أول محرك في العالم هو محرك مغناطيسي دائم يولد مجالًا مغناطيسيًا مثيرًا بواسطة مغناطيس دائم. في الواقع، كان تطوير المحركات المغناطيسية الدائمة مصحوبًا بتطوير مواد مغناطيسية دائمة.
لم يشهد الفولاذ الكربوني المستخدم في نهاية القرن التاسع عشر تحسنًا كبيرًا في نسبة البروم المتبقية فيه على مدار القرن الماضي، ويرجع التحسن في ناتج الطاقة إلى زيادة قوة الإكراه Hc. ويرجع التحسن في قوة الإكراه بشكل أساسي إلى فهم طبيعته، واكتشاف المركبات المغناطيسية البلورية عالية الخواص، والتقدم في تكنولوجيا التحضير.
في أوائل القرن العشرين، استخدم الناس بشكل رئيسي الفولاذ الكربوني، والفولاذ التنغستن، والفولاذ الكروم، والفولاذ الكوبالت كمواد مغناطيسية دائمة.
في أواخر ثلاثينيات القرن العشرين، أدى التطوير الناجح لمواد المغناطيس الدائم AlNiCo إلى إمكانية تطبيق مواد المغناطيس الدائم على نطاق واسع.
في الخمسينيات من القرن العشرين، لم يؤد ظهور فيريت الباريوم إلى خفض تكلفة المغناطيسات الدائمة فحسب، بل أدى أيضًا إلى توسيع نطاق تطبيق مواد المغناطيس الدائم إلى مجال التردد العالي.
في ستينيات القرن العشرين، أدى ظهور مغناطيسات الكوبالت الدائمة النادرة إلى فتح عصر جديد لتطبيقات المغناطيسات الدائمة.
في عام 1967، نجح سترنات وآخرون من جامعة دايتون في الولايات المتحدة في صنع مغناطيسات دائمة من SmCo5 بطريقة ربط المسحوق، مما يشير إلى وصول عصر المغناطيسات الدائمة للأتربة النادرة. حتى الآن، مرت المغناطيسات الدائمة للأتربة النادرة بالجيل الأول من SmCo5، والجيل الثاني من التصلب بالترسيب Sm2Co17، وتطورت إلى الجيل الثالث من مواد المغناطيس الدائم Nd-Fe-B.
لقد تجاوزت قيمة الإنتاج الحالية لمواد المغناطيس الدائم للأرض النادرة إلى حد كبير قيمة إنتاج مواد المغناطيس الدائم للفيريت، وتطور إنتاج مواد المغناطيس الدائم للأرض النادرة إلى صناعة كبيرة.
خصائص المحركات المغناطيسية الدائمة:
وصلت الطاقة القصوى للمحركات المغناطيسية الدائمة إلى 1000 كيلو وات، والقطر الأدنى هو φ0.8 مم، والسرعة القصوى هي 300000 دورة في الدقيقة، والسرعة الدنيا هي 0.01 دورة في الدقيقة. مع تطور مواد المغناطيس الدائم من الأتربة النادرة، تتمتع محركات المغناطيس الدائم من الأتربة النادرة بالخصائص التالية مقارنة بمحركات الإثارة الكهربائية:
هيكل بسيط وموثوقية عالية:
يمكن أن يؤدي استخدام المغناطيسات الدائمة من العناصر الأرضية النادرة إلى تقليل وزن المحرك بشكل كبير وتقليل حجمه. إن إزالة حلقة التجميع والفرش للإثارة لا يحسن فقط من قابلية معالجة المحرك، بل يعزز أيضًا بشكل كبير من الموثوقية الميكانيكية لتشغيل المحرك ويزيد من عمره الافتراضي.
اداء ممتاز:
بالمقارنة مع المحركات التقليدية، تتمتع محركات المغناطيس الدائم ببنية بسيطة. كما يمكن أن يؤدي استخدام المغناطيس الدائم من العناصر الأرضية النادرة إلى زيادة كثافة تدفق الفجوة الهوائية، وضبط سرعة المحرك إلى القيمة المثلى، وتحسين نسبة الطاقة إلى الوزن. تستخدم جميع مولدات الطيران والفضاء الحديثة تقريبًا مولدات المغناطيس الدائم من العناصر الأرضية النادرة.
أداء تحكم ممتاز:
بفضل الأداء العالي لمواد المغناطيس الدائم للأرض النادرة، يتم تحسين ثابت عزم الدوران ونسبة عزم الدوران إلى القصور الذاتي وكثافة الطاقة وما إلى ذلك للمحرك بشكل كبير. من خلال التصميم المعقول، يمكن تقليل المؤشرات مثل القصور الذاتي الدوراني والثوابت الزمنية الكهربائية والميكانيكية بشكل كبير، وهي المؤشرات الرئيسية لأداء التحكم في المؤازرة.
في محركات المغناطيس الدائم الحديثة، يكون تصميم الدوائر المغناطيسية الدائمة مكتملًا نسبيًا، وتكون القوة القسرية لمواد المغناطيس الدائم الأرضية النادرة عالية، وبالتالي فإن قدرة محركات المغناطيس الدائم على مقاومة تفاعل المحرك وإزالة المغناطيسية الأخرى تتعزز بشكل كبير، كما يتم تقليل معلمات التحكم في المحرك بشكل كبير مع تأثير الاضطرابات الخارجية.
نظرًا لاستخدام المواد المغناطيسية الدائمة لاستبدال الإثارة الكهربائية، يتم تقليل تصميم لفائف الإثارة والحقل المغناطيسي للإثارة، وبالتالي تقليل العديد من المعلمات مثل تدفق الإثارة، ومحاثة لفائف الإثارة، وتيار الإثارة، وما إلى ذلك، وبالتالي تقليل المتغيرات أو المعلمات القابلة للتحكم بشكل مباشر.
كفاءة عالية وتوفير الطاقة:
محرك المغناطيس الدائم من المعادن النادرة هو منتج عالي الكفاءة وموفر للطاقة، مع معدل توفير طاقة متوسط يزيد عن 10%، ويمكن أن يصل معدل توفير الطاقة لمحرك المغناطيس الدائم الخاص من المعادن النادرة إلى 15% إلى 20%. وبالمقارنة مع محرك بدء التشغيل DC المثار بالسلسلة القديمة، فإن محرك بدء التشغيل المغناطيسي الدائم من النيوديميوم والحديد والبورون الذي طورته شركة جنرال موتورز في الولايات المتحدة زاد من كفاءته بنسبة 45%. إن استخدام محركات المغناطيس الدائم وتقنية تنظيم سرعة التردد المتغير في مضخات المياه والمراوح والضواغط يمكن أن يوفر أكثر من 30% من الكهرباء.
البنية الأساسية للمحركات المغناطيسية الدائمة للأتربة النادرة هي أن الدوار عبارة عن هيكل مغناطيسي دائم يولد تدفق فجوة الهواء، والثابت عبارة عن محرك، وهناك لفات متناظرة متعددة المراحل. إن ظهور المحركات عديمة الفرشاة بدون قلب من الأتربة النادرة هو نتيجة لاستخدام مواد جديدة وعمليات جديدة.
يتكون المحرك من هيكل صلب مصنوع من مواد ذات مقاومة ممتازة للحرارة، والتي يمكن أن تعمل بثبات لفترة طويلة في ظل ظروف درجات الحرارة العالية والسرعة العالية؛ نظرًا لأن المحرك لا يحتوي على قلب حديدي ومحاثة صغيرة، يتم القضاء تمامًا على فقدان الهستيريسيس وفقدان التيار الدوامي في قلب الحديد، ويتم القضاء على تقلب عزم الدوران الناجم عن تأثير الفتحة، مما يتميز بأداء تحكم ممتاز؛ كفاءة تشغيل عالية، وارتفاع درجة حرارة منخفض، ونطاق سرعة واسع؛ لا يحتوي محرك المحرك على فتحات ويعتمد على هيكل محكم الغلق بالكامل من البلاستيك، والضوضاء والاهتزاز منخفضان جدًا عند تشغيل الحمل.
إن المحرك بدون قلب من المغناطيس الدائم للأرض النادرة هو ابتكار رئيسي، وقد حقق "ثلاثة اختراقات رئيسية" في التكنولوجيا. أولاً، بالمقارنة مع تصميم هيكل المجال المغناطيسي الشعاعي التقليدي، تم اعتماد تصميم هيكل المجال المغناطيسي المحوري، مما يحسن بشكل كبير من كثافة الطاقة ونسبة حجم عزم الدوران. ثانيًا، تم اعتماد عملية اللف الجديدة، والصب الدقيق عالي الضغط والمواد البوليمرية لتقليل فقدان النحاس في اللف بشكل فعال. ثالثًا، لا يتم استخدام صفائح الفولاذ السليكونية كمواد أساسية للدوار والثابت، مما يزيل التخميد المغناطيسي وفقدان الحديد، ويقلل من قوة الدفع، ويقلل من مصدر الحرارة لفقدان الحديد.
الآفاق المستقبلية للمحركات المغناطيسية الدائمة
يشكل استهلاك الكهرباء من أنظمة المحركات حوالي 60% من استهلاك الكهرباء على المستوى الوطني، حيث تشكل المراوح والمضخات والضواغط ومكيفات الهواء 10.4% و20.9% و9.4% و6% من استهلاك الكهرباء على المستوى الوطني على التوالي. وتعتبر أنظمة المحركات كبيرة في الكمية ومنتشرة في النطاق، مع إمكانات هائلة لتوفير الطاقة.
وبحسب إحصاءات جمعية الصناعة، فإن إجمالي القدرة المركبة لمختلف أنواع أنظمة المحركات في البلاد تبلغ حوالي 700 مليون كيلووات، وكفاءة التشغيل أقل عمومًا بنسبة 10 إلى 20 نقطة مئوية من المستوى المتقدم في الخارج، وهو ما يعادل هدر حوالي 150 مليار كيلووات ساعة من الكهرباء سنويًا.
من أبرز خصائص الأداء للمحركات المغناطيسية الدائمة خفة الوزن والأداء العالي والكفاءة العالية وتوفير الطاقة. تشكل محركات المغناطيس الدائم عالية الأداء المصنوعة من معادن نادرة الأساس للعديد من التقنيات الجديدة والصناعات عالية التقنية.
الحالة الحالية لتطبيقات محركات المغناطيس الدائم للأرض النادرة في الداخل والخارج:
(1) الفضاء الجوي:لقد طورت الولايات المتحدة محرك تيار مستمر عديم الفرشاة مصنوع من مغناطيس دائم من الأرض النادرة بقوة 12.6 كيلو واط، وسرعة دوران 9,000 دورة في الدقيقة لتحريك جنيحات المصعد للمكوك الفضائي، مع كفاءة تصل إلى 95%.
(2) الدفع الكهربائي للسفن:تستخدم السفن عالية الأداء عمومًا أنظمة دفع كهربائية بالكامل. تُستخدم المحركات المغناطيسية الدائمة على نطاق واسع كمحركات دفع في أنظمة الدفع الكهربائية في الخارج.
(3) صناعة المراوح ومضخات المياه:في أنظمة تشغيل الطاقة في حقول النفط ومحطات الطاقة ومؤسسات إنتاج الصلب، يكون عدد الأحمال الميكانيكية مثل مضخات المياه وأجهزة التهوية هو الأكبر. وهذا أيضًا هو المناسبة الرئيسية للترويج وتطبيق محركات الأتربة النادرة ذات المغناطيس الدائم.
لقد شجعت الصين استخدام المحركات المتزامنة المغناطيسية الدائمة من المعادن النادرة في وحدات ضخ آبار النفط، وشكلت قدرة إنتاج سنوية تزيد عن 10,000 آلاف وحدة. إن التشغيل في حقول النفط جيد وحقق فوائد فنية واقتصادية كبيرة.
(4) صناعة المصاعد: تستخدم أغلب شركات تصنيع المصاعد الأجنبية الكبرى محركات متزامنة ذات مغناطيس دائم لتشغيل آلات الجر بدون تروس. ويمكن أن تصل كفاءتها إلى 0.9 أو أكثر، وهو ما يزيد عن 30% من توفير الطاقة مقارنة بنظام المحرك غير المتزامن بالتيار المتردد + هيكل صندوق التخفيض. وقد تبنت كل من شركة ميتسوبيشي للمصاعد المحلية وشركة هيتاشي للمصاعد وشركة شندلر للمصاعد هذه التقنية.
في الوقت الحاضر، تتطور المحركات المغناطيسية الدائمة نحو القدرة العالية (السرعة العالية، عزم الدوران العالي)، والوظائف العالية، والتصغير. وباعتبارها منتجًا له آفاق تطبيق واسعة في القرن الحادي والعشرين، لا يزال مستوى تصنيعها بحاجة إلى التحسين.
بفضل أدائها وخصائصها المتنوعة الممتازة، يُعتقد أنه في المستقبل القريب، سيتم استخدامها على نطاق واسع في مجالات مختلفة وستخترق جميع جوانب الحياة اليومية والإنتاج الصناعي. مع اهتمام الدولة واستثمارها في مجال المحركات، ستزدهر محركات المغناطيس الدائم بالتأكيد!
