موتور ابر رسانا – از صفر تا صد

با پيشرفت روزافزون علم و گسترش جمعيت، مصرف انرژی روز به روز افزايش يافته و نگاه‌ها به سوی انرژی الكتريكی معطوف شده است. در اين ميان، ماشين‌های الكتريكی در نقش مبدل‌های انرژی الكترومكانيكی، از اهميت ويژه‌ای برخوردارند. امروزه نياز به ماشين‌هایی با نويز و سر و صدای كمتر، توان بيشتر و وزن و حجم كمتر بسيار احساس می‌شود. پيشرفت ابررساناها و ابررساناهای دمابالا (High Temperature Superconductor) یا HTS سبب به وجود آمدن گونه‌ای از ماشين‌های الكتريكی گردان (ابرموتورها و ابرژنراتورها) شده است كه به طور كلی ابرماشين ناميده می‌شوند. ابرماشين‌ها در مقايسه با ماشين‌های الكتريكی مرسوم با مشخصات نامیِ برابر، ارزان‌تر، سبک‌تر، فشرده‌تر و كارآمدتر هستند و از همه مهم‌تر، شرايط عملكرد پايدار را در سيستم قدرت میسر می‌کنند. در اين آموزش به ساختمان و طرح كلی يک موتور ابر رسانا ، یعنی موتور HTS سنكرون می‌پردازیم.

پديده ابر رسانایی و ابر رساناهای دما بالا (HTS)

در سال 1911 میلادی یک محقق هلندی پی برد که وقتی جیوه تا دمای 4 کلوین سرد شود، كاهش مقاومت آن در مقابل جریان الکتریکی ادامه می‌یابد. این حالت را خاصیت ابررسانا نامیده‌اند. در دمای معمولی، فلزات در مقابل حرکت الکترون‌ها دارای مقاومت هستند، ولی اگر دمای فلز کاهش یابد، مقاومت آن در برابر حرکت الکترون‌ها نیز کم می‌شود؛ به طوری که هرچه فلز سردتر شود، مقاومت آن در مقابل حرکت الکترون‌ها نیز کمتر می‌شود تا به صفر برسد. دلیل این امر آن است که با برقراری جریان برق در فلز (سیم)، اتم‌های آن به شدت لرزش یافته و باعث پراکنده شدن الکترون‌ها می‌شوند که این حالت نوعی مانع در مقابل حرکت الکترون‌ها ایجاد می‌کند. با سرد شدن فلز ارتعاش اتم‌ها کمتر شده و هرچه سردتر شود، ارتعاش اتم‌ها نیز کمتر می‌شود و در نتیجه، حرکت الکترون‌ها بهتر صورت می‌گیرد و اگر دمای فلز باز هم کاهش داده شود، در دمای مشخص هر فلز حرکت اتم‌ها به کلی متوقف خواهد شد. در این مرحله، مقاومت فلز ناگهان صفر شده و الکترون‌ها در مدار بدون مقاومت حرکت می‌کنند. این خاصیت در آلیاژهای مختلف فلزات و مواد رسانا متفاوت است.

ابررساناها معمولاً در دمای چند درجه بالاتر از صفر مطلق (273- درجه سانتی‌گراد) ابررسانا می‌شوند. این امر مستلزم سرد کردن فلز تا حدود صفر مطلق است. مواد ابرسانا در دمای بالا (HTS) موادی هستند که به مراتب، بالاتر از صفر مطلق ابررسانا می‌شوند؛ مثلاً در دمای 190- درجه سانتی‌گراد. در نتیجه، این مواد مناسب‌تر از سایر موادی هستند که باید در دمای صفر مطلق سرد شوند. قبلاً برای سرد کردن مواد ابررسانا از هلیوم مایع استفاده می‌شد كه مایعی بسیار گران و کمیاب است. در سال 1986 میلادی تحقیقات نشان داد که آلیاژ مس با نوعی اکسید را می‌توان با نیتروژن مایع تا دمای 196- درجه سانتی گراد سرد کرد. این مایع ضمن اینکه فراوان و ارزان است، کاربرد آن نیز برای این منظور بسیار ساده خواهد بود.

يك ابررسانای ايده‌آل، ماده‌ای است كه در دمايی پايين‌تر از دمای بحرانی دارای دو مشخصه اساسی مقاومت صفر و ديامغناطيس كامل است. خاصيت دوم (خاصيت ديامغناطيس كامل مواد ابررسانا) به اين معناست كه ماده ابررسانا اجازه ورود و نفوذ يک ميدان مغناطيسی خارجی اعمال شده را به درون خود نمی‌دهد.

موتور ابر رسانا

مهم‌ترين جزء يک سيستم پيشرانه الكتريكی (مثلاً در كشتی‌ها)، يک موتور الكتريكی مناسب است كه بايد مشخصه‌های منحصر به فردی نظير وزن كم همراه با توان و گشتاور بالا (چگالی توان بالا)، نويز و سر و صدای كم و قابليت اطمينان بالا داشته باشد. عملكرد مناسب و قابل قبول سيستم پيشرانه الكتريكی، به طراحی یک موتور الكتريكی فشرده‌تر با بازده بالا نیاز دارد.

فیلم آموزش ماشین های الکتریکی ۲ در فرادرس

کلیک کنید

موتورهای ابررسانا گونه‌های جديدی از موتورهای سنكرون هستند كه در آن‌ها از سيم‌پيچ‌ها و صفحات ابررسانا به جای سيم‌پيچ‌های معمول به كار رفته در موتورهای مرسوم استفاده می‌شود. از آنجا كه اين سيم‌پيچ‌ها قادر به توليد و تحمل جريان‌های بسيار بزرگ‌تر نسبت به سيم‌پيچ‌های مسی هستند، ميدان مغناطيسی قوی‌تری در محيط ماشين توليد می‌كنند و در نهايت منجر به ماشينی با توان بالاتر می‌شوند. در موتورهای ابررسانا با جايگزين كردن سیم‌پيچ مسی با سيم‌پيچ‌های ابررسانا، می‌توان به چگالی جريانی در حدود 10 برابر حالت قبل بدون تلفات مقاومتی دست يافت.

در مقایسه دو موتور با قدرت مشابه، موتور ابررسانا از نظر وزن، یک سوم و از نظر حجم، نصف یک موتور با سیم‌های مسی معمولی است که این کاهش وزن و حجم در کشتی یکی از مزایای بسیار با ارزش است، زیرا شناورها، به خصوص شناورهای نظامی، قادر خواهند بود نیازمندی‌های دیگر عملیاتی مانند، سوخت یا مهمات و غیره را حمل کنند. علاوه بر این، دستاوردهای غیرنظامی امکان حمل بار و مسافر بیشتری خواهند داشت. علاوه بر این، مصرف سوخت و هزینه‌های تعمیر و نگهداری شناورها نیز کمتر خواهد شد.

موتور ابررسانا در واقع يک موتور با هسته هوايی است كه استاتور آن بدون دندانه ساخته می‌شود. اين ساختار اشباع هسته و تلفات آهن را حذف می‌كند. ابررساناها عملاٌ در دماهای بسيار پايين دارای خاصيت ابررسانايی هستند؛ بنابراين اولين گزينه طراحی بايد بر انتخاب ساختاری معطوف شود كه در آن، دستيابی به دماهای پايين امكان‌پذير و راحت باشد. با توجه به نياز گزينه آرميچر گردان بيرونی، ميدان (تحريک) ثابت درونی و اينكه قرار است تنها توليد ميدان تحريک بر عهده ابررساناها باشد، مناسب‌ترين گزينه برای طراحی این است كه ابررساناها به صورت ثابت قرار گرفته و شرايط بسيار مناسبی برای خنک كردن آن‌ها مهیا شود.

ساختمان موتور HTS

طرح كلی مقطع يک موتور HTS در شكل 2 نشان داده شده است. استاتور شامل سيم‌پيچ هسته هوا از جنس ابررسانای دمابالاست كه درون يک ماده غيرمغناطيسی نصب شده است.

روتور از تعدادی صفحه مدور دارای ضخامت (استوانه كم‌ارتفاع) ابررسانا تشكيل شده است كه می‌توانند توسط شار قطب‌ها تحريک و مغناطيسی شوند (شكل 3).

با استفاده از سيم ابررسانا در سيم‌پيچی، تلفات تحريک $$R_fI_f^2$$ عملاً صفر می‌شود، زيرا $$R_f=0$$ است. شار مغناطيسی توليد شده برای استاتور (آرميچر) توسط سيستم تحريک روتور با اشباع مغناطيسی هسته فرومغناطيس آن محدود نمی‌شود، زيرا استاتور را می‌توان بدون دندانه ساخت. آرميچر بدون شيار يعنی اينكه تلفات در دندانه آرميچر وجود ندارد و چگالی شار در فاصله هوايی توزيع سينوسی خواهد داشت.

مغناطيس كنندگی روتور موتور HTS

چهار روش برای مغناطيسی كردن HTS وجود دارد: خنک‌سازی ميدان (FC)، خنک‌سازی صفر ميدان (ZFC)، مغناطيسی كردن پالسی ميدان (PFM) و مكش شار.

در روش FC يک ميدان مغناطيسی DC قوی به وسيله يک سيم‌پيچ بزرگ توليد می‌شود. اين ميدان تا زمانی كه HTS خنک شود و دمای آن از دمای بحرانی پايين‌تر آيد، برقرار است و پس از آن به آهستگی از بين می‌رود. در روش‌های ZFC و PFM ماده ابررسانای دمابالا تا زير دمای بحرانی سرد شده و پس از آن در معرض يک ميدان مغناطيسی قرار می‌گیرد كه از صفر تا مقدار بيشينه‌ای افزايش و سپس دوباره به صفر كاهش می‌يابد. در روش ZFC ميدان مغناطيسی به صورت خطی و با شيبی ملايم تغيير می‌كند و توسط يک سيم‌پيچ ابررسانا توليد می‌شود، در حالی كه در روش PFM ميدان موجی ضربانی است و اعمال آن مدت زمانی در حد ميلی‌ثانيه به طول می‌انجامد و عموماً توسط تخليه یک بانک خازنی در يک سيم‌پيچ كوچک مسی توليد می‌شود. در روش مكش شار، ميدانی در سراسر ابررسانا كه در معرض يک موج مغناطيسی است پخش می‌شود. موج‌های متوالی در مسيرهای مشابه موجب تغييرات پله‌ای شديدتر جريان در ابررسانا و در نتيجه ايجاد يک ميدان مغناطيسی قوی‌تر می‌شوند.

بر اساس كاوش‌های صورت گرفته در فرايند مغناطيس‌كنندگی ابررساناها، روش PFM مطلوب‌تر است؛ زيرا فراهم كردن وسايل مورد نياز آن و نيز بازيابی مغناطيس‌زدايی جزيی در اثر خطا در اين روش آسان‌تر است.

طرح كلی مغناطيس‌كنندگی HTS در شكل 5 آمده است. دو سيم‌پيچ مسی نيز برای مغناطيس‌كنندگی روتور مورد استفاده قرار می‌گيرند. آهن عقبی به هر سيم‌پيچ الصاق شده تا ميدان توليدی را افزايش دهد. طی فرايند مغناطيس‌كنندگی، در مرحله نخست، يک جفت مجموعه از مجموعه استوانه‌های ابررسانای كم ضخامت توسط قطب‌های N مغناطيسی می‌شوند. پس از آن، روتور 90 درجه می‌چرخد و جفت مجموعه ديگر توسط قطب‌های S مغناطيسی می‌شوند. در نتيجه روتور مغناطيسی‌ خواهد شد.

برای توليد يک ميدان مغناطيسی پالسی (ضربانی) با مقدار بيشينه به اندازه كافی بزرگ، يک منبع مورد نياز است كه بتواند پالس جريان بالا توليد كند. (شكل 6)

طراحی موتور HTS

طرح كلی يک موتور HTS‌ در شكل 1 نشان داده شد. اكنون می‌خواهيم با توجه به آنچه گفته شد، يک موتور HTS بدون در نظر گرفتن محاسبات پيچيده و از نظر كلی طراحی كنيم.

در گام اول، استاتور را طراحی می‌کنیم.

فیلم آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک و شبیه سازی در پروتئوس و اورکد Proteus و OrCAD در فرادرس

کلیک کنید

طراحی استاتور

ابتدا باید HTS را انتخاب کنیم. نوار HTS كه برای سيم‌پيچی آرميچر از آن استفاده می‌شود از جنس AMSC YBCO و نوع 344 است.

گام بعدی، مربوط به طراحی استاتور است. همان‌طور كه می‌دانيم، سيم‌پيچی آرميچر در معرض يک ميدان مغناطيسی گردان قرار می‌گيرد. در نتيجه، عمل سيم‌پيچی بايد به گونه‌ای باشد كه تلفات AC حداقل شود. در طراحی سيم‌پيچ آرميچر، پيشانی نوار YBCO در كنار اجزای محكم ميدان مغناطيسی روتور قرار می‌گيرند، زيرا تلفات AC در زوايای مختلف توسط اين اجزای ستون‌وار ميدان كنترل می‌شوند. علاوه بر اين، به دليل داشتن تغيير شكل نسبی حدود ۰٫۳ درصد، نوار YBCO ترد و شكننده است.

در نتيجه، سيم‌پيچی آرميچر موتور HTS از شش سيم‌پيچ حلقه-مسطح (مانند زمين دو و ميدانی) با شعاع زانویی در حدود چند سانتی‌متر تشكيل می‌شود. نحوه اين سيم‌پيچی در شكل‌های ۷، ۸ و ۹ آمده است.

سيم‌پيچی‌های دولايه HTS روی هم سوار می‌شوند تا يک سيم‌پيچی واحد را تشكيل دهند. اين كار سبب دو برابر شدن تعداد دورهای سيم‌پيچی و بيشينه كردن اندوکتانس آن می‌شود. تعداد كل دور بر فاز سيم‌پيچی‌های استاتور 200 است كه سهم هر لايه 50 دور خواهد بود.

ساختمان استاتور موتور در شكل 10 نشان داده شده است. استاتور موتور HTS از شش سيم‌پيچی آرميچر HTS (برچسب 1) تشكيل می‌شود و پشتيبان‌های غيرمغناطيسی (برچسب 2) و نيز مواد غيرمغناطيسی بيرون حلقه‌ها (برچسب 3) برای ثابت كردن موقعيت سيم‌پيچی‌ها به كار می‌روند. در آخر نيز يک پوشش برای جلوگيری از تابش الكترومغناطيسی در ماشين به كار گرفته می‌شود.

طراحی روتور

استوانه‌های كم‌ارتفاع HTS (كه قبلاً معرفی شدند)، هنگامی كه مغناطيسی شوند، مانند آهنربای دائم كار می‌كنند و بنابراين از آن‌ها در ساختمان روتور استفاده می‌شود. پيكربندی روتور در شكل ۱۱ و ۱۲ نشان داده شده‌اند.

روتور از یک محور از مواد غيرمغناطيسی، يک فضای كمعمق برای پر کردن نيتروژن مايع جهت خنک‌سازی استوانه‌های كم‌ارتفاع ابررسانا و 80 استوانه كم‌ارتفاع ابررسانای چسبيده به يک ديواره مسی با لايه چسبناک 1 ميلی‌متری با دمای پايين ساخته می‌شود. ديواره مسی گرما را از استوانه‌های كم‌ارتفاع ابررسانا به نيتروژن مايع هدايت می‌كند. حاشيه (ديواره) روتور از مواد عايق گرما تشكيل می‌شود. قطر كلی روتور تقريباً 180 ميلی‌متر است.

در آغاز عملكرد ماشين، سيم‌پيچی‌های آرميچر برای توليد ميدان مغناطيسی روتور عمل می‌كنند. هر يک از فازهای آرميچر با يک جريان DC و برای توليد يک ميدان ايستا و مخالف با ميدان توليد شده توسط يک منبع جريان سه فاز متعادل تغذيه می‌شوند. پس از آن، روتور به وسيله نيتروژن سرد شده و استوانه‌های كم‌ارتفاع، ابررسانا می‌شوند و شار به وجود آمده را درون خود محصور و محبوس می‌كنند. سپس يک منبع جريان سه‌فاز AC به استاتور اعمال می‌شود و ماشين مانند يک موتور سنكرون مغناطيس دائم عمل خواهد كرد.

آزمايش سيم‌پيچی‌ها

سيم‌پيچی‌های آرميچر به واسطه نسل دوم اكسيد مس باريم وايتوريوم (YBCO) به صورت نواری مستحكم می‌شوند. پيكربندی سيم‌پيچی در شكل 13 تشريح شده است.

سيم‌پيچ از فولاد ضدزنگ تشكيل شده است كه برای جلوگيري از به وجود آمدن جريان حلقه‌بسته، قسمتی از آن شكافته شده است. قسمت شكاف‌دار به وسيله قطعه G10 پوشانده و پايدار شده است.

شابلن (قالب‌گير) با نوعی نوار پارچه‌ای به عنوان عايق پايه‌ای بسته شده است. در دو سر خروجی سيم‌پيچی HTS، اتصالات مسی برای اتصال مناسب فشرده شده‌اند. سه سيم اتصال ولتاژ (آبی) نيز فشرده‌اند. دو سيم ترموكوپل نيز بين نيمه‌های سيم‌پيچ قرار گرفته‌اند. دو سنسور Pt100 (قرمز) نيز تعبیه شده‌اند. سيم‌پيچ نیز به صورت كامل در اپوكسی رزين قرار می‌گيرد.

جريان بحرانی هر دو لايه نازک YBCO مذكور به وسيله تكنيک جريان ضربه‌ای DC اندازه‌گيری می‌شود (شكل 14). جريان بحرانی در شرايط ميدان الكتريكی اندازه‌گيری می‌شود. برای نوار YBCO مورد آزمايش اگر فاصله بين دو سر 2 سانتی‌متر باشد، جريان بحرانی اندازه‌گيری شده 160 آمپر خواهد بود. از سوی ديگر، طول كلی سيم‌پيچ ابررسانا 60 متر است و بنابراين جريان بحرانی اندازه‌گيری شده سيم‌پيچ 51 آمپر است. كاهش جريان بحرانی به چند عامل وابسته است. اولين عامل ميدان مغناطيسی خودی توليد شده توسط HTS است. عامل ديگر كه مهم‌ترين عامل است، اين است كه طول هر سيم به تنهایی 20 متر بوده، در صورتی كه طول كل سيم‌پيچ 60 متر است. اين موضوع سبب می‌شود كه حداقل در محل اتصال دو سيم جريان بحرانی كل سيم‌پيچ كاهش يابد.

معادلات حاكم بر ماشين و تخمين قدرت آن

معادلات شار پيوندی استاتور و گشتاور الكترومغناطيسی در دستگاه dq‌ به صورت زير هستند:

$$\large \lambda _ d = L _ d i _ d + \lambda _ f \;\;\;\;\; (1)$$

$$\large \lambda _ q = L _ q i _ q \;\;\;\;\; (2)$$

$$\large T = \frac { 3 } { 2 } p (\lambda _ d i _ q - \lambda _ q i _ d ) \;\;\;\;\; (3)$$

كه در آن، $$\lambda _ f$$، $$L _ d$$ و $$L _ q$$ ثابت emf آرميچر و اندوكتانس‌ها و $$p$$ تعداد زوج قطب‌ها است.

ميدان توليد شده توسط قطعات ابررسانای مغناطيس شده تقريباً ۰٫۳ تسلا است. همچنين، ثابت emf آرميچر $$\lambda _ f$$ و اندوكتانس‌های سنكرون $$L_d$$ و $$L_q$$ به صورت زير هستند:

$$\lambda _ f = 0.675 \; \text{Wb}$$

$$\large L _ d = L _ q = 0.8052 \; \text{m H}$$

اگر از يک الگوريتم كنترل بهره بگيريم و زاويه گشتاور را روی 90 درجه نگه داريم، آنگاه مقدار $$i _ d$$ صفر و $$i _ q$$ برابر با كل جريان، يعنی 50 آمپر، خواهد شد و نيز گشتاور الكترومغناطيسی را می‌توان 100 نيوتن متر تخمين زد. بنابراين توان نيز اين‌گونه محاسبه می‌شود:

$$\large P = T \omega _ r = 100 \times 50 \pi = 15.7 \; \text{kW}$$

جمع‌بندی

فناوری ابررساناهای دما بالا سبب پيشرفت قابل توجهی در ساخت موتورهای توان بالا شده است. سيم‌پيچی تحريک ابررسانای دمابالا می‌تواند چگالی شار مغناطيسی بالایی در فاصله هوایی با تلفات تحريک صفر ايجاد كند. مشخصه چنين سيستم تحريكی با سيستم‌های تحريک معمولی، يعنی سيم‌پيچی مسی يا آهنربای دائمی قابل حصول نيست. يک موتور سنكرون با ابررسانای دمابالا (HTS) به طور مؤثر وزن محركه‌های الكترومكانيكی را به نصف می‌رساند. همچنین، موتورهای سنكرون HTS در مقايسه با موتورهای الكتريكی مرسوم با مشخصات نامی برابر، ارزان‌تر، سبک‌تر، فشرده‌تر و كارآمدتر هستند و از همه مهم‌تر شرايط عملكرد پايدار را در سيستم قدرت ميسر می‌سازند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• آموزش شبیه‌سازی عملکرد انواع ماشین‌های الکتریکی در سیمولینک متلب
• مدار سه فاز — از صفر تا صد
• منبع تغذیه سوئیچینگ — به زبان ساده
• کنترل موتورهای الکتریکی — به زبان ساده

^^