معادلات خروجی
معادله ای که ارتباط بین توان خروجی ماشین ، ابعاد اصلی ماشین ، سرعت آن و بارگذاری های الکتریکی و مغناطیسی ویژه را تشریح می کند ، به عنوان معادله خروجی شناخته می شود .
گام نخست طراحی از این معادله برداشته می شود. اکنون معادلات خروجی ماشین های ac و dc را جداگانه بدست می آوریم .
معادله خروجی ماشین های dc
توان ایجاد شده به وسیله آرمیچر یک ماشین dc را می توان از emf تولید شده ی آرمیچر و جریان آن ، به صورت زیر بدست آورد :
با توجه به این که جریان هادی برابر است با ، معادله فوق را می توان به صورت زیر بازنویسی نمود :
عبارت در معادله فوق بارگذاری مغناطیسی کل می باشد و عبارت بارگذاری الکتریکی کل است . بنابراین ، خروجی ماشین dc با حاصل ضرب بارگذاری های الکتریکی و مغناطیسی کل آن متناسب است .
با جایگذاری مقادیر و در معادلات مربوطه خواهیم داشت :
به عنوان ضریب خروجی ماشین dc شناخته می شود :
نکات :
1 توان ایجاد شده توسط آرمیچر بوده و نباید با توان ماشین اشتباه شود .
2 از آن جا که تلفات مکانیکی و آهنی در ماشین های بزرگ نسبتاً کوچک می باشند ، در مرحله محاسبه اولیه می توان از آن ها صرفنظر نمود .
3 بین عملکرد موتوری و ژنراتوری باید تفاوت قائل شد .
4 در ماشین های کوچک ، تلفات آهنی و مکانیکی نسبتاً بزرگ بوده و برای شروع می توان فرض نمود این تلفات تقریباً 30 درصد تلفات کل در بار کامل را تشکیل می دهند .
معادله ی خروجی ماشین های ac :
با فرض یک ماشین m فازه ، KVA ایجاد شده توسط آرمیچر ، Q ، را می توان از emf القاء شده ی آرمیچر و جریان فاز ، ، مطابق رابطه زیر به دست آورد :
با توجه به این که : ( چون در هر فاز فقط یک مدار وجود دارد ) و معادله فوق را می توان به صورت زیر نوشت :
با جایگذاری مقادیر و از معادلات مربوطه داریم :
به طوری که :
عوامل موثر در اندازه ماشین های دوار :
به طور کلی ، قیمت یک ماشین با افزایش ابعادش افزایش می یابد .
با این حال ، بعضی مواقع استفاده از اجزاء قابل دسترسی یک ماشین دست بالا طراحی شده نسبت به ساخت ماشینی با طراحی بهینه ابعاد که نیازمند ابزار جدیدی می باشد ارزان تر است .
در حقیقت ، در محدوده های استاندارد شده ، محدوده ای از خروجی ها با اندازه قاب یکسان و مشابه ساخته می شوند .
می توان مشاهده نمود که ضریب خروجی ماشین های دوار برابر است با :
( ماشین dc ) ( ماشین ac )
حجم قسمت های فعال ماشین دقیقاً به بستگی دارد ، و گشتاور نامی با یا متناسب است . بنابراین ، ضریب خروجی با گشتاور نامی در واحد حجم متناسب خواهد بود .
کاهش قیمت ماشین کاهش حجم ماشین افزایش ضریب خروجی
انتخاب حداکثری تاثیر نامطلوب بر راندمان ، افزایش دما ،
بارگذاری های ضریب قدرت ( موتور القایی )
مغناطیسی و الکتریکی و کموتاسیون ( ماشین dc )
همین منطق بر افزایش سرعت ماشین نیز حاکم می باشد .
اکنون در این بخش عوامل مشترک مورد بحث قرار می گیرند .
سرعت
از آن جا که حجم ماده فعال و کارامد در یک ماشین به طور معکوس با سرعت نامی اش تغییر می کند ، لذا باید بالاترین نرخ سرعت عملی انتخاب شود .
بارگذاری مغناطیسی ویژه :
بارگذاری مغناطیسی ویژه چگالی شار ماکزیمم در قسمت های آهنی ، جریان مغناطیسی و تلفات هسته را تحت تاثیر قرار می دهد .
چگالی شار ماکزیمم :
چگالی شار ماکزیمم در بخش های آهنی ماشین نباید از چگالی شار اشباع مواد به کار رفته بیشتر شود . در یک ماشینی که خوب طراحی شده ، چگالی شار ماکزیموم در باریک ترین قسمت دندانه ایجاد می شود .
رابطه ی بین بارگذاری مغناطیسی ویژه و چگالی شار دندانه ها را می توان با مساوی قرار دادن شار کامل در دو طرف فاصله هوایی بدست آورد ، بنابراین :
در ماشین هایی که از شیارهای مستطیل شکل با اضلاع موازی و دندانه های ذوزنقه ای استفاده شده ، چگالی شار ماکزیمم در انتهای دندانه روتور ( برای ماشین های dc ) و در قسمت نزدیک به فاصله هوایی دندانه استاتور ( برای ماشین های ac ) ایجاد می شود .
نسبت چگالی شار دندانه ها به بارگذاری مغناطیسی ویژه در قسمتی که دندانه ها کمترین پهنا را دارند می تواند خیلی بزرگ باشد. بنابراین ، در این ماشین ها نسبت به ماشین های بزرگ ، با کمترین بارگذاری مغناطیسی ویژه طراحی می شوند. نسبت در ماشین های 50 هرتز استاندارد معمولاً بین 5/2 و 5/3 می باشد .
جریان مغناطیس کنندگی :
جریان مغناطیس کنندگی ماشین مستقیماً با mmf ( نیروی محرکه مغناطیسی ) لازم برای ایجاد شار بی باری در فاصله هوایی و قسمت های آهنی ماشین ، متناسب است .
mmf لازم برای عبور شار در قسمت های آهنی ماشین در مقایسه با فاصله هوایی ، ناچیز بوده و قابل صرفنظر می باشد ، مشروط بر این که: آهن اشباع نشده باشد .
mmf فاصله هوایی مستقیماً با بارگذاری مغناطیسی ویژه متناسب است. بنابراین ، در نگاه اول می توان چنین فرض کرد که جریان مغناطیس کنندگی با بارگذاری مغناطیسی ویژه متناسب است .
مقدار جریان مغناطیس کنندگی معمولاً در ماشین های سنکرون و dc باعث ایجاد محدودیت طراحی جدی نمی گردد. اما ، مقادیر بارگذاری مغناطیسی ویژه در مورد ماشین های القایی معمولاً پایین تر از مقادیر به کار گرفته شده برای ماشین های سنکرون و dc می باشند .
تلفات هسته :
تلفات هسته ( یا آهنی ) متشکل از دو مولفه: تلفات هیسترزیس و جریان گردابی است . تلفات هیسترزیس به طور مستقیم با فرکانس و مربع چگالی شار تغییر می کند. تلفات جریان گردابی تقریباً با چگالی شار و مربع فرکانس متناسب است .
چگالی شار در قسمت های آهنی یک ماشین به طور مستقیم با بارگذاری مغناطیسی ویژه متناسب است . بنابراین ، عامل محدود کننده در انتخاب بارگذاری های مغناطیسی ویژه برای ماشین های dc سرعت بالا و ماشین های ac فرکانس بالا معمولاً تلفات هسته می باشد تا سطح اشباع ورق های مغناطیسس .
به عنوان مثال ، در موتورهای القایی مورد استفاده در هواپیما که فرکانس تغذیه آن ها 400 است ، برای نگهداشتن تلفات هسته در حد قابل قبول ، بارگذاری مغناطیسی ویژه تقریباً نصف یا حتی کمتر از مقدار به کار رفته برای یک ماشین معادل که برای کار با فرکانس شبکه طراحی شده ، خواهد بود .
بارگذاری الکتریکی ویژه :
مشابه بارگذاری مغناطیسی ویژه ، بهتر است بیشترین بارگذاری الکتریکی ویژه ممکن مورد استفاده قرار گیرد. عامل محدود کننده اصلی در انتخاب بارگذاری الکتریکی ویژه افزایش دمای ماشین است .
تلفات مسی در ماشین با مربع مقدار چگالی جریان در هادی های ماشین متناسب است . بنابراین ، انتخاب چگالی جریان هادی با افزایش دمای مجاز ماشین محدود می گردد .
ماکزیموم افزایش دمای مجاز یک ماشین از طریق نوع مواد عایقی به کار رفته در ماشین تعیین می شود . به طور مثال ، مواد آلی کلاس A از قبیل: پنبه می توانند تا دمای حدود 105 درجه سانتی گراد را تحمل کنند ، در حالی که مواد غیر آلی کلاس H مثل لایه های پلی استر ممکن است در دماهای بالاتر ( حدود 180 درجه سانتی گراد ) کار کنند .
بدیهی است که استفاده از مواد عایقی کلاس بالا در یک ماشین ، همراه با خنک سازی بهبود یافته اجازه افزایش بارگذاری ویژه ماشین را خواهد داد .
افزایش تعداد هادی ها Z در یک ماشین نیازمند افزایش سطح شیارها است به طوری که جا دادن همه هادی ها ممکن گردد. سطح شیار را می توان با بکارگیری شیارهای عمیق ، شیارهای عریض ، یا ترکیبی از هر دو افزایش داد .
استفاده از شیارهای عمیق منجر به افزایش اندوکتانس پراکندگی شیار و mmf دندانه بیشتر می شود و با عمق هسته ثابت ، قطر بیرونی بزرگتر می شود. از طرف دیگر ، استفاده از شیارهای عریض برای یک اندازه قاب داده شده ، به دندانه های باریک منجر می شود . این امر راکتانس پراکندگی شیار را کاهش می دهد. اما نسبت چگالی شار دندانه ها به بارگذاری مغناطیسی ویژه افزایش می یابد و در خیلی از موارد ، استفاده از مقدار کمتر برای جلوگیری از اشباع دندانه ها ، لازم و ضروری خواهد بود .
عامل دیگری که لازم است تا هنگام انتخاب بارگذاری الکتریکی ویژه مورد بررسی قرار گیرد ولتاژ عملکرد ماشین می باشد. مواد عایقی در یک شیار در ماشین ولتاژ بالا ( چند کیلوولت ) نسبت به ماشین ولتاژ پایین فضای بیشتری را اشغال می کنند. این مسئله موجب می شود که ضریب اشغال شیار ماشین ولتاژ بالا کمتر از ضریب اشغال شیار ماشین ولتاژ پایین باشد . بنابراین ، بارگذاری الکتریکی ویژه یک ماشین ولتاژ بالا عموماً کمتر از یک ماشین ولتاژ پایین تر با ظرفیت مشابه می باشد .
فهرست مطالب
معادلات خروجی
معادله خروجی ماشین های dc
معادله ی خروجی ماشین های ac
عوامل موثر در اندازه ماشین های دوار
سرعت
بارگذاری مغناطیسی ویژه
چگالی شار ماکزیمم
جریان مغناطیس کنندگی
تلفات هسته
بارگذاری الکتریکی ویژه
طراحی مسی و آهنی
تغییر خروجی و تلفات با توجه به ابعاد ماشین
تفکیک D و L
قاب های استاندارد
ظرفیت های استاندارد شده
فلزات غیر بلورین
جمع بندی
مس و آلیاژهای آن
آلیاژهای مس
آلومینیوم
مواد عایقی
عایق مخصوص هادی
عایق شیار
کاغذهای عایقی
مواد آهن ربای دائم
خواص مغناطیسی
خواص حرارتی