"جوهر" محركات المغناطيس الدائم – المغناطيس الدائم

يرتبط تطوير محركات المغناطيس الدائم ارتباطًا وثيقًا بتطوير المواد المغناطيسية الدائمة. تُعدّ الصين أول دولة في العالم تكتشف الخصائص المغناطيسية للمواد المغناطيسية الدائمة وتُطبّقها عمليًا. منذ أكثر من ألفي عام، استخدمت الصين الخصائص المغناطيسية للمواد المغناطيسية الدائمة في صناعة البوصلات، التي لعبت دورًا كبيرًا في الملاحة والمجالات العسكرية وغيرها، وأصبحت أحد أهم الاختراعات الأربعة في الصين القديمة.

ظهر أول محرك في العالم في عشرينيات القرن الماضي، وكان محركًا ذا مغناطيس دائم، يستخدم مغناطيسات دائمة لتوليد مجالات مغناطيسية مثيرة. إلا أن مادة المغناطيس الدائم المستخدمة آنذاك كانت المغنتيت الطبيعي (Fe3O4)، الذي يتميز بكثافة طاقة مغناطيسية منخفضة جدًا. كان المحرك المصنوع منه كبيرًا، وسرعان ما استُبدل بمحرك الإثارة الكهربائية.

مع التطور السريع للمحركات المختلفة واختراع المغناطيسيات الحالية، أجرى الناس أبحاثًا متعمقة حول آلية وتكوين وتكنولوجيا تصنيع المواد المغناطيسية الدائمة، واكتشفوا على التوالي مجموعة متنوعة من المواد المغناطيسية الدائمة مثل الفولاذ الكربوني، والفولاذ التنغستن (أقصى طاقة مغناطيسية منتجة حوالي 2.7 كيلو جول / م 3)، والفولاذ الكوبالت (أقصى طاقة مغناطيسية منتجة حوالي 7.2 كيلو جول / م 3).

على وجه الخصوص، أدى ظهور المغناطيسات الدائمة المصنوعة من الألومنيوم والنيكل والكوبالت في ثلاثينيات القرن الماضي (بحد أقصى ناتج طاقة مغناطيسية يصل إلى 85 كيلوجول/م3) والمغناطيسات الدائمة المصنوعة من الفريت في خمسينيات القرن الماضي (بحد أقصى ناتج طاقة مغناطيسية يصل إلى 40 كيلوجول/م3) إلى تحسين الخصائص المغناطيسية بشكل كبير، وبدأت العديد من المحركات الدقيقة والصغيرة باستخدام إثارة المغناطيس الدائم. تتراوح قوة محركات المغناطيس الدائم من بضعة ملي واط إلى عشرات الكيلو واط. تُستخدم على نطاق واسع في الإنتاج العسكري والصناعي والزراعي وفي الحياة اليومية، وقد ازداد إنتاجها بشكل كبير.

في المقابل، شهدت هذه الفترة تطوراتٍ كبيرة في نظرية التصميم، وطرق الحساب، والمغنطة، وتكنولوجيا تصنيع محركات المغناطيس الدائم، مما شكّل مجموعةً من أساليب التحليل والبحث، ممثلةً بطريقة مخطط عمل المغناطيس الدائم. إلا أن القوة القسرية لمغناطيسات AlNiCo الدائمة منخفضة (36-160 كيلو أمبير/متر)، وكثافة المغناطيسية المتبقية لمغناطيسات الفريت الدائمة منخفضة (0.2-0.44 تسلا)، مما يحدّ من نطاق استخدامها في المحركات.

لم تظهر مغناطيسات الكوبالت والنيوديميوم والحديد والبورون الدائمة للأتربة النادرة (المعروفة مجتمعةً باسم مغناطيسات الأتربة النادرة الدائمة) إلا في ستينيات وثمانينيات القرن الماضي. وقد تميّزت هذه المغناطيسات بخصائص مغناطيسية ممتازة، تتمثل في كثافة مغناطيسية متبقية عالية، وقوة قسرية عالية، وناتج طاقة مغناطيسية عالية، ومنحنى إزالة مغناطيسية خطي، ما جعلها مناسبةً بشكلٍ خاص لتصنيع المحركات، مما فتح آفاقًا جديدةً في تطوير محركات المغناطيس الدائم.

1. المواد المغناطيسية الدائمة

تشتمل مواد المغناطيس الدائم المستخدمة عادةً في المحركات على مغناطيسات ملبدة ومغناطيسات ملتصقة، والأنواع الرئيسية هي الألومنيوم والنيكل والكوبالت والفيريت والساماريوم والكوبالت والنيوديميوم والحديد والبورون، إلخ.

ألنيكو: تعتبر مادة المغناطيس الدائم ألنيكو واحدة من أقدم المواد المغناطيسية الدائمة المستخدمة على نطاق واسع، كما أن عملية تحضيرها وتكنولوجيتها ناضجة نسبيًا.

الفريت الدائم: في خمسينيات القرن الماضي، ازدهر الفريت، وخاصةً في سبعينياته، عندما أُنتج بكميات كبيرة فيريت السترونشيوم، الذي يتميز بقوة إكراه عالية وأداء طاقة مغناطيسية جيد، مما أدى إلى توسع سريع في استخدام الفريت الدائم. ولأنه مادة مغناطيسية غير معدنية، لا يعاني الفريت من عيوب سهولة الأكسدة، وانخفاض درجة حرارة كوري، وارتفاع تكلفة المواد المغناطيسية الدائمة المعدنية، لذا فهو شائع الاستخدام.

كوبالت الساماريوم: مادة مغناطيسية دائمة ذات خصائص مغناطيسية ممتازة، ظهرت في منتصف ستينيات القرن الماضي، وتتميز بأداء مستقر للغاية. يُعد كوبالت الساماريوم مناسبًا بشكل خاص لتصنيع المحركات من حيث خصائصه المغناطيسية، ولكن نظرًا لارتفاع سعره، يُستخدم بشكل رئيسي في البحث والتطوير للمحركات العسكرية، مثل الطيران والفضاء والأسلحة، بالإضافة إلى المحركات في المجالات التكنولوجية المتقدمة التي لا يُعدّ فيها الأداء العالي والسعر العاملَين الرئيسيين.

NdFeB: مادة NdFeB المغناطيسية هي سبيكة من النيوديميوم وأكسيد الحديد، إلخ، وتُعرف أيضًا بالفولاذ المغناطيسي. تتميز بطاقة مغناطيسية عالية جدًا وقوة إجبارية. في الوقت نفسه، تُتيح مزايا كثافة الطاقة العالية استخدام مواد المغناطيس الدائم NdFeB على نطاق واسع في الصناعة الحديثة والتكنولوجيا الإلكترونية، مما يُتيح تصغير وتخفيف وترقيق المعدات، مثل الأدوات والمحركات الكهروصوتية والفصل المغناطيسي والمغناطيسية. ونظرًا لاحتوائها على نسبة عالية من النيوديميوم والحديد، فهي سهلة الصدأ. يُعد التخميل الكيميائي السطحي من أفضل الحلول حاليًا.

مقاومة التآكل، أقصى درجة حرارة تشغيل، أداء المعالجة، شكل منحنى إزالة المغناطيسية،

ومقارنة الأسعار للمواد المغناطيسية الدائمة المستخدمة عادة للمحركات (الشكل)

2.تأثير شكل الفولاذ المغناطيسي والتسامح على أداء المحرك

1. تأثير سمك الفولاذ المغناطيسي

عند تثبيت الدائرة المغناطيسية الداخلية أو الخارجية، تقل الفجوة الهوائية ويزداد التدفق المغناطيسي الفعال بزيادة السُمك. يتضح ذلك جليًا من خلال انخفاض سرعة عدم التحميل وانخفاض تيار عدم التحميل عند نفس المغناطيسية المتبقية، مما يزيد من الكفاءة القصوى للمحرك. ومع ذلك، هناك أيضًا عيوب، مثل زيادة اهتزاز التبديل للمحرك وارتفاع منحنى كفاءته نسبيًا. لذلك، يجب أن يكون سُمك الفولاذ المغناطيسي للمحرك متناسقًا قدر الإمكان لتقليل الاهتزاز.

2. تأثير عرض الفولاذ المغناطيسي

بالنسبة لمغناطيسات المحركات عديمة الفرش المتقاربة، لا يمكن أن يتجاوز إجمالي الفجوة التراكمية 0.5 مم. إذا كانت الفجوة صغيرة جدًا، فلن يتم تركيبها. أما إذا كانت كبيرة جدًا، فسيهتز المحرك وتقل كفاءته. ويرجع ذلك إلى أن موضع عنصر هول الذي يقيس موضع المغناطيس لا يتوافق مع موضعه الفعلي، ويجب أن يكون عرضه ثابتًا، وإلا ستكون كفاءة المحرك منخفضة واهتزازه مرتفعًا.

في المحركات ذات الفرشاة، توجد فجوة معينة بين المغناطيسات، وهي مخصصة لمنطقة التبديل الميكانيكية. على الرغم من وجود هذه الفجوة، إلا أن معظم الشركات المصنعة تطبق إجراءات تركيب صارمة لضمان دقة التركيب لضمان دقة موضع مغناطيس المحرك. إذا تجاوز عرض المغناطيس الحد المسموح به، فلن يتم تركيبه؛ وإذا كان عرض المغناطيس صغيرًا جدًا، فسيؤدي ذلك إلى عدم محاذاة المغناطيس، وسيزداد اهتزاز المحرك، وستنخفض كفاءته.

3. تأثير حجم حافة الفولاذ المغناطيسية وعدم حافة الفولاذ المغناطيسية

إذا لم يتم إجراء الشطب، فسيكون معدل تغير المجال المغناطيسي عند حافة المجال المغناطيسي للمحرك كبيرًا، مما يتسبب في نبض المحرك. كلما كان الشطب أكبر، قل الاهتزاز. ومع ذلك، فإن الشطب يسبب عمومًا فقدانًا معينًا في التدفق المغناطيسي. بالنسبة لبعض المواصفات، يكون فقدان التدفق المغناطيسي 0.5 ~ 1.5٪ عندما يكون الشطب 0.8. بالنسبة للمحركات ذات الفرشاة ذات المغناطيسية المتبقية المنخفضة، فإن تقليل حجم الشطب بشكل مناسب سيساعد في تعويض المغناطيسية المتبقية، ولكن سيزداد نبض المحرك. بشكل عام، عندما تكون المغناطيسية المتبقية منخفضة، يمكن توسيع التسامح في اتجاه الطول بشكل مناسب، مما يمكن أن يزيد من التدفق المغناطيسي الفعال إلى حد ما ويحافظ على أداء المحرك دون تغيير أساسي.

3. ملاحظات حول محركات المغناطيس الدائم

1. بنية الدائرة المغناطيسية وحساب التصميم

للاستفادة الكاملة من الخصائص المغناطيسية لمختلف مواد المغناطيس الدائم، وخاصةً الخصائص المغناطيسية الممتازة لمغناطيسات الأتربة النادرة الدائمة، وتصنيع محركات مغناطيسية دائمة اقتصادية، لا يمكن الاكتفاء بتطبيق أساليب حساب بنية وتصميم محركات المغناطيس الدائم التقليدية أو محركات الإثارة الكهرومغناطيسية. لذا، لا بد من إرساء مفاهيم تصميمية جديدة لإعادة تحليل بنية الدائرة المغناطيسية وتحسينها. مع التطور السريع لتكنولوجيا الأجهزة والبرمجيات الحاسوبية، والتحسين المستمر لأساليب التصميم الحديثة، مثل الحساب العددي للمجال الكهرومغناطيسي، وتصميم التحسين، وتكنولوجيا المحاكاة، وبفضل الجهود المشتركة للأوساط الأكاديمية والهندسية المتخصصة في المحركات، تحققت إنجازات في نظرية التصميم، وطرق الحساب، والعمليات الهيكلية، وتقنيات التحكم في محركات المغناطيس الدائم، مما شكّل مجموعة متكاملة من أساليب التحليل والبحث، وبرامج التحليل والتصميم بمساعدة الحاسوب، تجمع بين الحساب العددي للمجال الكهرومغناطيسي والحلول التحليلية للدوائر المغناطيسية المكافئة، ويجري تحسينها باستمرار.

2. مشكلة إزالة المغناطيسية غير القابلة للعكس

في حال سوء التصميم أو الاستخدام، قد يُسبب محرك المغناطيس الدائم إزالة مغناطيسية لا رجعة فيها، أو إزالة مغناطيسية، عند ارتفاع درجة الحرارة بشكل كبير (مغناطيس دائم من النيوديميوم والحديد والبروم) أو انخفاضها بشكل كبير (مغناطيس دائم من الفريت)، أو تحت تأثير تيار الصدمة، أو تحت تأثير اهتزازات ميكانيكية شديدة، مما يُضعف أداء المحرك ويجعله غير صالح للاستخدام. لذلك، من الضروري دراسة وتطوير أساليب وأجهزة مناسبة لمصنعي المحركات للتحقق من الاستقرار الحراري لمواد المغناطيس الدائم، وتحليل قدرات مقاومة إزالة المغناطيسية لمختلف الأشكال الهيكلية، وذلك لاتخاذ التدابير اللازمة أثناء التصميم والتصنيع لضمان عدم فقدان محرك المغناطيس الدائم مغناطيسيته.

3. قضايا التكلفة

نظرًا لأن مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة الدائمة لا تزال باهظة الثمن نسبيًا، فإن تكلفتها أعلى عمومًا من تكلفة محركات الإثارة الكهربائية، والتي يجب تعويضها بأدائها العالي وتوفير تكاليف التشغيل. في بعض الحالات، كما هو الحال في محركات الملفات الصوتية لمحركات أقراص الكمبيوتر، يُحسّن استخدام مغناطيسات NdFeB الدائمة الأداء، ويُقلل الحجم والكتلة بشكل كبير، ويُخفض التكلفة الإجمالية. عند التصميم، من الضروري مقارنة الأداء والسعر بناءً على مناسبات الاستخدام ومتطلباته، بالإضافة إلى ابتكار العمليات الهيكلية وتحسين التصاميم لخفض التكاليف.

شركة آنهوي مينجتنج المحدودة للمعدات الكهروميكانيكية ذات المغناطيس الدائم (https://www.mingtengmotor.com/). إن معدل إزالة المغناطيسية من الفولاذ المغناطيسي للمحركات المغناطيسية الدائمة لا يزيد عن واحد على الألف في السنة.

تعتمد مادة المغناطيس الدائم لدوار محرك المغناطيس الدائم الخاص بشركتنا على منتج طاقة مغناطيسية عالية وقوة إجبارية جوهرية عالية من NdFeB الملبد، والدرجات التقليدية هي N38SH وN38UH وN40UH وN42UH، إلخ. خذ N38SH، وهي درجة شائعة الاستخدام في شركتنا، كمثال: يمثل 38- أقصى ناتج طاقة مغناطيسية لـ 38MGOe؛ يمثل SH أقصى مقاومة لدرجة الحرارة تبلغ 150 درجة مئوية. يتمتع UH بأقصى مقاومة لدرجة الحرارة تبلغ 180 درجة مئوية. صممت الشركة أدوات احترافية وتركيبات توجيه لتجميع الفولاذ المغناطيسي، وحللت قطبية الفولاذ المغناطيسي المجمع بشكل نوعي بوسائل معقولة، بحيث تكون قيمة التدفق المغناطيسي النسبي لكل فتحة من الفولاذ المغناطيسي متقاربة، مما يضمن تناسق الدائرة المغناطيسية وجودة تجميع الفولاذ المغناطيسي.

حقوق الطبع والنشر: هذه المقالة هي إعادة طباعة للرقم العام WeChat "محرك اليوم"، الرابط الأصلي https://mp.weixin.qq.com/s/zZn3UsYZeDwicEDwIdsbPg

هذه المقالة لا تعكس وجهة نظر شركتنا. إذا كانت لديكم آراء أو وجهات نظر مختلفة، يُرجى تصحيحها!