تأثير إجهاد قلب الحديد على أداءمحركات المغناطيس الدائم
ساهم التطور الاقتصادي السريع في تعزيز توجه صناعة محركات المغناطيس الدائم نحو الاحترافية، مما رفع من متطلبات الأداء المتعلقة بالمحركات، والمعايير الفنية، واستقرار تشغيل المنتج. ولتوسيع نطاق استخدام محركات المغناطيس الدائم، لا بد من تعزيز أدائها من جميع الجوانب، بما يضمن وصول مؤشرات الجودة والأداء العامة للمحرك إلى مستوى أعلى.
في محركات المغناطيس الدائم، يُعدّ القلب الحديدي مكونًا بالغ الأهمية. عند اختيار مادة القلب الحديدي، من الضروري مراعاة مدى ملاءمة الموصلية المغناطيسية لمتطلبات تشغيل المحرك. يُختار الفولاذ الكهربائي عادةً كمادة أساسية للقلب في محركات المغناطيس الدائم، وذلك لموصليته المغناطيسية العالية.
يُعد اختيار مواد قلب المحرك عاملاً بالغ الأهمية في تحديد الأداء العام والتحكم في تكلفة محركات المغناطيس الدائم. فخلال مراحل التصنيع والتجميع والتشغيل، تتشكل إجهادات معينة على القلب. ويؤثر وجود هذه الإجهادات بشكل مباشر على الموصلية المغناطيسية للصفائح الفولاذية الكهربائية، مما يؤدي إلى انخفاضها بدرجات متفاوتة، وبالتالي انخفاض أداء محرك المغناطيس الدائم وزيادة فقد الطاقة فيه.
في تصميم وتصنيع محركات المغناطيس الدائم، تتزايد متطلبات اختيار المواد واستخدامها باستمرار، حتى تقترب من الحد الأقصى لمعايير ومستويات أداء المواد. وباعتبار الفولاذ الكهربائي المادة الأساسية في محركات المغناطيس الدائم، فإنه يجب أن يفي بمتطلبات دقة عالية جدًا في تقنيات التطبيق ذات الصلة، وأن يتطلب حسابًا دقيقًا لفقد الحديد لتلبية الاحتياجات الفعلية.
إن طريقة تصميم المحركات التقليدية المستخدمة لحساب الخصائص الكهرومغناطيسية للفولاذ الكهربائي غير دقيقة بشكل واضح، لأن هذه الطرق التقليدية مصممة أساسًا للظروف الاعتيادية، مما يؤدي إلى انحراف كبير في نتائج الحساب. لذا، ثمة حاجة إلى طريقة حساب جديدة لحساب الموصلية المغناطيسية وفقد الحديد في الفولاذ الكهربائي بدقة تحت ظروف مجال الإجهاد، مما يرفع مستوى استخدام مواد قلب الحديد، ويرفع مؤشرات الأداء، مثل كفاءة محركات المغناطيس الدائم.
ركز تشنغ يونغ وباحثون آخرون على تأثير الإجهاد الواقع على قلب محركات المغناطيس الدائم، ودمجوا التحليل التجريبي لاستكشاف الآليات ذات الصلة بالخصائص المغناطيسية للإجهاد وأداء فقدان الحديد الناتج عن الإجهاد في مواد قلب محرك المغناطيس الدائم. يتأثر الإجهاد الواقع على قلب الحديد في محرك المغناطيس الدائم أثناء التشغيل بمصادر إجهاد متنوعة، ويُظهر كل مصدر من هذه المصادر خصائص مختلفة تمامًا.
من منظور شكل الإجهاد في قلب الجزء الثابت لمحركات المغناطيس الدائم، تشمل مصادر تكوينه التثقيب، والتثبيت بالمسامير، والتصفيح، والتداخل في تركيب الغلاف، وغيرها. ويُعدّ تأثير الإجهاد الناتج عن التداخل في تركيب الغلاف هو الأكبر والأكثر أهمية. أما بالنسبة لدوار محرك المغناطيس الدائم، فتشمل مصادر الإجهاد الرئيسية التي يتحملها الإجهاد الحراري، وقوة الطرد المركزي، والقوة الكهرومغناطيسية، وغيرها. وبالمقارنة مع المحركات العادية، فإن السرعة العادية لمحرك المغناطيس الدائم عالية نسبيًا، كما يتم تركيب هيكل عزل مغناطيسي في قلب الدوار.
لذا، يُعدّ الإجهاد الطارد المركزي المصدر الرئيسي للإجهاد. ويتواجد الإجهاد في قلب الجزء الثابت، الناتج عن مجموعة التداخل في غلاف محرك المغناطيس الدائم، بشكل أساسي على هيئة إجهاد انضغاطي، وتتركز نقطة تأثيره في نير قلب الجزء الثابت للمحرك، حيث يكون اتجاه الإجهاد محيطيًا مماسًا. أما خاصية الإجهاد الناتجة عن قوة الطرد المركزي لدوار محرك المغناطيس الدائم فهي إجهاد شد، والذي يؤثر بشكل شبه كامل على قلب الدوار الحديدي. ويؤثر أقصى إجهاد طارد مركزي عند نقطة تقاطع جسر العزل المغناطيسي لدوار محرك المغناطيس الدائم مع الضلع المقوي، مما يُسهّل حدوث تدهور في الأداء في هذه المنطقة.
تأثير إجهاد القلب الحديدي على المجال المغناطيسي لمحركات المغناطيس الدائم
أظهر تحليل التغيرات في الكثافة المغناطيسية للأجزاء الرئيسية لمحركات المغناطيس الدائم أنه تحت تأثير التشبع، لم يطرأ تغيير ملحوظ على الكثافة المغناطيسية في أضلاع التقوية وجسور العزل المغناطيسي لدوار المحرك. بينما تباينت الكثافة المغناطيسية في الجزء الثابت والدائرة المغناطيسية الرئيسية للمحرك بشكل كبير. وهذا يفسر أيضًا تأثير إجهاد القلب الحديدي على توزيع الكثافة المغناطيسية والتوصيلية المغناطيسية للمحرك أثناء تشغيله.
تأثير الإجهاد على فقدان الوزن الأساسي
بسبب الإجهاد، يتركز إجهاد الضغط عند نير الجزء الثابت لمحرك المغناطيس الدائم، مما يؤدي إلى فقد كبير وتدهور في الأداء. توجد مشكلة فقد حديدي كبيرة عند نير الجزء الثابت لمحرك المغناطيس الدائم، وخاصة عند نقطة اتصال أسنان الجزء الثابت بالنير، حيث يزداد فقد الحديد بشكل ملحوظ نتيجة الإجهاد. وقد أظهرت الأبحاث، من خلال الحسابات، أن فقد الحديد في محركات المغناطيس الدائم قد ازداد بنسبة 40-50% نتيجة لتأثير إجهاد الشد، وهي نسبة لا تزال مرتفعة، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في إجمالي فقد محركات المغناطيس الدائم. ومن خلال التحليل، تبين أن فقد الحديد في المحرك هو الشكل الرئيسي للفقد الناتج عن تأثير إجهاد الضغط على تكوين قلب الحديد في الجزء الثابت. أما بالنسبة لدوار المحرك، فعندما يتعرض قلب الحديد لإجهاد شد طرد مركزي أثناء التشغيل، فإن ذلك لا يزيد من فقد الحديد فحسب، بل يُحسّن الأداء أيضًا.
تأثير الإجهاد على الحث وعزم الدوران
يتدهور أداء الحث المغناطيسي للقلب الحديدي للمحرك تحت ظروف الإجهاد، مما يؤدي إلى انخفاض حث عموده إلى حد معين. وبالتحديد، عند تحليل الدائرة المغناطيسية لمحرك المغناطيس الدائم، نجد أن دائرة عمود المحرك تتكون أساسًا من ثلاثة أجزاء: الفجوة الهوائية، والمغناطيس الدائم، والقلب الحديدي للجزء الثابت والجزء الدوار. ويُعد المغناطيس الدائم الجزء الأهم بينها. لذا، عند تغير أداء الحث المغناطيسي للقلب الحديدي لمحرك المغناطيس الدائم، لا يمكن أن يحدث تغير ملحوظ في حث عمود المحرك.
يُعدّ الجزء المغناطيسي من دائرة عمود المحرك، المُكوّن من الفجوة الهوائية وقلب الجزء الدوار (الساكن) في المحرك ذي المغناطيس الدائم، أصغر بكثير من المقاومة المغناطيسية للمغناطيس الدائم نفسه. وبمراعاة تأثير إجهاد القلب، يتدهور أداء الحث المغناطيسي، وينخفض حث العمود بشكل ملحوظ. حلل تأثير إجهاد الخصائص المغناطيسية على القلب الحديدي للمحرك ذي المغناطيس الدائم. مع انخفاض أداء الحث المغناطيسي لقلب المحرك، يقلّ الربط المغناطيسي للمحرك، وينخفض عزم الدوران الكهرومغناطيسي للمحرك ذي المغناطيس الدائم.
تاريخ النشر: 7 أغسطس 2023
