محرك مصفوفة هالباخ

يُستخدم عزم الدوران المتردد على نطاق واسع في الصناعة كمحرك كهربائي عالي الأداء وعالي الكفاءة لأنه يمكن الاستفادة من المحرك المتزامن المغناطيسي الدائم الداخلي (IPMSM). ومع ذلك ، بسبب بنائه ، يُظهر IPMSMM العام عزم الدوران المسنن وتذبذب عزم الدوران. ويستخدم المركز لإنتاج القوة المسننة. ويؤدي وجود عدد كبير من التوافقيات الفضائية في توزيع كثافة التدفق المغناطيسي للفجوة إلى تموج عزم الدوران. ونظرًا لحدوث رنين بين النظام الميكانيكي ونظام التحكم، فإن عزم الدوران المسنن وتموجات عزم الدوران هذه لا تؤدي فقط إلى حدوث ضوضاء واهتزاز، بل لها أيضًا تأثير سلبي على النظام الكامل. وفي مسعى لبذل جهود من مكونات الأجهزة والبرمجيات على حد سواء، تم مشاركة نتائج الدراسة.

مثل تعديل شكل الدوّار وإضافة مُلغي التموج.

في مختبرنا، نركز في مختبرنا على مصفوفات هالباخ المزدوجة كاستراتيجية للأجهزة لأنها تنتج مجالاً مغناطيسيًا بتوافقي فضائي أقل في الفجوة ويمكنها تحقيق كثافة تدفق مغناطيسي عالية بشكل استثنائي دون الحاجة إلى مركز مصنوع من مادة مغناطيسية حديدية. ومن الممكن تحقيق كل من كثافة تدفق مغناطيسي عالية ونمط كثافة تدفق مغناطيسي جيبي باستخدام مصفوفة هالباخ المزدوجة. ولذلك، يمكن استخدام محركات كهربائية بدون مركز مع الحد الأدنى من عزم الدوران وتموج عزم الدوران.

وقد أوضحت الأبحاث السابقة تأثير رقم تقسيم المغناطيس وتباعد الفجوات على رقم وصلة التدفق عند ثني مغناطيس مجال هالباخ المزدوج المتوازي في شكل أسطواني لإنشاء محرك متزامن مغناطيسي مزدوج المجال من هالباخ. بالإضافة إلى ذلك، وباستخدام برنامج لتحليل المجال الكهرومغناطيسي، تم إجراء تصميم حقيقي للماكينة بناءً على هذه الدراسة.

في هذه المقالة، نصف العملية المستخدمة لإنشاء محرك متزامن بدون قلب مع مجال هالباخ مزدوج دوّار بزاوية 45 درجة باستخدام البنية الموضحة أعلاه.

المخطط التفصيلي لمصفوفة هالباخ المزدوجة
إن مصفوفة هالباخ عبارة عن تكوين من المغناطيسات الدائمة الدوارة بزوايا محددة مسبقًا، مع مقطع عرضي مكون من زاوية محددة مسبقًا على طول اتجاه القطب المغناطيسي. ومن السمات المميزة لهذا الترتيب أن المجال المغناطيسي القوي يظهر على جانب واحد فقط من المغناطيس الدائم. وتتكون مصفوفة هالباخ المزدوجة من صفين من مصفوفات هالباخ التي يتم تنظيمها بحيث تكون المقاطع ذات كثافة التدفق المغناطيسي الأعلى موازية لبعضها البعض. ويوضح الشكل 1 نمط خط التدفق المغناطيسي لمصفوفة هالباخ المزدوجة. يُشار إلى اتجاهات استقطاب المغناطيسات الدائمة بالأسهم في الرسم التوضيحي.

أولاً، وُجد أن الفجوة لها توزيع لشدة تدفق مغناطيسي عالية بشكل استثنائي. ثانيًا، يحتوي منتصف الفجوة على توزيع جيبي لشدة التدفق المغناطيسي. بالإضافة إلى ذلك، هناك فقدان ضئيل في التدفق المغناطيسي خارج المغناطيسين المتوازيين، لذلك يمكن تقليص خطوات الحماية. يتم تدوير اتجاه مغنطة مصفوفة هالباخ المزدوجة بزاوية 90 درجة في الشكل 1، ومن خلال المضاعفة بعدد صحيح، يمكن إنتاج مجال مغناطيسي جيبي قوي عند مركز الفجوة عند 45 درجة أو 22.5 درجة، أي 360 درجة.

شكل المغناطيس الثابت النموذجي
ما لم تكن نسبة العرض إلى الارتفاع للمغناطيس الدائم المستخدم في صفيف هالباخ المزدوج كبيرة بشكل استثنائي، فإن التدفق المغناطيسي في الصفيف يركز على جانب واحد. باستخدام دائرة مغناطيسية لتحليل مغناطيس مجال هالباخ المزدوج، اتخذنا قرارًا باستخدام مغناطيس دائم مربع في هذا البحث. تظهر دائرة مغناطيسية باستخدام مصفوفة هالباخ المزدوجة ومغناطيس مربع في الشكل 2 (أ). مجموع القوى الدافعة المغناطيسية في المسار المغلق الذي يرمز إلى التدفق المغناطيسي المتسرب في هذا الشكل يساوي صفرًا، بافتراض أن نصف القوة الدافعة المغناطيسية الضعيفة الدائمة الممغنطة في اتجاه المحور y تساهم في القوة المغناطيسية الرئيسية والنصف الآخر يساهم في التدفق المغناطيسي المتسرب.

وهذا يشير إلى عدم وجود أي هروب للتدفق المغناطيسي. من ناحية أخرى، يوضِّح الشكل 2 (ب) الدائرة المغناطيسية لمصفوفة هالباخ المزدوجة باستخدام مغناطيس مستطيل. لا يساوي إجمالي القوى الدافعة المغناطيسية في المسار المغلق الذي يصور التدفق المغناطيسي المتسرب صفرًا إذا كانت القوة الدافعة المغناطيسية محددة كما في حالة المغناطيس المربع. بعبارة أخرى، يوجد تسرُّب في التدفق المغناطيسي عند استخدام مغناطيس مستطيل.

يكون للمغناطيس الدائم شكل مروحة عند استخدام مصفوفة هالباخ المزدوجة في ماكينة الدوران. ومع ذلك، من خلال إجراء التشوه المتساوي في المثال السابق، يتم تحقيق نفس خصائص المغناطيس المربع في هذه الحالة أيضًا.

إن التطبيقات الخاصة بالسفن الفضائية المتطلبة، مثل CMG (جيروسكوب عزم التحكم) [1]، الذي يتطلب دقة موضعية أقل من 1%، معرضة بشكل خاص للتأثيرات السلبية لتموج عزم الدوران.

ثانية قوسية. تتسبب في تدهور الكفاءة من خلال التسبب في تقلبات السرعة. وعلاوة على ذلك، قد يؤدي تذبذب عزم الدوران إلى حدوث رنين سمعي مسبب للضوضاء في الجزء الميكانيكي من نظام الدفع. وبالإضافة إلى تحقيق كثافة عزم الدوران والكفاءة العالية، فإن عامل التصميم الأكثر أهمية عند اختيار محركات عزم الدوران منخفضة السرعة وعالية الأداء لاستخدامات سفن الفضاء هو تقليل تموج عزم الدوران والتوافقيات المرتبطة به.

من أجل معالجة هذه المشكلة، تم اقتراح وفحص ماكينات PMBLDC ذات التدفق الشعاعي الدوار المغلق مصفوفة هالباخ ذات التدفق الشعاعي المغلق في هذه المقالة. على الرغم من توثيق عدد قليل من الماكينات ثنائية الدوار ذات التدفق الشعاعي من النوع الأساسي [2]، [3] والماكينات ثنائية الجزء المسدود ثنائية الجزء المسدود [4]، لا يوجد الكثير من المعلومات في الأدبيات حول إمكانات تصميم دوار مغلق شعاعي بدون قلب باستخدام مصفوفة هالباخ.
نظرًا لعمرها الطويل، وعزم الدوران العالي، والكفاءة العالية، فقد ثبت أن محركات التيار المباشر بدون فرش (BLDC) هي أفضل أشكال المحركات بشكل عام للاستخدامات الفضائية.

وهو أستاذ بدرجة أستاذ في قسم الكهرباء في كلية الهندسة في جامعة كيرالا في الهند.
اقتصادية وفقدان حراري ضئيل [5]. لا يمكن استخدام المحركات السائرة، وهي نوع فريد من محركات BLDC، في الاستخدامات الفضائية الأساسية بسبب عزم الدوران المرتفع، في المحركات الفضائية الأساسية.
بالإضافة إلى ذلك، يوضح البحث السابق للمؤلفين [6] بشكل لا لبس فيه حجم عزم الدوران المتحرك، والذي يمثل ما يقرب من 131 تيرابايت2 تيرابايت من عزم الدوران المتولد في محرك السائر.
إن عزم الدوران المسنن المتولد من الماكينة وعزم التبديل المرتبط بدائرة المحرك كلاهما مكونان لعزم الدوران المتموج الموجود في محركات BLDC ذات المغناطيس الدائم. يعد التباطؤ، الذي ينتج عنه تموج في الطاقة المنتجة للمحرك، أحد عيوب بناء المحرك المشقوق.

التباطؤ التغير في الطاقة المغناطيسية المحتجزة في فجوة الهواء بسبب التدفق المغناطيسي للجزء المتحرك والموقع الزاوي للدوار هو ما يولد عزم الدوران. وينتج عن التفاعل بين التدفق المغناطيسي الناتج عن الدوار والتغير الناتج عن الفتحة في ممانعة الجزء الثابت. ومع ذلك، فإن تصميم محرك BLDC بدون فتحات يزيل مكون تموج الأسنان في التذبذب السنّي ويقلل من التأثيرات التوافقي للفتحة إلى الحد الأدنى، مما يسهل تحقيق حاجة التطبيق إلى خرج طاقة سلس.

ومع ذلك، فإن الماكينة الخالية من الشقوق لديها ناتج طاقة أقل مقارنةً بالتصميم المشقوق المماثل لأن هناك عادةً تدفق مغناطيسي أقل يجتاز فجوة هواء المحرك [7]،[8]. يسمح المجال المغناطيسي القوي والمتسق لمغنطة هالباخ بتعويض هذا الانخفاض في الإنتاج جزئيًا.

يصور محرك BLDC مغناطيسي دائم المغناطيس مع مصفوفة هالباخ ودوار مغلق صفري التباطؤ. يستفيد التصميم من قدرة التدريع الذاتي الذاتية الجوهرية لمصفوفة هالباخ لأنها تتيح استخدام تكوينات بدون قلب مع نسب عالية من الطاقة إلى القصور الذاتي. يستخدم محرك BLDC الدوار المغلق الدوار لفات الجزء الثابت بدون فتحات على عكس محركات PMBLDC التقليدية من النوع المسنن.
نظرًا لأنه يوفر لفًا طرفيًا أقل ويمنع ازدواجية لف الطور، يتم استخدام شكل مركز من اللف. لا يحتوي هذا الجهاز على أي إعاقة ولا توتر مسنن لأنه ملف هوائي. ومن خلال إضافة مغناطيس تركيز التدفق، يتم التخلص من كل من فقدان القلب والتدفق عبر القلب الحديدي للدوّار. وبالإضافة إلى ذلك، ترتفع القوة مع ارتفاع متوسط كثافة تدفق فجوة الهواء أيضًا.

إن وجود تيارات دائرية في أسلاك الجزء الثابت هو أحد الصعوبات الرئيسية التي تواجهها في بناء الماكينات أحادية الدوار أحادية السرعة بدون قلب. ويمكن أن يُعزى ذلك إلى تباين التدفق الذي يربطها عبر فجوة الهواء الواسعة في الماكينة. يمنع محرك هالباخ BLDC ذو الدوار المغلق الدوار التيارات الدوارة في أسلاك الجزء الثابت عن طريق توزيع تدفق هواء متناسق عبر فجوة الهواء على طول نصف قطر الماكينة. تُعد هذه الماكينة خيارًا رائعًا لاستخدامات المركبات الفضائية ذات السرعة المنخفضة وعزم الدوران العالي التي تتطلب دقة موضعية أقل من ثانية قوسية نظرًا لمزاياها. تم اختيار المحيط الخارجي للماكينة والطول المحوري للماكينة ليكون 123 مم و40 مم على التوالي، وفقًا لاحتياجات تطبيق المركبة الفضائية.

ونتيجة لذلك، يجب وضع خطة تفي بمتطلبات مجموعة CMG وكذلك استخدامات المركبات الفضائية الأخرى.