ما المعلمات التي يجب الانتباه إليها عند تصميم محرك متزامن ذو مغناطيس دائم؟

نظرًا لصغر حجمها وكثافة عزم الدوران العالية، تُستخدم المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الصناعية، خاصة لأنظمة القيادة عالية الأداء مثل أنظمة الدفع تحت الماء.لا تتطلب المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم استخدام حلقات الانزلاق للإثارة، مما يقلل من صيانة الدوار والخسائر.تتميز المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم بالكفاءة العالية ومناسبة لأنظمة القيادة عالية الأداء مثل أدوات الآلات CNC والروبوتات وأنظمة الإنتاج الآلي في الصناعة.

بشكل عام، تصميم وبناء المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم يجب أن يأخذ في الاعتبار كلاً من هيكل الجزء الثابت والعضو الدوار من أجل الحصول على محرك عالي الأداء.

هيكل محرك متزامن المغناطيس الدائم

كثافة التدفق المغناطيسي للفجوة الهوائية:يتم تحديده وفقًا لتصميم المحركات غير المتزامنة، وما إلى ذلك، وتصميم دوارات المغناطيس الدائم واستخدام المتطلبات الخاصة لتبديل اللفات الثابتة.بالإضافة إلى ذلك، من المفترض أن يكون الجزء الثابت عبارة عن جزء ثابت مشقوق.كثافة تدفق فجوة الهواء محدودة بتشبع قلب الجزء الثابت.على وجه الخصوص، تكون كثافة التدفق القصوى محدودة بعرض أسنان التروس، بينما يحدد الجزء الخلفي من الجزء الثابت الحد الأقصى للتدفق الإجمالي.

علاوة على ذلك، يعتمد مستوى التشبع المسموح به على التطبيق.عادة، تتمتع المحركات عالية الكفاءة بكثافة تدفق أقل، في حين أن المحركات المصممة لكثافة عزم الدوران القصوى لها كثافة تدفق أعلى.عادةً ما تتراوح كثافة تدفق فجوة الهواء القصوى بين 0.7 و1.1 تسلا.تجدر الإشارة إلى أن هذه هي كثافة التدفق الإجمالية، أي مجموع تدفقات الجزء المتحرك والجزء الثابت.وهذا يعني أنه إذا كانت قوة رد فعل عضو الإنتاج منخفضة، فهذا يعني أن عزم المحاذاة مرتفع.

ومع ذلك، من أجل تحقيق مساهمة كبيرة في عزم الدوران، يجب أن تكون قوة رد فعل الجزء الثابت كبيرة.تُظهر معلمات الماكينة أن الحث الكبير والصغير L مطلوبان بشكل أساسي للحصول على عزم الدوران للمحاذاة.عادةً ما يكون هذا مناسبًا للتشغيل تحت السرعة الأساسية حيث أن الحث العالي يقلل من عامل الطاقة.

مادة المغناطيس الدائم:

يلعب المغناطيس دورًا مهمًا في العديد من الأجهزة، لذلك يعد تحسين أداء هذه المواد أمرًا مهمًا للغاية، ويتم التركيز حاليًا على المواد الأرضية النادرة والمواد الانتقالية التي تعتمد على المعادن والتي يمكنها الحصول على مغناطيس دائم ذو خصائص مغناطيسية عالية.اعتمادًا على التكنولوجيا، يتمتع المغناطيس بخصائص مغناطيسية وميكانيكية مختلفة ويظهر مقاومة مختلفة للتآكل.

تعد مغناطيسات NdFeB (Nd2Fe14B) وSamarium Cobalt (Sm1Co5 وSm2Co17) من أكثر المواد المغناطيسية الدائمة التجارية تقدمًا المتوفرة اليوم.يوجد داخل كل فئة من المغناطيسات الأرضية النادرة مجموعة واسعة من الدرجات.تم تسويق مغناطيس ندفيب في أوائل الثمانينات.وهي تستخدم على نطاق واسع اليوم في العديد من التطبيقات المختلفة.تكلفة هذه المادة المغناطيسية (لكل منتج طاقة) مماثلة لتكلفة مغناطيس الفريت، وعلى أساس الكيلوجرام الواحد، تبلغ تكلفة مغناطيس ندفيب حوالي 10 إلى 20 ضعف تكلفة مغناطيس الفريت.

بعض الخصائص المهمة المستخدمة لمقارنة المغناطيس الدائم هي: الثبات (Mr)، الذي يقيس قوة المجال المغناطيسي للمغناطيس الدائم، القوة القسرية (Hcj)، قدرة المادة على مقاومة إزالة المغناطيسية، منتج الطاقة (BHmax)، كثافة الطاقة المغناطيسية ;درجة حرارة كوري (TC)، درجة الحرارة التي تفقد عندها المادة مغناطيسيتها.تتمتع مغناطيسات النيوديميوم بثبات أعلى، وإكراه أعلى ومنتجات طاقة، ولكنها عمومًا من نوع درجة حرارة كوري المنخفضة، ويعمل النيوديميوم مع التيربيوم والديسبروسيوم من أجل الحفاظ على خواصه المغناطيسية عند درجات حرارة عالية.

تصميم محرك متزامن بمغناطيس دائم

في تصميم المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM)، يعتمد بناء الجزء المتحرك ذو المغناطيس الدائم على إطار الجزء الثابت لمحرك تحريضي ثلاثي الطور دون تغيير هندسة الجزء الثابت والملفات.المواصفات والهندسة تشمل: سرعة المحرك، التردد، عدد الأقطاب، طول الجزء الثابت، القطر الداخلي والخارجي، عدد فتحات الدوار.يتضمن تصميم PMSM فقدان النحاس، EMF الخلفي، فقدان الحديد والمحاثة الذاتية والمتبادلة، التدفق المغناطيسي، مقاومة الجزء الثابت، إلخ.

حساب الحث الذاتي والمحاثة المتبادلة:

يمكن تعريف الحث L على أنه نسبة ارتباط التدفق إلى تيار إنتاج التدفق I، بالهنري (H)، ويساوي ويبر لكل أمبير.المحث هو جهاز يستخدم لتخزين الطاقة في مجال مغناطيسي، على غرار الطريقة التي يقوم بها المكثف بتخزين الطاقة في مجال كهربائي.تتكون المحاثات عادة من ملفات، عادة ما تكون ملفوفة حول قلب من الفريت أو الحديد المغناطيسي، وترتبط قيمة محاثتها فقط بالبنية الفيزيائية للموصل ونفاذية المادة التي يمر من خلالها التدفق المغناطيسي.

خطوات العثور على الحث هي كما يلي:1. افترض أن هناك تيارًا في الموصل.2. استخدم قانون Biot-Savart أو قانون حلقة Ampere (إن وجد) لتحديد أن B متماثل بدرجة كافية.3. احسب التدفق الإجمالي الذي يربط جميع الدوائر.4. اضرب إجمالي التدفق المغناطيسي بعدد الحلقات للحصول على رابط التدفق، وقم بتنفيذ تصميم المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم من خلال تقييم المعلمات المطلوبة.

وجدت الدراسة أن تصميم استخدام NdFeB كمادة مغناطيس دائم للجزء الثابت يعمل بالتيار المتردد زاد من التدفق المغناطيسي المتولد في فجوة الهواء، مما أدى إلى انخفاض في نصف القطر الداخلي للجزء الثابت، في حين أن نصف القطر الداخلي للجزء الثابت باستخدام كوبالت السماريوم الدائم كانت مادة الدوار المغناطيسي أكبر.أظهرت النتائج أن فقدان النحاس الفعال في ندفيب انخفض بنسبة 8.124%.بالنسبة لكوبالت السماريوم باعتباره مادة مغناطيسية دائمة، سيكون التدفق المغناطيسي عبارة عن تباين جيبي.بشكل عام، تصميم وبناء المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم يجب أن يأخذ في الاعتبار كلاً من هيكل الجزء الثابت والعضو الدوار من أجل الحصول على محرك عالي الأداء.

ختاماً

المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM) هو محرك متزامن يستخدم مواد مغناطيسية عالية للمغنطة، ويتميز بخصائص الكفاءة العالية والبنية البسيطة وسهولة التحكم.يحتوي هذا المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم على تطبيقات في مجالات الجر والسيارات والروبوتات وتكنولوجيا الطيران.كثافة الطاقة للمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم أعلى من كثافة المحركات التحريضية من نفس التصنيف لأنه لا توجد قوة ثابتة مخصصة لتوليد المجال المغناطيسي..

في الوقت الحاضر، لا يتطلب تصميم PMSM طاقة أعلى فحسب، بل يتطلب أيضًا كتلة أقل وعزم قصور ذاتيًا أقل.