تاثیر دما بر عملکرد و طول عمر موتورهای گیرلس آسانسور
توضیحات
گسترش استفاده از موتورهای گیرلس در سامانههای محرکه آسانسور، نتیجه نیاز روزافزون به افزایش بهرهوری انرژی، کاهش هزینههای نگهداری و ارتقای کیفیت حرکت کابین است. این موتورها که عمدتاً بر پایه فناوری موتورهای سنکرون با آهنربای دائم (PMSM) طراحی میشوند، به دلیل حذف مجموعه گیربکس، راندمان بالاتر و قابلیت کنترل دقیق، جایگاه ویژهای در صنعت آسانسور پیدا کردهاند. با وجود این مزایا، عملکرد پایدار این موتورها تا حد زیادی به شرایط حرارتی آنها وابسته است و افزایش دمای اجزای داخلی میتواند بر مشخصات الکتریکی، مغناطیسی و مکانیکی موتور تاثیر بگذارد .
افزایش دمای سیمپیچ موجب رشد مقاومت الکتریکی و افزایش تلفات اهمی شده و در ادامه، راندمان موتور را کاهش میدهد. از سوی دیگر، قرار گرفتن آهنرباهای دائم در معرض دماهای بالا میتواند سبب افت شار مغناطیسی و در شرایط نامناسب، کاهش دائمی خواص مغناطیسی آنها شود. همچنین تنشهای حرارتی، فرآیند پیرشدگی سیستم عایقی را تسریع کرده و احتمال خرابی اجزایی مانند یاتاقانها، ترمز و تجهیزات اندازهگیری را افزایش میدهد.
در این مقاله، ابتدا ساختار و اصول عملکرد موتورهای گیرلس مرور شده و سپس منشأ تولید حرارت، اثر دما بر اجزای مختلف موتور و راهکارهای مهندسی برای کنترل شرایط حرارتی بررسی میشود. هدف، ارائه تصویری جامع از نقش دما در عملکرد و دوام موتورهای گیرلس و بیان راهکارهایی برای افزایش قابلیت اطمینان این سامانهها است.
در سالهای اخیر، همزمان با توسعه ساختمانهای مرتفع و افزایش تقاضا برای سامانههای حملونقل عمودی، فناوری موتورهای آسانسور نیز دستخوش تغییرات قابل توجهی شده است. در گذشته، موتورهای گیربکس انتخاب غالب در بسیاری از پروژهها بودند، اما پیشرفت فناوری ماشینهای الکتریکی و درایوهای کنترل باعث شد، موتورهای گیرلس بهتدریج جایگزین انتخابهای سنتی شوند. کاهش تلفات مکانیکی، افزایش راندمان، کاهش سطح صدا و ارتعاش و بهبود کیفیت حرکت از مهمترین عواملی هستند که این تغییر را رقم زدهاند. بخش عمده موتورهای گیرلس مورد استفاده در صنعت آسانسور از نوع موتور سنکرون با آهنربای دائم هستند. در این موتورها، میدان مغناطیسی روتور به وسیله آهنرباهای دائم ایجاد میشود و همین ویژگی باعث حذف تلفات ناشی از سیستم تحریک و افزایش چگالی توان نسبت به بسیاری از موتورهای القایی میشود. ترکیب این ساختار با درایوهای فرکانس متغیر، امکان کنترل دقیق سرعت و گشتاور را فراهم کرده و حرکت نرمتر کابین و توقف دقیق در تراز طبقات را امکانپذیر میسازد .
با وجود مزایای یادشده، عملکرد این موتورها تنها به طراحی الکترومغناطیسی یا کیفیت ساخت محدود نمیشود. تجربه بهرهبرداری از موتورهای گیرلس نشان داده است که شرایط حرارتی، یکی از عوامل اصلی تعیینکننده در عملکرد و طول عمر آنها است. بخشی از انرژی الکتریکی ورودی، در اثر تلفات الکتریکی و مکانیکی به گرما تبدیل میشود و اگر این حرارت بدرستی دفع نشود، دمای اجزای داخلی موتور بهتدریج افزایش خواهد یافت. ادامه این روند میتواند موجب کاهش راندمان، افزایش استهلاک و کاهش قابلیت اطمینان موتور شود .
از دیدگاه فیزیکی، افزایش دمای سیمپیچ باعث افزایش مقاومت الکتریکی هادیها میشود و در نتیجه، تلفات اهمی نیز افزایش مییابد. به بیان دیگر، بخشی از انرژی که میتوانست به توان مکانیکی تبدیل شود، به صورت گرما تلف خواهد شد. علاوه بر این، دمای بالا فرآیند تخریب مواد عایقی را تسریع میکند و در صورت تداوم، احتمال وقوع اتصال بین دورهای سیمپیچ یا اتصال به بدنه افزایش مییابد .اثر دما تنها به سیمپیچ محدود نمیشود. آهنرباهای دائم مورد استفاده در روتور نیز نسبت به افزایش دما حساس هستند و در صورت عبور از محدوده مجاز، بخشی از شار مغناطیسی خود را از دست میدهند. این موضوع میتواند موجب کاهش گشتاور خروجی، افزایش جریان مصرفی و کاهش راندمان موتور شود. همچنین افزایش دما بر روانکار یاتاقانها، عملکرد ترمز و دقت تجهیزات اندازهگیری مانند انکودر نیز اثرگذار است .
با توجه به تنوع شرایط اقلیمی و تفاوت الگوی بهرهبرداری آسانسورها، مدیریت شرایط حرارتی را نمیتوان صرفاً به مرحله طراحی محدود کرد. انتخاب صحیح ظرفیت موتور، پیشبینی تهویه مناسب، تنظیم دقیق پارامترهای درایو و پایش مستمر دمای اجزای مختلف، همگی در افزایش عمر مفید موتور نقش دارند. ازاینرو، بررسی اثر دما بر عملکرد موتورهای گیرلس، علاوه بر جنبه علمی، از نظر بهرهبرداری و نگهداری نیز اهمیت قابل توجهی دارد
. ساختار و اصول عملکرد موتورهای گیرلس
در موتورهای گیرلس، انتقال گشتاور از موتور به فلکه کشش بدون استفاده از گیربکس انجام میشود. حذف این مجموعه مکانیکی موجب کاهش اصطکاک، کاهش تلفات توان و حذف بسیاری از قطعاتی میشود که در موتورهای گیربکس نیازمند سرویس و تنظیم دورهای هستند. به همین دلیل، موتورهای گیرلس علاوه بر راندمان بالاتر، هزینه نگهداری کمتری نیز دارند .قلب این سامانه را موتور سنکرون با آهنربای دائم تشکیل میدهد. این موتور از دو بخش اصلی، یعنی استاتور و روتور، تشکیل شده است. استاتور شامل هسته فولادی ورقهای و سیمپیچهای سهفاز است که با تغذیه از درایو، میدان مغناطیسی دوار تولید میکنند. در مقابل، روتور دارای آهنرباهای دائم، معمولاً از جنس نئودیمیوم–آهن–بور (NdFeB)، است که میدان مغناطیسی ثابت را ایجاد میکنند . هنگامی که جریان سهفاز به سیمپیچهای استاتور اعمال میشود، میدان مغناطیسی گردانی ایجاد میشود که با میدان مغناطیسی روتور برهمکنش داشته و آن را با همان سرعت میدان گردان به حرکت درمیآورد. از آنجا که سرعت چرخش روتور با سرعت میدان مغناطیسی برابر است، این موتورها در گروه موتورهای سنکرون قرار میگیرند و برخلاف موتورهای القایی، در شرایط کاری عادی لغزش ندارند .کنترل عملکرد موتور بر عهده درایو است. درایو با تنظیم همزمان ولتاژ، فرکانس و بردار جریان، شرایطی را فراهم میکند که موتور بتواند در تمام مراحل حرکت، از راهاندازی تا توقف، گشتاور مورد نیاز را با دقت مناسب تولید کند. کیفیت تنظیم این پارامترها نهتنها بر عملکرد دینامیکی آسانسور، بلکه بر میزان تلفات و تولید حرارت نیز تاثیر مستقیم دارد .با وجود حذف گیربکس، موتورهای گیرلس همچنان در معرض تولید حرارت ناشی از تلفات الکتریکی و مغناطیسی قرار دارند. ازاینرو، شناخت منشأ این تلفات و نحوه انتقال حرارت در موتور، پیشنیاز بررسی اثر دما بر عملکرد و دوام آن است. در بخش بعدی، انواع تلفات حرارتی و تاثیر آنها بر راندمان موتور مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
.منابع تولید حرارت در موتورهای گیرلس
اگرچه موتورهای گیرلس در مقایسه با موتورهای گیربکس از راندمان بالاتری برخوردارند(جدول 1)، اما هیچ موتور الکتریکی بدون تولید حرارت کار نمیکند. بخشی از انرژی الکتریکی ورودی، بهطور اجتنابناپذیر به گرما تبدیل میشود و همین موضوع، رفتار حرارتی موتور را به یکی از عوامل اصلی تعیینکننده عملکرد و طول عمر آن تبدیل کرده است. زمانی که میزان حرارت تولیدشده از ظرفیت دفع حرارت موتور بیشتر باشد، دمای اجزای داخلی بهتدریج افزایش یافته و شرایط بهرهبرداری از محدوده طراحی خارج میشود . در موتورهای سنکرون با آهنربای دائم، منشأ تولید حرارت را میتوان در چهار گروه اصلی شامل تلفات مسی، تلفات هسته، تلفات مکانیکی و تلفات پراکنده طبقهبندی کرد. سهم هر یک از این تلفات به شرایط کاری، نحوه کنترل موتور، کیفیت طراحی و بارگذاری آن وابسته است و در عمل، مجموع این عوامل دمای نهایی موتور را تعیین میکنند .
| ویژگی | موتور گیربکس | موتور گیرلس |
| راندمان | 65–85٪ | 90–96٪ |
| سطح صدا | زیاد | کم |
| نیاز به روغن گیربکس | دارد | ندارد |
| تعداد قطعات مکانیکی | زیاد | کم |
| هزینه نگهداری | بیشتر | کمتر |
| دقت توقف کابین | متوسط | بسیار بالا |
که در آن:
- P_{Cu} تلفات مسی (W)
- I جریان هر فاز (A)
- R مقاومت سیمپیچ هر فاز (Ω)
از آنجا که تلفات مسی با مجذور جریان متناسب است، افزایش جریان حتی به میزان محدود نیز میتواند موجب رشد قابل توجه تولید حرارت شود. به همین دلیل، اضافهبار، تنظیم نامناسب درایو یا انتخاب نادرست ظرفیت موتور معمولاً نخستین عامل افزایش دمای سیمپیچ محسوب میشوند [10][9]. در موتورهای PMSM برخلاف موتورهای القایی، روتور فاقد سیمپیچ است و بنابراین تلفات مسی روتور وجود ندارد. این موضوع یکی از دلایل افزایش راندمان این موتورها است، هرچند سیمپیچهای استاتور همچنان مهمترین منبع تولید حرارت باقی میمانند [11].
. تلفات هسته
هسته استاتور از ورقهای فولاد الکتریکی با ضخامت کم ساخته میشود تا مقدار تلفات مغناطیسی کاهش یابد. با وجود این، تغییرات متناوب میدان مغناطیسی باعث ایجاد دو نوع تلفات در هسته میشود که شامل تلفات هیسترزیس و تلفات جریانهای گردابی است [12]. تلفات هیسترزیس ناشی از تغییر جهت مداوم حوزههای مغناطیسی در ماده فرومغناطیس است، در حالی که تلفات جریان گردابی در اثر ولتاژهای القایی ایجادشده در صفحات فولادی به وجود میآید. برای کاهش این تلفات، از ورقهای نازک با عایق بین لایهای و مواد با کیفیت مغناطیسی مناسب استفاده میشود [8]. شدت این تلفات به فرکانس کاری، چگالی شار مغناطیسی و ویژگیهای ماده هسته بستگی دارد. در موتورهایی که به وسیله اینورتر تغذیه میشوند، وجود هارمونیکهای فرکانس بالا نیز میتواند بر افزایش تلفات هسته اثرگذار باشد [12].
۳-۳. تلفات مکانیکی
هرچند در موتورهای گیرلس مجموعه گیربکس حذف شده است، اما این موضوع به معنای حذف کامل تلفات مکانیکی نیست. اصطکاک بلبرینگها، مقاومت ناشی از آببندیها و مقاومت آیرودینامیکی حاصل از چرخش روتور، همچنان بخشی از انرژی مکانیکی را به گرما تبدیل میکنند [9]. در موتورهای جدید، استفاده از بلبرینگهای دقیق، روانکارهای مناسب و طراحی بهینه روتور سبب شده است سهم این تلفات نسبت به گذشته کاهش یابد. با این حال، در صورت کاهش کیفیت روانکاری یا افزایش دمای یاتاقان، مقدار این تلفات بهتدریج افزایش پیدا خواهد کرد [13].
4-3. تلفات پراکنده
علاوه بر تلفات اصلی، بخشی از انرژی نیز در اثر توزیع غیریکنواخت میدان مغناطیسی، هارمونیکهای ناشی از درایو، اثر پوستی هادیها و شارهای نشتی تلف میشود. این دسته از تلفات که معمولاً تحت عنوان Stray Load Losses شناخته میشوند، اندازهگیری مستقیمی ندارند و مقدار آنها معمولاً از طریق آزمونهای استاندارد یا مدلسازی تعیین میشود [10][11]. اگرچه سهم این تلفات نسبت به تلفات مسی کمتر است، اما در موتورهایی که بهصورت مداوم تحت بار نامی یا نزدیک به بار نامی کار میکنند، نمیتوان از تاثیر آنها بر دمای نهایی موتور چشمپوشی کرد.
۴. انتقال حرارت در موتورهای گیرلس
پس از تولید گرما، مهمترین عامل در حفظ عملکرد موتور، انتقال مؤثر این حرارت به محیط است. اگر سرعت دفع حرارت کمتر از سرعت تولید آن باشد، دمای اجزای داخلی موتور افزایش یافته و تنش حرارتی در سیمپیچ، هسته و آهنرباها ایجاد میشود. به همین دلیل، طراحی مسیر انتقال حرارت یکی از بخشهای مهم طراحی موتورهای گیرلس به شمار میرود [14]. انتقال حرارت در این موتورها از سه مکانیزم اصلی هدایت، همرفت و تابش تبعیت میکند.
هدایت حرارتی: در نخستین مرحله، گرمای تولیدشده در سیمپیچها از طریق تماس مستقیم به هسته استاتور و سپس به بدنه موتور منتقل میشود. کیفیت مواد عایقی، رزینهای اشباع و نحوه قرارگیری سیمپیچ در شیارها، بر مقاومت حرارتی این مسیر اثر مستقیم دارند [15][14].
همرفت: پس از انتقال گرما به پوسته موتور، بخش عمده انرژی حرارتی از طریق جریان هوا به محیط منتقل میشود. در موتورهای گیرلس مورد استفاده در آسانسور، این فرآیند معمولاً بهصورت همرفت طبیعی انجام میشود، هرچند در برخی کاربردهای خاص از سامانههای خنککاری کمکی نیز استفاده میشود [15]. کارایی این فرآیند به دمای محیط، سرعت جریان هوا و شرایط نصب موتور وابسته است. کاهش گردش هوا یا افزایش دمای موتورخانه، ظرفیت انتقال حرارت را کاهش داده و باعث افزایش دمای کاری موتور خواهد شد.
تابش حرارتی: سومین مسیر انتقال حرارت، تابش مادون قرمز از سطح موتور به محیط اطراف است. سهم این مکانیزم نسبت به هدایت و همرفت کمتر است، اما در دماهای بالا و موتورهایی با سطح تبادل حرارتی زیاد، نقش آن قابل توجه خواهد بود [14].
۵. تاثیر دما بر مقاومت سیمپیچ و راندمان موتور
یکی از نخستین پیامدهای افزایش دما در موتورهای الکتریکی، افزایش مقاومت هادیهای مسی است. این پدیده ناشی از افزایش ارتعاش شبکه بلوری فلز و کاهش تحرک الکترونها بوده و در نتیجه، مقاومت الکتریکی سیمپیچ با افزایش دما رشد میکند [10]. رابطه مقاومت سیمپیچ با دما به صورت زیر بیان میشود:
که در آن:
- R مقاومت در دمای
- R20 مقاومت در دمای 20 درجه سانتی گراد
- الفا ضریب دمایی مقاومت مس که تقریباً برابر با 0.00393 °C⁻¹ است. [10]
بر اساس این رابطه، اگر دمای سیمپیچ از 20 به 120 درجه سانتیگراد افزایش یابد، مقاومت آن حدود 39 درصد بیشتر خواهد شد. از آنجا که تلفات اهمی تابع مقاومت هستند، افزایش دما موجب افزایش بیشتر تولید حرارت شده و نوعی چرخه تقویتکننده ایجاد میکند که در صورت کنترل نشدن، میتواند دمای موتور را به محدوده بحرانی برساند [10][9]. در عمل، کاهش راندمان ناشی از افزایش دما تنها به تلفات مسی محدود نمیشود. همزمان با افزایش دما، ویژگیهای مغناطیسی مواد، کیفیت عملکرد عایق و شرایط روانکاری یاتاقانها نیز تغییر میکند و همین موضوع سبب میشود عملکرد کلی موتور نسبت به شرایط طراحی فاصله بگیرد [13][11]. به همین دلیل، کنترل دمای موتور نهتنها برای جلوگیری از آسیبهای حرارتی، بلکه برای حفظ راندمان و پایداری عملکرد در طول دوره بهرهبرداری ضروری است.
۶. تاثیر دما بر اجزای اصلی موتورهای گیرلس
دمای کاری موتور تنها یک پارامتر بهرهبرداری نیست، بلکه عاملی است که بهطور همزمان بر رفتار الکتریکی، مغناطیسی و مکانیکی اجزای مختلف اثر میگذارد. افزایش دما معمولاً بهصورت تدریجی رخ میدهد و در بسیاری از موارد، خرابی موتور حاصل تجمع تنشهای حرارتی در طول زمان است، نه یک افزایش دمای ناگهانی. به همین دلیل، ارزیابی عملکرد موتورهای گیرلس بدون بررسی رفتار حرارتی اجزای اصلی آن، تصویر کاملی از وضعیت موتور ارائه نمیدهد [17][16].
1-6. تاثیر دما بر سیستم عایقی سیمپیچ
سیستم عایقی یکی از مهمترین اجزای هر موتور الکتریکی است و وظیفه آن جداسازی الکتریکی هادیها از یکدیگر و از بدنه موتور است. عملکرد صحیح این سیستم، شرط اصلی بهرهبرداری ایمن و پایدار از موتور محسوب میشود. اگرچه عواملی مانند رطوبت، آلودگی، تنشهای مکانیکی و اضافه ولتاژ نیز در تخریب عایق مؤثر هستند، اما تجربه صنعتی و مطالعات انجامشده نشان میدهد که افزایش دما مهمترین عامل کاهش عمر سیستمهای عایقی است [16]. در دماهای بالا، ساختار مولکولی رزینها و مواد پلیمری بهتدریج تغییر میکند. این تغییرات ابتدا به کاهش انعطافپذیری و استحکام مکانیکی عایق منجر میشود و در ادامه، استقامت الکتریکی آن نیز کاهش مییابد. در چنین شرایطی، احتمال وقوع تخلیه جزئی (Partial Discharge)، ایجاد ترکهای ریز و در نهایت اتصال بین دورهای سیمپیچ افزایش پیدا میکند [18][17]. به همین دلیل، انتخاب کلاس حرارتی مناسب و کنترل دمای سیمپیچ از مهمترین الزامات طراحی موتورهای گیرلس به شمار میرود.
2-6. مدل آرنیوس و تحلیل عمر حرارتی عایق
برای بررسی اثر دما بر فرآیند پیرشدگی مواد عایقی، معمولاً از مدل آرنیوس (Arrhenius Model) استفاده میشود. این مدل بر این فرض استوار است که سرعت بسیاری از واکنشهای شیمیایی با افزایش دما افزایش مییابد و تخریب عایق نیز از همین رفتار تبعیت میکند [19].
رابطه عمومی آرنیوس به صورت زیر بیان میشود:
که در آن:
- K ثابت سرعت واکنش
- A ضریب پیشنمایی
- E انرژی فعالسازی
- R ثابت جهانی گازها
- T دمای مطلق
بر پایه این مدل، در صنعت ماشینهای الکتریکی یک قاعده تجربی پذیرفته شده است که بیان میکند افزایش حدود ۱۰ درجه سانتیگراد در دمای کاری عایق میتواند عمر حرارتی آن را تقریباً به نصف کاهش دهد، البته این مقدار یک تقریب مهندسی است و به نوع عایق، شرایط کاری و کیفیت ساخت بستگی دارد [20][19].
این موضوع نشان میدهد که حتی اگر دمای موتور از حد مجاز کلاس عایقی فراتر نرود، کارکرد طولانیمدت در دماهای نزدیک به این حد نیز میتواند عمر مفید موتور را بهطور محسوسی کاهش دهد.
۶-۳. کلاسهای حرارتی سیستم عایقی
بهمنظور استانداردسازی عملکرد مواد عایقی، استانداردIEC 60085 آنها را بر اساس حداکثر دمای مجاز طبقهبندی کرده است(جدول 2) [16].
| کلاس عایقی | حداکثر دمای مجاز (°C) |
| B | 130 |
| F | 155 |
| H | 180 |
جدول 2 کلاس عایقی و دمی مربوط به آن
در بسیاری از موتورهای گیرلس مورد استفاده در آسانسور، سیستم عایقی کلاس F به کار میرود. با این حال، تولیدکنندگان معمولاً موتور را به گونهای طراحی میکنند که دمای سیمپیچ در شرایط عادی، فاصله مناسبی با حد مجاز این کلاس داشته باشد. این حاشیه اطمینان باعث افزایش عمر مفید عایق و کاهش احتمال خرابی در شرایط بهرهبرداری واقعی میشود [17].
4-6. تاثیر دما بر آهنرباهای دائم NdFeB
یکی از ویژگیهای موتورهای PMSM، استفاده از آهنرباهای دائم در روتور است. این آهنرباها که معمولاً از آلیاژ نئودیمیوم–آهن–بور (NdFeB) ساخته میشوند، چگالی انرژی مغناطیسی بالایی دارند و امکان دستیابی به گشتاور زیاد را در ابعاد نسبتاً کوچک فراهم میکنند [18].
با افزایش دما، شدت میدان مغناطیسی این آهنرباها کاهش مییابد. در محدوده دمای مجاز، این کاهش معمولاً برگشتپذیر است، اما اگر دما از حد مجاز گرید آهنربا فراتر رود، بخشی از مغناطش بهطور دائمی از بین میرود. این پدیده که با عنوان مغناطیسزدایی برگشتناپذیر شناخته میشود، باعث کاهش گشتاور موتور و افزایش جریان مورد نیاز برای تولید همان مقدار توان خواهد شد [20][18]. به همین دلیل، انتخاب گرید مناسب آهنربا و کنترل شرایط حرارتی روتور از مهمترین ملاحظات طراحی موتورهای گیرلس محسوب میشود.
5-6. تاثیر دما بر یاتاقانها
یاتاقانها تنها اجزای دارای تماس مکانیکی مستمر در موتورهای گیرلس هستند و نقش اساسی در حفظ هممحوری روتور و کاهش اصطکاک دارند. افزایش دما موجب کاهش گرانروی روانکار، تسریع فرآیند اکسیداسیون گریس و کاهش ضخامت فیلم روغن میشود. در نتیجه، تماس مستقیم سطوح فلزی افزایش یافته و احتمال سایش، ایجاد حفره و خستگی سطحی بیشتر خواهد شد [21]. از دیدگاه نگهداری، افزایش تدریجی دمای یاتاقان معمولاً یکی از نخستین نشانههای کاهش کیفیت روانکاری یا آغاز خرابی بلبرینگ است. به همین دلیل، پایش دمای یاتاقان در بسیاری از برنامههای نگهداری مبتنی بر وضعیت مورد استفاده قرار میگیرد [21].
۶-۶. تاثیر دما بر ترمز الکترومغناطیسی
ترمز یکی از اجزای ایمنی موتورهای گیرلس است و وظیفه نگهداشتن کابین در زمان توقف را بر عهده دارد. عملکرد صحیح این مجموعه به پایداری مشخصات مغناطیسی سیمپیچ و ویژگیهای اصطکاکی سطوح ترمز وابسته است. افزایش دما میتواند نیروی جذب سیمپیچ را تغییر داده و در صورت تداوم، باعث کاهش کیفیت عملکرد ترمز شود [22]. به همین دلیل، بررسی وضعیت ترمز تنها به اندازهگیری فاصله هوایی یا سایش لنت محدود نمیشود و شرایط حرارتی آن نیز باید در برنامههای سرویس دورهای مورد توجه قرار گیرد.
7-6. تاثیر دما بر انکودر
کنترل دقیق سرعت و موقعیت موتورهای PMSM بر پایه اطلاعاتی انجام میشود که انکودر در اختیار درایو قرار میدهد. افزایش دما میتواند بر عملکرد قطعات الکترونیکی داخلی انکودر، پایداری سیگنال خروجی و دقت اندازهگیری اثر بگذارد. هرچند انکودرهای صنعتی برای کار در محدوده دمای مشخص طراحی میشوند، اما تجاوز از این محدوده احتمال بروز خطاهای کنترلی را افزایش میدهد [23].
8-6. پایش دمای موتور
امروزه کنترل دمای موتور تنها به استفاده از رلههای حرارتی محدود نیست. در بسیاری از موتورهای گیرلس، حسگرهای PT100، PT1000 یا PTC در نقاط مختلف سیمپیچ نصب میشوند و اطلاعات دمایی را به درایو یا سیستم حفاظتی ارسال میکنند [24]. ثبت مداوم این اطلاعات امکان تحلیل روند تغییرات دما را فراهم میکند. اگر روند افزایش دما پیش از رسیدن به محدوده بحرانی شناسایی شود، میتوان با انجام اقدامات اصلاحی مانند تنظیم پارامترهای درایو، بهبود تهویه یا سرویس یاتاقانها از بروز خرابیهای پرهزینه جلوگیری کرد. به همین دلیل، پایش دما امروزه یکی از ارکان اصلی نگهداری پیشگیرانه در موتورهای گیرلس به شمار میرود.
۷. راهکارهای مهندسی برای کنترل دمای موتورهای گیرلس
کنترل دمای موتورهای گیرلس تنها به انتخاب یک موتور با توان مناسب محدود نمیشود، بلکه نتیجه مجموعهای از تصمیمات طراحی، نصب، راهاندازی و نگهداری است. بررسی تجربه بهرهبرداری از آسانسورهای مدرن نشان میدهد که بخش قابل توجهی از افزایش دمای موتور، ناشی از شرایط نامناسب بهرهبرداری است و الزاماً به نقص در طراحی یا کیفیت ساخت موتور مربوط نمیشود [26][25]. به همین دلیل، مدیریت شرایط حرارتی باید از مرحله طراحی پروژه آغاز شده و در تمام طول عمر تجهیزات ادامه یابد.
1-7. انتخاب صحیح ظرفیت موتور
اولین گام در کنترل شرایط حرارتی، انتخاب صحیح موتور متناسب با مشخصات پروژه است. ظرفیت کابین، سرعت نامی، ارتفاع حرکت، سیستم تعلیق، ضریب تعادل، تعداد استارت در ساعت و نوع کاربری ساختمان، همگی بر گشتاور و توان مورد نیاز موتور تاثیر میگذارند [25]. چنانچه موتور با ظرفیت کمتر از مقدار مورد نیاز انتخاب شود، جریان کاری افزایش یافته و در نتیجه تلفات اهمی سیمپیچ بیشتر خواهد شد. ادامه این وضعیت، افزایش دمای موتور و کاهش عمر سیستم عایقی را به دنبال دارد. در مقابل، انتخاب موتوری با ظرفیت بسیار بالاتر از نیاز نیز اگرچه از نظر حرارتی مشکل خاصی ایجاد نمیکند، اما موجب افزایش هزینه اولیه، کاهش بازده اقتصادی و کارکرد موتور در ناحیهای دور از نقطه بهینه خواهد شد [26]. ازاینرو، انتخاب موتور باید بر اساس محاسبات بار و اطلاعات فنی ارائهشده توسط سازنده انجام شود و از انتخاب صرف بر پایه تجربه پروژههای مشابه اجتناب شود.
2-7. نقش تهویه و شرایط محیط نصب
توانایی موتور در دفع حرارت به همان اندازه تولید حرارت اهمیت دارد. حتی اگر موتور مطابق ظرفیت نامی خود کار کند، محدود بودن گردش هوا یا افزایش دمای محیط میتواند سبب افزایش دمای کاری آن شود [27]. در بسیاری از موتورخانههای آسانسور، تهویه مناسب پیشبینی نشده یا مسیر جریان هوا به وسیله تجهیزات دیگر مسدود شده است. در چنین شرایطی، اختلاف دمای میان سطح موتور و محیط کاهش یافته و انتقال حرارت از طریق همرفت با افت مواجه میشود. نتیجه این وضعیت، افزایش تدریجی دمای سیمپیچ، یاتاقانها و آهنرباهای دائم خواهد بود. در مناطق گرمسیر که دمای محیط در فصل تابستان به بیش از ۴۵ درجه سانتیگراد میرسد، اهمیت تهویه مناسب دوچندان است. در این شرایط، حتی عملکرد موتور در محدوده بار نامی نیز ممکن است باعث رسیدن دمای اجزای داخلی به مقادیر نزدیک به حد مجاز شود [27].
3-7. تنظیم صحیح پارامترهای درایو
در موتورهای گیرلس، درایو تنها وظیفه کنترل سرعت را بر عهده ندارد، بلکه رفتار حرارتی موتور نیز تا حد زیادی تحت تاثیر نحوه تنظیم آن قرار دارد. پارامترهایی مانند جریان نامی، زمان شتابگیری، زمان توقف، فرکانس سوئیچینگ و الگوریتم کنترل گشتاور، همگی میتوانند میزان تلفات موتور را تغییر دهند [28]. برای مثال، اگر مقدار جریان نامی درایو بیش از مقدار واقعی موتور تنظیم شود، سیستم حفاظتی دیرتر عمل خواهد کرد و احتمال افزایش بیش از حد دمای سیمپیچ افزایش مییابد. همچنین انتخاب نامناسب فرکانس سوئیچینگ میتواند موجب افزایش هارمونیکهای جریان و در نتیجه افزایش تلفات هسته و تلفات پراکنده شود. به همین دلیل، تنظیم پارامترهای درایو باید بر اساس اطلاعات پلاک موتور و دستورالعمل سازنده انجام گیرد و هرگونه تغییر در این تنظیمات با بررسی فنی همراه باشد.
4-7. نگهداری مبتنی بر وضعیت
در سالهای اخیر، رویکرد نگهداری تجهیزات صنعتی از تعمیر پس از خرابی به سمت نگهداری مبتنی بر وضعیت (Condition-Based Maintenance) تغییر یافته است. در این روش، تصمیمگیری درباره زمان سرویس یا تعمیر بر اساس اطلاعات واقعی عملکرد تجهیزات انجام میشود، نه صرفاً بر اساس زمان کارکرد [29]. در موتورهای گیرلس، مهمترین پارامترهای قابل پایش عبارتاند از:
- دمای سیمپیچ
- دمای بلبرینگ
- ارتعاشات مکانیکی
- جریان مصرفی موتور
- وضعیت عملکرد ترمز
- خطاهای ثبتشده در درایو
تحلیل روند تغییر این پارامترها میتواند بسیاری از خرابیها را پیش از وقوع شناسایی کرده و از توقف ناگهانی آسانسور جلوگیری کند.
5-7. ترموگرافی مادون قرمز
یکی از روشهای مؤثر در ارزیابی وضعیت حرارتی موتورهای الکتریکی، استفاده از دوربینهای ترموگرافی مادون قرمز است. این روش امکان بررسی توزیع دمای سطح موتور را بدون نیاز به توقف تجهیزات فراهم میکند [30]. وجود نقاط داغ (Hot Spot) روی بدنه موتور، اتصالات الکتریکی یا ترمینالها معمولاً نشاندهنده افزایش مقاومت اتصال، بارگذاری نامتقارن یا ضعف در سیستم خنککاری است. استفاده دورهای از ترموگرافی، بهویژه در ساختمانهای پرتردد، میتواند از بروز بسیاری از خرابیهای ناگهانی جلوگیری کند. در جدول 3 اثرات دما بر اجزای موتور بصورت در یک نگاه آورده شده است.
| اجزای موتور | اثر افزایش دما |
| سیمپیچ | افزایش مقاومت و تلفات |
| عایق | کاهش عمر |
| آهنربای NdFeB | کاهش شار مغناطیسی |
| بلبرینگ | کاهش عمر گریس |
| ترمز | کاهش عملکرد |
| انکودر | کاهش دقت |
جدول 3 اثراات دما بر اجزای موتور در یک نگاه
۸. نتیجهگیری
موتورهای گیرلس مبتنی بر فناوری PMSM به دلیل راندمان بالا، کنترل دقیق سرعت، حذف گیربکس و کاهش هزینههای نگهداری، به یکی از مهمترین اجزای سامانههای آسانسور مدرن تبدیل شدهاند. با این حال، بررسی انجامشده در این مقاله نشان میدهد که عملکرد مطلوب این موتورها تا حد زیادی به شرایط حرارتی آنها وابسته است. نتایج این مطالعه نشان داد که افزایش دمای موتور تنها موجب افزایش مقاومت سیمپیچ و کاهش راندمان نمیشود، بلکه بهصورت همزمان بر سیستم عایقی، آهنرباهای دائم، یاتاقانها، ترمز و تجهیزات اندازهگیری نیز اثر میگذارد. تداوم این شرایط میتواند فرآیند پیرشدگی اجزای مختلف موتور را تسریع کرده و احتمال بروز خرابیهای زودرس را افزایش دهد.
از سوی دیگر، مشخص شد که مدیریت دما صرفا با انتخاب یک موتور مناسب امکانپذیر نیست، بلکه نیازمند مجموعهای از اقدامات مهندسی شامل انتخاب صحیح ظرفیت موتور، طراحی مناسب تهویه، تنظیم دقیق پارامترهای درایو، پایش مستمر دمای اجزای داخلی و اجرای برنامههای نگهداری مبتنی بر وضعیت است. رعایت این اصول نهتنها باعث افزایش قابلیت اطمینان موتور میشود، بلکه هزینههای تعمیر و توقف آسانسور را نیز به میزان قابل توجهی کاهش میدهد. با توجه به گسترش استفاده از موتورهای گیرلس در ساختمانهای مرتفع و آسانسورهای پرسرعت، انتظار میرود در سالهای آینده استفاده از سامانههای هوشمند پایش دما، تحلیل دادههای عملکرد و الگوریتمهای پیشبینی خرابی، نقش پررنگتری در نگهداری این موتورها ایفا کند. توسعه این فناوریها میتواند علاوه بر افزایش ایمنی، زمینه بهرهبرداری اقتصادیتر و پایدارتر از سامانههای آسانسور را نیز فراهم سازد.
نویسنده : دکتر کیوان رستم پور
