محاسبه توان و انتخاب موتور BLDC برای آسانسور

گشتاور و سرعت مهم‌ترین پارامتر‌ها برای طراحی موتور‌های BLDC هستند. با کمک سرعت حرکت عمودی کابین، جرم کابین، نوع تعلیق و قطر فلکه‌ها را می‌توان به دست آورد.

در بیشتر موارد از روش اصلی برای انتخاب موتور استفاده می‌شود. بدترین حالت در سیستم این است که کابین با بار کامل و سرعت نامی در جهت بالا رو به حرکت است با فرض اینکه نسبت وزنه تعادل ۵۰ درصد یا کمتر است. این محاسبات را می‌توان با مراحل زیر به دست آورد:

برای محاسبه توان موتور ابتدا مجموع جرم مسافران را با جرم وزنه تعادل کاهش پیدا می‌کند و مقدار به دست آمده مقدار بار نامتعادل است. این مقدار بار در شتاب جاذبه زمین ضرب می‌شود تا مقدار نیروی مورد نیاز برای حرکت این بار نامتعادل در برابر جاذبه زمین در جهت بالا تعیین شود. ضرب این نیرو در سرعت نامی نرخ جریان انرژی یا به‌عبارت دیگر، توان بر حسب وات را می‌دهد.

این نشان‌دهنده توان خروجی خالص سیستم است. این توان خالص خروجی باید از طریق سیستم جریان داشته باشد، پس مقدار بیشتری از توان برای محاسبه تمام تلفات در شفت و گیربکس باید تأمین شود. بنابراین، توان خالص خروجی بر بازده شفت و راندمان گیربکس تقسیم می‌شود تا توان خروجی موتور مورد نیاز را فراهم کند.

(۱)

n: تعداد مسافرها

M_carry: جرم هر مسافر ۶۸ کیلوگرم

g: شتاب جاذبه زمین ۹.۸۱

V_ec: سرعت نامی کابین

Cf: ضریب وزنه تعادل

η:راندمان کلی سیستم

نسبت وزن تعادل مهم است. به همین دلیل اگر نسبت وزن تعادل کمتر از ۵۰ درصد باشد، بدترین سناریو این است که کابین به سمت بالا حرکت کند. به‌عنوان مثال اگر نسبت وزن تعادل فقط ۴۰ درصد باشد، زمانی که کابین به‌طور کامل بارگیری شود، فقط جرم ۴۰ درصد از مسافران جبران می‌شود و موتور باید گشتاور لازم برای بلندکردن ۶۰ درصد دیگر را فراهم سازد.

محاسبه گشتاور موتور برای آسانسور پنج‌نفره

برای طراحی موتور آسانسور پنج‌نفره با جرم کابینی معادل ۳۷۵ کیلوگرم با سرعت ۱ متر بر ثانیه و سیستم تعلیق ۳:۱، گشتاور موتور را می‌توان از رابطه زیر محاسبه کرد:

(۲)

Tm: گشتاور موتور بر حسب نیوتون‌متر

R_pulley: شعاع فلکه

g: شتاب جاذبه زمین

M_carry: حداکثر جرم وزنه تعادل

µ: ضریب تعلیق

در سیستم ۱:۱ این ضریب یک است، در سیستم ۲:۱ مقدار دو و در سیستم ۳:۱ این عدد سه است.

η: راندمان کل سیستم ۷۵ درصد

پس باتوجه‌به روابط بالا گشتاور موتور به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

(۳)

فرمول محاسبه سرعت زاویه و سرعت نامی موتور

سرعت زاویه و سرعت نامی موتور را می‌توان از روابط زیر محاسبه کرد:

(۴)

(۵)

(۶)

فرمول محاسبه توان موتور

با توجه‌به موارد ۴، ۵ و ۶ که گشتاور و سرعت زاویه‌ای موتور را محاسبه کردیم، زمان آن رسیده است که توان موتور را بررسی کنیم. توان موتور از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

(۷)

بخش دوم

در روابط و محاسبات بالا وزن تعادل را ۴۰ درصد در نظر گرفته بودیم. پس موتور باید گشتاور لازم برای ۶۰ درصد بار دیگر را تولید کند.

بنابراین توان نامی موتور از رابطه ۱ به دست می‌آید:

(۸)

با جایگزینی می‌توان ضریب وزنه تعادل را محاسبه کرد:

(۹)

از معادله ۹ بخش دوم مقدار ضریب وزنه تعادل ۰.۴۳۷ و ۰.۴ به دست می‌آید، پس می‌توان نتیجه گرفت که فرضیات ما برای طراحی موتور BLDC تقریباً درست است.

انتخاب موتور BLDC

در شکل زیر کردار مدار اینورتر موتور BLDC را با اتصال ستاره نشان داده‌ایم. به طور کلی ماسفت‌ها و IGBT برای عمل سوئیچینگ استفاده می‌شود و EMF برگشتی در فاز دیگر محاسبه می‌شود.

شکل ۴ – کردار مدار موتور BLDC

معادلات ریاضی موتور جریان مستقیم بدون جاروبک

برای موتور BLDC می‌توان معادلات ریاضی زیر را نوشت:

(۱۰)

(۱۱)

(۱۲)

در ابتدا اندوکتانس سیم‌پیچ‌ها را در نظر نمی‌گیریم، ولی در ادامه مقاومت سیم‌پیچ‌ها را ۰.۲۴ اهم در نظر خواهیم گرفت. پس خواهیم داشت:

(۱۳)

(۱۴)

(۱۵)

Va/Vb/Vc: ولتاژ هر فاز به‌ترتیب

Ia/Ib/Ic: جریان هر فاز به‌ترتیب

Ea/Eb/Ec: EMF هر فاز

بنابراین معادله ولتاژ را این‌گونه می‌توان نوشت:

(۱۶)

در موتور‌های BLDC فقط دو فاز به‌طور هم‌زمان عمل می‌کند. EMF برگشتی در طول فاز باقی‌مانده حساب می‌شود.

P_out: توان خروجی در معادله ۷

برای محاسبه جریان از رابطه زیر استفاده می‌شود:

(۱۷)

علاوه بر توان و جریان از رابطه زیر می‌توان EMF را نیز محاسبه کرد:

(۱۸)

ثابت گشتاور (K_t) و ثابت EMF پشتی (K_e) برای محاسبه گشتاور در موتورهای DC ضروری است. برای محاسبه این دو مورد از روابط زیر استفاده می‌شود:

(۱۹)

(۲۰)

باتوجه‌به اطلاعاتی که درباره موتور جریان مستقیم بدون جاروبک داریم، برای دو اسلات در هر فاز مقدار K_e این‌گونه محاسبه می‌شود:

(۲۱)

2N: هادی‌ها برای دو اسلات در هر فاز

B_g: مقدار چگالی شار در هوا

L_st: طول محور موتور

R_r0: شعاع فاصله هوایی

ω_m: سرعت زاویه‌ای روتور

پس بدین ترتیب:

(۲۲)

در طراحی موتور‌های الکتریکی انتخاب شعاع فاصله هوا (مسافت بین سطح آهن‌ربا و قسمت مقابل آن) و طول محوری موتور ضروری است.

ازاین‌رو معادله گشتاور به‌صورت زیر است:

(۲۳)

(۲۴)

(۲۵)

از معادلات ۲۲ و ۲۳ مقادیر K_e وK_t برای موتور BLDC یکسان است. ‌ازاین‌رو می‌توان گشتاور را به‌صورت زیر محاسبه کرد:

با قراردادن جریان خواهیم داشت:

(۲۶)

از معادله ۳ و معادله ۲۶ مقادیر محاسبه‌شده برای گشتاور یکسان است. بنابراین می‌توان موتور BLDC را برای سیستم آسانسور طراحی کرد.

یک موتور ۲.۵ کیلووات برای آسانسور با ظرفیت ۵ نفر که وزن تقریبی هر یک از نفرات ۶۸ کیلوگرم است، کافی است.

جدول شماره ۱ مواردی را که برای آسانسور مشخص شده است، نشان می‌دهد:

Sr.no	Quantity	Ratings
۱	گشتاور  موتور	۱۰۰ نیوتن درمتر
۲	سرعت زاویه‌ای	۲۵ رادیان بر ثانیه
۳	سرعت چرخش شفت	۲۴۰ دور بر دقیقه
۴	توان خروجی	۲.۵ کیلووات

جدول شماره ۱

نتیجه‌گیری

باتوجه‌به بررسی‌های اخیر متوجه شدیم که موتور‌های DC به دلایل ذکرشده برای کاربری آسانسور منسوخ شده‌اند و موتورهای IM جایگزین این موتور‌ها در صنعت آسانسور شده‌اند. این موتور‌ها معایب و مزایای خاص خودشان را نیز دارند که کامل آن‌ها را بررسی کرده‌ایم. همچنین موتور‌های PMSM نیز در حال توسعه و کاربری بیشتری هستند که این موتور‌ها مشکلاتی مانند هارمونیک بالا و ریپل گشتاور (به‌دلیل نوسانات) دارند.

در موتور‌های BLDC به‌دلیل شکل موج غیرسینوسی و EMF برگشتی و EMF پشتی ذوزنقه‌ای می‌توان این مشکلات را به‌شدت کاهش داد. پس باتوجه‌به مطالب گفته‌شده و محاسبات انجام‌شده می‌توان از موتور جریان مستقیم بدون جاروبک (BLDC) برای آسانسور استفاده کرد.