با توسعه مواد آهنربای دائمی خاکی کمیاب در دهه 1970، موتورهای آهنربای دائمی خاکی کمیاب به وجود آمدند. موتورهای آهنربای دائمی از آهنرباهای دائمی خاکی کمیاب برای تحریک استفاده میکنند و آهنرباهای دائمی میتوانند پس از مغناطیس شدن، میدانهای مغناطیسی دائمی ایجاد کنند. عملکرد تحریک آن عالی است و از نظر پایداری، کیفیت و کاهش تلفات، از موتورهای تحریک الکتریکی برتر است که بازار سنتی موتور را متزلزل کرده است.
در سالهای اخیر، با توسعه سریع علم و فناوری مدرن، عملکرد و فناوری مواد الکترومغناطیسی، به ویژه مواد الکترومغناطیسی خاکی کمیاب، به تدریج بهبود یافته است. همراه با توسعه سریع الکترونیک قدرت، فناوری انتقال قدرت و فناوری کنترل خودکار، عملکرد موتورهای سنکرون آهنربای دائم بهتر و بهتر میشود.
علاوه بر این، موتورهای سنکرون آهنربای دائم مزایایی مانند وزن سبک، ساختار ساده، اندازه کوچک، ویژگیهای خوب و چگالی توان بالا را دارند. بسیاری از مؤسسات و شرکتهای تحقیقاتی علمی به طور فعال در حال تحقیق و توسعه موتورهای سنکرون آهنربای دائم هستند و حوزههای کاربردی آنها بیشتر گسترش خواهد یافت.
۱. اساس توسعه موتور سنکرون آهنربای دائم
الف) کاربرد مواد آهنربای دائمی خاکی کمیاب با کارایی بالا
مواد آهنربای دائمی عناصر خاکی کمیاب سه مرحله را پشت سر گذاشتهاند: SmCo5، Sm2Co17 و Nd2Fe14B. در حال حاضر، مواد آهنربای دائمی که با NdFeB نشان داده میشوند، به دلیل خواص مغناطیسی عالی خود، به پرکاربردترین نوع مواد آهنربای دائمی عناصر خاکی کمیاب تبدیل شدهاند. توسعه مواد آهنربای دائمی، محرک توسعه موتورهای آهنربای دائمی بوده است.
در مقایسه با موتور القایی سه فاز سنتی با تحریک الکتریکی، آهنربای دائمی جایگزین قطب تحریک الکتریکی میشود، ساختار را ساده میکند، حلقه لغزشی و جاروبک روتور را حذف میکند، ساختار بدون جاروبک را محقق میسازد و اندازه روتور را کاهش میدهد. این امر چگالی توان، چگالی گشتاور و راندمان کاری موتور را بهبود میبخشد و موتور را کوچکتر و سبکتر میکند، زمینه کاربرد آن را بیشتر گسترش میدهد و توسعه موتورهای الکتریکی را به سمت توان بالاتر ارتقا میدهد.
ب. کاربرد نظریه کنترل جدید
در سالهای اخیر، الگوریتمهای کنترل به سرعت توسعه یافتهاند. در میان آنها، الگوریتمهای کنترل برداری، مشکل استراتژی رانندگی موتورهای AC را به طور اساسی حل کردهاند و باعث شدهاند موتورهای AC عملکرد کنترلی خوبی داشته باشند. ظهور کنترل گشتاور مستقیم، ساختار کنترل را سادهتر میکند و دارای ویژگیهای عملکرد مدار قوی برای تغییرات پارامتر و سرعت پاسخ دینامیکی گشتاور سریع است. فناوری کنترل گشتاور غیرمستقیم، مشکل نوسانات گشتاور بزرگ گشتاور مستقیم در سرعت پایین را حل میکند و سرعت و دقت کنترل موتور را بهبود میبخشد.
ج. کاربرد دستگاهها و پردازندههای الکترونیک قدرت با کارایی بالا
فناوری الکترونیک قدرت مدرن، رابط مهمی بین صنعت اطلاعات و صنایع سنتی و پلی بین جریان ضعیف و جریان قوی کنترلشده است. توسعه فناوری الکترونیک قدرت، تحقق استراتژیهای کنترل درایو را امکانپذیر میسازد.
در دهه ۱۹۷۰، مجموعهای از اینورترهای همه منظوره ظاهر شدند که میتوانستند توان فرکانس صنعتی را به توان فرکانس متغیر با فرکانس قابل تنظیم پیوسته تبدیل کنند و بدین ترتیب شرایطی را برای تنظیم سرعت فرکانس متغیر توان AC ایجاد کنند. این اینورترها پس از تنظیم فرکانس، قابلیت شروع نرم را دارند و فرکانس میتواند با نرخ مشخصی از صفر تا فرکانس تنظیم شده افزایش یابد و نرخ افزایش میتواند به طور مداوم در طیف وسیعی تنظیم شود و مشکل شروع موتورهای سنکرون را حل کند.
۲. وضعیت توسعه موتورهای سنکرون آهنربای دائم در داخل و خارج از کشور
اولین موتور تاریخ، یک موتور آهنربای دائمی بود. در آن زمان، عملکرد مواد آهنربای دائمی نسبتاً ضعیف بود و نیروی وادارنده و پسماند آهنرباهای دائمی خیلی کم بود، بنابراین خیلی زود با موتورهای تحریک الکتریکی جایگزین شدند.
در دهه 1970، مواد آهنربای دائمی خاکی کمیاب که توسط NdFeB نشان داده میشدند، نیروی قهری، پسماند مغناطیسی، توانایی مغناطیسزدایی قوی و تولید انرژی مغناطیسی زیادی داشتند که باعث شد موتورهای سنکرون آهنربای دائمی با توان بالا در صحنه تاریخ ظاهر شوند. اکنون، تحقیقات در مورد موتورهای سنکرون آهنربای دائمی روز به روز بالغتر میشود و به سمت سرعت بالا، گشتاور بالا، توان بالا و راندمان بالا در حال توسعه است.
در سالهای اخیر، با سرمایهگذاری قوی محققان داخلی و دولت، موتورهای سنکرون آهنربای دائم به سرعت توسعه یافتهاند. با توسعه فناوری میکروکامپیوتر و فناوری کنترل خودکار، موتورهای سنکرون آهنربای دائم به طور گسترده در زمینههای مختلف مورد استفاده قرار گرفتهاند. با توجه به پیشرفت جامعه، نیازهای مردم برای موتورهای سنکرون آهنربای دائم سختگیرانهتر شده است و باعث شده است که موتورهای آهنربای دائم به سمت محدوده تنظیم سرعت بزرگتر و کنترل دقیقتر توسعه یابند. با توجه به بهبود فرآیندهای تولید فعلی، مواد آهنربای دائم با کارایی بالا بیشتر توسعه یافتهاند. این امر هزینه آن را تا حد زیادی کاهش میدهد و به تدریج آن را در زمینههای مختلف زندگی به کار میبرد.
۳. فناوری فعلی
الف) فناوری طراحی موتور سنکرون آهنربای دائم
در مقایسه با موتورهای تحریک الکتریکی معمولی، موتورهای سنکرون آهنربای دائم هیچ سیمپیچ تحریک الکتریکی، حلقههای جمعکننده و کابینتهای تحریک ندارند که این امر نه تنها پایداری و قابلیت اطمینان، بلکه راندمان را نیز تا حد زیادی بهبود میبخشد.
در میان آنها، موتورهای آهنربای دائمی داخلی مزایایی مانند راندمان بالا، ضریب توان بالا، چگالی توان واحد بالا، قابلیت انبساط سرعت مغناطیسی ضعیف قوی و سرعت پاسخ دینامیکی سریع را دارند که آنها را به انتخابی ایدهآل برای موتورهای محرک تبدیل میکند.
آهنرباهای دائمی کل میدان مغناطیسی تحریک موتورهای آهنربای دائمی را فراهم میکنند و گشتاور دندانهای باعث افزایش لرزش و سر و صدای موتور در حین کار میشود. گشتاور دندانهای بیش از حد بر عملکرد سیستم کنترل سرعت موتور در سرعتهای پایین و موقعیتیابی دقیق سیستم کنترل موقعیت تأثیر میگذارد. بنابراین، هنگام طراحی موتور، گشتاور دندانهای باید تا حد امکان از طریق بهینهسازی موتور کاهش یابد.
طبق تحقیقات، روشهای کلی برای کاهش گشتاور دندانهای شامل تغییر ضریب قوس قطب، کاهش عرض شیار استاتور، تطبیق شیار مورب و شیار قطب، تغییر موقعیت، اندازه و شکل قطب مغناطیسی و غیره است. با این حال، باید توجه داشت که هنگام کاهش گشتاور دندانهای، ممکن است بر سایر عملکرد موتور تأثیر بگذارد، مانند اینکه گشتاور الکترومغناطیسی ممکن است به طور متناسب کاهش یابد. بنابراین، هنگام طراحی، باید عوامل مختلف تا حد امکان متعادل شوند تا به بهترین عملکرد موتور دست یابیم.
ب. فناوری شبیهسازی موتور سنکرون آهنربای دائم
وجود آهنرباهای دائمی در موتورهای آهنربای دائمی، محاسبه پارامترهایی مانند طراحی ضریب شار نشتی در حالت بیباری و ضریب قوس قطبی را برای طراحان دشوار میکند. بهطورکلی، از نرمافزار تحلیل المان محدود برای محاسبه و بهینهسازی پارامترهای موتورهای آهنربای دائمی استفاده میشود. نرمافزار تحلیل المان محدود میتواند پارامترهای موتور را با دقت بسیار بالایی محاسبه کند و استفاده از آن برای تحلیل تأثیر پارامترهای موتور بر عملکرد بسیار قابل اعتماد است.
روش محاسبه المان محدود، محاسبه و تحلیل میدان الکترومغناطیسی موتورها را برای ما آسانتر، سریعتر و دقیقتر میکند. این یک روش عددی است که بر اساس روش تفاضلی توسعه یافته و به طور گسترده در علوم و مهندسی مورد استفاده قرار گرفته است. از روشهای ریاضی برای گسستهسازی برخی از دامنههای راهحل پیوسته به گروههایی از واحدها و سپس درونیابی در هر واحد استفاده کنید. به این ترتیب، یک تابع درونیابی خطی تشکیل میشود، یعنی یک تابع تقریبی با استفاده از المانهای محدود شبیهسازی و تحلیل میشود که به ما امکان میدهد به طور شهودی جهت خطوط میدان مغناطیسی و توزیع چگالی شار مغناطیسی درون موتور را مشاهده کنیم.
ج. فناوری کنترل موتور سنکرون آهنربای دائم
بهبود عملکرد سیستمهای محرک موتور نیز برای توسعه حوزه کنترل صنعتی از اهمیت بالایی برخوردار است. این امر باعث میشود سیستم با بهترین عملکرد هدایت شود. ویژگیهای اساسی آن در سرعت پایین، به ویژه در مورد راهاندازی سریع، شتاب استاتیک و غیره، منعکس میشود که میتواند گشتاور زیادی تولید کند؛ و هنگام رانندگی با سرعت بالا، میتواند کنترل سرعت توان ثابت را در طیف وسیعی به دست آورد. جدول 1 عملکرد چندین موتور اصلی را مقایسه میکند.
همانطور که از جدول 1 مشاهده میشود، موتورهای آهنربای دائم قابلیت اطمینان خوب، محدوده سرعت وسیع و راندمان بالایی دارند. در صورت ترکیب با روش کنترل مربوطه، کل سیستم موتور میتواند به بهترین عملکرد دست یابد. بنابراین، انتخاب یک الگوریتم کنترل مناسب برای دستیابی به تنظیم سرعت کارآمد ضروری است، به طوری که سیستم درایو موتور بتواند در یک ناحیه تنظیم سرعت نسبتاً وسیع و محدوده توان ثابت کار کند.
روش کنترل برداری به طور گسترده در الگوریتم کنترل سرعت موتور آهنربای دائم استفاده میشود. این روش مزایایی از جمله محدوده تنظیم سرعت گسترده، راندمان بالا، قابلیت اطمینان بالا، پایداری خوب و مزایای اقتصادی خوب را دارد. این روش به طور گسترده در درایو موتور، حمل و نقل ریلی و سروو ماشین ابزار استفاده میشود. با توجه به کاربردهای مختلف، استراتژی کنترل برداری فعلی اتخاذ شده نیز متفاوت است.
۴. ویژگیهای موتور سنکرون آهنربای دائم
موتور سنکرون آهنربای دائم دارای ساختار ساده، تلفات کم و ضریب توان بالا است. در مقایسه با موتور تحریک الکتریکی، به دلیل عدم وجود جاروبک، کموتاتور و سایر دستگاهها، به جریان تحریک راکتیو نیازی نیست، بنابراین جریان استاتور و تلفات مقاومت کمتر، راندمان بالاتر، گشتاور تحریک بزرگتر و عملکرد کنترل بهتر است. با این حال، معایبی مانند هزینه بالا و دشواری در شروع کار وجود دارد. با توجه به کاربرد فناوری کنترل در موتورها، به ویژه کاربرد سیستمهای کنترل برداری، موتورهای سنکرون آهنربای دائم میتوانند به تنظیم سرعت در طیف وسیعی، پاسخ دینامیکی سریع و کنترل موقعیتیابی با دقت بالا دست یابند، بنابراین موتورهای سنکرون آهنربای دائم افراد بیشتری را برای انجام تحقیقات گسترده جذب خواهند کرد.
5. مشخصات فنی موتور سنکرون آهنربای دائم آنهویی مینگتنگ
الف) موتور ضریب توان بالا و ضریب کیفیت بالای شبکه برق را دارد. نیازی به جبرانکننده ضریب توان نیست و میتوان از ظرفیت تجهیزات پست برق به طور کامل استفاده کرد.
ب. موتور آهنربای دائم توسط آهنرباهای دائم تحریک شده و به صورت همزمان کار میکند. هیچ نوسان سرعتی وجود ندارد و مقاومت خط لوله هنگام به کار انداختن فنها و پمپها افزایش نمییابد.
ج. موتور آهنربای دائم را میتوان با گشتاور راهاندازی بالا (بیش از ۳ برابر) و ظرفیت اضافه بار بالا در صورت نیاز طراحی کرد، بنابراین پدیده "اسب بزرگ گاری کوچک را میکشد" را حل میکند.
د. جریان راکتیو موتور آسنکرون معمولی عموماً حدود 0.5 تا 0.7 برابر جریان نامی است. موتور سنکرون آهنربای دائم مینگ تنگ به جریان تحریک نیاز ندارد. جریان راکتیو موتور آهنربای دائم و موتور آسنکرون حدود 50٪ متفاوت است و جریان عملیاتی واقعی حدود 15٪ کمتر از موتور آسنکرون است.
ه. موتور میتواند طوری طراحی شود که مستقیماً روشن شود و ابعاد نصب خارجی آن مشابه موتورهای آسنکرون رایج فعلی است که میتوانند به طور کامل جایگزین موتورهای آسنکرون شوند.
و. اضافه کردن یک درایور میتواند به شروع نرم، توقف نرم و تنظیم سرعت بدون پله، با پاسخ دینامیکی خوب و بهبود بیشتر در صرفهجویی در مصرف برق، دست یابد.
ز. موتور دارای ساختارهای توپولوژیکی بسیاری است که مستقیماً الزامات اساسی تجهیزات مکانیکی را در طیف وسیعی و تحت شرایط سخت برآورده میکند.
ح. به منظور بهبود راندمان سیستم، کوتاه کردن زنجیره انتقال و کاهش هزینههای نگهداری، موتورهای سنکرون آهنربای دائم با درایو مستقیم سرعت بالا و پایین میتوانند برای برآورده کردن نیازهای بالاتر کاربران طراحی و تولید شوند.
شرکت ماشینآلات و تجهیزات الکتریکی مغناطیسی دائمی آنهویی مینگتنگ (با مسئولیت محدود)https://www.mingtengmotor.com/) در سال ۲۰۰۷ تأسیس شد. این یک شرکت با فناوری پیشرفته است که در تحقیق و توسعه، تولید و فروش موتورهای سنکرون آهنربای دائم با راندمان فوق العاده بالا تخصص دارد. این شرکت با استفاده از تئوری طراحی موتور مدرن، نرمافزار طراحی حرفهای و برنامه طراحی موتور آهنربای دائم خودساخته، میدان الکترومغناطیسی، میدان سیال، میدان دما، میدان تنش و غیره موتور آهنربای دائم را شبیهسازی میکند، ساختار مدار مغناطیسی را بهینه میکند، سطح بهرهوری انرژی موتور را بهبود میبخشد و اساساً استفاده قابل اعتماد از موتور آهنربای دائم را تضمین میکند.
حق نشر: این مقاله بازنشری از شماره عمومی ویچت «Motor Alliance» است، لینک اصلیhttps://mp.weixin.qq.com/s/tROOkT3pQwZtnHJT4Ji0Cg
این مقاله بیانگر دیدگاههای شرکت ما نیست. اگر نظرات یا دیدگاههای متفاوتی دارید، لطفاً ما را اصلاح کنید!
زمان ارسال: ۱۴ سپتامبر ۲۰۲۴