هل تفهم حقاً تصميم المغناطيس الدائم لمحركات المغناطيس الدائم؟

يرتبط تطوير محركات المغناطيس الدائم ارتباطاً وثيقاً بتطوير مواد المغناطيس الدائم.
يرتبط تطوير محركات المغناطيس الدائم ارتباطًا وثيقًا بتطوير مواد المغناطيس الدائم. بلادنا هي أول دولة في العالم تكتشف الخصائص المغناطيسية لمواد المغناطيس الدائم وتطبقها عمليًا. قبل أكثر من ألفي عام، استخدمت بلادنا الخصائص المغناطيسية لمواد المغناطيس الدائم لصنع البوصلة، التي لعبت دورًا بالغ الأهمية في الملاحة والمجالات العسكرية وغيرها. وقد أصبحت إحدى أعظم أربعة اختراعات في بلادنا القديمة.

كان أول محرك في العالم، والذي ظهر في عشرينيات القرن التاسع عشر، محركًا مغناطيسيًا دائمًا، حيث كان المجال المغناطيسي المُثير يُولّد بواسطة مغناطيس دائم. إلا أن مادة المغناطيس الدائم المستخدمة آنذاك كانت المغنتيت الطبيعي (Fe3O4)، الذي يتميز بكثافة طاقة مغناطيسية منخفضة للغاية، وكان المحرك المصنوع منه ضخمًا، وسرعان ما استُبدل بمحرك كهربائي.

مع التطور السريع لمختلف أنواع المحركات واختراع المغنطة الكهربائية، أُجريت أبحاث معمقة حول آلية عمل مواد المغناطيس الدائم وتركيبها وتقنيات تصنيعها، وتم اكتشاف الفولاذ الكربوني وفولاذ التنجستن (بحد أقصى طاقة مغناطيسية تبلغ حوالي 2.7 كيلوجول/م³)، وفولاذ الكوبالت (بحد أقصى طاقة مغناطيسية تبلغ حوالي 7.2 كيلوجول/م³)، وغيرها من مواد المغناطيس الدائم. وعلى وجه الخصوص، تتميز مغناطيسات AlNiCo الدائمة التي ظهرت في ثلاثينيات القرن العشرين (بحد أقصى طاقة مغناطيسية تصل إلى 85 كيلوجول/م³) ومغناطيسات الفريت الدائمة التي ظهرت في خمسينيات القرن العشرين (بحد أقصى طاقة مغناطيسية تصل الآن إلى 40 كيلوجول/م³) بخصائص مغناطيسية متنوعة. ومع هذا التحسن الكبير، استُخدمت المغناطيسات الدائمة في العديد من المحركات الصغيرة والمتوسطة. وتتراوح قدرة محركات المغناطيس الدائم من بضعة ميلي واط إلى عشرات الكيلو واط. تُستخدم هذه المحركات على نطاق واسع في المجالات العسكرية والصناعية والزراعية، وفي الحياة اليومية، وقد شهد إنتاجها نموًا ملحوظًا. وخلال هذه الفترة، تحققت إنجازاتٌ بارزة في نظرية التصميم، وطريقة الحساب، وتقنية المغنطة والتصنيع لمحركات المغناطيس الدائم، كما تم تطوير مجموعة من أساليب التحليل والبحث، ممثلةً بمخطط عمل المغناطيس الدائم. إلا أن قوة الإكراه المغناطيسي لمغناطيس AlNiCo الدائم منخفضة (36-160 كيلو أمبير/متر)، وكثافة التمغنط المتبقي لمغناطيس الفريت الدائم ليست عالية (0.2-0.44 تسلا)، مما يحد من استخدامها في المحركات. وحتى ستينيات وثمانينيات القرن الماضي، ظهرت تباعًا مغناطيسات الكوبالت الدائمة المصنوعة من العناصر الأرضية النادرة، ومغناطيسات النيوديميوم والحديد والبورون الدائمة (يُشار إليها مجتمعةً باسم مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة الدائمة)، والتي تتميز بكثافة تمغنط متبقي عالية، وقوة إكراه مغناطيسي عالية، وناتج طاقة مغناطيسية عالٍ، ومنحنى إزالة مغنطة خطي. تُعد الخصائص المغناطيسية الممتازة لمحرك المغناطيس الدائم مناسبة بشكل خاص لتصنيع المحركات الكهربائية، مما أدى إلى دخول تطوير محركات المغناطيس الدائم مرحلة تاريخية جديدة.

مادة مغناطيسية دائمة

مغناطيسات المحركات: تشمل مواد المغناطيس الدائم الشائعة الاستخدام في المحركات المغناطيسات المتلبدة والمغناطيسات المترابطة، والأنواع الرئيسية هي AlNiCo، والفريت، وكوبالت الساماريوم، وNdFeB، وما إلى ذلك.
مادة ألنكو: تُعدّ مادة ألنكو للمغناطيس الدائم من أقدم مواد المغناطيس الدائم استخدامًا على نطاق واسع، وتتميز عملية تحضيرها وتقنيتها بالنضج النسبي. وتوجد حاليًا مصانع لها في اليابان والولايات المتحدة وأوروبا وروسيا والصين. ومن بين شركات الإنتاج واسعة النطاق، يحتل مصنع هانغتشو للمغناطيس الدائم المرتبة الأولى في الصين من حيث الإنتاج، بطاقة إنتاجية سنوية تبلغ 3,000 طن.

مادة الفريت المغناطيسية الدائمة: في خمسينيات القرن العشرين، بدأت مادة الفريت بالازدهار. وبشكل خاص في سبعينيات القرن العشرين، تم إنتاج فريت السترونتيوم بكميات كبيرة نظرًا لأدائه الأفضل في القوة القسرية والطاقة المغناطيسية، مما أدى إلى توسع استخدام الفريت المغناطيسي الدائم بسرعة. وباعتباره مادة مغناطيسية غير معدنية، فإن الفريت لا يعاني من عيوب المواد المغناطيسية الدائمة المعدنية، مثل سهولة الأكسدة، وانخفاض درجة حرارة كوري، وارتفاع التكلفة، ولذلك يحظى بشعبية كبيرة.

مادة الكوبالت الساماريوم: مادة مغناطيسية دائمة ذات خصائص مغناطيسية ممتازة، ظهرت في منتصف الستينيات، وتتميز بأداء مستقر للغاية. يُعد الكوبالت الساماريوم مناسبًا بشكل خاص لتصنيع المحركات نظرًا لخصائصه المغناطيسية، ولكن نظرًا لارتفاع سعره، يُستخدم بشكل رئيسي في البحث والتطوير في مجالات الطيران والفضاء والأسلحة والمحركات العسكرية الأخرى، بالإضافة إلى المحركات عالية الأداء في المجالات التقنية المتقدمة حيث لا يُعد السعر عاملًا حاسمًا.

مادة NdFeB: مادة NdFeB المغناطيسية هي سبيكة من النيوديميوم وأكسيد الحديد، وتُعرف أيضًا باسم الفولاذ المغناطيسي. تتميز هذه المادة بمعامل طاقة مغناطيسية وقوة قسرية عاليتين للغاية، كما أن كثافة الطاقة العالية تجعلها مادة مغناطيسية دائمة شائعة الاستخدام في الصناعات الحديثة والتكنولوجيا الإلكترونية. ويمكن تصنيعها بأحجام وأوزان وسماكات أصغر. ونظرًا لاحتوائها على نسبة عالية من النيوديميوم والحديد، فهي عرضة للصدأ. ويُعدّ التخميل الكيميائي السطحي أحد أفضل الحلول المتاحة حاليًا.

العلاقة بين أداء الفولاذ المغناطيسي وأداء المحرك

1. تأثير المغناطيسية المتبقية

بالنسبة لمحركات التيار المستمر، وفي ظل نفس معايير اللف وظروف الاختبار، كلما زادت المغناطيسية المتبقية، انخفضت سرعة الدوران بدون حمل والتيار بدون حمل؛ وكلما زاد عزم الدوران الأقصى، زادت الكفاءة عند نقطة الكفاءة القصوى. في الاختبار الفعلي، يُستخدم مستوى سرعة الدوران بدون حمل وقيمة عزم الدوران الأقصى عادةً لتقييم معيار المغناطيسية المتبقية للفولاذ المغناطيسي.

بالنسبة لنفس معايير اللف والخصائص الكهربائية، فإن السبب في انخفاض سرعة الدوران بدون حمل وتيار الدوران بدون حمل كلما زادت قيمة الحث المتبقي، هو أن المحرك أثناء التشغيل يُولّد حثًا عكسيًا كافيًا عند سرعة منخفضة نسبيًا. وهذا يُولّد جهدًا يؤدي إلى انخفاض المجموع الجبري للقوة الدافعة الكهربائية المطبقة على اللف.

2. تأثير الإكراه

أثناء تشغيل المحرك، يتأثر باستمرار بدرجة الحرارة وظاهرة إزالة المغناطيسية العكسية. من منظور تصميم المحرك، كلما زادت قوة الإكراه المغناطيسي، قلّ سمك الفولاذ المغناطيسي في اتجاه معين، والعكس صحيح. مع ذلك، يصبح الفولاذ المغناطيسي غير فعال بعد تجاوز قوة إكراه مغناطيسي معينة، لأن مكونات المحرك الأخرى لا تستطيع العمل بثبات عند تلك الدرجة. يكفي أن تستوفي قوة الإكراه المغناطيسي المتطلبات، والمعيار هو استيفاء هذه المتطلبات في ظل ظروف تجريبية موصى بها، دون الحاجة إلى إهدار الموارد.

3. تأثير التربيع

لا يؤثر التربيع إلا على استقامة منحنى كفاءة اختبار أداء المحرك. ورغم أن استقامة منحنى كفاءة المحرك لم تُدرج كمعيار مؤشر رئيسي، إلا أنها بالغة الأهمية لمسافة استمرار عمل المحرك المدمج في العجلة في ظروف الطرق الطبيعية. فبسبب اختلاف ظروف الطرق، لا يمكن للمحرك العمل دائمًا عند نقطة الكفاءة القصوى، وهذا أحد أسباب انخفاض الكفاءة القصوى لبعض المحركات وطول مسافة استمرار عملها. يجب ألا يقتصر المحرك المدمج الجيد على امتلاك كفاءة قصوى عالية فحسب، بل يجب أن يكون منحنى كفاءته مستويًا قدر الإمكان، وكلما قلّ انحدار انخفاض الكفاءة، كان ذلك أفضل. سيصبح هذا تدريجيًا معيارًا مهمًا مع نضوج سوق المحركات المدمجة في العجلات وتطور تقنياتها ومعاييرها.

4. أثر اتساق الأداء

عدم اتساق التمغنط المتبقي: هذا ليس جيدًا، حتى لو وُجدت بعض الحالات ذات الأداء العالي بشكل خاص. فبسبب عدم اتساق التدفق المغناطيسي لكل جزء من أجزاء المجال المغناطيسي أحادي الاتجاه، يكون عزم الدوران غير متماثل ويحدث اهتزاز.

قوة قسرية غير متناسقة: على وجه الخصوص، تكون القوة القسرية للمنتجات الفردية منخفضة للغاية، مما يجعلها عرضة لإزالة المغناطيسية العكسية، وينتج عن ذلك تدفق مغناطيسي غير متناسق لكل قطعة من الفولاذ المغناطيسي، مما يتسبب في اهتزاز المحرك. ويكون هذا التأثير أكثر وضوحًا في المحركات عديمة الفرش.

تأثير شكل المغناطيس وتفاوتاته على أداء المحرك

1. تأثير سمك الفولاذ المغناطيسي

عند تثبيت الدائرة المغناطيسية الداخلية أو الخارجية، ومع زيادة سمكها، تقل الفجوة الهوائية ويزداد التدفق المغناطيسي الفعال. ويتجلى الأداء الواضح في انخفاض سرعة الدوران وتيار التشغيل بدون حمل عند نفس المغناطيسية المتبقية، مما يقلل من الكفاءة القصوى للمحرك. ومع ذلك، توجد أيضًا جوانب سلبية، مثل زيادة اهتزازات التبديل في المحرك وانحدار منحنى الكفاءة بشكل ملحوظ. لذا، ينبغي أن يكون سمك مغناطيسات المحرك متجانسًا قدر الإمكان للحد من الاهتزازات.

2. تأثير عرض الفولاذ المغناطيسي

بالنسبة لمغناطيسات المحركات عديمة الفرش ذات التراص المتقارب، يجب ألا تتجاوز الفجوة التراكمية الكلية 0.5 مم. إذا كانت هذه الفجوة صغيرة جدًا، فلن يكون بالإمكان تركيب المحرك. أما إذا كانت كبيرة جدًا، فستؤدي إلى اهتزاز المحرك وانخفاض كفاءته. ويعود ذلك إلى عدم تطابق موضع المغناطيس مع موضعه الفعلي، وضرورة ضمان ثبات عرضه، وإلا سينخفض ​​أداء المحرك ويزداد اهتزازه.

في المحركات ذات الفرش، توجد مسافة محددة بين المغناطيسات، مخصصة لمنطقة التبديل الميكانيكي. ورغم وجود هذه المسافة، يحرص معظم المصنّعين على اتباع إجراءات صارمة لتركيب الفولاذ المغناطيسي لضمان دقة التركيب، وبالتالي ضمان وضع مغناطيس المحرك في الموضع الصحيح. فإذا تجاوز عرض الفولاذ المغناطيسي هذه المسافة، يُمنع تركيبه؛ أما إذا كان عرضه صغيرًا جدًا، فسيؤدي ذلك إلى اختلال في موضعه، وزيادة اهتزاز المحرك، وانخفاض كفاءته.

3. تأثير حجم شطف الفولاذ المغناطيسي وعدم وجود شطف

إذا لم يتم شطف الزاوية، يكون معدل تغير المجال المغناطيسي عند حافة المجال المغناطيسي للمحرك كبيرًا، مما يتسبب في اهتزاز نبضي للمحرك. كلما زادت زاوية الشطف، قلّ الاهتزاز. ومع ذلك، فإن الشطف عادةً ما يُسبب فقدًا معينًا في التدفق المغناطيسي. بالنسبة لبعض المواصفات، عندما يصل الشطف إلى 0.8، يكون فقد التدفق المغناطيسي من 0.5% إلى 1.5%. عندما يكون التخلف المغناطيسي للمحرك ذي الفرش منخفضًا، فإن تقليل حجم الشطف بشكل مناسب يُفيد في تعويض التخلف المغناطيسي، ولكن هذا يزيد من اهتزاز المحرك النبضي. بشكل عام، عندما يكون التخلف المغناطيسي منخفضًا، يمكن زيادة التفاوت في اتجاه الطول بشكل مناسب، مما يُحسّن التدفق المغناطيسي الفعال إلى حد ما ويجعل أداء المحرك ثابتًا بشكل أساسي.

احتياطات خاصة بمحركات المغناطيس الدائم

1. هيكل الدائرة المغناطيسية وحساب التصميم

لتحقيق الاستفادة القصوى من الخصائص المغناطيسية لمختلف مواد المغناطيس الدائم، ولا سيما الخصائص المغناطيسية الممتازة للمغناطيس الدائم المصنوع من العناصر الأرضية النادرة، ولتصنيع محركات مغناطيسية دائمة فعّالة من حيث التكلفة، لا يمكن تطبيق أساليب حساب بنية وتصميم محركات المغناطيس الدائم التقليدية أو محركات الإثارة الكهربائية ببساطة. بل يجب وضع مفهوم تصميم جديد، وإعادة تحليل بنية الدائرة المغناطيسية وتحسينها. ومع التطور السريع لتقنيات أجهزة وبرامج الحاسوب، والتحسين المستمر لأساليب التصميم الحديثة كالحساب العددي للمجال الكهرومغناطيسي، والتصميم الأمثل، وتقنية المحاكاة، وبفضل الجهود المشتركة للأوساط الأكاديمية والهندسية في مجال المحركات الكهربائية، تم إحراز تقدم كبير في أساليب الحساب، وتقنيات البنية، وتقنيات التحكم، وغيرها، وتم تطوير مجموعة من أساليب التحليل والبحث، وبرامج التحليل والتصميم بمساعدة الحاسوب التي تجمع بين الحساب العددي للمجال الكهرومغناطيسي والحل التحليلي للدائرة المغناطيسية المكافئة، وهي في تطور مستمر.

2. قضايا التحكم

يستطيع محرك المغناطيس الدائم الحفاظ على مجاله المغناطيسي دون الحاجة إلى طاقة خارجية، إلا أن ذلك يجعل ضبط مجاله والتحكم فيه من الخارج أمرًا بالغ الصعوبة. كما يصعب على مولد المغناطيس الدائم ضبط جهد الخرج ومعامل القدرة من الخارج، ولم يعد محرك التيار المستمر ذو المغناطيس الدائم قادرًا على ضبط سرعته بتغيير طريقة الإثارة. كل هذا يحد من نطاق استخدام محركات المغناطيس الدائم. مع ذلك، ومع التطور السريع لأجهزة إلكترونيات القدرة وتقنيات التحكم مثل MOSFETs وIGBTs، أصبح بالإمكان استخدام معظم محركات المغناطيس الدائم دون التحكم في المجال، والاكتفاء بالتحكم في المحرك. عند التصميم، من الضروري دمج ثلاث تقنيات حديثة هي: مواد المغناطيس الدائم المصنوعة من العناصر الأرضية النادرة، وأجهزة إلكترونيات القدرة، والتحكم بواسطة الحواسيب الصغيرة، لكي يعمل محرك المغناطيس الدائم في ظل ظروف التشغيل الجديدة.

3. مشكلة إزالة المغنطة غير القابلة للانعكاس

إذا كان التصميم أو الاستخدام غير مناسب، فسيتعرض محرك المغناطيس الدائم لتأثير رد فعل المحرك الناتج عن تيار البدء العالي عند ارتفاع درجة الحرارة (في حالة المغناطيس الدائم المصنوع من النيوديميوم والحديد والبورون) أو انخفاضها الشديد (في حالة المغناطيس الدائم المصنوع من الفريت)، أو عند تعرضه لاهتزازات ميكانيكية شديدة. قد يؤدي ذلك إلى فقدان المغناطيسية بشكل دائم، مما يقلل من أداء المحرك وقد يجعله غير قابل للاستخدام. لذلك، من الضروري البحث والتطوير في طرق وأجهزة فحص الاستقرار الحراري لمواد المغناطيس الدائم المناسبة لمصنعي المحركات، وتحليل قدرات مقاومة فقدان المغناطيسية لمختلف الأشكال الهيكلية، وذلك لاتخاذ التدابير اللازمة لضمان عدم فقدان محركات المغناطيس الدائم لمغناطيسيتها أثناء التصميم والتصنيع.

4. مسائل التكلفة

تُستخدم محركات المغناطيس الدائم المصنوعة من الفريت، وخاصةً محركات التيار المستمر المصغرة ذات المغناطيس الدائم، على نطاق واسع نظرًا لبساطة تركيبها وعملية تصنيعها، وخفة وزنها، وانخفاض تكلفتها الإجمالية مقارنةً بمحركات الإثارة الكهربائية. ونظرًا لارتفاع سعر المغناطيس الدائم المصنوع من العناصر الأرضية النادرة نسبيًا في الوقت الحالي، فإن تكلفة محركات المغناطيس الدائم المصنوعة من العناصر الأرضية النادرة أعلى عمومًا من تكلفة محركات الإثارة الكهربائية، وهو ما يتطلب تعويضه من خلال الأداء العالي وتوفير تكاليف التشغيل. في بعض الحالات، مثل محركات الملفات الصوتية لمحركات أقراص الكمبيوتر، يتم تحسين أداء المغناطيس الدائم المصنوع من النيوديميوم والحديد والبورون، مع تقليل الحجم والكتلة بشكل ملحوظ، وبالتالي خفض التكلفة الإجمالية. عند التصميم، من الضروري مقارنة الأداء والسعر وفقًا لظروف الاستخدام والمتطلبات المحددة لاتخاذ القرار الأمثل، بالإضافة إلى ابتكار عملية التصنيع وتحسين التصميم لخفض التكلفة.