«هسته» موتورهای آهنربای دائمی - آهنرباهای دائمی

توسعه موتورهای آهنربای دائمی ارتباط نزدیکی با توسعه مواد آهنربای دائمی دارد. چین اولین کشوری در جهان است که خواص مغناطیسی مواد آهنربای دائمی را کشف و آنها را در عمل به کار برد. بیش از 2000 سال پیش، چین از خواص مغناطیسی مواد آهنربای دائمی برای ساخت قطب نما استفاده کرد که نقش بسیار زیادی در ناوبری، نظامی و سایر زمینه ها داشت و به یکی از چهار اختراع بزرگ چین باستان تبدیل شد.

اولین موتور در جهان که در دهه 1920 ظاهر شد، یک موتور آهنربای دائمی بود که از آهنرباهای دائمی برای تولید میدان‌های مغناطیسی تحریک استفاده می‌کرد. با این حال، ماده آهنربای دائمی مورد استفاده در آن زمان مگنتیت طبیعی (Fe3O4) بود که چگالی انرژی مغناطیسی بسیار کمی داشت. موتور ساخته شده از آن اندازه بزرگی داشت و خیلی زود با موتور تحریک الکتریکی جایگزین شد.

با توسعه سریع موتورهای مختلف و اختراع مغناطیس‌کننده‌های جریان، مردم تحقیقات عمیقی در مورد مکانیسم، ترکیب و فناوری ساخت مواد مغناطیسی دائمی انجام داده‌اند و به طور متوالی انواع مواد مغناطیسی دائمی مانند فولاد کربنی، فولاد تنگستن (حداکثر انرژی مغناطیسی حاصل از تولید حدود 2.7 کیلوژول بر متر مکعب) و فولاد کبالت (حداکثر انرژی مغناطیسی حاصل از تولید حدود 7.2 کیلوژول بر متر مکعب) را کشف کرده‌اند.

به طور خاص، ظهور آهنرباهای دائمی آلومینیوم نیکل کبالت در دهه 1930 (حداکثر انرژی مغناطیسی تولیدی می‌تواند به 85 کیلوژول بر متر مکعب برسد) و آهنرباهای دائمی فریت در دهه 1950 (حداکثر انرژی مغناطیسی تولیدی می‌تواند به 40 کیلوژول بر متر مکعب برسد) خواص مغناطیسی را تا حد زیادی بهبود بخشیده و موتورهای مختلف میکرو و کوچک شروع به استفاده از تحریک آهنربای دائمی کرده‌اند. قدرت موتورهای آهنربای دائمی از چند میلی وات تا ده‌ها کیلووات متغیر است. آنها به طور گسترده در تولیدات نظامی، صنعتی و کشاورزی و زندگی روزمره مورد استفاده قرار می‌گیرند و خروجی آنها به طرز چشمگیری افزایش یافته است.

به همین ترتیب، در طول این دوره، پیشرفت‌هایی در نظریه طراحی، روش‌های محاسبه، مغناطیس‌سازی و فناوری ساخت موتورهای آهنربای دائمی حاصل شده است که مجموعه‌ای از روش‌های تحلیل و تحقیق را تشکیل می‌دهد که توسط روش نمودار کاری آهنربای دائمی نشان داده شده است. با این حال، نیروی وادارندگی آهنرباهای دائمی AlNiCo کم است (36-160 کیلوآمپر بر متر) و چگالی مغناطیسی پسماند آهنرباهای دائمی فریت زیاد نیست (0.2-0.44 تسلا)، که محدوده کاربرد آنها را در موتورها محدود می‌کند.

تا دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۸۰ طول کشید تا آهنرباهای دائمی کبالت خاکی کمیاب و آهنرباهای دائمی آهن-بور نئودیمیوم (که در مجموع به عنوان آهنرباهای دائمی خاکی کمیاب شناخته می‌شوند) یکی پس از دیگری عرضه شوند. خواص مغناطیسی عالی آنها از جمله چگالی مغناطیسی پسماند بالا، نیروی وادارندگی بالا، حاصلضرب انرژی مغناطیسی بالا و منحنی مغناطیس‌زدایی خطی، به ویژه برای ساخت موتورها مناسب است و بنابراین توسعه موتورهای آهنربای دائمی را به یک دوره تاریخی جدید وارد می‌کند.

۱. مواد مغناطیسی دائمی

مواد آهنربای دائمی که معمولاً در موتورها استفاده می‌شوند شامل آهنرباهای متخلخل و آهنرباهای پیوندی هستند که انواع اصلی آنها آلومینیوم نیکل کبالت، فریت، ساماریوم کبالت، نئودیمیوم آهن بور و غیره است.

آلنیکو: ماده آهنربای دائمی آلنیکو یکی از قدیمی‌ترین مواد آهنربای دائمی است که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد و فرآیند و فناوری آماده‌سازی آن نسبتاً بالغ است.

فریت دائمی: در دهه 1950، فریت شروع به شکوفایی کرد، به خصوص در دهه 1970، زمانی که فریت استرانسیوم با وادارندگی خوب و عملکرد انرژی مغناطیسی در مقادیر زیاد تولید شد و به سرعت استفاده از فریت دائمی را گسترش داد. به عنوان یک ماده مغناطیسی غیرفلزی، فریت معایب اکسیداسیون آسان، دمای کوری پایین و هزینه بالای مواد آهنربای دائمی فلزی را ندارد، بنابراین بسیار محبوب است.

کبالت ساماریوم: یک ماده آهنربای دائمی با خواص مغناطیسی عالی که در اواسط دهه 1960 پدیدار شد و عملکرد بسیار پایداری دارد. کبالت ساماریوم به ویژه از نظر خواص مغناطیسی برای ساخت موتورها مناسب است، اما به دلیل قیمت بالای آن، عمدتاً در تحقیق و توسعه موتورهای نظامی مانند هوانوردی، هوافضا و سلاح‌ها و موتورهایی در زمینه‌های فناوری پیشرفته که عملکرد بالا و قیمت عامل اصلی نیستند، استفاده می‌شود.

NdFeB: ماده مغناطیسی NdFeB آلیاژی از نئودیمیم، اکسید آهن و غیره است که به عنوان فولاد مغناطیسی نیز شناخته می‌شود. این ماده دارای انرژی مغناطیسی بسیار بالا و نیروی وادارندگی است. در عین حال، مزایای چگالی انرژی بالا، مواد آهنربای دائمی NdFeB را به طور گسترده در صنعت مدرن و فناوری الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌دهد و امکان کوچک‌سازی، سبک‌سازی و نازک‌سازی تجهیزاتی مانند ابزارها، موتورهای الکتروآکوستیک، جداسازی مغناطیسی و مغناطیس‌سازی را فراهم می‌کند. از آنجا که حاوی مقدار زیادی نئودیمیم و آهن است، به راحتی زنگ می‌زند. غیرفعال‌سازی شیمیایی سطح یکی از بهترین راه‌حل‌ها در حال حاضر است.

مقاومت در برابر خوردگی، حداکثر دمای عملیاتی، عملکرد پردازش، شکل منحنی مغناطیس‌زدایی،

و مقایسه قیمت مواد آهنربای دائمی رایج برای موتورها (شکل)

2.تأثیر شکل و تلرانس فولاد مغناطیسی بر عملکرد موتور

۱. تأثیر ضخامت فولاد مغناطیسی

وقتی مدار مغناطیسی داخلی یا خارجی ثابت باشد، با افزایش ضخامت، فاصله هوایی کاهش و شار مغناطیسی مؤثر افزایش می‌یابد. نمود بارز آن این است که سرعت بدون بار کاهش می‌یابد و جریان بدون بار تحت همان مغناطیس پسماند کاهش می‌یابد و حداکثر راندمان موتور افزایش می‌یابد. با این حال، معایبی نیز وجود دارد، مانند افزایش ارتعاش کموتاسیون موتور و منحنی راندمان نسبتاً تندتر موتور. بنابراین، ضخامت فولاد مغناطیسی موتور باید تا حد امکان ثابت باشد تا ارتعاش کاهش یابد.

2. تأثیر عرض فولاد مغناطیسی

برای آهنرباهای موتور بدون جاروبک با فاصله نزدیک، کل فاصله تجمعی نمی‌تواند از 0.5 میلی‌متر تجاوز کند. اگر خیلی کوچک باشد، نصب نمی‌شود. اگر خیلی بزرگ باشد، موتور می‌لرزد و راندمان را کاهش می‌دهد. دلیل این امر این است که موقعیت عنصر هال که موقعیت آهنربا را اندازه‌گیری می‌کند با موقعیت واقعی آهنربا مطابقت ندارد و عرض باید ثابت باشد، در غیر این صورت موتور راندمان پایین و لرزش زیادی خواهد داشت.

برای موتورهای براشلس، بین آهنرباها فاصله مشخصی وجود دارد که برای ناحیه انتقال کموتاسیون مکانیکی در نظر گرفته شده است. اگرچه این فاصله وجود دارد، اما اکثر تولیدکنندگان رویه‌های نصب آهنربای دقیقی برای اطمینان از دقت نصب دارند تا موقعیت دقیق نصب آهنربای موتور تضمین شود. اگر عرض آهنربا بیشتر باشد، نصب نمی‌شود. اگر عرض آهنربا خیلی کوچک باشد، باعث می‌شود آهنربا تراز نباشد، موتور بیشتر لرزش داشته باشد و راندمان کاهش یابد.

۳. تأثیر اندازه پخ و پخ نزده فولاد مغناطیسی

اگر پخ‌زنی انجام نشود، نرخ تغییر میدان مغناطیسی در لبه میدان مغناطیسی موتور زیاد خواهد بود و باعث ضربان موتور می‌شود. هرچه پخ‌زنی بزرگتر باشد، لرزش کمتر است. با این حال، پخ‌زنی عموماً باعث افت شار مغناطیسی می‌شود. برای برخی مشخصات، افت شار مغناطیسی 0.5 تا 1.5 درصد است وقتی پخ‌زنی 0.8 باشد. برای موتورهای براش‌دار با مغناطیس پسماند کم، کاهش مناسب اندازه پخ به جبران مغناطیس پسماند کمک می‌کند، اما ضربان موتور افزایش می‌یابد. به طور کلی، وقتی مغناطیس پسماند کم باشد، می‌توان تلورانس در جهت طول را به طور مناسب افزایش داد که می‌تواند شار مغناطیسی مؤثر را تا حدی افزایش دهد و عملکرد موتور را اساساً بدون تغییر نگه دارد.

۳. نکاتی در مورد موتورهای آهنربای دائم

۱. ساختار مدار مغناطیسی و محاسبه طراحی

به منظور بهره‌گیری کامل از خواص مغناطیسی مواد مختلف آهنربای دائم، به ویژه خواص مغناطیسی عالی آهنرباهای دائم خاکی کمیاب، و تولید موتورهای آهنربای دائم مقرون به صرفه، نمی‌توان به سادگی از روش‌های محاسبه ساختار و طراحی موتورهای آهنربای دائم سنتی یا موتورهای تحریک الکترومغناطیسی استفاده کرد. برای تجزیه و تحلیل مجدد و بهبود ساختار مدار مغناطیسی، باید مفاهیم طراحی جدیدی ایجاد شود. با توسعه سریع فناوری سخت‌افزار و نرم‌افزار کامپیوتر، و همچنین بهبود مستمر روش‌های طراحی مدرن مانند محاسبه عددی میدان الکترومغناطیسی، طراحی بهینه‌سازی و فناوری شبیه‌سازی، و از طریق تلاش‌های مشترک جوامع دانشگاهی و مهندسی موتور، پیشرفت‌هایی در نظریه طراحی، روش‌های محاسبه، فرآیندهای ساختاری و فناوری‌های کنترل موتورهای آهنربای دائم حاصل شده است که مجموعه‌ای کامل از روش‌های تجزیه و تحلیل و تحقیق و نرم‌افزار تجزیه و تحلیل و طراحی به کمک کامپیوتر را تشکیل می‌دهد که محاسبه عددی میدان الکترومغناطیسی و راه‌حل تحلیلی مدار مغناطیسی معادل را ترکیب می‌کند و به طور مداوم در حال بهبود است.

۲. مشکل مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر

اگر طراحی یا استفاده نادرست باشد، موتور آهنربای دائم ممکن است در دماهای خیلی بالا (آهنربای دائم NdFeB) یا خیلی پایین (آهنربای دائم فریت)، تحت واکنش آرمیچر ناشی از جریان ضربه‌ای یا تحت ارتعاشات مکانیکی شدید، دچار مغناطیس‌زدایی یا مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر شود که عملکرد موتور را کاهش داده و حتی آن را غیرقابل استفاده می‌کند. بنابراین، مطالعه و توسعه روش‌ها و دستگاه‌های مناسب برای تولیدکنندگان موتور جهت بررسی پایداری حرارتی مواد آهنربای دائم و تجزیه و تحلیل قابلیت‌های ضد مغناطیس‌زدایی اشکال ساختاری مختلف ضروری است، به طوری که بتوان اقدامات مربوطه را در طول طراحی و ساخت انجام داد تا اطمینان حاصل شود که موتور آهنربای دائم مغناطیس خود را از دست نمی‌دهد.

۳. مسائل مربوط به هزینه

از آنجایی که آهنرباهای دائمی عناصر خاکی کمیاب هنوز نسبتاً گران هستند، هزینه موتورهای آهنربای دائمی عناصر خاکی کمیاب عموماً بیشتر از موتورهای تحریک الکتریکی است که باید با عملکرد بالا و صرفه‌جویی در هزینه‌های عملیاتی جبران شود. در برخی موارد، مانند موتورهای سیم‌پیچ صوتی برای دیسک‌های کامپیوتر، استفاده از آهنرباهای دائمی NdFeB عملکرد را بهبود می‌بخشد، حجم و جرم را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد و هزینه‌های کل را کاهش می‌دهد. هنگام طراحی، لازم است مقایسه‌ای از عملکرد و قیمت بر اساس موارد و الزامات استفاده خاص انجام شود و فرآیندهای ساختاری نوآوری شوند و طرح‌ها برای کاهش هزینه‌ها بهینه شوند.

شرکت تجهیزات الکترومکانیکی آهنربای دائمی آنهویی مینگتنگ (https://www.mingtengmotor.com/نرخ مغناطیس‌زدایی فولاد مغناطیسی موتور آهنربای دائمی بیش از یک هزارم در سال نیست.

ماده آهنربای دائمی روتور موتور آهنربای دائمی شرکت ما از NdFeB متخلخل با انرژی مغناطیسی بالا و وادارندگی ذاتی بالا استفاده می‌کند و گریدهای متداول آن N38SH، N38UH، N40UH، N42UH و غیره هستند. به عنوان مثال، N38SH، گرید رایج شرکت ما را در نظر بگیرید: 38- نشان دهنده حداکثر انرژی مغناطیسی 38MGOe است؛ SH نشان دهنده حداکثر مقاومت دمایی 150 درجه سانتیگراد است. UH حداکثر مقاومت دمایی 180 درجه سانتیگراد دارد. این شرکت ابزارآلات و فیکسچرهای راهنمای حرفه‌ای برای مونتاژ فولاد مغناطیسی طراحی کرده و قطبیت فولاد مغناطیسی مونتاژ شده را با روش‌های معقول به صورت کیفی تجزیه و تحلیل کرده است، به طوری که مقدار شار مغناطیسی نسبی هر فولاد مغناطیسی شیاردار نزدیک است، که تقارن مدار مغناطیسی و کیفیت مونتاژ فولاد مغناطیسی را تضمین می‌کند.

حق نشر: این مقاله بازنشری از شماره عمومی WeChat با عنوان «موتور امروز» است، لینک اصلی https://mp.weixin.qq.com/s/zZn3UsYZeDwicEDwIdsbPg

این مقاله بیانگر دیدگاه‌های شرکت ما نیست. اگر نظرات یا دیدگاه‌های متفاوتی دارید، لطفاً ما را اصلاح کنید!