أين هو اتجاه التطوير المستقبلي للمحرك المتزامن المغناطيس الدائم؟

أين هو اتجاه التطوير المستقبلي للمحرك المتزامن المغناطيس الدائم؟ تحليل التكنولوجيا الحالية والتنمية

أدى تطور مواد المغناطيس الدائمة للأرض النادرة في السبعينيات إلى ظهور محركات مغناطيس دائمة الأرض النادرة. تستخدم هذه المحركات مغناطيسات أرضية نادرة للإثارة ، والتي تولد مجالًا مغناطيسيًا دائم عند المغناطيسية. مع أداء الإثارة الفائق ، يتفوقون على المحركات التقليدية متحمسة كهربائياً في الاستقرار والجودة والخسارة ، وبالتالي إعادة تشكيل سوق المحركات التقليدية.

في السنوات الأخيرة ، مع التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا الحديثة ، تم تحسين أداء وعملية المواد الكهرومغناطيسية ، وخاصة المواد الكهرومغناطيسية النادرة تدريجياً ، إلى جانب التطور السريع لإلكترونيات الطاقة وتكنولوجيا نقل الطاقة ، وتكنولوجيا التحكم التلقائي ، وأداء المحرك المتزامن الدائم المغناطيسي.

علاوة على ذلك ، فإن المحرك المتزامن الدائم المغناطيس له مزايا الوزن الخفيف ، والهيكل البسيط ، والصغرى ، والخصائص الجيدة ، وكثافة الطاقة العالية. تقوم العديد من المؤسسات والمؤسسات البحثية العلمية بفعالية البحث وتطوير المحرك المتزامن المغناطيسي الدائم ، وسيتم توسيع مجال تطبيقه.

حالة التطوير والبحث

1. أساس تطوير المحرك المتزامن المغناطيس الدائم

① تطبيق مواد مغناطيس دائمة للأرض عالية الأداء

تطورت مواد المغناطيس الدائمة الأرضية النادرة من خلال ثلاث مراحل تنموية: SMCO5 ، SM2CO17 ، و ND2FE14B. اليوم ، تبرز مغناطيس Neodymium Iron Boron (NDFEB) كنوع أكثر استخدامًا على نطاق واسع بسبب أدائها المغناطيسي المتفوق. أدى تقدم المغناطيس الدائم إلى تقدماً كبيراً في محركات المغناطيس الدائمة. على عكس محركات التعريفية التقليدية ثلاثية الأطوار ، فإن هذه المحركات تقضي على الحاجة إلى الأعمدة متحمسة كهربائياً ، وتبسيط التصميم الهيكلي ، والقضاء على حلقات وفرش انزلاق الدوار. يتيح هذا الابتكار تشغيل بدون فرش ، ويقلل من حجم الدوار ، ويعزز كثافة الطاقة وكثافة عزم الدوران ، ويحسن كفاءة الطاقة ، ويسمح للمحركات بأن تكون أكثر إحكاما وخفيفة الوزن. وسعت هذه التطورات نطاق التطبيق وتسريع تطوير المحركات الكهربائية ذات الطاقة العالية.

② تطبيق نظرية التحكم الجديدة

في السنوات الأخيرة ، شهدت خوارزميات التحكم تطورًا سريعًا. من بينها ، قامت خوارزميات التحكم في المتجهات بحل بشكل أساسي مشكلات استراتيجية محرك الأقراص لمحركات التيار المتردد ، مما يتيح لها تحقيق أداء تحكم ممتاز. لقد أبسيط ظهور التحكم المباشر في عزم الدوران بنية التحكم مع إظهار القدرة القوية على التكيف مع اختلافات المعلمات واستجابة عزم الدوران الديناميكية السريعة. تتناول تقنية التحكم غير المباشرة في عزم الدوران مشكلة نبض عزم الدوران الكبير بسرعات منخفضة في التحكم المباشر في عزم الدوران ، وبالتالي تعزيز سرعة المحرك ودقة التحكم.

③ تطبيقات إلكترونيات ومعالجات الطاقة عالية الأداء

تعمل إلكترونيات الطاقة الحديثة كواجهة حيوية بين صناعة المعلومات والقطاعات التقليدية ، حيث تعمل كجسر بين أنظمة الجهد المنخفض والتطبيقات عالية الجهد الخاضع للرقابة. وقد مكن التقدم في إلكترونيات الطاقة من تنفيذ استراتيجيات التحكم في محرك الأقراص. على سبيل المثال ، شهدت سبعينيات القرن الماضي ظهور محولات التردد العالمية التي يمكن أن تحول إمدادات طاقة التردد الصناعي إلى مصادر طاقة تردد قابلة للتعديل بشكل مستمر ، وبالتالي خلق ظروف لتحويل التردد AC وتنظيم السرعة. تتميز محولات التردد هذه إمكانيات البداية الناعمة بعد إعداد التردد ، مما يسمح بالتسارع التدريجي من الصفر إلى التردد المستهدف بمعدل محدد مسبقًا. يمكن تعديل معدل التسارع بشكل مستمر عبر نطاق واسع ، مما يحل بشكل فعال تحديات بدء التشغيل للمحركات المتزامنة.

2. حالة تطوير المحرك المتزامن الدائم في المنزل والخارج

كان المحرك الأول في التاريخ محرك المغناطيس الدائم. في ذلك الوقت ، كان أداء مواد المغناطيس الدائمة ضعيفًا نسبيًا ، وكان قاوم المغناطيس الدائم وإعادة صياغته منخفضًا للغاية ، لذلك سرعان ما تم استبداله بالمحرك المتحمس كهربائياً.

في سبعينيات القرن العشرين ، اكتسبت مواد مغنطيسية دائمة نادرة مثل Neodymium Iron Boron (NDFEB) بروزها بسبب قاومها الاستثنائي ، والتخليص ، وقدرة إزالة المغناطيسية القوية ، ومنتج الطاقة المغناطيسية العالية. دفعت هذه الخصائص محركات متزامنة مغناطيس دائمة عالية الطاقة إلى المرحلة التاريخية. اليوم ، نضجت الأبحاث حول المحركات المتزامنة المغناطيس الدائمة بشكل كبير ، حيث تتقدم نحو سرعات أعلى ، وعزم دوران أكبر ، وإخراج الطاقة الأعلى ، والكفاءة المحسنة ، وكذلك التصغير والتنمية الذكية.

في السنوات الأخيرة ، برزت المحركات المتزامنة الدائمة المغناطيس الدائمة في هذه الصناعة. ومن الأمثلة البارزة على محرك 230R/MIN/1095KW من ستة مراحل تم تطويره بواسطة Siemens في ألمانيا في عام 1986. عند استخدامه لتشغيل الأوعية البحرية ، يقلل هذا التصميم المتقدم من حجم المحرك بنسبة 60 ٪ تقريبًا مقارنةً بمحركات التيار المستمر التقليدية أثناء خفض خسائر الطاقة بنسبة 20 ٪ تقريبًا. بالإضافة إلى ذلك ، قامت الشركة السويسرية ABB ببناء محركات متزامنة دائمة للمغناطيس لدفع السفن بسعة مُثبتة أقصى قدرها 38 ميجاوات.

بدأ البحث عن Magnet Motor الدائم في وقت متأخر من الصين ، ولكن مع الاستثمار القوي للعلماء المحليين والحكومة ، فقد تطورت بسرعة. في الوقت الحاضر ، قامت الصين بتطوير وأنتجت 3 ميجاوات مولد رياح مغناطيس دائمة عالية السرعة ، كما تقوم شركة CRRC Zhuzhou بتطوير محرك مغناطيس دائم أكثر قوة.

مع تطوير تكنولوجيا الحواسيب الصغيرة وتكنولوجيا التحكم التلقائي ، تم استخدام المحركات المتزامنة المغناطيس الدائمة على نطاق واسع في مختلف المجالات. الآن ، نظرًا للتقدم الاجتماعي ، أصبحت متطلبات الأشخاص للمحركات المتزامنة المغناطيس الدائمة أكثر تطلبًا ، مما يؤدي إلى تطوير محركات المغناطيس الدائمة للحصول على نطاق تنظيم سرعة أكبر والتحكم في الدقة العالية.

نظرًا لتحسين تكنولوجيا الإنتاج ، تم تطوير مواد مغناطيس دائمة عالية الأداء. هذا يجعل تكلفته مخفضة بشكل كبير وتطبيقه تدريجياً في مختلف مجالات الحياة.

 التكنولوجيا الحالية

1.

بالمقارنة مع المحركات التقليدية متحمسة كهربائيا ، فإن المحركات المتزامنة المغناطيس الدائمة تقضي على الحاجة إلى لفائف الإثارة ، وخواتم التجميع ، وخزائن الإثارة. لا يعزز هذا التصميم بشكل كبير الاستقرار والموثوقية فحسب ، بل يحقق أيضًا تحسينات كبيرة في الكفاءة. على وجه الخصوص ، تُظهر محركات المغناطيس الدائمة المدمجة مزايا مثل الكفاءة العالية ، وعامل الطاقة المتفوق ، وكثافة الطاقة العالية لكل وحدة ، وإمكانية تسريع سرعة الجهد المنخفض القوية ، والاستجابة الديناميكية السريعة ، مما يجعلها خيارات مثالية لتطبيقات القيادة. ومع ذلك ، توفر المغناطيس الدائم المجال المغناطيسي الإثارة بأكمله ، مما يزيد من عزم الدوران وبالتالي يسبب اهتزاز المحرك والضوضاء أثناء التشغيل. يمكن أن يؤدي عزم الدوران المفرط في التمسيز على كل من الأداء منخفض السرعة لأنظمة التحكم في السرعة وإمكانيات تحديد المواقع عالية الدقة لأنظمة التحكم في الموضع. لذلك ، يجب أن يعطي تصميم المحرك أولوية لتحسين المكونات لتقليل عزم الدوران.

تشير الأبحاث إلى أن الطرق الشائعة لتقليل عزم الدوران فتحة الأسنان تشمل تعديل معاملات قوس القطب ، وتقليل عرض فتحة الجزء الثابت ، وتنفيذ فتحات مائلة وتنسيق فتحة القطب ، وكذلك ضبط مواقع القطب المغناطيسي والأبعاد والأشكال. ومع ذلك ، من المهم أن نلاحظ أن هذه التدابير قد تؤثر سلبًا على خصائص أداء المحرك الأخرى ، مثل عزم الدوران الكهرومغناطيسي المتناقص. لذلك ، أثناء التصميم ، يجب على المهندسين السعي لتحقيق التوازن بين جميع العوامل لتحقيق الأداء المحرك الأمثل.

2.تقنية محاكاة المحركات المتزامنة المغناطيس الدائمة

يمثل وجود المغناطيس الدائم في محركات المغناطيس الدائمة تحديات للمصممين عند حساب المعلمات مثل نفاذية تسرب عدم التحميل ومعامل قوس القطب. يتم استخدام برنامج تحليل العناصر المحدودة عادة لتحسين معلمات المحرك هذه. يتيح هذا البرنامج حسابات معلمة دقيقة للغاية ، وتطبيقه في تحليل كيفية تأثير معلمات المحرك على نتائج الأداء التي تعطي نتائج موثوقة.

توفر طرق حساب العناصر المحدودة نهجًا أكثر ملاءمة وفعالية ودقيقة لتحليل الحقول الكهرومغناطيسية في المحركات. كطريقة رقمية تم تطويرها من طريقة الاختلاف المحدود ، تم اعتمادها على نطاق واسع عبر التخصصات العلمية والهندسية. تتضمن العملية تقلص مجالات الحلول المستمرة من الناحية الرياضية في عناصر منفصلة ، تليها الاستيفاء الجزئي داخل كل عنصر لتشكيل وظائف الاستيفاء الخطي (أي ، وظائف التقريب). من خلال تحليل محاكاة العناصر المحدودة ، يمكننا أن نراقب بصريًا أنماط خط التدفق المغناطيسي وتوزيع كثافة التدفق داخل التصميمات الداخلية للمحرك.

3.

يعد تعزيز أداء نظام محرك السيارات أمرًا بالغ الأهمية لتطوير التحكم الصناعي. تعمل هذه التكنولوجيا على تحسين أداء النظام من خلال خصائصها الأساسية: تقديم عزم دوران عالي أثناء التسارع السريع والتسارع الثابت في ظل الظروف منخفضة السرعة ، مع تمكين تنظيم سرعة الطاقة الواسعة المدى بسرعات عالية. يوفر الجدول 1 مقارنة بين مقاييس أداء المحرك الرئيسية.

تُظهر محركات المغناطيس الدائمة موثوقية استثنائية ونطاق تنظيم السرعة الواسع والكفاءة العالية. عند الاقتران مع طرق التحكم المناسبة ، يمكن لنظام المحرك بأكمله تحقيق الأداء الأمثل. لذلك ، فإن اختيار خوارزميات التحكم المناسبة لتنظيم السرعة الفعال يمكّن نظام محرك المحرك من العمل بفعالية عبر نطاق سرعة واسع ومناطق طاقة ثابتة. يتم اعتماد طرق التحكم في المتجهات على نطاق واسع في خوارزميات تنظيم سرعة المحرك المغناطيسي الدائمة بسبب مزاياه بما في ذلك نطاق التحكم في السرعة الواسع ، والكفاءة العالية ، والموثوقية ، والاستقرار ، وفعالية التكلفة. يتم استخدام هذه الطرق على نطاق واسع في محركات الأقراص ، وأنظمة عبور السكك الحديدية ، وتطبيقات الأدوات الآلية. تتطلب سيناريوهات التطبيق المختلفة استراتيجيات التحكم في المتجه الحالية المقابلة.

الميزات والتصنيفات

1.خصائص المحرك المتزامن المغناطيس الدائم

تتميز المحركات المتزامنة المغناطيس الدائمة ببنية بسيطة ، وفقدان الطاقة المنخفضة ، وعامل الطاقة العالي. على عكس المحركات متحمسة كهربائيا التي تتطلب فرشا وركابا ، فإنها تلغي الحاجة إلى التيارات الإثارة التفاعلية. هذا التصميم يقلل من خسائر المكاتب والثانية المقاومة ، مما يؤدي إلى زيادة الكفاءة ، وعزم دوران الإثارة ، وأداء التحكم المتفوق. ومع ذلك ، فإنهم يواجهون تحديات مثل التكاليف المرتفعة وآليات البدء الصعبة. مع التطورات في تقنيات التحكم في المحرك-وخاصة أنظمة التحكم في المتجهات-تتيح المحركات المتزامنة المغناطيسية الدائمة الآن تنظيم سرعة واسعة النطاق ، والاستجابة الديناميكية السريعة ، والتحكم في تحديد المواقع عالي الدقة. هذه القدرات تدفع زيادة الجهود البحثية في مختلف المجالات.

2. تصنيف المحركات المتزامنة المغناطيس الدائم

① وفقًا لتقسيم مختلف تشكيل موجة المجال المغناطيسي الدوار

بسبب الأشكال المختلفة للمغناطيس الدوار في المحركات المتزامنة المغناطيس الدائمة ، تختلف الأشكال الموجية التي تشكلها التوزيع المكاني للحقل المغناطيسي للدوار. تقليديًا ، يتم تقسيمها إلى نوعين: أنظمة التحكم في سرعة المحرك المتزامنة في المغناطيس الجيبي (حيث يولد الدوار قوة كهروموتينية خلفية من الجيب على الجزء الثابت) ومحركات DC بدون فرش (BLDCM) ، حيث ينتج الدوار قوة كهروموتينية منخفضة المنحدر على الجزء.

② وفقًا للبنية المكانية المختلفة للمغناطيس الدائم في الدوار

يتم تصنيف المحركات المتزامنة المغناطيس الدائمة في أنواع مثبتة على السطح ومضمنة على أساس الترتيب المكاني للمغناطيس الدائم في الدوار. تتميز النماذج المثبتة على السطح على شكل مغناطيس على شكل بلاطة تلتزم بإحكام على السطح الخارجي لارتيار الدوار. تتمثل السمة الرئيسية لهذه المحركات في أن قيم الحث لكل من المحور المباشر وتكوينات المحور بالتناوب تظل متطابقة.

في محركات المغناطيس الدائمة المدمجة ، توجد المغناطيس الدائم داخل قلب الدوار. بين السطح الخارجي لهذه المغناطيس والمحيط الداخلي للبات الجزء الثابت ، هناك أحذية قطب مصنوعة من المواد المغناطيسية. تعمل هذه الأحذية القطب على تركيز التدفق المغناطيسي ، وبالتالي تعزيز الكثافة المغناطيسية للفجوة في الهواء وتحسين الشكل الموجي للحقل المغناطيسي الفجوة الهوائية بدون تحميل. الميزة الرئيسية لهذا النوع من محرك المغناطيس الدائم هو تكوينه غير المتماثل بين المحور المباشر والدوائر المغناطيسية المحور بالتناوب.

أداء هذين المحركين مختلف. بالمقارنة مع محرك المغناطيس الدائم السطحي ، فإن المحرك المغناطيسي الدائم المدمج له مزايا قدرة تمدد السرعة المغناطيسية الضعيفة ، والاستجابة الديناميكية السريعة وعزم الدوران الصغير.

اتجاه تطوير المحرك المتزامن المغناطيس الدائم

1. محرك DC المغنطيسي بدون فرش (BLDCM)

منذ الثمانينيات من القرن الماضي ، كانت تقنيات التحكم - وخاصة استراتيجيات نظرية السيطرة - قد شاهدت تطورًا سريعًا. يتم الآن دمج الأساليب المتقدمة مثل التحكم في الوضع المنزلق والتحكم في الهيكل المتغير في وحدات التحكم للمحركات الدائمة للمغناطيس. لقد مهد هذا التقدم الطريق لأنظمة عالية الأداء لتتطور إلى حلول ذكية ومرنة ورقمية بالكامل. مع استمرار مستويات المعيشة في الارتفاع وتزداد الوعي بحماية البيئة ، أصبح اعتماد أنظمة المحركات عالية الأداء اتجاهًا لا مفر منه في صناعة السيارات. من المتوقع أيضًا أن ترى هذه الأنظمة تطبيقات أوسع في القطاعات الحركية الصغيرة مثل السيارات الكهربائية والأجهزة المنزلية في السنوات القادمة.

2. اتجاه تطوير PMSM

سيتطور نظام PMSM Servo في اتجاهين بسبب التكنولوجيا الخاصة به وتطبيقه:

① أنظمة المؤازرة البسيطة والمنخفضة التكلفة في مجالات أتمتة المكاتب ، وأدوات آلة CNC البسيطة ، والمعدات المحيطية للكمبيوتر ، والأجهزة المنزلية والتحكم في الحركة الصناعية مع متطلبات الأداء المنخفض ؛

② أدوات الآلات CNC عالية الدقة ، روبوتات ، محرك التغذية الدقيق لمعدات المعالجة الخاصة ، بالإضافة إلى أنظمة مؤازرة رقمية وذكية ومرنة عالية الأداء بالكامل للطيران والفضاء. يمكن أن يعكس هذا الأخير أفضل مزايا أنظمة المؤازرة وسيكون الاتجاه الرئيسي للتطوير في المستقبل.

تصنيف طرق التصميم للمحركات المتزامنة المغناطيس الدائمة

1. طريقة الدائرة المغناطيسية ：
يمكن نمذجة المجال المغناطيسي غير المنتظم في المحرك على شكل دائرة مغناطيسية مقابلة ، مما يحول حسابات المجال المغناطيسي إلى حسابات الدائرة المغناطيسية. ومع ذلك ، نظرًا لأن حساب الدائرة المغناطيسية المكافئة يستخدم العديد من معاملات التصحيح ، لا يمكن تحديد قيمه الدقيقة نظريًا. لذلك ، يتم استخدام البيانات التجريبية عادة. إذا فشل التصميم الأولي في تلبية المتطلبات ، فيجب على المصممين إعادة معايرة قيم التصحيح وإعادة حساب النتائج.

2. طريقة العناصر المحدودة ：
لضمان حسابات دقيقة ، يعد تحليل الميدان الكهرومغناطيسي ضروريًا ، بما في ذلك عوامل مثل تكوين عمود المغناطيس الدائم والتزويد المحلي. إن استخدام برنامج تحليل العناصر المحدودة للحساب العددي قد قلل من تكاليف تطوير المنتج بشكل كبير مع توفير بيانات دقيقة لتحسين المحرك. وقد مكنت التطورات في طاقة الحوسبة من تطور الطرق التحليلية المختلفة في الحساب العددي للمجال الكهرومغناطيسي. تعمل طريقة العناصر المحدودة بشكل أساسي على تحويل المشكلات إلى أنظمة قابلة للحل هيكلياً ، مما يثقل إلى أنظمة مستمرة مثالية بدرجات لا حصر لها من الحرية إلى مجموعات محدودة من خلايا الوحدة. حاليًا ، يقف ANSYS كبرامج محاكاة العناصر المحدودة على نطاق واسع ، وقادرة على إجراء عمليات محاكاة شاملة مشتركة لأنظمة المحركات بأكملها.

3. طريقة تركيبة الطريق الميدانية ：

في حين أن طريقة الدائرة المغناطيسية توفر سرعة حساب سريعة ، إلا أنها تفتقر إلى الدقة. على الرغم من أن الطرق القائمة على الكمبيوتر توفر دقة عالية ، إلا أنها مكثفة حسابيًا وتتطلب أجهزة متقدمة. من خلال دمج تحليل العناصر المحدودة مع تقنيات الدائرة المغناطيسية التقليدية في الحسابات العددية للمحرك الكهرومغناطيسي ، يمكننا تعزيز كل من الكفاءة الحسابية والدقة - وهو نهج عملي مع قيمة كبيرة لتصميم المعلمة المحرك. تتبع منهجية تكامل الدائرة الميدانية عملية من ثلاث خطوات: أولاً ، يتم إنشاء النماذج الهندسية بشكل مسبق باستخدام حسابات الدائرة المغناطيسية. في وقت لاحق ، يتم تطبيق تحليل العناصر المحدودة لتحديد بدقة المعاملات التي تتطلب تصحيح في طريقة الدائرة المغناطيسية المكافئة.