بررسی انواع کوپل‌های الکترومغناطیسی

در ماشین‌های الکتریکی عمدتا از سه نوع کوپل استفاده می‌گردد:

1. کوپل تداخلی (interaction torque)
2. کوپل رلوکتانسی (reluctance torque)
3. کوپل هیسترزه (hysteresis torque)

[ایجاد کوپل معادل ایجاد گشتاور است به همین خاطر است که گاها به جای واژه‌ی کوپل از گشتاور استفاده می‌کنند: «گشتاور تداخلی»، «گشتاور رلوکتانسی» «گشتاور هیسترسه»]

کوپل تداخلی

این نوع کوپل، در ماشین‌های جریان دائم (دی‌سی)، اندوکسیونی (آسنکرون) و سنکرون، وجود دارد. برای ایجاد آن لازم است دو میدان مغناطیسی، یکی در روتور و دیگری در استاتور، که نسبت به هم ساکن هستند، ایجاد شود.

اساس تولید کوپل تداخلی

می‌دانیم که دو قطب همنام یکدیگر را دفع، و دو قطب غیرهم‌نام یکدیگر را جذب می‌کنند. حال به ماشین‌های دوقطب شکل زیر نگاه کنید:

نحوه‌ی ایجاد گشتاور تداخلی

هر گاه محور مغناطیسی روتور تحت زاویه‌ی δ نسبت به محور مغناطیسی استاتور قرار گیرد، کوپل الکترومغناطیسی Te بر روتور وارد خواهد شد و نهایتا آن را در موقعیت δ=۰ قرار خواهد داد. به عبارت دیگر دو قطب غیر همنام روتور و استاتور (Nr و Ss) یکدیگر را جذب می‌کنند.

حال اگر به تریبی قطب‌های استاتور (میدان استاتور) دوران داده شود، روتور نیز به همراه آن به گردش در خواهد آمد.

زوایه‌ی δ را زاویه‌ی بار می‌نامند و از کمیت‌های مهم ماشین‌های الکتریکی است.

شرایط تولید کوپل تداخلی

می‌توان با بررسی‌های ریاضی نشان داد که شرایط زیر برای ایجاد کوپل تداخلی لازم است:

1. وجود دو میدان، یکی در استاتور و دیگری در روتور
2. دو میدان باید همجنس باشند (مثلا میدان دی‌سی با میدان دوار، کوپل ایجاد نمی‌کند)
3. دو میدان نباید با هم هم‌امتداد باشند (در صورتی که زاویه‌ی بین دو میدان صفر باشد گشتاوری ایجاد نمی‌شود ولی به محض اینکه با هم اختلاف زاویه پیدا کنند، در جهت همراستا شدن گشتاور ایجاد خواهد شد)
4. تعداد قطب‌های میدان استاتور و میدان روتور باید برابر باشند، در غیر این صورت حالت دافعه یا جاذبه‌ی دائمی بین دو میدان برقرار نخواهد گردید و گشتاوری تولید نخواهد شد (Tt=0)
5. دو میدان باید نسبت به هم ساکن باشند. اگر شرایط دیگر برقرار باشند، اما دو میدان نسبت به هم ساکن نباشند، کوپل تولید شده بر حسب زمان از نوع متناوب خواهد بود که نیم پریود مثبت و نیم پریود منفی است و در نتیجه مقدار متوسط گشتاور (Tav) صفر خواهد شد.

اگر هر یک از شرایط ایجاد کوپل تداخلی برقرار نباشد، مقدار متوسط این رابطه صفر خواهد شد.

نکته‌ی ۱: مسلما تعداد میدان‌ها به تعداد قطب‌ها بستگی ندارد و همیشه دو قطب داریم، یکی در استاتور و دیگری در روتور

نکته‌ی ۲: در ادامه‌ی شرط پنجم، توجه به این نکته ضروری است که میدان‌های DC و ac، همواره نسبت به هم ساکن هستند ولی میدان‌های دوار الزاما نسبت به هم ساکن نیستند.

بد نیست در اینجا نگاهی به عملکرد ماشین آسنکرون و شرایط تولید کوپل در آن داشته باشیم. ابتدا باید بدانیم که ماشین القایی یک ماشین دو تحریکه است. هر چند یکی از تحریک‌ها ناشی از القا می‌باشد. با توجه به شرایط کوپل تداخلی چون در دور سنکرون میدان صفر می‌شود و تنها یک میدان داریم، پس در دور سنکرون گشتاور صفر خواهد شد. همان طور که می‌دانیم در عمل بار موتور القایی هرگز صفر نمی‌شود ولی با کم شدن بار، زوایه‌ی بار کم می‌شود، پس میدان‌ها به سمت هم‌راستا شدن پیش می‌روند به همین علت است که گشتاور تولیدی کاهش می‌یابد. از طرف دیگر میدان روتور کوچک نیز می‌شود. بنابراین در حالت بی‌باری، گشتاور به دو علت به صفر نزدیک می‌شود: یکی هم امتداد شدن میدان‌ها و دیگری کوچک شدن میدان استاتور.

در ماشین سنکرون هم دو میدان داریم، یکی میدان ناشی از استاتور و دیگری میدان ناشی از روتور، بنابراین ماشین سنکرون مشخصا دو تحریکه است و باید دو تحریک داشته باشد. شرط ساکن بودن میدان‌ها نسبت به هم منجر می‌شود که ماشین سنکرون همواره در دور سنکرون بچرخد.

در ماشین DC، رابطه‌ی تولید گشتاور به صورت زیر است:

که مطابق رابطه‌ی گفته شده در بالاست چراکه در آن شار تحریک متناسب با Bs و جریان آرمیچر متناسب با Br است.

بررسی زاویه‌ی بار در ماشین‌های مختلف

• در ماشین‌های جریان دائم (دی‌سی)، هر دو میدان روتور و استاتور در فضا ساکن هستند و زاویه‌ی بار دلتا (δ)، عملا ۹۰ درجه‌ی الکتریکی می‌باشد.
• در ماشین‌های سنکرون، هر دو میدان با سرعت‌های ثابت و برابر (سرعت سنکرون) و به طور همجهت دوارن می‌کنند و زاویه‌ی بار δ بین ۰ تا ±۹۰ درجه متغیر است. مقدار دلتا بستگی به بار ماشین دارد، در حالت بی‌باری حدود صفر و در بار ماکسیمم حدود ۹۰ درجه است.
• در ماشین‌های اندوکسیونی (القایی) هر دو میدان با سرعت‌های برابر و همجهت دوران می‌کنند و زاویه‌ی بار حدود ۹۰ درجه و ثابت است.

یک آزمایش جالب برای درک زاویه‌ی بار در ماشین‌های الکتریکی استفاده از استرواسکوپ است. فرض کنید یک نقطه‌ی مشخص روی شافت ماشین سنکرون را علامت گذاری کنیم. سپس در یک محیط تاریک ماشین را با سرعت فرضی 3000rpm به گردش در‌آوریم. اگر یک چراغ در بالای شافت قرار داده شود که با همین فرکانس روشن و خاموش شود و هنگام عبور علامت آن را روشن کند. شافت موتور ثابت به نظر خواهد رسید. اگر روی موتور بار بگذاریم، این نقطه کمی به عقب می‌رود و به اندازه‌ی زاوایه‌ی بار جابجا خواهد شد.

[یک مثال برای درک بهتر پدیده‌ی استروبوسکوپیک: هنگامی است که یک پنکه در لحظات اول شروع به چرخش می‌کند، اگر شب‌هنگام باشد و لامپی رشته‌ای در کنار آن روشن باشد، به نظر می‌آید که دارد برعکس می‌چرخد، علت این است که لامپ رشته‌ای با فرکانس ۱۰۰ هرتز در ثانیه روشن و خاموش می‌شود، و این عکس‌ها هنگامی که کنار هم قرار داده می‌شوند در لحظات اول، چرخش برعکس را تداعی به تصویر می‌کشند]

حال اگر این آزمایش را با یک ماشین آسنکرون تکرار کنیم نتیجه چه خواهد بود؟ با توجه به اینکه با افزایش بار در این ماشین سرعت گردش روتور تغییر می‌کند، نقطه پس از گذاشتن بار دیگر ثابت به نظر نخواهد رسید.

(همچنین مقایسه کنید با زاویه‌ی بار در درس بررسی سیستم‌های قدرت)

کوپل رلوکتانسی

برای ایجاد کوپل رلوکتانسی تنها یک میدان (معمولا در استاتور) نیاز است. ولی فرم هندسی روتور و استاتور باید به نحوی باشد که مقاومت مغناطیسی مدار تابعی از موقعیت روتور گردد. از این نوع کوپل در موتورهای رلوکتانسی استفاده می‌شود.

تئوری عملکرد موتور رلوکتانسی

کوپل رلوکتانسی از پدیده‌ای که در آن سطوح فرومغناطیس به یکدیگر نیروی جاذبه وارد می‌کنند استفاده می‌کند. می‌توان ثابت کرد که در حالت خطی، نیروی رلوکتانسی از رابطه‌ی زیر بدست می‌آید:

[برای اثبات رجوع شود به ماشین‌های الکتریکی فیتزجرالد، فصل ۱۱، ویرایش ۱۹۶۱]

در این رابطه Φ شار مغناطیسی، R مقاومت مغناطیسی مدار و X فاصله‌ است.

جهت نیرو به گونه‌ای خواهد بود تا فرم هندسی مدار مغناطیسی را به گونه‌ای تغییر دهید که شار مغناطیسی افزایش پیدا کند (رلوکتانس کاهش یابد).

راه ایجاد کوپل یا گشتاور رلوکتانسی

در حالت ساده‌ی شکل بالا (شکل سمت راست)، مقدار نیرو از رابطه‌ی زیر بدست می‌آید.

برای حالت دورانی می‌توان نشان داد که کوپل رلوکتانسی وارد بر قطعه متحرک چنین است:

تاکید می‌شود که برای ایجاد کوپل رلوکتانسی (نیروی رلوکتانس) تنها نیاز به تولید یک میدان مغناطیسی داریم.

کوپل هیسترسه

برای ایجاد این نوع کوپل از خاصیت هیسترسه آهن استفاده می‌شود و تنها به وجود یک میدان (از نوع دوار) نیاز است. این کوپل تنها در موتورهای هیسترزه کاربرد دارد.

[در آینده کامل خواهد شد]