التطور ل محركات مغناطيسية دائمة يرتبط ارتباطًا وثيقًا بتطوير مواد المغناطيس الدائم.

كان أول محرك في العالم ظهر في عشرينيات القرن الماضي عبارة عن محرك مغناطيسي دائم يولد مجالًا مغناطيسيًا مثيرًا من مغناطيس دائم. لكن مادة المغناطيس الدائم المستخدمة في ذلك الوقت كانت عبارة عن الماجنتيت الطبيعي (Fe1920O3)، وكانت كثافة الطاقة المغناطيسية منخفضة للغاية، وكان المحرك المصنوع منه ضخمًا، وسرعان ما تم استبداله بمحرك الإثارة الكهربائية.

مع احتياجات التطور السريع لمختلف المحركات واختراع الممغنطات الحالية، أجرى الناس بحثًا متعمقًا حول آلية وتكوين وتكنولوجيا تصنيع مواد المغناطيس الدائم، واكتشفوا على التوالي الفولاذ الكربوني وفولاذ التنغستن (الحد الأقصى يبلغ منتج الطاقة المغناطيسية حوالي 2.7 كيلوجول/م3)، وفولاذ الكوبالت (الحد الأقصى لمنتج الطاقة حوالي 7.2 كيلوجول/م3) ومواد المغناطيس الدائم الأخرى. وخاصة المغناطيس الدائم AlNiCo الذي ظهر في ثلاثينيات القرن العشرين (يمكن أن يصل منتج الطاقة الأقصى إلى 1930 كيلوجول/م85) والمغناطيس الدائم من الفريت الذي ظهر في الخمسينيات من القرن العشرين (يمكن أن يصل منتج الطاقة الأقصى الآن إلى 3 كيلوجول/م1950)، والخصائص المغناطيسية هي ممتاز. لقد تم تحسينه بشكل كبير، واستخدمت العديد من المحركات الصغيرة والصغيرة الإثارة المغناطيسية الدائمة.

1. مادة المغناطيس الدائم

مغناطيس المحرك: تشتمل مواد المغناطيس الدائم المستخدمة بشكل شائع في المحركات على مغناطيس متكلس ومغناطيس مرتبط. الأنواع الرئيسية هي النيكو، والفريت، وكوبالت السماريوم، وبورون حديد النيوديميوم.

النيكو: مادة المغناطيس الدائم ألنيكو هي مادة المغناطيس الدائم الأقدم والأكثر استخدامًا على نطاق واسع، وعملية إعدادها وتقنياتها ناضجة نسبيًا. في الوقت الحاضر، هناك مصانع في اليابان والولايات المتحدة وأوروبا وروسيا والصين.

مادة الفريت ذات المغناطيس الدائم: في الخمسينيات من القرن الماضي، بدأ الفريت في التطور بقوة، خاصة في السبعينيات، تم إنتاج فريت السترونتيوم ذو الأداء الأفضل من حيث القوة القسرية وآلة الطاقة المغناطيسية بكميات كبيرة، وتم توسيع استخدام الفريت المغناطيس الدائم بسرعة. استخدام. باعتباره مادة مغناطيسية غير معدنية، لا يحتوي الفريت على عيوب الأكسدة السهلة، وانخفاض درجة حرارة كوري، وارتفاع تكلفة المواد المعدنية ذات المغناطيس الدائم، لذلك فهو يحظى بشعبية كبيرة.

مادة الكوبالت السماريوم: مادة ذات مغناطيس دائم ذات خصائص مغناطيسية ممتازة ظهرت في منتصف الستينيات، وأداءها مستقر للغاية. يعتبر كوبالت السماريوم مناسبًا بشكل خاص لتصنيع المحركات من حيث الخصائص المغناطيسية، ولكن بسبب سعره المرتفع، فإنه يستخدم بشكل أساسي في بحث وتطوير المحركات العسكرية مثل الطيران والفضاء والأسلحة والمحركات عالية التقنية ذات الأداء العالي ولكن ليس السعر.

مادة ندفيب: المواد المغناطيسية ندفيب عبارة عن سبيكة من النيوديميوم وأكسيد الحديد وما إلى ذلك، والمعروفة أيضًا باسم المغناطيس. لديها منتجات طاقة مغناطيسية عالية للغاية وقوة قسرية، ومزايا كثافة الطاقة العالية تجعل مواد المغناطيس الدائم NdFeB تستخدم على نطاق واسع في الصناعة الحديثة والتكنولوجيا الإلكترونية. من الممكن التصغير وتقليل الوزن والتخفيف. لأنه يحتوي على الكثير من النيوديميوم والحديد، فمن السهل أن يصدأ. يعد التخميل الكيميائي السطحي أحد أفضل الحلول في الوقت الحاضر.

2. العلاقة بين أداء المغناطيس والأداء الحركي

2.1 تأثير المغناطيسية المتبقية

بالنسبة لمحركات التيار المستمر، في ظل نفس معلمات اللف وظروف الاختبار، كلما زادت المغناطيسية المتبقية، انخفضت سرعة عدم التحميل، وقل تيار عدم التحميل؛ كلما زاد الحد الأقصى لعزم الدوران، زادت كفاءة أعلى نقطة كفاءة. في الاختبار الفعلي، يتم استخدام مستوى سرعة عدم التحميل والحد الأقصى لعزم الدوران بشكل عام للحكم على معيار المغناطيسية المتبقية للمغناطيس.

بالنسبة لنفس معلمات اللف والمعلمات الكهربائية، فإن السبب وراء ارتفاع الثبات، وانخفاض سرعة عدم التحميل، وصغر تيار عدم التحميل هو أن المحرك قيد التشغيل ينتج محاثة عكسية كافية بسرعة منخفضة نسبيًا. يقلل الجهد المتولد من المجموع الجبري للقوى الدافعة الكهربائية المطبقة على اللفات.

2.2 تأثير القوة القسرية

أثناء تشغيل المحرك، هناك دائمًا تأثير درجة الحرارة ومجال إزالة المغناطيسية العكسي. من منظور تصميم المحرك، كلما زادت القوة القسرية، قل اتجاه سمك الفولاذ المغناطيسي، وكلما كانت القوة القسرية أصغر، زاد اتجاه سمك الفولاذ المغناطيسي. ولكن بعد أن يتجاوز الفولاذ المغناطيسي قوة قسرية معينة، يصبح عديم الفائدة، لأن المكونات الأخرى للمحرك لا يمكن أن تعمل بثبات عند درجة الحرارة تلك. يكفي أن تفي القوة القسرية بالمتطلبات، والمعيار هو تلبية المتطلبات في ظل الظروف التجريبية الموصى بها، وليست هناك حاجة لإهدار الموارد.

2.3 تأثير التربيع

يؤثر التربيع فقط على استقامة منحنى الكفاءة في اختبار الأداء الحركي. على الرغم من أن استقامة منحنى كفاءة المحرك لم يتم إدراجها كمعيار مؤشر مهم، إلا أنه مهم جدًا لاستمرار مسافة محرك المحور في ظل ظروف الطريق الطبيعية.

بسبب اختلاف ظروف الطريق، لا يمكن للمحرك أن يعمل دائمًا عند نقطة الكفاءة القصوى، وهذا أحد أسباب عدم ارتفاع الكفاءة القصوى لبعض المحركات ومسافة الاستمرار أطول. للحصول على محرك جيد داخل العجلة، لا يجب أن تكون الكفاءة القصوى عالية فحسب، بل يجب أيضًا أن يكون منحنى الكفاءة أفقيًا قدر الإمكان. كلما كان ميل تقليل الكفاءة أصغر، كلما كان ذلك أفضل. مع نضوج السوق والتكنولوجيا والمعايير الخاصة بالمحركات ذات العجلات، سيصبح هذا معيارًا مهمًا تدريجيًا.

2.4 تأثير اتساق الأداء

المغناطيسية المتبقية غير متناسقة: حتى لو كان هناك أفراد يتمتعون بأداء عالٍ بشكل خاص، فهذا ليس جيدًا. بسبب عدم تناسق التدفق المغناطيسي في كل قسم من المجال المغناطيسي أحادي الاتجاه، يحدث الاهتزاز بسبب عدم تناسق عزم الدوران.

القوة القسرية غير المتناسقة: خاصة إذا كانت القوة القسرية للمنتجات الفردية منخفضة جدًا، فمن السهل إنتاج إزالة مغناطيسية عكسية، مما يؤدي إلى تدفق مغناطيسي غير متناسق لكل مغناطيس واهتزاز المحرك. ويكون هذا التأثير أكثر وضوحًا بالنسبة للمحركات بدون فرش.

3. الاحتياطات اللازمة للمحركات ذات المغناطيس الدائم

3.1 هيكل الدائرة المغناطيسية وحساب التصميم

من أجل إطلاق العنان للخصائص المغناطيسية لمختلف مواد المغناطيس الدائم، وخاصة الخصائص المغناطيسية الممتازة للمغناطيس الدائم الأرضي النادر، وتصنيع محركات المغناطيس الدائم فعالة من حيث التكلفة، وطرق حساب الهيكل والتصميم لمحركات المغناطيس الدائم التقليدية أو الكهربائية لا يمكن تطبيق محركات الإثارة ببساطة، بل يجب إنشاء مفهوم تصميم جديد وإعادة تحليل وتحسين بنية الدائرة المغناطيسية.

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 للأكاديميات الكهربائية والدوائر الهندسية، ظهرت نظرية التصميم من محركات المغناطيس الدائم. تم تحقيق اختراقات في طرق الحساب، والتكنولوجيا الهيكلية، وتكنولوجيا التحكم، وتم تشكيل مجموعة كاملة من طرق التحليل والبحث والتحليل بمساعدة الكمبيوتر وبرامج التصميم التي تجمع بين الحساب العددي للمجال الكهرومغناطيسي والحلول التحليلية المكافئة للدوائر المغناطيسية، ويجري العمل عليها تحسنت بشكل مستمر.

3.2 مشاكل 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 مولدات المغناطيس الدائم ضبط جهد الخرج وعامل الطاقة من الخارج، ولم يعد بإمكان محركات التيار المستمر ذات المغناطيس الدائم ضبط سرعتها عن طريق تغيير الإثارة. هذه تحد من نطاق تطبيق محركات المغناطيس الدائم.

ومع ذلك، مع التطور السريع للأجهزة الإلكترونية للطاقة مثل MOSFETs وIGBTs وتقنيات التحكم، يمكن استخدام معظم المحركات ذات المغناطيس الدائم دون التحكم في المجال المغناطيسي ولكن فقط مع التحكم في عضو الإنتاج. يحتاج التصميم إلى الجمع بين التقنيات الثلاثة الجديدة لمواد المغناطيس الدائم الأرضية النادرة، وأجهزة الطاقة الإلكترونية، والتحكم في الحواسيب الصغيرة حتى يتمكن محرك المغناطيس الدائم من العمل في ظل ظروف عمل جديدة تمامًا.

3.3 مشكلة إزالة المغناطيسية التي لا رجعة فيها

إذا كان التصميم أو الاستخدام غير مناسب، فإن محرك المغناطيس الدائم يكون تحت تأثير تفاعل عضو الإنتاج الناتج عن تيار التأثير عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة جدًا (مغناطيس دائم NdFeB) أو منخفضة جدًا (مغناطيس دائم من الفريت)، أو تحت اهتزاز ميكانيكي شديد. . قد يتسبب ذلك في إزالة المغناطيسية بشكل لا رجعة فيه، أو يقلل من أداء المحرك، أو حتى يجعله غير قابل للاستخدام. لذلك، من الضروري البحث وتطوير طرق وأجهزة للتحقق من الاستقرار الحراري لمواد المغناطيس الدائم المناسبة لمصنعي المحركات، وتحليل قدرات مكافحة إزالة المغناطيسية لمختلف الأشكال الهيكلية، بحيث يمكن اتخاذ التدابير المقابلة لضمان المغناطيس الدائم المحركات لا تفقد المغناطيسية.

3.4 قضايا التكلفة

تُستخدم محركات الفريت ذات المغناطيس الدائم، وخاصة محركات التيار المستمر ذات المغناطيس الدائم المصغرة، على نطاق واسع بسبب هيكلها البسيط وعملية التصنيع، وخفة الوزن، والتكلفة الإجمالية الأقل بشكل عام من محركات الإثارة الكهربائية. نظرًا لأن المغناطيس الدائم للأتربة النادرة لا يزال مكلفًا نسبيًا في الوقت الحاضر، فإن تكلفة محركات المغناطيس الدائم للأتربة النادرة أعلى عمومًا من تكلفة محركات الإثارة الكهربائية، والتي يجب تعويضها من خلال أدائها العالي وتوفير تكاليف التشغيل. في بعض المناسبات، مثل محرك الملف الصوتي لمحرك أقراص الكمبيوتر، تم تحسين أداء مغناطيس NdFeB الدائم، وتقليل الحجم والكتلة بشكل كبير، وتقليل التكلفة الإجمالية. في التصميم، من الضروري مقارنة الأداء والسعر وفقًا لمناسبات ومتطلبات الاستخدام المحددة لتحديد خيار ابتكار الهيكل والمعالجة وتحسين التصميم لتقليل التكلفة.