שיקולי השפעת טמפרטורת המנוע באפיון מנועים

שיקולי השפעת טמפרטורת המנוע באפיון מנועים

מנועים משמשים באפליקציות רבות ומגוונות ומהווים מרכיב עיקרי וחשוב. כשאנו נדרשים לבחור מנוע מתאים למערכת חדשה שאנו מתכננים, אנחנו לוקחים בחשבון מספר תכונות של המנוע, כגון: מהירות הסיבוב, מומנט, גודל פיזי של המנוע ועוד.לעיתים, בעת התכנון, אנו מתעלמים היבט חשוב המשפיע על ביצועי המנוע בטווח הקצר ואף הארוך: טמפרטורת המנוע. עליית טמפרטורת המנוע משפיעה על מרכיבים שונים של המנוע, המיסבים, למינצית הסלילים ועוד. מהנדסי החברות Pittman motors  ו-HaydonKerk מפרסמים מאמר זה שבא לחדד את השפעת הטמפרטורה על ביצועי המנוע ולעזור בבחירה נכונה יותר של המנוע.

קבועי המנוע אינם באמת קבועים

מבין התכונות השונות של המנוע, שלושה פרמטרים הקובעים את ביצועי המנוע, נחשבים כקבועים: קבוע המומנט (Kt), קבוע המתח (Ke) והתנגדות הסלילים (Rm). קבועים אלה נקבעים בעת תכנון המנוע והם תלויים בתכונות הפיזיות של המנוע, כגון: מספר הסלילים, מספר הליפופים, קוטר הסלילים ועוד. השם 'קבועי המנוע' יכול לבלבל, היות וערכים אלה אינם קבועים והם משתנים לפי טמפרטורת המנוע. עליית הטמפרטורה תגרום לעליית התנגדות הסילילים ולירידת צפיפות השטף המגנטי. הבנה של שינויים בסיסיים אלה בתכונות המנוע יכולה לעזור בעת בחירת המנוע ונקודת העבודה שלו.

פיזור החום במנוע

המבנה המכני של המנוע משפיע על פיזור החום בתוך המנוע. במנוע DC Brush הסלילים מלופפים על רוטור המנוע. החום שנוצר על הסלילים מושרה דרך הלמיניציה של חוטי הליפוף לציר המנוע ולמיסבים. החום יעבור דרך מרווח האוויר שבין הסלילים אל המגנטים הקבועים ולגוף המנוע ומשם לסביבת המנוע. למרות שחלק מהחום עובר דרך ציר המנוע, רוב החום שנוצר יעבור דרך המרווח שבין הסלילים למגנטים. במנוע Brushless DC, הסלילים מורכבים כחלק מגוף המנוע. מבנה זה מאפשר לחום לעבור ישירות לגוף המנוע ולסביבה, וכך מאפשר פיזור חום טוב יותר. בכל מקרה, קשה מאוד לחזות מה תהיה עליית הטמפרטורה בכל רכיב במנוע ללא ניסוי אמפירי.

השפעת הטמפרטורה על התנגדות הסלילים

התנגדות הסלילים במנוע (Rm) היא הגורם העיקרי ליצירת חום במנוע. על מנת ליצור מומנט במנוע צריך שזרם יזרום בסלילי המנוע. פיסיקה וזיהומים בחומר ממנו עשויים הסלילים (לרוב נחושת) גורמים לכך שהאטומים המרכיבים את הסלילים מתנודדים במהירות כאשר זורם דרכם הזרם וכתוצאה מכך נוצרת  עלייה קבועה בטמפרטורת הסלילים. בנוסף לכך, לכל המתכות מקדם טמפרטורה חיובי של התנגדות הסלילים וזה גורם לכך שככל שהטמפרטורה עולה, עולה גם התנגדות הסלילים.

השפעת הטמפרטורה של צפיפות השטף המגנטי

קבועי המומנט (Kt) והמתח (Ke) קשורים ישירות לצפיפות השטף המגנטי הנוצרים מהמגנטים הקבועים שבמנוע. בתלות בחומרים מהם עשוים המגנטים, שינוי בטמפרטורה יגרום לשינוי בצפיפות השטף המגנטי. ככל שהטמפרטורה עולה, מתנודדים האטומים וגורמים למומנטים המגנטים המרכיבים את המגנט לשנות מצב, ממומנמטים מגנטים הפונים לכיוון מסויים למומנטים מגנטיים הפונים לכיוונים אקראיים. שינוי מצב זה של המומנטים המגנטיים, מקטין את צפיפות השטף המגנטי ובהתאם את המומנט שנוכל להפיק מהמנוע. שינויים אלה הינם זמניים וכאשר המנוע יתקרר יחזרו הערכים השונים לערכם הרגיל, אולם, עלייה גבוהה מדי בטמפרטורה (הערך המדוייק תלוי בחומר ממנו עשויים המגנטים) עלולה לגרום לתופעה דה-מגנטיזציה של המגנטים באופן קבוע ובהתאם לירידה קבועה בביצועי המנוע.

השפעת השינויים על ביצועי המנוע

השינויים בהתנגדות ובצפיפות השטף המגנטי כתוצאה מעליית הטמפרטורה משנים את שיפוע גרף ההיענות של המנוע. שינוי זה מגדיל את המהירות המקסימלית בה המנוע יכול להסתובב כשאין עומס על המנוע ומוריד את מומנט המנוע המקסימלי (stall torque). באיור 1 ניתן לראות את ההשפעה על המנוע כתוצאה מעליית הטמפרטורה. אומנם אנו 'מרוויחים' מהגדלת המהירות

איור 1: השפעת הטמפרטורה על נתוני המנוע

כאשר אין עומס על המנוע, אך הירידה בעומס המירבי שהמנוע יכול להניע גבוהה יותר. תופעה נוספת הנגזרת משינוי השיפוע היא שינויים במהירות הסיבוב כתוצאה משינויים בעומס על המנוע. ככל שהטמפרטורה עולה השיפוע הופך חד יותר וכתוצאה מכך שינויים קטנים בעומס יכולים לגרום לשינויים גדולים במהירות. כאשר בוחרים מנוע יש לבחור כך שמהירות המנוע בעומס מסויים תקח בחשבון את שינויי הטמפרטורה. בחירה שאיננה לוקח בחשבון את שינויי הטמפרטורה עלולה ליצור מצב בו המנוע אינו מסוגל להניע את העומס במהירות הדרושה

עד כמה משפיעה הטמפרטורה

אם ניקח בחשבון את השפעות עליית ההתנגדות ושינויי צפיפות השטף המגנטי והשפעתם על קבועי המנוע נראה כי ההשפעה על המנוע יכולה להיות גדולה מאוד גם בטמפרטורות לא גבוהות במיוחד. באיור 2 ניתן לראות דוגמא לנתוני מנוע בשתי טמפרטורות עבודה: 25 מעלות צלזיוס ו-125 מעלות צלזיוס. מתוך הטבלא והגרף ניתן לראות כי השינויים מהותיים ועלולים להוות בעיה באפליקציות מסויימות. במיוחד יש לשים לב למומנט המירבי של המנוע: 2.88Nm בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס, לעומת 1.65Nm ב-125 מעלות צלזיוס – ירידה של מעל 40%. לבסוף, ניתן לראות (איור 3) גם כי ההספק המירבי של המנוע יורד באופן חד, לכ-70%, כתוצאה משינוי הטמפרטורה.

איור 2: ההבדל בין נתוני המנוע בטמפרטורות שונות

איור 3: ההבדל בהספק המקסימלי בין 2 טמפרטורות

סיכום

מטרת המאמר היא להציג בפני המהנדס, שצריך לבחור מנוע למערכת אותה הוא מתכנן, פן נוסף שלעיתים מתעלמים ממנו. השפעות הטמפרטורה על המנוע יכולות באפליקציות מסויימות להיות קריטיות ולקבוע את הצלחת המערכת. מעבר להבנה הבסיסית על השפעת הטמפרטורה על המנוע והמערכת, מומלץ, לאחר בחירה ראשונית של מנוע, לבצע ניסויים ובדיקות בסביבת ועומס עבודה הקרובים ככל הניתן לסביבה ולעומס האמיתי בהם יעבוד המנוע. כמובן, שמומלץ להיעזר במהנדס אפליקציה המבין את ההשפעות השונות של הטמפרטורה על המנוע.

המידע המובא בידיעה זו הוכן על ידי מהנדסי החברות Pitmman motors ו-HaydonKerk מקבוצת Ametek ארה"ב. מוצרי החברות משולבים במגוון רחב של תחומים כגון: צבאי, רפואי, מוליכים למחצה, אלקטרוניקה ועוד.

הכתבה הוכנה על ידי מידד פלג מהנדס אפליקציות בחברת מדיטל קומוטק בע"מ המובילה במתן פתרונות טכנולוגיים ובהספקת מערכות ורכיבי איכות לתעשיות ההיי טק בישראל, שהינה נציגת חברות Pitmman motors ו-HaydonKerk בישראל.