نظرًا لصغر حجمها وكثافة عزم الدوران العالية، تُستخدم المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الصناعية، خاصة في أنظمة القيادة عالية الأداء مثل أنظمة الدفع تحت الماء. المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم لا تحتاج إلى حلقات انزلاقية للإثارة، وبالتالي تقليل صيانة الدوار والخسائر. تتميز المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم بالكفاءة العالية ومناسبة لأنظمة القيادة عالية الأداء مثل أدوات الآلات CNC والروبوتات وأنظمة الإنتاج الأوتوماتيكية في الصناعة. عادةً، عند تصميم وبناء المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم، يجب أن تأخذ في الاعتبار كلاً من هياكل الجزء الثابت والدوار للحصول على محرك عالي الأداء.

هيكل محرك متزامن المغناطيس الدائم

كثافة تدفق فجوة الهواء: يتم تحديدها بناءً على تصميم المحرك غير المتزامن، وما إلى ذلك، وتصميم الجزء الدوار المغناطيسي الدائم، والمتطلبات الخاصة لاستخدام ملفات الجزء الثابت. بالإضافة إلى ذلك، من المفترض أن يكون الجزء الثابت عبارة عن جزء ثابت مشقوق. كثافة تدفق فجوة الهواء محدودة بتشبع قلب الجزء الثابت. على وجه الخصوص، تكون كثافة التدفق القصوى محدودة بعرض السن، بينما يحدد الجزء الخلفي للجزء الثابت الحد الأقصى للتدفق الإجمالي. علاوة على ذلك، يعتمد مستوى التشبع المسموح به على التطبيق. عادة، المحركات عالية الكفاءة لديها كثافات تدفق أقل، في حين أن المحركات المصممة لأقصى كثافة عزم الدوران لها كثافات تدفق أعلى. عادةً ما تتراوح كثافة تدفق فجوة الهواء القصوى بين 0.7 و1.1 تسلا. تجدر الإشارة إلى أن هذه هي كثافة التدفق الإجمالية، وهي مجموع تدفقات الجزء المتحرك والجزء الثابت. وهذا يعني أنه إذا كانت قوة رد فعل عضو الإنتاج أصغر، 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 هناك حاجة إلى m كبير ومحاثة صغيرة L للحصول على عزم الدوران. وينطبق هذا بشكل عام على العمليات التي تقل عن السرعة الأساسية، حيث أن الحث العالي يقلل من عامل الطاقة.

مادة المغناطيس الدائم:

يلعب المغناطيس دورًا مهمًا في العديد من الأجهزة، لذا من المهم جدًا تحسين أداء هذه المواد. حاليًا، يتم التركيز على المواد المعتمدة على المعادن الأرضية النادرة والمعادن الانتقالية، والتي يمكنها الحصول 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. يوجد ضمن كل فئة من المغناطيسات الأرضية النادرة مجموعة واسعة من الدرجات. أصبح مغناطيس ندفيب متاحًا تجاريًا في أوائل الثمانينات. وهي تستخدم على نطاق واسع اليوم في العديد من التطبيقات المختلفة. تكلفة هذه المادة المغناطيسية (لكل منتج طاقة) قابلة للمقارنة بتكلفة مغناطيس الفريت، والتي تكون أكثر تكلفة بحوالي 1980 إلى 10 مرة على أساس الكيلوجرام الواحد.

بعض الخصائص المهمة المستخدمة لمقارنة المغناطيس الدائم هي الثبات (Mr)، الذي يقيس قوة المجال المغناطيسي للمغناطيس الدائم، والقوة القسرية (Hcj)، وقدرة المادة على مقاومة إزالة المغناطيسية، ومنتجات الطاقة (BHmax)، وكثافة الطاقة المغناطيسية؛ درجة حرارة كوري (TC)، درجة الحرارة التي تفقد عندها المادة مغناطيسيتها. تتمتع مغناطيسات النيوديميوم بثبات أعلى، وإكراه أعلى، ومنتجات طاقة، ولكن بشكل عام أنواع درجة حرارة كوري أقل. يتنافس النيوديميوم مع التيربيوم والديسبروسيوم من أجل الحفاظ على مغناطيسيته عند درجات الحرارة المرتفعة.

تصميم محرك متزامن مغناطيسي دائم

في تصميم المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM)، يعتمد هيكل الجزء المتحرك ذو المغناطيس الدائم على إطار الجزء الثابت للمحرك التعريفي 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 والمحاثة المتبادلة، والتدفق المغناطيسي، ومقاومة الجزء الثابت، وما إلى ذلك.

حساب الحث الذاتي والمحاثة المتبادلة: يمكن تعريف الحث L على أنه نسبة ارتباط التدفق إلى التيار I الذي يولد التدفق المغناطيسي. الوحدة هي هنري (H)، وهي تساوي 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 من الأسلاك، 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.

خطوات العثور على الحث هي كما يلي:

1. افترض أن هناك تيار I في الموصل.
2. استخدم قانون Biot-Savart أو قانون دائرة Ampere (إن وجد) لتحديد أن B متماثل بدرجة كافية.
3. حساب التدفق الكلي الذي يربط جميع الحلقات.
4. اضرب إجمالي التدفق المغناطيسي بعدد الحلقات للحصول على رابط التدفق، ثم قم بتصميم المحرك المتزامن مع المغناطيس الدائم من خلال تقييم المعلمات المطلوبة.

وجدت الدراسة أن التصميم باستخدام بورون حديد النيوديميوم كمادة مغناطيس دائم للجزء الدوار يعمل بالتيار المتردد زاد من التدفق المغناطيسي المتولد في فجوة الهواء، مما أدى إلى انخفاض في نصف القطر الداخلي للجزء الثابت، في حين أن نصف القطر الداخلي للجزء الثابت باستخدام كوبالت السماريوم الدائم كانت 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. عادةً، عند تصميم وبناء المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم، يجب أن تأخذ في الاعتبار كلاً من هياكل الجزء الثابت والدوار للحصول على محرك عالي الأداء.

Iن الختام

(أراضي البوديساتفا) محرك متزامن ذو مغناطيس 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 مجالات مختلفة مثل الجر والسيارات والروبوتات وتكنولوجيا الطيران. كثافة الطاقة للمحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم أعلى من كثافة المحرك التعريفي من نفس التصنيف لأنه لا توجد قوة ثابتة مخصصة لتوليد المجال المغناطيسي. في الوقت الحاضر، لا يتطلب تصميم المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم طاقة أكبر فحسب، بل يتطلب أيضًا كتلة أقل وقصورًا دورانيًا أصغر.