تاريخ تطور محرك المغناطيس الدائم
يرتبط تطوير محركات المغناطيس الدائم ارتباطًا وثيقًا بتطوير مواد المغناطيس الدائم. تعد الصين أول دولة في العالم تكتشف التخصص المغناطيسي لمواد المغناطيس الدائم وتطبقه على أرض الواقع. منذ أكثر من 2,000 عام، استخدمت الصين التخصص المغناطيسي للمواد ذات المغناطيس الدائم لصنع البوصلة. أصبح الدور أحد الاختراعات الأربعة الرئيسية في الصين القديمة.
كان أول محرك في العالم في عشرينيات القرن العشرين هو محرك المغناطيس الدائم لتوليد مجال مغناطيسي بواسطة المغناطيس الدائم. ومع ذلك، فإن مادة المغناطيس الدائم المستخدمة في ذلك الوقت كانت عبارة عن خام المغناطيس الطبيعي (Fe1920O3). كانت كثافة الطاقة المغناطيسية منخفضة للغاية. كان المحرك المصنوع منه كبيرًا وسرعان ما تم استبداله بمحرك الإثارة.
مع احتياجات التطور السريع لمختلف المحركات واختراع أجهزة الشحن المغناطيسية الحالية، أجرى الناس بحثًا متعمقًا حول آلية وتكوين وتكنولوجيا تصنيع المواد ذات المغناطيس الدائم، وتم اكتشافهم بواسطة الفولاذ الكربوني وفولاذ التنغستن (الحد الأقصى الطاقة المغناطيسية المتراكمة حوالي 2.7 كيلوجول/م3) مواد مغناطيسية دائمة مختلفة مثل فولاذ الكوبالت (الحد الأقصى للطاقة المغناطيسية المتراكمة حوالي 7.2 كيلوجول/م3). خاصة في ثلاثينيات القرن العشرين، ظهر المغناطيس الدائم من الألومنيوم والنيكل والكوبالت (أقصى تراكم للطاقة المغناطيسية 1930 كيلوجول/م85) والمغناطيس الدائم للمغناطيس الدائم من الفريت (أقصى تراكم للطاقة المغناطيسية يمكن أن يصل إلى 3 كيلوجول/م40) في الخمسينيات، والمغناطيسي لقد تحسن الأداء بشكل كبير، وتستخدم المحركات الصغيرة والصغيرة المختلفة مغناطيسًا دائمًا. قوة محرك المغناطيس الدائم صغيرة بقدر الملي إلى عشرات الواط. لقد تم استخدامه على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي والزراعي والحياة اليومية، وقد زاد الإنتاج بشكل حاد. في المقابل، حققت هذه الفترة أيضًا تقدمًا كبيرًا في نظرية التصميم وطرق الحساب وشحن السعة وتكنولوجيا تصنيع محرك المغناطيس الدائم، وتشكل مجموعة من طرق التحليل والبحث ممثلة بطريقة تفسير الخريطة المغناطيسية الدائمة. ومع ذلك، فإن القوة العنيدة للمغناطيس الدائم للألومنيوم والنيكل والكوبالت (3 ~ 1950 كا / م)، والكثافة المغناطيسية المتبقية للمغناطيس الدائم للأكسجين الحديدي ليست عالية (36 ～ 160 طن)، مما يحد من نطاق تطبيقها في المحرك . حتى ستينيات وثمانينيات القرن العشرين، ظهر المغناطيس الدائم من الكوبالت الأرضي النادر والمغناطيس الدائم من البورون الحديدي (يشار إليهما مجتمعين بالمغناطيس الدائم للأتربة النادرة) واحدًا تلو الآخر. الخصائص المغناطيسية الممتازة مناسبة بشكل خاص لتصنيع المحركات، لذلك دخل تطوير المحركات ذات المغناطيس الدائم إلى فترة تاريخية جديدة.
خصائص وتطبيق محرك المغناطيس الدائم
بالمقارنة مع المحرك المغناطيسي الكهربائي التقليدي، فإن محرك المغناطيس الدائم، وخاصة محرك المغناطيس الدائم الأرضي النادر، لديه هيكل بسيط، تشغيل موثوق، حجم صغير، جودة ضوء، خسارة صغيرة، كفاءة عالية، شكل وحجم المحرك يمكن أن يكون مرنًا و متنوع. ولذلك، فإن نطاق التطبيق واسع للغاية، وهو يشمل تقريبًا جميع مجالات الإنتاج الصناعي والزراعي والحياة اليومية. فيما يلي الميزات الرئيسية للعديد من محركات المغناطيس الدائم النموذجية ومناسبات تطبيقها الرئيسية.
1. المولد المتزامن للمغناطيس الدائم للأرض النادرة لا يتطلب حلقة تجميع وجهاز فرشاة مقارنة بالمولد التقليدي. الهيكل بسيط ويقلل من معدل الفشل. بواسطة المغناطيس الدائم للأتربة النادرة، يمكنه أيضًا زيادة فجوة الهواء المغناطيسية، وزيادة السرعة إلى القيمة المثلى، وزيادة نسبة جودة الطاقة. تستخدم جميع مولدات الطيران والفضاء المعاصرة تقريبًا مولدات المغناطيس الدائم الأرضية النادرة. كما تم استخدام مولد المغناطيس الدائم كآلة حوافز مساعدة لمولدات العجلات البخارية الكبيرة. في الوقت الحاضر، يتم تدريجيًا الترويج لمحرك الاحتراق الداخلي الذي يقود مولدًا صغيرًا، ومولد المغناطيس الدائم، ومولد الهواء الصغير ذو المغناطيس الدائم الذي يعمل بالدفع المباشر لإمدادات الطاقة المستقلة.
2. بالمقارنة مع المحرك الحثي، بالنسبة للمحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم الفعال، ليست هناك حاجة لعدم وجود تيار حافز للطاقة، والذي يمكن أن يحسن بشكل كبير عامل الطاقة (يمكن أن يصل إلى 1، حتى القدرة)، ويقلل من فقدان تيار الجزء الثابت والجزء الثابت المقاومة، ولا يوجد استهلاك للنحاس الدوار أثناء التشغيل المستقر، ويمكن أن يقلل من المروحة (يمكن للمحرك ذو السعة الصغيرة حتى إزالة المروحة) وفقدان الرياح المقابل. يمكن أن تزيد الكفاءة بنسبة 2 إلى 8 نقاط مئوية مقارنة بنفس مستشعر المواصفات. علاوة على ذلك، يمكن للمحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم الحفاظ على كفاءة أعلى وعامل طاقة ضمن نطاق من 25% إلى 120% من الحمل المقدر، مما يجعل تأثير الطاقة اليومي أكثر أهمية أثناء تشغيل الحمل الخفيف. يقوم هذا النوع من المحركات عمومًا بإعداد ملف بدء على الدوار، والذي لديه القدرة على البدء مباشرة عند تردد وجهد معينين. في الوقت الحاضر، يتم استخدامه بشكل رئيسي في مجالات حقول النفط وصناعات الألياف الكيماوية النسيجية وصناعات الزجاج الخزفي ومضخات المروحة مع وقت تشغيل سنوي طويل.
طورت الصين بشكل مستقل محرك تزامن مغناطيسي دائم عالي الكفاءة يمكنه حل مشكلة "الحصان الكبير لقيادة السيارة الصغيرة" في تطبيق حقول النفط. عزم الدوران أكبر بنسبة 50% إلى 100% من المحرك التعريفي. المحرك الحثي حوالي 20%.
إن دوران الحمل في صناعة الألياف الكيماوية للنسيج كبير ويتطلب عزم دوران عاليًا. تصميم معقول لمعامل تسرب الحمل الفارغ، ونسبة محدبة، ومقاومة الدوار، وحجم المغناطيس الدائم ودورات لف الجزء الثابت للمحرك المتزامن المغناطيس الدائم، والتي يمكن أن تحسن أداء دخول محرك المغناطيس الدائم وترقيته إلى النوع الجديد من المنسوجات والمواد الكيميائية صناعة الألياف.
يتم استخدام مئات الكيلووات وصناعات الحليب والبترول والكيماويات وغيرها من الصناعات بواسطة مئات المراوح ومحركات المضخات من فئة الكيلووات والموا. تحسين الكفاءة وعامل الطاقة، وتوفير الطاقة، وتحسين موثوقية التشغيل.
3. محرك المغناطيس الدائم المؤازر AC ومحرك المغناطيس الدائم DC بدون فرش يستخدمان الآن بشكل متزايد مصدر الطاقة العاكس ومجموعة المحرك الكهربائي AC لاستبدال نظام تنظيم سرعة محرك DC. في محرك التيار المتردد، تحافظ سرعة المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم على علاقة ثابتة مع تردد الطاقة عند التشغيل المستقر، بحيث يمكن استخدامه مباشرة لنظام تنظيم سرعة تحويل التردد الذي يمكن استخدامه لفتح الحلقة. يبدأ هذا النوع من المحركات عادة من الزيادة التدريجية لتردد العاكس. يمكن تركيبه على الدوار دون ضبط ملف البداية، ويتم حفظ الفرشاة والموجه للحفاظ على الصيانة المريحة.
يشكل المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم للعاكس ونظام التحكم في الحلقة المغلقة في موضع الدوار محركًا مغناطيسيًا دائمًا متزامنًا ذاتيًا. إنه لا يتمتع فقط بالأداء الممتاز لتنظيم السرعة لمحرك DC المتحرك بالكهرباء، ولكنه يحقق أيضًا بدون فرش. يتم استخدامه بشكل أساسي لمناسبات دقة التحكم العالية والموثوقية العالية، مثل الطيران والفضاء وأدوات الآلات CNC ومراكز المعالجة والروبوتات والمركبات الكهربائية والمعدات الطرفية للكمبيوتر وما إلى ذلك.
لقد تم تطوير المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم ونظام القيادة NdFEB مع نطاق سرعة واسع ونسبة سرعة طاقة ثابتة عالية. تصل نسبة السرعة إلى 1:22,500 وتبلغ السرعة القصوى 9 دورة/دقيقة. يعد المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم هو المحرك الأكثر مثالية في السيارات الكهربائية والأدوات الآلية وأجهزة القيادة الأخرى بسبب كفاءته العالية والاهتزاز المنخفض والضوضاء المنخفضة وكثافة عزم الدوران العالية.
مع التحسين المستمر لمستويات معيشة الناس، أصبحت متطلبات الأجهزة المنزلية أعلى وأعلى. على سبيل المثال، مكيفات الهواء المنزلية ليست مجرد استهلاك للطاقة، ولكنها أيضًا المصدر الرئيسي للضوضاء، واتجاه تطويرها هو استخدام محركات DC بدون فرش ذات مغناطيس دائم والتي يمكن تنظيم السرعة بدون خطوات. يمكنه ضبط السرعة المناسبة تلقائيًا لفترة طويلة وفقًا لتغير درجة حرارة الغرفة، وتقليل الضوضاء والاهتزاز، وجعل الناس يشعرون براحة أكبر، ولكنه يوفر أيضًا 1/3 من مكيف الهواء دون تنظيم السرعة. البعض الآخر مثل الثلاجات والغسالات ومجمعات الغبار والمراوح وما إلى ذلك، يتحولون أيضًا تدريجيًا إلى محركات التيار المستمر بدون فرش.
4. محرك DC ذو المغناطيس الدائم بعد استخدام إثارة المغناطيس الدائم ، لا يحتفظ فقط بخصائص تنظيم السرعة الجيدة والخصائص الميكانيكية لمحرك DC المثير الكهربائي ، ولكن لديه أيضًا هيكل بسيط ، حجم صغير ، نحاس أقل ، كفاءة عالية بسبب القضاء على لف الإثارة وفقدان الإثارة. ولذلك، من الأجهزة المنزلية، والمعدات الإلكترونية المحمولة، والأدوات الكهربائية إلى أنظمة نقل السرعة والموضع الدقيقة التي تتطلب أداء ديناميكيًا جيدًا، يتم استخدام محركات التيار المستمر ذات المغناطيس الدائم على نطاق واسع. في المحركات ذات المغناطيس الدائم الأقل من 500 واط، تمثل المحركات ذات المغناطيس الدائم 92%، في حين تمثل المحركات ذات المغناطيس الدائم الأقل من 10 واط أكثر من 99%.
في الوقت الحاضر، تتطور صناعة السيارات في الصين بسرعة، وصناعة السيارات هي أكبر مستخدم لمحرك المغناطيس الدائم، والمحرك هو جزء رئيسي من السيارة، وهي سيارة فاخرة للغاية، ومجموعة متنوعة من الاستخدامات المختلفة للمحرك تصل إلى أكثر من 70 مجموعة ، ومعظمها عبارة عن محركات صغيرة ذات مغناطيس دائم ذات جهد منخفض. يمكن لمحرك بدء التشغيل للسيارات والدراجات النارية، باستخدام المغناطيس الدائم NdFeb واستخدام التروس الكوكبية المتباطئة، تقليل كتلة محرك التشغيل بمقدار النصف.
تصنيف المحركات ذات المغناطيس الدائم
هناك أنواع عديدة من المحركات ذات المغناطيس الدائم. وفقا لوظيفة المحرك يمكن تقسيمها تقريبا إلى مولد المغناطيس الدائم ومحرك المغناطيس الدائم فئتين.
يمكن تقسيم محرك المغناطيس الدائم إلى محرك DC ذو مغناطيس دائم ومحرك AC ذو مغناطيس دائم. يشير محرك التيار المتردد ذو المغناطيس الدائم إلى محرك متزامن متعدد الأطوار مع دوار ذو مغناطيس دائم، لذلك يطلق عليه غالبًا محرك متزامن ذو مغناطيس دائم (PMSM).
محرك DC ذو مغناطيس دائم إذا لم يكن هناك دراما كهربائية ومقوم للتقسيم. يمكن تقسيمها إلى محرك تيار مباشر بدون فرش بمغناطيس دائم ومحرك تيار مباشر بدون فرش بمغناطيس دائم (BLDC).
في عالم اليوم، تتطور نظرية وتكنولوجيا إلكترونيات الطاقة الحديثة بشكل كبير. تستمر أجهزة الطاقة الإلكترونية، مثل MOSFET، وIGBT، وMCT، وما إلى ذلك، في الظهور، وقد خضع جهاز التحكم لتغييرات أساسية. منذ أن اقترح F. BlascEke مبدأ التحكم في ناقل الحركة لمحرك التيار المتردد في عام 1971، أدى تطوير تكنولوجيا التحكم في ناقل الحركة إلى خلق حقبة جديدة من التحكم في محرك سيرفو التيار المتردد، وقد أدى التقديم المستمر لمختلف المعالجات الدقيقة عالية الأداء إلى تسريع تطوير سيرفو التيار المتردد أنظمة لتحل محل أنظمة مضاعفات العاصمة. أصبح نظام مضاعفات التيار المتردد الذي يحل محل نظام مضاعفات التيار المستمر اتجاهًا لا مفر منه. ومع ذلك، فإن المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM) مع إمكانات الموجة الجيبية الخلفية ومحرك التيار المباشر بدون فرش (BLDC) مع إمكانات الموجة الخلفية شبه المنحرفة سيصبحان التيار الرئيسي لتطوير نظام مؤازر تيار متردد عالي الأداء بسبب أدائهما الممتاز.
الاحتياطات المتعلقة بمحرك المغناطيس الدائم
1. هيكل الدائرة المغناطيسية وحساب التصميم
من أجل إطلاق العنان للخصائص المغناطيسية لمختلف مواد المغناطيس الدائم، وخاصة الخصائص المغناطيسية الممتازة للمغناطيس الدائم الأرضي النادر، وإنشاء محركات مغناطيسية دائمة فعالة من حيث التكلفة، فإنه ليس من الممكن ببساطة تطبيق طرق حساب الهيكل والتصميم يجب إنشاء محركات المغناطيس الدائم التقليدية أو محركات الإثارة الكهربائية، ويجب إنشاء مفاهيم تصميمية جديدة لإعادة تحليل بنية الدائرة المغناطيسية وتحسينها. مع التطور السريع لتكنولوجيا أجهزة الكمبيوتر والبرمجيات، فضلا عن التحسين المستمر لأساليب التصميم الحديثة مثل الحساب العددي للمجال الكهرومغناطيسي، والتصميم الأمثل وتكنولوجيا المحاكاة، من خلال الجهود المشتركة للدوائر الأكاديمية والهندسية، تم إحراز تقدم كبير في نظرية التصميم وطريقة الحساب وعملية الهيكل وتكنولوجيا التحكم في محرك المغناطيس الدائم. تم تشكيل مجموعة كاملة من طرق التحليل والبحث وبرامج التحليل والتصميم بمساعدة الكمبيوتر، والتي تم دمجها مع الحساب العددي للمجال الكهرومغناطيسي والحل التحليلي للدائرة المغناطيسية المكافئة، ويتم تحسينها باستمرار.
2. قضايا التحكم
بعد تصنيع محرك المغناطيس الدائم، يمكنه الحفاظ على مجاله المغناطيسي بدون طاقة خارجية، ولكنه أيضًا يجعل من الصعب للغاية ضبط مجاله المغناطيسي والتحكم فيه من الخارج. من الصعب على مولد المغناطيس الدائم ضبط جهد الخرج وعامل الطاقة من الخارج، ولم يعد محرك DC ذو المغناطيس الدائم قادرًا على ضبط سرعته عن طريق تغيير الإثارة. هذه تحد من نطاق تطبيق محركات المغناطيس الدائم. ومع ذلك، مع التطور السريع للأجهزة الإلكترونية للطاقة وتكنولوجيا التحكم مثل MOSFET وIGBT، يمكن استخدام معظم المحركات ذات المغناطيس الدائم دون التحكم في المجال المغناطيسي والتحكم في عضو الإنتاج فقط. من الضروري الجمع بين التقنيات الثلاثة الجديدة لمواد المغناطيس الدائم الأرضية النادرة وأجهزة الطاقة الإلكترونية والتحكم في الحواسيب الصغيرة في التصميم، بحيث يمكن لمحرك المغناطيس الدائم العمل في ظل ظروف جديدة.
3. مشكلة إزالة المغناطيسية التي لا رجعة فيها
إذا كان التصميم أو الاستخدام غير مناسب، فإن درجة حرارة محرك المغناطيس الدائم مرتفعة جدًا (مغناطيس دائم NdFeb) أو منخفضة جدًا (مغناطيس دائم من الفريت)، تحت تأثير تفاعل عضو الإنتاج الناتج عن تيار التأثير، أو في الاهتزاز الميكانيكي العنيف قد إنتاج إزالة مغناطيسية لا رجعة فيها، أو فقدان المغناطيسية، بحيث ينخفض أداء المحرك، أو حتى لا يمكن استخدامه. لذلك، من الضروري البحث وتطوير أساليب وأجهزة مناسبة لمصنعي المحركات للتحقق من الاستقرار الحراري للمواد ذات المغناطيس الدائم، وتحليل القدرة على مقاومة إزالة المغناطيسية للأشكال الهيكلية المختلفة، وذلك من أجل اعتماد التدابير المقابلة لضمان أن المغناطيس الدائم المحرك المغناطيسي لا يفقد مغناطيسيته عند التصميم والتصنيع.
4. كلف
تم استخدام محرك المغناطيس الدائم من الفريت، وخاصة محرك DC ذو المغناطيس الدائم الصغير، على نطاق واسع بسبب هيكله وعمليته البسيطة، وانخفاض كتلته، وانخفاض التكلفة الإجمالية مقارنة بمحرك الإثارة الكهربائي. نظرًا لأن السعر الحالي للمغناطيس الدائم للأتربة النادرة لا يزال مكلفًا نسبيًا، فإن تكلفة محرك المغناطيس الدائم للأتربة النادرة أعلى عمومًا من تكلفة محرك الإثارة الكهربائي، والذي يحتاج إلى تعويضه بأدائه العالي وتوفير تكاليف التشغيل. في بعض الحالات، مثل محرك الملف الصوتي لمحرك أقراص الكمبيوتر، تم تحسين أداء المغناطيس الدائم Ndfeb، وتقليل كتلة الحجم بشكل كبير، وتقليل التكلفة الإجمالية. في التصميم، من الضروري تحديد ما إذا كان سيتم الاختيار وفقًا للأداء ومقارنة الأسعار وفقًا لمناسبات ومتطلبات الاستخدام المحددة، وتنفيذ الابتكار وتحسين التصميم لعملية الهيكل لتقليل التكلفة.
