1. محرك المغناطيس الدائم الأرضي النادر – مستقبل المحرك
محرك مغناطيسي دائم للأرض النادرة هو نوع جديد من محركات المغناطيس الدائم ظهر في أوائل السبعينيات.
نظرًا للخصائص المغناطيسية الممتازة للمواد الأرضية النادرة ذات المغناطيس الدائم، يمكنها إنشاء مجال مغناطيسي دائم قوي بدون طاقة خارجية بعد المغنطة.
لا يتمتع محرك المغناطيس الدائم الأرضي النادر بكفاءة عالية فحسب، بل يتميز أيضًا ببنية بسيطة وتشغيل موثوق. ويمكن أيضًا أن تكون صغيرة الحجم وخفيفة الوزن.
يتم تصنيعها إلى محركات خاصة يمكنها تلبية متطلبات التشغيل المحددة، مثل محركات جر المصاعد، والمحركات الخاصة للسيارات، وما إلى ذلك.
أدى الجمع بين محركات المغناطيس الدائم الأرضية النادرة وتكنولوجيا إلكترونيات الطاقة وتكنولوجيا التحكم في الحواسيب الصغيرة إلى تحسين أداء المحرك ونظام النقل إلى مستوى جديد.
يعد تحسين أداء ومستوى المعدات التقنية الداعمة اتجاهًا تنمويًا مهمًا لصناعة السيارات لضبط الهيكل الصناعي.
تُستخدم المحركات المغناطيسية الدائمة الأرضية النادرة على نطاق واسع في كل مجالات الطيران تقريبًا والفضاء والدفاع الوطني وتصنيع المعدات والإنتاج الصناعي والزراعي والحياة اليومية.
وهي تشمل المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم، ومولدات المغناطيس الدائم، ومحركات التيار المستمر، ومحركات التيار المستمر بدون فرش، ومحركات مؤازرة المغناطيس الدائم ذات التيار المتردد، والمحركات الخطية ذات المغناطيس الدائم، ومحركات المغناطيس الدائم الخاصة، وأنظمة التحكم ذات الصلة، والتي تغطي صناعة المحركات بأكملها تقريبًا.
2. دعم سياسة محرك المغناطيس الدائم للأتربة النادرة
في 22 نوفمبر 2021، أصدرت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات وإدارة الدولة لتنظيم السوق بشكل مشترك "خطة تحسين كفاءة طاقة المحركات (2021-2023)"، تقترح أنه بحلول عام 2023، سيرتفع الإنتاج السنوي للمركبات عالية الكفاءة والطاقة -المحركات الموفرة للطاقة ستصل إلى 170 مليون كيلووات، وتصل نسبة المحركات عالية الكفاءة والموفرة للطاقة الموجودة في الخدمة إلى أكثر من 20%، كما بلغ التوفير السنوي للكهرباء 49 مليار كيلووات ساعة.
تشير الوثيقة بوضوح إلى أنه "بالنسبة للمراوح والمضخات والضواغط والأدوات الآلية وغيرها من المعدات ذات الأغراض العامة، يجب تشجيع استخدام المحركات الكهربائية ذات مستوى كفاءة الطاقة 2 وما فوق.
بالنسبة لظروف التشغيل ذات الأحمال المتغيرة، قم بتعزيز المحركات ذات المغناطيس الدائم ذات التردد المتغير مع مستوى كفاءة الطاقة 2 وما فوق.
وفقًا لإصدار 2013 من معيار "المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم"، يتم توزيع الإنتاج الحالي لمحركات المغناطيس الدائم على فترات استهلاك الطاقة من المستوى الأول والمستوى الثاني؛ جنبًا إلى جنب مع "حدود كفاءة طاقة المحرك ودرجات كفاءة الطاقة" (GB 18613-2020) و"خطة تحسين كفاءة طاقة المحرك"، فقط بعض المحركات المغناطيسية الأرضية النادرة NdFeB عالية الأداء يمكنها الوصول إلى كفاءة أكثر من 95% من معيار استهلاك الطاقة من المستوى الأول (الموافق لـ IE5)، وبقية محركات المغناطيس الدائم الأرضية النادرة تنتمي إلى معيار استهلاك الطاقة من المستوى الثاني.
في الوقت الحاضر، يمكن للمحركات ذات المغناطيس الدائم الأرضية النادرة توفير أكثر من 10% من الكهرباء وزيادة كفاءتها إلى أكثر من 95%.
باستخدام محرك متزامن ذو مغناطيس دائم للأتربة النادرة، يمكن أن يصل معدل توفير الطاقة للطاقة التفاعلية إلى 85%، ويمكن أن يصل معدل توفير الطاقة للطاقة النشطة إلى 23% ~ 25%. تأثير توفير الطاقة ملحوظ.
ما نقدمه ليس فقط المحرك، ولكن أيضًا حل القيادة. اتصال إنينج للحصول على فعالية حلول توفير الطاقة.
3. لماذا يجب علينا أن نعمل بقوة على تطوير محركات توفير الطاقة ذات المغناطيس الدائم للأتربة النادرة؟
(1) المحركات الصناعية هي المناطق الأكثر استهلاكاً للكهرباء في المجتمع.
وفي عام 2020، ستبلغ ممتلكات الصين من السيارات حوالي 4 مليارات كيلووات، وسيبلغ إجمالي استهلاك الطاقة حوالي 4.8 تريليون كيلووات ساعة، وهو ما يمثل 64٪ من إجمالي استهلاك الكهرباء للمجتمع بأكمله.
من بينها، سيبلغ إجمالي استهلاك الطاقة للمحركات في المجال الصناعي 3.84 تريليون كيلووات ساعة، وهو ما يمثل 75% من استهلاك الكهرباء الصناعية، كل 1% زيادة في كفاءة طاقة المحركات في المجال الصناعي يمكن أن توفر حوالي 38.4 مليار كيلووات ساعة من الكهرباء. سنوياً، وزيادة بنسبة 3% في كفاءة استخدام الطاقة تعادل توليد الطاقة سنوياً في المضائق الثلاثة.
أصدر مجلس الدولة "خطة عمل ذروة الكربون 2030"، التي تركز على تعزيز الحفاظ على الطاقة وتعزيز كفاءة المعدات الرئيسية المستهلكة للطاقة، مع التركيز على المحركات والمراوح والمضخات والضواغط والمحولات والمبادلات الحرارية والغلايات الصناعية وغيرها من المعدات تحسين شامل لمعايير كفاءة الطاقة.
(2) تشير المحركات عالية الكفاءة والموفرة للطاقة إلى المحركات القياسية للأغراض العامة ذات الكفاءة العالية
(الاجتماع فوق معيار المستوى الثاني لمعيار كفاءة طاقة المحرك الجديد). في مايو 2020، أعلنت الصين عن أحدث معايير كفاءة طاقة المحركات “GB18613-2020 حدود كفاءة طاقة المحرك ودرجات كفاءة الطاقة”، وتم تطبيق المعيار رسميًا في 1 يونيو 2021، وتم فرض المحركات الموفرة للطاقة التي تقل عن IE3 (المعيار الدولي) لوقف الإنتاج.
تشمل أنواع المحركات المحركات غير المتزامنة ثلاثية الطور، والمحركات ذات المغناطيس الدائم الأرضية النادرة، وما إلى ذلك. ويمكن زيادة المحركات غير المتزامنة التقليدية عن طريق زيادة المواد (زيادة القطر الخارجي للنواة الحديدية، وزيادة حجم فتحة الجزء الثابت، وزيادة وزن الأسلاك النحاسية ، واستخدام صفائح الفولاذ السليكونية ذات النفاذية المغناطيسية الجيدة).
ومع ذلك، نظرًا لمبدأ العمل الأساسي، فمن الصعب تحسين كفاءة المحركات التقليدية غير المتزامنة. على سبيل المثال، تفضل بعض المحركات الموفرة للطاقة IE4 وIE5 استخدام وضع المغناطيس الدائم.
(3) والأهم من ذلك، بالمقارنة مع المحركات غير المتزامنة، فإن المحركات ذات المغناطيس الدائم الأرضية النادرة تتمتع بمزايا توفير الطاقة الطبيعية.
1) توفير الطاقة:
يختلف عن المحرك غير المتزامن، فإن الجزء الدوار للمحرك المغناطيسي الدائم لا يحتاج إلى تيار إثارة، وتوفير الطاقة حوالي 15%-20%.
2) كفاءة عالية:
كفاءة المحركات ذات المغناطيس الدائم أعلى بنسبة 2-19 نقطة مئوية من كفاءة المحركات التقليدية.
3) محرك المغناطيس الدائم الأرضي النادر لديه هيكل بسيط ومعدل فشل منخفض.
4) حياة طويلة:
يعتمد دوار محرك المغناطيس الدائم على هيكل مغلق مدمج، وهو مفيد في تقليل الاحتكاك والأكسدة أثناء الدوران وتحسين استقرار وعمر المحرك.
(4) تبلغ دورة الاسترداد لاستبدال المحركات المغناطيسية الدائمة الأرضية النادرة حوالي 1-2 سنة، والفوائد الاقتصادية واضحة بالفعل.
4. الاختلافات بين المحركات ذات المغناطيس الدائم الأرضية النادرة والمحركات التقليدية
محرك المغناطيس الدائم هو محرك متزامن DC / AC حيث يكون الجزء الثابت مغناطيسًا دائمًا والدوار فقط عبارة عن ملف. الجزء الثابت للمحرك العادي هو ملف (مغناطيس كهربائي).
1) طبيعة المجال المغناطيسي.
بعد صنع محرك المغناطيس الدائم، يمكنه الحفاظ على مجاله المغناطيسي دون طاقة خارجية؛ تحتاج المحركات التقليدية إلى تيار كهربائي حتى يكون لها مجال مغناطيسي.
2) مناسبات قابلة للتطبيق.
تحتاج المحركات التقليدية إلى تشغيل آلية التخفيض لتحقيق عزم دوران عالي، بينما يمكن للمحركات ذات المغناطيس الدائم الأرضية النادرة أن تحل محل آلية التخفيض لتحقيق الدفع المباشر.
3) محرك المغناطيس الدائم لديه اهتزاز صغير واستقرار تشغيل جيد.
4) كثافة الطاقة العالية والكفاءة.
بالمقارنة مع المحركات العادية، تتمتع المحركات ذات المغناطيس الدائم بكثافة طاقة عالية، مما يعني بشكل أساسي أن المحركات ذات المغناطيس الدائم صغيرة الحجم وكبيرة في توليد الطاقة أو إخراجها.
بالمقارنة مع المحركات العادية، يمكن أن يصل توفير الطاقة إلى 20%-40%. يختلف الهيكل الدوار لمحرك المغناطيس الدائم عن المحرك العادي.
يتم تثبيت أقطاب المغناطيس الدائم على دوار محرك المغناطيس الدائم؛ يتم تثبيت ملف الإثارة على دوار المحرك العادي، ويجب تزويد المجال المغناطيسي بالتيار.
بالمقارنة مع المحركات التقليدية، فإن أي نقطة سرعة توفر الطاقة، خاصة عند السرعات المنخفضة.
5) حجم صغير، خفيف الوزن، ارتفاع درجة الحرارة منخفضة
محرك المغناطيس الدائم له هيكل بسيط.
بسبب استخدام مغناطيس دائم عالي الأداء لتوفير المجال المغناطيسي، يتم تحسين المجال المغناطيسي للفجوة الهوائية لمحرك المغناطيس الدائم بشكل كبير مقارنة بالمحركات العادية، في حين يتم تقليل حجم ووزن محركات المغناطيس الدائم بشكل كبير مقارنة بالمحركات العادية .
الأحجام والأشكال مرنة أيضًا. الإثارة غير الكهربائية للدوار تعني عدم وجود فقدان وتوليد للحرارة.
ولذلك، فإن ارتفاع درجة حرارة المحركات ذات المغناطيس الدائم يكون منخفضًا جدًا بشكل عام.
6) انخفاض معدل الفشل، وتستخدم على نطاق واسع
بسبب استخدام مواد المغناطيس الدائم الأرضية النادرة عالية الأداء لتوفير المجال المغناطيسي، يكون معدل الفشل أقل ويكون الاستخدام أكثر شيوعًا.
7) عزم دوران كبير وأداء جيد
نظرًا لأن ملف الدوار لا يعمل عندما يعمل محرك المغناطيس الدائم بشكل طبيعي، فيمكن تصميم ملف الدوار لتلبية متطلبات عزم الدوران العالي بشكل كامل، على سبيل المثال، من 1.8 مرة إلى 2.5 مرة، أو حتى أكبر.
5. ما هو عمر محرك المغناطيس الدائم الأرضي النادر؟ هل ستضعف المغناطيسية مع مرور الوقت؟
عمر خدمة محرك المغناطيس الدائم هو بشكل عام 15-20 سنة، وعمر خدمة المحرك يعتمد بشكل أساسي على صيانة المستخدم.
بالإضافة إلى ذلك، فإن جودة بيئة استخدام محرك المغناطيس الدائم، والعوامل مثل الكهرباء والمغناطيسية والحرارة والاهتزاز والعوامل الأخرى التي يتلقاها المحرك أثناء الاستخدام ستؤثر على عمر المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم!
المغناطيس العام له عمر خدمة. عند استخدامها لعدد معين من السنوات، ستضعف المغناطيسية، لكن الخصائص المغناطيسية لمواد المغناطيس الدائم NdFeB تتغير قليلاً جدًا مع مرور الوقت، وتكون المغناطيسات الأرضية النادرة ضمن العمر التصميمي للمحرك (10-20 عامًا).
توهين الأداء المغناطيسي أقل من 3%. في ظل تصميم المحرك الحالي وتكنولوجيا التحكم الإلكتروني، فإن له تأثيرًا ضئيلًا على الأداء العام للمحرك.
أسباب إزالة مغنطة محركات المغناطيس الدائم:
01. الاختيار غير الصحيح لدرجات الفولاذ المغناطيسي
إذا لم يكن حساب تصميم المحرك دقيقًا بما فيه الكفاية، وتم اختيار درجة أقل بشكل خاطئ، مثل يجب اختيار المغناطيس الدائم 180 درجة مئوية ولكن تم اختيار 155 درجة مئوية بشكل خاطئ، فقد يكون هناك مثل هذا الموقف: الاختبار الأولي مؤشر التسجيل لعملية الاختبار جيد جدًا، نظرًا لأن المحرك يميل تدريجيًا إلى الاستقرار حرارياً، فإن المؤشرات ذات الصلة للمحرك تبدأ في التدهور، وتنحرف عن توقعات التصميم أكثر فأكثر. في لحظة معينة، يزداد التيار بشكل حاد، ويتوقف العاكس بسرعة، ويتم عرض رمز التيار الزائد. اختبر خصائص عدم التحميل للمحرك مرة أخرى، مع الإشارة إلى أن المحرك فقد مغناطيسيته، ويجب استبدال الفولاذ المغناطيسي.
02. ارتفاع درجة حرارة مشكلة إزالة المغناطيسية
يعد فقدان المغناطيسية المفرط موضوعًا حساسًا، ويمكن أن يؤدي انخفاض الخواص المغناطيسية للمغناطيس أيضًا إلى مشاكل التيار الزائد والسخونة الزائدة. إذا تم استبعاد تأثير الخواص المغناطيسية للفولاذ المغناطيسي وتم أخذ العامل الحراري فقط في الاعتبار، فيمكن تحديد أن هناك حالتين ستحدث فيهما ظاهرة إزالة المغناطيسية الزائدة: أولاً، مسار التهوية الدورانية في المحرك غير معقول، وهو ما ينتهك القانون الطبيعي لتوصيل البرودة والحرارة، مما يؤدي إلى تراكم الحرارة الموضعي؛ ثانيًا، الحمل الحراري للملف مرتفع جدًا، ويتجاوز توليد الحرارة مستوى التبادل الحراري لنظام التبادل الحراري للمحرك.
03. مشكلة التيار الزائد للمغناطيسية
عند تشغيل المحرك، عندما يتجاوز تيار الحمل قدرة المغناطيس على مقاومة إزالة المغناطيسية، فإنه سيؤدي إلى إزالة مغنطة المغناطيس بشكل لا رجعة فيه، مما سيزيد من تيار الحمل ويؤدي إلى تفاقم إزالة مغنطة المغناطيس بشكل لا رجعة فيه. يعمل هذا التبادل على تسريع عملية إزالة المغناطيسية التي لا رجعة فيها حتى إزالة المغناطيسية.
كيفية منع إزالة مغنطة محركات المغناطيس الدائم؟
01. الاختيار الصحيح لقوة محرك المغناطيس الدائم:
ترتبط إزالة المغناطيسية باختيار الطاقة لمحركات المغناطيس الدائم. يمكن أن يؤدي الاختيار الصحيح لقوة محرك PM إلى منع أو تأخير إزالة المغناطيسية. السبب الرئيسي لإزالة مغناطيسية المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم هو أن درجة الحرارة مرتفعة جدًا، والحمل الزائد هو السبب الرئيسي لارتفاع درجة الحرارة. لذلك، يجب ترك هامش معين عند اختيار قوة محرك المغناطيس الدائم. وفقًا للحالة الفعلية للحمل، بشكل عام، يكون حوالي 20% أكثر ملاءمة.
02. تجنب البدء بالحمل الثقيل والبدء المتكرر:
تحاول المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم تجنب البدء المباشر أو البدء المتكرر للأحمال الثقيلة. أثناء عملية البدء، يتأرجح عزم الدوران، وفي قسم الوادي من عزم الدوران، يعمل المجال المغناطيسي للجزء الثابت على إزالة مغناطيسية القطب المغناطيسي للدوار. لذلك، حاول تجنب الحمل الثقيل والتشغيل المتكرر للمحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم.
03. تحسين التصميم:
(1) زيادة سمك المغناطيس الدائم بشكل مناسب:
من منظور تصميم وتصنيع المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم، ينبغي النظر في العلاقة بين تفاعل عضو الإنتاج وعزم الدوران الكهرومغناطيسي وإزالة المغناطيسية من المغناطيس الدائم.
في ظل العمل المشترك للتدفق المغناطيسي الناتج عن تيار لف عزم الدوران والتدفق المغناطيسي الناتج عن لف القوة الشعاعية، فإن المغناطيس الدائم الموجود على سطح الدوار يتسبب بسهولة في إزالة المغناطيسية.
في حالة بقاء فجوة الهواء في المحرك دون تغيير، لضمان عدم إزالة مغنطة المغناطيس الدائم، فإن الطريقة الأكثر فعالية هي زيادة سمك المغناطيس الدائم بشكل مناسب.
(2) توجد دائرة أخدود تهوية داخل الدوار لتقليل ارتفاع درجة حرارة الدوار:
إذا كانت درجة حرارة الدوار مرتفعة للغاية، فإن المغناطيس الدائم سوف يسبب فقدانًا لا رجعة فيه للمغناطيسية. في التصميم الهيكلي، يمكن تصميم دائرة التهوية الداخلية للدوار لتبريد الفولاذ المغناطيسي مباشرة. لا يقلل درجة حرارة الفولاذ المغناطيسي فحسب، بل يحسن كفاءته أيضًا.
