نظرًا لصغر حجمها وكثافة عزم الدوران العالية، محركات متزامنة ذات مغناطيس دائم تستخدم على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الصناعية، وخاصة لأنظمة القيادة عالية الأداء مثل أنظمة الدفع تحت الماء. لا تحتاج المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم إلى استخدام حلقات الانزلاق للإثارة، مما يقلل من صيانة الدوار والتآكل. تتمتع المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم بكفاءة عالية ومناسبة لأنظمة القيادة عالية الأداء مثل أدوات الآلات CNC والروبوتات وأنظمة الإنتاج الأوتوماتيكية في الصناعة.

بشكل عام، تصميم وبناء المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم يجب أن يأخذ في الاعتبار كلاً من هياكل الجزء الثابت والدوار للحصول على محركات عالية الأداء.

بناء محرك متزامن ذو مغناطيس دائم

كثافة تدفق فجوة الهواء: يتم تحديدها وفقًا لتصميم المحركات غير المتزامنة، وما إلى ذلك، وتصميم الجزء الدوار للمغناطيس الدائم، والمتطلبات الخاصة لاستخدام اللفات الثابتة ذات التبديل. بالإضافة إلى ذلك، يُفترض أن يكون الجزء الثابت عبارة عن جزء ساكن مشقوق. كثافة تدفق فجوة الهواء محدودة بتشبع قلب الجزء الثابت. على وجه الخصوص، تكون كثافة التدفق القصوى محدودة بعرض السن، بينما يحدد الجزء الخلفي من الجزء الثابت الحد الأقصى للتدفق الإجمالي.

كما يعتمد مستوى التشبع المسموح به على التطبيق. عادةً ما يكون للمحرك عالي الكفاءة كثافة تدفق منخفضة، في حين أن المحرك المصمم لكثافة عزم الدوران القصوى له كثافة تدفق عالية. عادةً ما تتراوح كثافة تدفق فجوة الهواء القصوى بين 0.7 و1.1 تسلا. لاحظ أن هذه هي كثافة التدفق الإجمالية، وهي مجموع تدفقات الجزء المتحرك والجزء الثابت. وهذا يعني أنه إذا كانت قوة رد فعل عضو الإنتاج أقل، فهذا يعني أن عزم المحاذاة أعلى.

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

مادة المغناطيس الدائم:

يلعب المغناطيس دوراً هاماً في العديد من الأجهزة، لذلك من المهم تحسين خصائص هذه المواد، وحالياً يتم التركيز على المواد المعتمدة على الأتربة النادرة والمعادن الانتقالية للحصول على مغناطيس دائم ذو خصائص مغناطيسية عالية. اعتمادًا على التكنولوجيا، يتمتع المغناطيس بخصائص مغناطيسية وميكانيكية مختلفة ويظهر مقاومة مختلفة للتآكل.

تعد مغناطيسات بورون حديد النيوديميوم (Nd2Fe14B) وكوبالت السماريوم (Sm1Co5 وSm2Co17) من أكثر المواد المغناطيسية الدائمة التجارية تقدمًا اليوم. داخل كل فئة من المغناطيسات الأرضية النادرة، هناك مجموعة واسعة من الدرجات. بدأ تسويق مغناطيس NdFeB تجاريًا في أوائل الثمانينيات. وهي تستخدم على نطاق واسع اليوم في العديد من التطبيقات المختلفة. تكلفة هذه المادة المغناطيسية (المحسوبة لكل منتج طاقة) قابلة للمقارنة بتكلفة مغناطيس الفريت، وعلى أساس الكيلوجرام الواحد، تكلف مغناطيس ندفيب حوالي 1980 إلى 10 مرة أكثر من مغناطيس الفريت.

بعض الخصائص المهمة المستخدمة لمقارنة المغناطيس الدائم هي Remanence (Mr)، الذي يقيس قوة المجال المغناطيسي للمغناطيس الدائم، والقوة القسرية (Hcj)، وقدرة المادة على مقاومة إزالة المغناطيسية، ومنتج الطاقة (BHmax)، وكثافة الطاقة المغناطيسية؛ درجة حرارة كوري (TC)، درجة الحرارة التي تفقد عندها المادة مغناطيسيتها. تتمتع مغناطيسات النيوديميوم بثبات أعلى، وقوة قسرية أعلى، ومنتجات طاقة، ولكنها بشكل عام أقل أنواع درجة حرارة كوري، والنيوديميوم والتيربيوم، والديسبروسيوم من أجل الحفاظ على خواصها 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. تشمل المواصفات والهندسة سرعة المحرك، والتردد، وعدد الأقطاب، وطول الجزء الثابت، والأقطار الداخلية والخارجية، وعدد فتحات الدوار. يتضمن تصميم المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم فقدان النحاس، والقوة الدافعة الكهربائية الخلفية، وفقدان الحديد والحث الذاتي، والحث المتبادل، والتدفق المغناطيسي، ومقاومة الجزء الثابت، وما إلى ذلك.

حساب الحث الذاتي والمتبادل:

يمكن تعريف الحث L على أنه نسبة ارتباط التدفق بالتيار I الذي ينتج التدفق بالهنري (H)، أي ما يعادل ويبر لكل أمبير. المحث هو جهاز يستخدم لتخزين الطاقة في مجال مغناطيسي، على غرار الطريقة التي يقوم بها المكثف بتخزين الطاقة في مجال كهربائي. يتكون المحرِّض عادة من ملف، عادة ما يكون ملفوفًا حول قلب من الفريت أو الحديد المغناطيسي، وترتبط قيمة محاثته فقط بالبنية الفيزيائية للموصل ونفاذية المادة التي يمر من خلالها التدفق المغناطيسي.

خطوات العثور على الحث هي كما يلي: 1. افترض أن هناك تيار I 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 الحلقات. 4. ضرب إجمالي التدفق المغناطيسي بعدد الدوائر للحصول على وصلة التدفق، وتصميم المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم من خلال تقييم المعلمات المطلوبة.

وجدت الدراسة أن تصميم استخدام NdFeB كمادة مغناطيس دائم للجزء الثابت يعمل بالتيار المتردد يزيد من التدفق المغناطيسي المتولد في فجوة الهواء، مما يؤدي إلى انخفاض في نصف القطر الداخلي للجزء الثابت، في حين أن نصف القطر الداخلي للجزء الثابت باستخدام كوبالت السماريوم الدائم 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 هياكل الجزء الثابت والدوار للحصول على محركات عالية الأداء.

أخيرا

(أراضي البوديساتفا) محرك متزامن مغناطيسي دائم (PMSM) هو محرك متزامن يستخدم مواد مغناطيسية عالية للمغنطة. إنها تتميز بخصائص الكفاءة العالية، الهيكل البسيط، والتحكم السهل. هذا النوع من المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم له تطبيقات في العديد من المجالات مثل 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 المجالات المغناطيسية.

في الوقت الحاضر، لا يتطلب تصميم المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم المزيد من الطاقة فحسب، بل يتطلب أيضًا كتلة أقل ولحظات قصور ذاتي أصغر.