مع تطور مواد المغناطيس الدائم للأتربة النادرة في سبعينيات القرن الماضي، ظهرت محركات المغناطيس الدائم للأتربة النادرة. تستخدم هذه المحركات مغناطيسات دائمة للأتربة النادرة للإثارة، ويمكنها توليد مجالات مغناطيسية دائمة بعد المغنطة. تتميز هذه المحركات بأداء إثارة ممتاز، وتتفوق على محركات الإثارة الكهربائية من حيث الاستقرار والجودة وتقليل الخسائر، مما أحدث نقلة نوعية في سوق المحركات التقليدية.

في السنوات الأخيرة، ومع التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا الحديثة، شهد أداء وتكنولوجيا المواد الكهرومغناطيسية، وخاصةً المواد الكهرومغناطيسية الأرضية النادرة، تحسنًا تدريجيًا. ومع التطور السريع لإلكترونيات الطاقة، وتكنولوجيا نقل الطاقة، وتكنولوجيا التحكم الآلي، يتحسن أداء المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم باستمرار.

علاوة على ذلك، تتميز المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم بخفة وزنها، وبساطة بنيتها، وصغر حجمها، وخصائصها الجيدة، وكثافة قدرتها العالية. وتجري العديد من المؤسسات البحثية العلمية والشركات أبحاثًا وتطويرًا نشطًا للمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم، ويجري توسيع نطاق تطبيقاتها.

1.أساس تطوير المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم

أ. تطبيق مواد المغناطيس الدائم عالية الأداء من العناصر الأرضية النادرة

مرت مواد المغناطيس الدائم للأتربة النادرة بثلاث مراحل: SmCo5، وSm2Co17، وNd2Fe14B. حاليًا، أصبحت مواد المغناطيس الدائم، ممثلةً بـ NdFeB، أكثر أنواع مواد المغناطيس الدائم للأتربة النادرة استخدامًا نظرًا لخصائصها المغناطيسية الممتازة. وقد دفع تطوير مواد المغناطيس الدائم إلى تطوير محركات المغناطيس الدائم.

بالمقارنة مع محرك الحث ثلاثي الأطوار التقليدي المزود بإثارة كهربائية، يحل المغناطيس الدائم محل قطب الإثارة الكهربائية، مما يُبسط هيكله، ويزيل حلقة الانزلاق والفرشاة من الدوار، ويحقق هيكلًا بدون فرش، ويُقلل حجم الدوار. هذا يُحسّن كثافة الطاقة وعزم الدوران وكفاءة تشغيل المحرك، ويجعله أصغر حجمًا وأخف وزنًا، مما يُوسّع نطاق تطبيقاته بشكل أكبر، ويُعزز تطوير المحركات الكهربائية نحو طاقة أعلى.

ب. تطبيق نظرية التحكم الجديدة

في السنوات الأخيرة، تطورت خوارزميات التحكم بسرعة. ومن بينها، حلت خوارزميات التحكم النواقل مشكلة استراتيجية قيادة محركات التيار المتردد من حيث المبدأ، مما مكّنها من تحقيق أداء تحكم ممتاز. أدى ظهور التحكم المباشر في عزم الدوران إلى تبسيط هيكل التحكم، وتميزه بأداء قوي للدائرة لتغيير المعاملات وسرعة استجابة ديناميكية عالية لعزم الدوران. أما تقنية التحكم غير المباشر في عزم الدوران، فتحل مشكلة نبضات عزم الدوران الكبيرة عند السرعات المنخفضة، وتحسّن سرعة المحرك ودقة التحكم فيه.

ج. تطبيق الأجهزة والمعالجات الإلكترونية عالية الأداء

تُعدّ تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة الحديثة حلقة وصل مهمة بين صناعة المعلومات والصناعات التقليدية، وجسرًا بين التيار الضعيف والتيار القوي المُتحكّم به. يُمكّن تطوير تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة من تحقيق استراتيجيات التحكم في المحركات.

في سبعينيات القرن الماضي، ظهرت سلسلة من العاكسات متعددة الأغراض، قادرة على تحويل طاقة التردد الصناعي إلى طاقة تردد متغير قابلة للتعديل باستمرار، مما يهيئ الظروف المناسبة لتنظيم سرعة التردد المتغير لطاقة التيار المتردد. تتميز هذه العاكسات ببدء تشغيل سلس بعد ضبط التردد، ويمكنها الارتفاع من الصفر إلى التردد المحدد بمعدل معين، مع إمكانية تعديل هذا المعدل باستمرار ضمن نطاق واسع، مما يحل مشكلة بدء تشغيل المحركات المتزامنة.

2. حالة تطوير المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم في الداخل والخارج

كان أول محرك في التاريخ محركًا مغناطيسيًا دائمًا. في ذلك الوقت، كان أداء المواد المغناطيسية الدائمة ضعيفًا نسبيًا، وكانت قوة الإجبار والبقايا المغناطيسية الدائمة منخفضة جدًا، لذا سرعان ما استُبدلت بمحركات الإثارة الكهربائية.

في سبعينيات القرن الماضي، تميّزت مواد المغناطيس الدائم النادرة، والمتمثلة في NdFeB، بقوة إكراه عالية، وبقايا مغناطيسية، وقدرة عالية على إزالة المغناطيسية، وناتج طاقة مغناطيسية كبير، مما ساهم في ظهور محركات التزامن المغناطيسية الدائمة عالية القدرة على الساحة. واليوم، يتطور البحث في محركات التزامن المغناطيسية الدائمة بشكل متزايد، ويتجه نحو تحقيق سرعات عالية، وعزم دوران مرتفع، وقدرة عالية، وكفاءة عالية.

في السنوات الأخيرة، وبفضل الاستثمار القوي من الباحثين المحليين والحكومة، شهدت المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم تطورًا سريعًا. ومع تطور تكنولوجيا الحواسيب الصغيرة وتكنولوجيا التحكم الآلي، استُخدمت هذه المحركات على نطاق واسع في مختلف المجالات. ومع تقدم المجتمع، أصبحت متطلبات الناس للمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم أكثر صرامة، مما دفع هذه المحركات إلى تطوير نطاق أوسع لتنظيم السرعة ودقة تحكم أعلى. وبفضل تحسين عمليات الإنتاج الحالية، تم تطوير مواد المغناطيس الدائم عالية الأداء بشكل أكبر، مما أدى إلى انخفاض تكلفتها بشكل كبير وتطبيقها تدريجيًا في مختلف مجالات الحياة.

3. التكنولوجيا الحالية

أ. تقنية تصميم المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم

بالمقارنة مع محركات الإثارة الكهربائية العادية، فإن المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم ليس لها ملفات إثارة كهربائية وحلقات تجميع وخزانات إثارة، مما يحسن بشكل كبير ليس فقط الاستقرار والموثوقية، ولكن أيضًا الكفاءة.

من بينها، تتمتع المحركات المغناطيسية الدائمة المدمجة بمزايا الكفاءة العالية، وعامل القدرة العالي، وكثافة الطاقة العالية للوحدة، والقدرة على توسيع السرعة المغناطيسية القوية الضعيفة وسرعة الاستجابة الديناميكية السريعة، مما يجعلها خيارًا مثاليًا لمحركات الدفع.

توفر المغناطيسات الدائمة كامل مجال الإثارة المغناطيسي لمحركات المغناطيس الدائم، وسيؤدي عزم الترس إلى زيادة اهتزاز المحرك وضجيجه أثناء التشغيل. يؤثر عزم الترس الزائد على أداء نظام التحكم في سرعة المحرك عند السرعات المنخفضة، وعلى دقة تحديد موضعه. لذلك، عند تصميم المحرك، يجب تقليل عزم الترس قدر الإمكان من خلال تحسين أدائه.

وفقًا للدراسات، تشمل الطرق العامة لتقليل عزم الدوران المسنن تغيير معامل قوس القطب، وتقليل عرض فتحة الجزء الثابت، ومطابقة الفتحة المائلة مع فتحة القطب، وتغيير موضع وحجم وشكل القطب المغناطيسي، وغيرها. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن تقليل عزم الدوران المسنن قد يؤثر على أداء المحرك، مثل انخفاض عزم الدوران الكهرومغناطيسي. لذلك، عند التصميم، يجب مراعاة مختلف العوامل قدر الإمكان لتحقيق أفضل أداء للمحرك.

ب. تقنية محاكاة المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم

إن وجود مغناطيسات دائمة في محركات المغناطيس الدائم يُصعّب على المصممين حساب معلمات، مثل تصميم معامل تدفق التسرب بدون حمل ومعامل قوس القطب. بشكل عام، تُستخدم برامج تحليل العناصر المحدودة لحساب وتحسين معلمات محركات المغناطيس الدائم. تتميز هذه البرامج بدقة عالية في حساب معلمات المحرك، كما أنها موثوقة جدًا في تحليل تأثير معلمات المحرك على الأداء.

تُسهّل طريقة حساب العناصر المحدودة حساب وتحليل المجال الكهرومغناطيسي للمحركات وتسرّعه وتزيد من دقته. وهي طريقة عددية طُوّرت بناءً على طريقة الفرق، وتُستخدم على نطاق واسع في العلوم والهندسة. تُستخدم الطرق الرياضية لتقسيم بعض مجالات الحلول المتصلة إلى مجموعات من الوحدات، ثمّ الاستيفاء في كل وحدة. بهذه الطريقة، تُشكّل دالة استيفاء خطية، أي تُحاكي دالة تقريبية وتُحلّل باستخدام العناصر المحدودة، مما يُتيح لنا ملاحظة اتجاه خطوط المجال المغناطيسي وتوزيع كثافة التدفق المغناطيسي داخل المحرك بشكل حدسي.

ج. تقنية التحكم في المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم

يُعدّ تحسين أداء أنظمة تشغيل المحركات ذا أهمية بالغة لتطوير مجال التحكم الصناعي. فهو يُمكّن النظام من العمل بأفضل أداء. تتجلى خصائصه الأساسية في السرعة المنخفضة، خاصةً في حالات بدء التشغيل السريع والتسارع الثابت، حيث يُنتج عزم دوران كبير؛ وعند التشغيل بسرعات عالية، يُمكنه تحقيق تحكم ثابت في سرعة الطاقة ضمن نطاق واسع. يُقارن الجدول 1 أداء العديد من المحركات الرئيسية.

كما يتضح من الجدول 1، تتميز محركات المغناطيس الدائم بموثوقية عالية، ونطاق سرعة واسع، وكفاءة عالية. عند دمجها مع طريقة التحكم المناسبة، يمكن لنظام المحرك بأكمله تحقيق أفضل أداء. لذلك، من الضروري اختيار خوارزمية تحكم مناسبة لتحقيق تنظيم فعال للسرعة، بحيث يعمل نظام تشغيل المحرك في نطاق سرعة واسع نسبيًا ونطاق قدرة ثابت.

تُستخدم طريقة التحكم في المتجهات على نطاق واسع في خوارزمية التحكم في سرعة محركات المغناطيس الدائم. تتميز هذه الطريقة بنطاق واسع من تنظيم السرعة، وكفاءة عالية، وموثوقية عالية، وثبات جيد، وفوائد اقتصادية جيدة. تُستخدم على نطاق واسع في محركات السيارات، والنقل بالسكك الحديدية، ومحركات سيرفو الآلات. وتختلف استراتيجية التحكم في المتجهات المُتبعة حاليًا باختلاف استخداماتها.

4. خصائص المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم

يتميز المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم ببنية بسيطة، وخسارة منخفضة، ومعامل قدرة مرتفع. بالمقارنة مع محرك الإثارة الكهربائي، نظرًا لعدم وجود فرش أو مُبدِّلات أو أجهزة أخرى، لا يتطلب تيار إثارة تفاعلي، وبالتالي يكون تيار الجزء الثابت وخسارة المقاومة أقل، والكفاءة أعلى، وعزم الإثارة أكبر، وأداء التحكم أفضل. ومع ذلك، له عيوب مثل التكلفة العالية وصعوبة بدء التشغيل. بفضل تطبيق تقنيات التحكم في المحركات، وخاصةً أنظمة التحكم النواقل، يمكن للمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم تحقيق نطاق واسع من تنظيم السرعة، والاستجابة الديناميكية السريعة، والتحكم الدقيق في الموضع، مما يجعل المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم تجذب المزيد من الباحثين لإجراء أبحاث مكثفة.

5. الخصائص التقنية لمحرك آنهوي مينغ تينغ المتزامن ذي المغناطيس الدائم

أ. يتمتع المحرك بمعامل قدرة وجودة عاليين في شبكة الكهرباء. لا يتطلب مُعَوِّض معامل القدرة، ويمكن الاستفادة الكاملة من سعة معدات المحطة الفرعية.

ب. يُثار محرك المغناطيس الدائم بواسطة مغناطيسات دائمة، ويعمل بشكل متزامن. لا يوجد نبض سرعة، ولا تزداد مقاومة خط الأنابيب عند تشغيل المراوح والمضخات.

ج. يمكن تصميم محرك المغناطيس الدائم بعزم دوران بدء مرتفع (أكثر من 3 مرات) وقدرة عالية على التحميل الزائد حسب الحاجة، وبالتالي حل ظاهرة "الحصان الكبير الذي يسحب عربة صغيرة"؛

د. يبلغ التيار التفاعلي للمحرك غير المتزامن العادي عادةً حوالي 0.5-0.7 مرة من التيار المُصنّف. لا يحتاج محرك مينغتنغ المتزامن ذي المغناطيس الدائم إلى تيار إثارة. يختلف التيار التفاعلي بين المحرك ذي المغناطيس الدائم والمحرك غير المتزامن بنسبة 50% تقريبًا، كما أن تيار التشغيل الفعلي أقل بنسبة 15% تقريبًا من تيار المحرك غير المتزامن.

هـ. يمكن تصميم المحرك ليبدأ التشغيل مباشرة، وأبعاد التركيب الخارجية هي نفسها أبعاد المحركات غير المتزامنة المستخدمة على نطاق واسع حاليًا، والتي يمكنها استبدال المحركات غير المتزامنة بالكامل؛

و. إضافة محرك يمكن أن يحقق بدء تشغيل سلس، وتوقف سلس، وتنظيم السرعة بشكل مستمر، مع استجابة ديناميكية جيدة وتأثير محسّن لتوفير الطاقة؛

ز. يحتوي المحرك على العديد من الهياكل الطوبولوجية، والتي تلبي بشكل مباشر المتطلبات الأساسية للمعدات الميكانيكية في نطاق واسع وفي ظل ظروف قاسية؛

ح. لتحسين كفاءة النظام، وتقصير سلسلة النقل، وخفض تكاليف الصيانة، يمكن تصميم وتصنيع محركات متزامنة مغناطيسية دائمة عالية ومنخفضة السرعة، مباشرة الدفع، لتلبية متطلبات المستخدمين العالية.

شركة آنهوي مينجتنج للآلات المغناطيسية الدائمة والمعدات الكهربائية المحدودة (https://www.mingtengmotor.com/تأسست شركة "كيو تكنولوجيز" عام ٢٠٠٧. وهي شركة تكنولوجية متطورة متخصصة في البحث والتطوير والإنتاج والبيع لمحركات المغناطيس الدائم المتزامنة فائقة الكفاءة. تستخدم الشركة نظريات تصميم المحركات الحديثة، وبرامج التصميم الاحترافية، وبرنامج تصميم محركات المغناطيس الدائم الذي طورته الشركة بنفسها، لمحاكاة المجال الكهرومغناطيسي، وحقل السوائل، وحقل درجة الحرارة، وحقل الإجهاد، وغيرها من خصائص محركات المغناطيس الدائم، وتحسين هيكل الدائرة المغناطيسية، ورفع كفاءة الطاقة، وضمان الاستخدام الموثوق لها.

حقوق الطبع والنشر: هذه المقالة هي إعادة طباعة للرقم العام على WeChat "Motor Alliance"، الرابط الأصليhttps://mp.weixin.qq.com/s/tROOkT3pQwZtnHJT4Ji0Cg

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