ما هو محرك التيار المتردد المتزامن مع المغناطيس الدائم دون فقدان الإثارة؟

تطور الصناعة وديناميكيات السوق:
مع تزايد الطلب على المحركات عالية الكفاءة والموفرة للطاقة، توسعت حصة المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم في سوق السيارات تدريجيًا، وقد حظيت آفاق تطوير الصناعات ذات الصلة بالاهتمام. على سبيل المثال، في الأتمتة الصناعية، والأجهزة المنزلية، والنقل بالسكك الحديدية وغيرها من المجالات، أصبح تطبيق المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم أكثر اتساعًا، مما عزز تطوير الصناعة ورفع مستواها.
أصبحت أهمية الموارد الأرضية النادرة في تصنيع المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم بارزة بشكل متزايد، وتتمتع الصين، باعتبارها دولة غنية بالموارد الأرضية النادرة، بمزايا معينة في تطوير صناعة المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم، كما أن تطوير الصناعات ذات الصلة قد جذبت الانتباه أيضًا.

 

التعريف والمبدأ
المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM) هو محرك متزامن يولد مجالًا مغناطيسيًا دوارًا متزامنًا متحمسًا بواسطة مغناطيس دائم. سيولد ملف الجزء الثابت الخاص به مجالًا مغناطيسيًا دوارًا بعد التيار المتناوب ثلاثي الطور، ويتكون الدوار من مغناطيس دائم، ويعتمد على المجال المغناطيسي الناتج عن المغناطيس الدائم للتفاعل مع المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت، بحيث يكون دوار المحرك يدور بشكل متزامن مع المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت.
يعتمد مبدأ تشغيله على قانون الحث الكهرومغناطيسي ومبدأ تفاعل المجال المغناطيسي. يوجد عزم كهرومغناطيسي بين المجال المغناطيسي الدوار الناتج عن تيار الجزء الثابت والمجال المغناطيسي الدائم للدوار. يدفع عزم الدوران الجزء الدوار للمحرك إلى الدوران، وتتزامن سرعة الدوار بشكل صارم مع سرعة المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت.

 

الخصائص الهيكلية
يشبه هيكل الجزء الثابت هيكل المحرك غير المتزامن العادي ثلاثي الطور، والذي يتكون من قلب الجزء الثابت ولف الجزء الثابت. عادةً ما يكون قلب الجزء الثابت مصنوعًا من صفائح فولاذية من السيليكون مغلفة لتقليل فقد القلب. إن ملف الجزء الثابت عبارة عن ملف ثلاثي الطور، يتم تضمينه في فتحة الجزء الثابت وفقًا لقواعد معينة، ويستخدم لتوليد مجال مغناطيسي دوار عن طريق تمرير تيار متردد ثلاثي الطور.
هيكل الدوار هو الجزء الرئيسي للمحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم. يتم تثبيت مغناطيس دائم على الدوار، وعادة ما تكون مادة المغناطيس الدائم هي NdFeb (Nd-Fe-B) ومواد المغناطيس الدائم الأخرى عالية الأداء. وفقًا لطرق التثبيت المختلفة للمغناطيس الدائم على الدوار، يمكن تقسيمه إلى دوار مغناطيسي دائم سطحي ودوار مغناطيسي دائم مدمج. يتم تثبيت المغناطيس الدائم لدوار المغناطيس الدائم من النوع السطحي على سطح قلب الدوار، وهو بسيط في الهيكل والمعالجة، ولكن من السهل التدخل في المغناطيس الدائم عن طريق المجال المغناطيسي الخارجي؛ يتم تضمين المغناطيس الدائم للدوار المغناطيسي الدائم المدمج في القلب الداخلي للدوار، وهيكله معقد نسبيًا، ولكنه يتميز بخصائص دائرة مغناطيسية وخصائص ميكانيكية أفضل.

ميزة
كفاءة عالية: بسبب استخدام إثارة المغناطيس الدائم، لا حاجة إلى تيار إثارة إضافي، مما يقلل من فقدان الإثارة، وبالمقارنة مع المحركات غير المتزامنة التقليدية، فإنه يتمتع بكفاءة أعلى في نفس ظروف العمل. وهذا يمكن أن يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة ويوفر تكاليف الطاقة لمعدات التشغيل على المدى الطويل.
عامل الطاقة العالي: يمكن أن يكون عامل الطاقة للمحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم قريبًا من 1، مما يعني أنه عند تزويد شبكة الطاقة، تكون الطاقة التفاعلية التي يمتصها المحرك من الشبكة صغيرة جدًا، مما يقلل من عبء الطاقة التفاعلية للشبكة وتحسين جودة إمدادات الطاقة للشبكة.
سرعة الاستجابة السريعة: استجابة عزم الدوران سريعة، ويمكنها ضبط السرعة وعزم الدوران بسرعة وفقًا لإشارة التحكم، وهي مناسبة للمناسبات التي تتطلب تحكمًا عالي الدقة، مثل خطوط الإنتاج الآلي الصناعية والروبوتات وغيرها من المجالات.
هيكل مدمج: نظرًا لعدم الحاجة إلى ملفات الإثارة وأجهزة الإثارة ذات الصلة، فإن الهيكل العام للمحرك أكثر إحكاما وأصغر، وله مزايا كبيرة في بعض المعدات ذات متطلبات المساحة العالية.

مجال التطبيق
المجال الصناعي: يستخدم على نطاق واسع في معدات الأتمتة الصناعية، مثل أدوات الآلات CNC، وآلات النسيج، وآلات الطباعة، وما إلى ذلك. على سبيل المثال، في أدوات الآلات CNC، يمكن للمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم التحكم بدقة في سرعة الأداة وموضعها، مما يحسن التشغيل الآلي دقة.
مجال النقل: تستخدم المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم على نطاق واسع كمحركات قيادة في السيارات الكهربائية والقطارات الكهربائية ومركبات النقل الأخرى. يتميز المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم في السيارة الكهربائية بمزايا الكفاءة العالية وتوفير الطاقة وخصائص عزم الدوران الجيدة، والتي يمكن أن تحسن نطاق القيادة وأداء الطاقة للسيارة الكهربائية.
الأجهزة المنزلية: ويستخدم أيضاً في المكيفات والثلاجات والغسالات وغيرها من الأجهزة المنزلية. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي استخدام المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم لضواغط تكييف الهواء إلى تحسين نسبة كفاءة الطاقة في مكيفات الهواء وتقليل ضوضاء التشغيل.
ثانيا، الفهم والوضع الفعلي لـ "لا خسارة"

 

من الناحية المثالية لا خسارة
في ظل الظروف المثالية، إذا تم تجاهل فقدان الحديد (فقد التباطؤ وفقدان التيار الدوامي في قلب الحديد) والخسارة الميكانيكية (فقد احتكاك المحمل، وفقدان مقاومة الرياح، وما إلى ذلك) في المحرك، فإن كفاءة تحويل الطاقة للمغناطيس الدائم المتزامن يمكن أن يقترب المحرك من 100% لأنه لا يوجد فقدان في الإثارة، أي ما يسمى بـ "لا خسارة". يعتمد هذا على الافتراض النظري الذي ينص على أنه في ظل هذا الافتراض، فإن مدخلات الطاقة الكهربائية إلى ملف الجزء الثابت يتم تحويلها بالكامل تقريبًا إلى خرج طاقة ميكانيكية.
حالة الخسارة الفعلية
فقدان الحديد: في التشغيل الفعلي، ستنتج صفائح الفولاذ السيليكونية في قلب الجزء الثابت فقدان التباطؤ وفقدان التيار الدوامي تحت تأثير المجال المغناطيسي المتناوب. يرجع فقدان التباطؤ إلى خصائص التباطؤ في المادة الأساسية، مما يجعل المجال المغناطيسي داخل القلب ينقلب ويستهلك الطاقة عندما يتغير المجال المغناطيسي. يحدث فقدان التيار الدوامي بسبب التيار الدوامي الناجم عن المجال المغناطيسي المتناوب في القلب، والذي يولد الحرارة على مقاومة القلب ويستهلك الطاقة.
الخسارة الميكانيكية: دوار المحرك أثناء عملية الدوران، سوف ينتج عن المحمل فقدان الاحتكاك، في حين أن دوران المحرك والهواء المحيط هناك حركة نسبية، سوف ينتج عنه فقدان مقاومة الرياح. هذه الخسائر الميكانيكية تقلل من كفاءة المحرك.
الخسارة الشاردة: بما في ذلك الخسارة الناجمة عن تفاعل المجالات المغناطيسية التوافقية عالية الترتيب في الجزء الثابت والعضو الدوار، والخسارة الإضافية الناجمة عن عملية التصنيع وعوامل أخرى. على الرغم من أن كفاءة المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم عالية نسبيًا، إلا أنه لا يمكن تجاهل هذه الخسائر الفعلية.
ثالثا، ترتبط خصائص محرك التيار المتردد
القدرة على التكيف مع مصدر طاقة التيار المتردد
المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم هو نوع من محركات التيار المتردد، ويمكن توصيله مباشرة بعملية إمداد طاقة التيار المتردد ثلاثية الطور. في التطبيقات العملية، من الضروري مطابقة مصدر طاقة التيار المتردد المقابل وفقًا للجهد المقنن والتردد المقدر للمحرك. قد تحتاج سيناريوهات التطبيق المختلفة إلى إجراء التعديلات المناسبة على مصدر طاقة التيار المتردد، كما هو الحال في بعض المناسبات الصناعية، عندما تكون تقلبات جهد شبكة الطاقة كبيرة، قد يكون من الضروري استخدام منظم الجهد لضمان التشغيل الطبيعي للمحرك.
مقارنة مع محركات التيار المتردد الأخرى
بالمقارنة مع المحركات غير المتزامنة، كما ذكرنا سابقًا، تتمتع المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم بكفاءة أعلى وعامل طاقة ومزايا أخرى. يتميز المحرك غير المتزامن ببنية بسيطة وتكلفة منخفضة وموثوقية عالية، ويستخدم على نطاق واسع في بعض المناسبات حيث لا تكون متطلبات الكفاءة مرتفعة بشكل خاص وتكون التكلفة أكثر حساسية.
بالمقارنة مع محرك الممانعة المتزامن، فإن المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم لديه كثافة عزم دوران أعلى، ويمكنه إنتاج عزم دوران أكبر تحت نفس الحجم والطاقة. يعتمد محرك الممانعة المتزامن بشكل أساسي على تشغيل عزم الممانعة، وكفاءته وأدائه ليسا بجودة المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم في بعض الجوانب.