مواد المغناطيس الدائم
تستخدم المحركات المغناطيسية الدائمة مواد مغناطيسية دائمة لتوليد المجال المغناطيسي للمحرك ولا تتطلب ملفات إثارة أو تيار إثارة. وبالمقارنة مع محركات الإثارة الكهربائية التقليدية، فإنها تتمتع بمزايا كبيرة مثل الكفاءة العالية والهيكل البسيط.
إن نطاق تطبيق المحركات المغناطيسية الدائمة واسع للغاية، ويغطي تقريبًا جميع مجالات الفضاء والدفاع الوطني والإنتاج الصناعي والزراعي والحياة اليومية. مع تطور المواد المغناطيسية الدائمة عالية الأداء والتطور السريع لتكنولوجيا التحكم، سيصبح تطبيق المحركات المغناطيسية الدائمة أكثر اتساعًا. اليوم، سوف آخذك لفهم تأثير المحركات المغناطيسية الدائمة وخصائص المواد المغناطيسية الدائمة على المحركات.
مبدأ وهيكل محرك المواد المغناطيسية الدائمة وهيكله
يعلم الجميع أن هناك العديد من أنواع المحركات، ولكن المبادئ الأساسية هي استخدام ظواهر الحث الكهرومغناطيسي والكهرومغناطيسي لتحقيق التحويل المتبادل للطاقة الكهربائية والطاقة الحركية مواد المغناطيس الدائم. إذا كنت ترغب في معرفة المزيد عن المبادئ الأساسية وهيكل المحركات، يمكنك النقر لعرض المبادئ الأساسية وأساسيات المحركات الهيكل. اليوم نأخذ محركات التيار المستمر ذات المغناطيس الدائم والمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم كأمثلة لإعطائك مقدمة موجزة عن محركات المواد المغناطيسية الدائمة.
1. محرك تيار مستمر مغناطيسي دائم
يتشابه مبدأ عمل وهيكل محرك التيار المستمر للمواد المغناطيسية الدائمة مع محركات التيار المستمر العادية، باستثناء استخدام أقطاب المواد المغناطيسية الدائمة بدلاً من الأقطاب المغناطيسية المستثارة بالتيار. يمكن تقسيمها إلى محركات مصقولة ومحركات بدون فرش بناءً على طرق التبديل المختلفة. فالأول يتم تبديله ميكانيكياً، والثاني يتم تبديله إلكترونياً.
إذا أخذنا محرك فرشاة التيار المستمر كمثال، فإن أقطاب المواد المغناطيسية الدائمة مرتبة على نفس الدائرة، وتمثل الخطوط المغناطيسية الزرقاء الدائرة المغناطيسية للمحرك.
يتكون دوّار محرك التيار المستمر المصقول بالمواد المغناطيسية الدائمة من قلب دوّار، وملف دوّار، ومبدّل، وعمود دوّار، وهو نفس دوّار محرك التيار المستمر العادي. قم بإدخال الدوار ومجموعة الفرشاة في الجزء الثابت لتشكيل محرك تيار مستمر من المواد المغناطيسية الدائمة.
تُستخدم محركات التيار المستمر المغناطيسية الدائمة صغيرة ومتوسطة الطاقة على نطاق واسع في الدراجات الكهربائية والدراجات النارية الكهربائية والدراجات البخارية الكهربائية والدراجات البخارية.
2. المحرك المتزامن ذو المواد المغناطيسية الدائمة
في السنوات الأخيرة، تطورت المحركات المتزامنة المغناطيسية الدائمة بسرعة. وهي تتميز بعامل طاقة عالٍ وكفاءة عالية. لقد حلت تدريجياً محل المحركات غير المتزامنة ذات التيار المتردد شائعة الاستخدام في العديد من المناسبات. من بينها ، يتميز المحرك المتزامن المغناطيسي الدائم غير المتزامن الذي يبدأ تشغيله بأداء فائق وهو محرك شائع جدًا. مستقبل المحركات الموفرة للطاقة.
إن هيكل الجزء الثابت ومبدأ العمل للمحرك المتزامن المغناطيسي الدائم هو نفس هيكل المحرك المتزامن المغناطيسي الدائم مثل المحرك غير المتزامن بالتيار المتردد. يكمن الاختلاف عن المحرك غير المتزامن العادي في هيكل الدوار مواد المغناطيس الدائم. الدوار مجهز بأقطاب مغناطيسية دائمة. يتم ترتيب المغناطيسات الدائمة في مواضع مختلفة في الدوار.
يرتبط تطوير المحركات ذات المواد المغناطيسية الدائمة ارتباطًا وثيقًا بتطوير المواد المغناطيسية الدائمة
أول محرك ظهر في العالم في عشرينيات القرن التاسع عشر كان محركاً مغناطيسياً دائماً يولد مجالاً مغناطيسياً مثيراً من مواد مغناطيسية دائمة. ومع ذلك، كانت المادة المغناطيسية الدائمة المستخدمة في ذلك الوقت هي المغنتيت الطبيعي (Fe3O4)، والتي كانت كثافة الطاقة المغناطيسية بها منخفضة للغاية. وكانت المحركات المصنوعة منها ضخمة الحجم وسرعان ما تم استبدالها بمحركات الإثارة الكهربائية.
مع التطور السريع لمختلف المحركات واختراع أجهزة المغنطة الحالية، أجرى الناس أبحاثًا متعمقة حول آلية وتكوين وتكنولوجيا تصنيع مواد المغناطيس الدائمة، واكتشفوا تباعًا مواد مغناطيسية دائمة مختلفة مثل الفولاذ الكربوني وفولاذ التنجستن وفولاذ الكوبالت.
وعلى وجه الخصوص، فإن مغناطيس AlNiCo الدائم الذي ظهر في ثلاثينيات القرن الماضي ومغناطيس الفريت الدائم الذي ظهر في الخمسينيات من القرن الماضي قد حسّن خصائصه المغناطيسية بشكل كبير، وتستخدم العديد من المحركات الصغيرة والصغيرة مغناطيس دائم للإثارة.
ومع ذلك ، فإن إكراه المغناطيس الدائم AlNiCo منخفض ، وكثافة المغناطيس المتبقي للمغناطيس الدائم الفريت ليست عالية ، مما يحد من نطاق تطبيقها في المحركات. حتى الستينيات والثمانينيات من القرن الماضي، ظهرت مغناطيسات الكوبالت الدائم من السماريوم ومواد المغناطيس الدائم من حديد البورون النيوديميوم واحدة تلو الأخرى.
إن كثافة إعادة المغناطيسية العالية، والقوة القسرية العالية، ومنتج الطاقة المغناطيسية العالية، والخصائص المغناطيسية الممتازة لمنحنى إزالة المغناطيسية الخطية مناسبة بشكل خاص لتصنيع المحركات، مما يجعل تطوير المحركات المغناطيسية الدائمة في فترة تاريخية جديدة.
العلاقة بين أداء الفولاذ المغناطيسي وأداء المحرك
1. تأثير المغناطيسية المتبقية
بالنسبة لمحركات التيار المستمر، في ظل نفس معلمات اللف وظروف الاختبار، كلما زادت المغناطيسية المتبقية، انخفضت سرعة عدم التحميل وصغر تيار عدم التحميل؛ وكلما زاد عزم الدوران الأقصى، زادت الكفاءة عند أعلى نقطة كفاءة. في الاختبارات الفعلية، يتم استخدام مستوى سرعة عدم التحميل وحجم عزم الدوران الأقصى بشكل عام للحكم على معيار المغناطيسية المتبقية للمواد المغناطيسية الدائمة.
بالنسبة لنفس معلمات اللف والمعلمات الكهربائية، فإن السبب في أنه كلما زادت المغناطيسية المتبقية كلما انخفضت سرعة عدم التحميل وانخفضت سرعة عدم التحميل وانخفض تيار عدم التحميل لأن المحرك الجاري يولد حثًا عكسيًا كافيًا بسرعة منخفضة نسبيًا. يولد جهدًا كهربائيًا، مما يؤدي إلى انخفاض المجموع الجبري للقوة الدافعة الكهربائية المطبقة على الملف.
2. تأثير القوة القسرية
أثناء تشغيل المحرك، هناك دائمًا تأثيرات درجة الحرارة ومجال إزالة المغناطيسية العكسية. من من منظور تصميم المحرك، كلما زادت الإكراهية، كان اتجاه سمك المغناطيس أصغر. كلما كان الإكراه أصغر، كلما كان اتجاه سمك مواد المغناطيس الدائم أكبر.
ومع ذلك، بعد أن تتجاوز القوة القسرية للصلب المغناطيسي مستوى معين، لا تكون ذات فائدة، لأن المكونات الأخرى للمحرك لا يمكنها العمل بثبات عند درجة الحرارة هذه. تحتاج القوة القسرية فقط إلى تلبية المتطلبات، وتلبية المتطلبات في ظل الظروف التجريبية الموصى بها هي المعيار. ليست هناك حاجة لإهدار الموارد.
3. تأثير التربيع
يؤثر التربيع فقط على تسطيح منحنى كفاءة اختبار أداء المحرك. على الرغم من أن تسطيح منحنى كفاءة المحرك لم يتم إدراجه حتى الآن كمؤشر مهم معيار المواد المغناطيسية الدائمة، إلا أن هذا مهم جدًا لمسافة استمرار محرك محور العجلة في ظل ظروف الطريق الطبيعية المهمة. بسبب ظروف الطريق المختلفة، لا يمكن للمحرك أن يعمل دائمًا عند نقطة الكفاءة القصوى.
هذا هو أحد أسباب عدم ارتفاع الكفاءة القصوى لبعض المحركات ولكن مسافة القيادة طويلة. يجب ألا يتمتع المحرك المحوري الجيد بكفاءة قصوى عالية فحسب، بل يجب أن يكون منحنى الكفاءة أفقيًا قدر الإمكان مواد مغناطيسية دائمة. كلما كان منحدر انخفاض الكفاءة أصغر، كان ذلك أفضل. مع نضوج السوق والتكنولوجيا والمعايير الخاصة بالمحركات داخل العجلات، سيصبح هذا معيارًا مهمًا تدريجيًا.
4. أثر اتساق الأداء
عدم اتساق المغناطيسية المتبقية: حتى البعض منها ذات الأداء العالي بشكل خاص ليست جيدة. وبسبب عدم اتساق التدفق المغناطيسي في كل قسم من أقسام المجال المغناطيسي أحادي الاتجاه، يكون عزم الدوران غير متماثل ويحدث اهتزاز.
قوة قسرية غير متسقة: خاصةً إذا كانت القوة القسرية للمنتجات الفردية منخفضة للغاية، فمن المحتمل أن تحدث إزالة المغناطيسية العكسية مما يتسبب في عدم اتساق التدفق المغناطيسي لكل مغناطيس ويتسبب في اهتزاز المحرك. هذا التأثير أكثر أهمية بالنسبة للمحركات بدون فرش.
تأثير شكل المغناطيس والقدرة على التحمل على أداء المحرك
1. تأثير سمك الفولاذ المغناطيسي
عندما تكون حلقة الدائرة المغناطيسية الداخلية أو الخارجية ثابتة، عندما تزداد السماكة، تقل فجوة الهواء ويزداد التدفق المغناطيسي الفعال. المظهر الواضح هو أنه في ظل نفس المغناطيسية المتبقية، تنخفض سرعة عدم التحميل، وينخفض تيار عدم التحميل، وتقل الكفاءة القصوى للمحرك تتحسن مواد المغناطيس الدائم. ومع ذلك ، هناك أيضًا عيوب ، مثل الزيادة في اهتزاز التبديل للمحرك والانحدار النسبي لمنحنى كفاءة المحرك. لذلك، يجب أن يكون سمك مغناطيس المحرك ثابتًا قدر الإمكان لتقليل الاهتزاز.
2. تأثير عرض المغناطيس
بالنسبة لمغناطيسات المحرك بدون فرش المعبأة بكثافة، لا يمكن أن تتجاوز الفجوة التراكمية الكلية 0.5 مم. إذا كانت صغيرة جدًا، فلن يتم تركيبها. إذا كانت كبيرة جدًا، فسوف تتسبب في حدوث اهتزاز وانخفاض كفاءة المحرك. وذلك لأن موضع عنصر القاعة الذي يقيس موضع المغناطيس والمغناطيس لا يتوافق الموضع الفعلي للصلب مواد المغناطيس الدائم، ويجب ضمان اتساق العرض، وإلا فإن كفاءة المحرك ستكون منخفضة وسيكون الاهتزاز كبيرًا.
بالنسبة للمحركات ذات الفرشاة، هناك فجوة معينة بين مواد المغناطيس الدائم، وهي محجوزة لمنطقة الانتقال الميكانيكية للتبديل الميكانيكي. على الرغم من وجود فجوة، من أجل ضمان دقة موضع تركيب مغناطيس المحرك، فإن معظم الشركات المصنعة لديها إجراءات صارمة لتركيب المغناطيس لضمان دقة التركيب. إذا تم تجاوز عرض المغناطيس ، فلن يتم تثبيته ؛ إذا كان عرض المغناطيس صغيرًا جدًا ، فسيكون موضع المغناطيس غير متناسق ، وسيزداد اهتزاز المحرك ، وستنخفض الكفاءة.
3. تأثير حجم شطب الفولاذ المغناطيسي وعدم الشطب
إذا لم يكن هناك شطب، فإن معدل تغير المجال المغناطيسي عند حافة المجال المغناطيسي للمحرك سيكون كبيرًا، مما يسبب اهتزازًا نبضيًا للمحرك. كلما كانت الشطب أكبر، قل الاهتزاز. ومع ذلك، تتسبب الشطب عمومًا في فقدان معين للتدفق المغناطيسي.
بالنسبة لبعض المواصفات، عند الشطب إلى 0.8، يكون فقدان التدفق المغناطيسي 0.5 ~ 1.5%. عندما تكون المغناطيسية المتبقية للمحركات المصقولة منخفضة، فإن تقليل حجم الشطب بشكل مناسب سيساعد في تعويض المغناطيسية المتبقية، لكن نبض المحرك سيزداد. بشكل عام، عندما تكون المغناطيسية المتبقية منخفضة المواد المغناطيسية الدائمة، يمكن توسيع التفاوت في اتجاه الطول بشكل مناسب، مما قد يزيد من التدفق المغناطيسي الفعال إلى حد ما ويحافظ على أداء المحرك بشكل أساسي دون تغيير.
تُصنع المغناطيسات الدائمة المستخدمة في مختلف التطبيقات، بما في ذلك مكيفات الهواء، عادةً من مواد ذات خواص مغناطيسية عالية. فيما يلي بعض المواد الشائعة المستخدمة في المغناطيس الدائم:
نيوديميوم حديد البورون النيوديميوم (NdFeB): مغناطيسات النيوديميوم هي أقوى أنواع المغناطيسات الدائمة المتاحة تجارياً. وهي توفر قوة مغناطيسية عالية بالنسبة لحجمها ووزنها، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تكون فيها المساحة والوزن من القيود. يشيع استخدام مغناطيس NdFeB في المحركات والمولدات وسماعات الرأس والفواصل المغناطيسية والعديد من الإلكترونيات الصناعية والاستهلاكية.
كوبالت السماريوم (SmCo): تشتهر مغناطيسات الكوبالت السماريوم بثباتها الممتاز في درجات الحرارة ومقاومتها لإزالة المغناطيسية، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. على الرغم من أن مغناطيسات SmCo ليست قوية مثل مغناطيسات النيوديميوم، إلا أنها تقدم أداءً فائقًا في درجات الحرارة المرتفعة. تُستخدم في تطبيقات الفضاء والسيارات والتطبيقات الطبية، وكذلك في المحركات وأجهزة الاستشعار والوصلات المغناطيسية.
النيكو (ألنيكو (ألومنيوم-نيكل-كوبالت): تتكون مغناطيسات النيكو من الألومنيوم والنيكل والكوبالت والحديد. وتتميز بخصائص مغناطيسية جيدة وإكراه عالٍ، مما يجعلها مقاومة لإزالة المغناطيسية. وغالباً ما تستخدم مغناطيسات النيكو في أجهزة الاستشعار، ولاقطات الجيتار، ومكبرات الصوت، والتطبيقات الصناعية المختلفة.
الفريت (سيراميك): يُصنع مغناطيس الفريت، المعروف أيضًا باسم مغناطيس السيراميك، من خليط من أكسيد الحديد وكربونات الباريوم أو السترونتيوم. وهي غير مكلفة نسبيًا وتتمتع بمقاومة جيدة للتآكل وإزالة المغناطيسية. تُستخدم مغناطيسات الفريت على نطاق واسع في مكبرات الصوت ومغناطيسات الثلاجات والمحركات والفواصل المغناطيسية.
المغناطيسات المترابطة: تُصنع المغناطيسات المترابطة عن طريق خلط المساحيق المغناطيسية، مثل NdFeB أو الفريت مع مادة رابطة من البوليمر. يمكن تشكيلها في أشكال وأحجام مختلفة، مما يوفر مرونة في التصميم والتصنيع مواد مغناطيسية دائمة. تُستخدم المغناطيسات المترابطة في المحركات والمستشعرات والتركيبات المغناطيسية والإلكترونيات الاستهلاكية.
كل نوع من مواد المغناطيس الدائم له خصائصه وخصائصه الفريدة، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات محددة. ويعتمد اختيار مادة المغناطيس على عوامل مثل القوة المغناطيسية والاستقرار في درجة الحرارة ومقاومة التآكل والتكلفة ومتطلبات التصنيع.
