تأثير إجهاد النواة الحديدية على أداءمحركات المغناطيس الدائم
عزز التطور الاقتصادي السريع التوجه نحو الاحتراف في صناعة محركات المغناطيس الدائم، مما فرض متطلبات أعلى للأداء والمعايير الفنية واستقرار تشغيل المنتج. ولتوسيع نطاق تطبيقات محركات المغناطيس الدائم، من الضروري تعزيز أدائها من جميع الجوانب، بما يرفع جودة المحرك ومؤشرات أدائه إلى مستوى أعلى.
بالنسبة لمحركات المغناطيس الدائم، يُعدّ القلب الحديدي مكونًا بالغ الأهمية. لاختيار مواد القلب الحديدي، يجب مراعاة مدى قدرة التوصيل المغناطيسي على تلبية احتياجات تشغيل محرك المغناطيس الدائم. عادةً ما يُختار الفولاذ الكهربائي كمواد أساسية لمحركات المغناطيس الدائم، والسبب الرئيسي هو تمتعه بموصلية مغناطيسية جيدة.
يؤثر اختيار مواد قلب المحرك بشكل بالغ الأهمية على الأداء العام وضبط تكاليف محركات المغناطيس الدائم. أثناء تصنيع وتجميع وتشغيل محركات المغناطيس الدائم، تتشكل إجهادات معينة على القلب. ومع ذلك، فإن وجود هذه الإجهادات يؤثر بشكل مباشر على الموصلية المغناطيسية لصفائح الفولاذ الكهربائية، مما يؤدي إلى انخفاض الموصلية المغناطيسية بدرجات متفاوتة، وبالتالي انخفاض أداء محرك المغناطيس الدائم وزيادة خسائره.
في تصميم وتصنيع محركات المغناطيس الدائم، تتزايد متطلبات اختيار المواد واستخدامها، حتى أنها تقترب من الحد الأقصى للمعايير ومستوى أداء المواد. وباعتباره المادة الأساسية لمحركات المغناطيس الدائم، يجب أن يلبي الفولاذ الكهربائي متطلبات الدقة العالية في تقنيات التطبيق ذات الصلة، وأن يحسب بدقة فقدان الحديد لتلبية الاحتياجات الفعلية.
من الواضح أن طريقة تصميم المحركات التقليدية المستخدمة لحساب الخصائص الكهرومغناطيسية للفولاذ الكهربائي غير دقيقة، لأنها تُطبق أساسًا على الظروف التقليدية، وستكون نتائج الحساب ذات انحرافات كبيرة. لذلك، يلزم تطوير طريقة حساب جديدة لحساب التوصيل المغناطيسي وفقدان الحديد للفولاذ الكهربائي بدقة في ظل ظروف مجال الإجهاد، مما يرفع مستوى استخدام مواد القلب الحديدي، ويرفع مؤشرات الأداء، مثل كفاءة محركات المغناطيس الدائم، إلى مستوى أعلى.
ركز تشنغ يونغ وباحثون آخرون على تأثير إجهاد القلب على أداء محركات المغناطيس الدائم، ودمجوا التحليل التجريبي لاستكشاف الآليات ذات الصلة بخصائص الإجهاد المغناطيسي وأداء فقدان الحديد الناتج عن الإجهاد لمواد قلب محرك المغناطيس الدائم. يتأثر الإجهاد الواقع على قلب محرك المغناطيس الدائم الحديدي تحت ظروف التشغيل بمصادر إجهاد مختلفة، ولكل مصدر منها خصائص مختلفة تمامًا.
من منظور شكل إجهاد قلب الجزء الثابت في محركات المغناطيس الدائم، تشمل مصادر تكوينه التثقيب، والتثبيت، والتصفيح، وتداخل تجميع الغلاف، وغيرها. ويتمتع تأثير الإجهاد الناتج عن تداخل تجميع الغلاف بأكبر مساحة تأثير وأكثرها تأثيرًا. أما بالنسبة لدوار محرك المغناطيس الدائم، فتشمل المصادر الرئيسية للإجهاد التي يتحملها الإجهاد الحراري، وقوة الطرد المركزي، والقوة الكهرومغناطيسية، وغيرها. وبالمقارنة مع المحركات العادية، تتميز محركات المغناطيس الدائم بسرعة دوران عالية نسبيًا، كما أنها مزودة بهيكل عزل مغناطيسي في قلب الدوار.
لذلك، يُعدّ الإجهاد الطارد المركزي المصدر الرئيسي للإجهاد. يكون إجهاد قلب الجزء الثابت الناتج عن مجموعة التداخل لغلاف محرك المغناطيس الدائم بشكل رئيسي على شكل إجهاد انضغاطي، وتتركز نقطة تأثيره في نير قلب الجزء الثابت للمحرك، مع اتجاه إجهاد يتجلى كمماس محيطي. أما خاصية الإجهاد الناتجة عن قوة الطرد المركزي لدوار محرك المغناطيس الدائم فهي إجهاد شد، يؤثر بشكل شبه كامل على قلب الحديد للدوار. ويؤثر أقصى إجهاد طرد مركزي على تقاطع جسر العزل المغناطيسي لدوار محرك المغناطيس الدائم مع ضلع التسليح، مما يُسهّل انخفاض الأداء في هذه المنطقة.
تأثير إجهاد القلب الحديدي على المجال المغناطيسي للمحركات ذات المغناطيس الدائم
بتحليل التغيرات في الكثافة المغناطيسية للأجزاء الرئيسية لمحركات المغناطيس الدائم، وُجد أنه تحت تأثير التشبع، لم يُلاحظ أي تغير يُذكر في الكثافة المغناطيسية عند أضلاع التعزيز وجسور العزل المغناطيسي لدوار المحرك. وتختلف الكثافة المغناطيسية للجزء الثابت والدائرة المغناطيسية الرئيسية للمحرك بشكل كبير. وهذا يُفسر أيضًا تأثير إجهاد القلب على توزيع الكثافة المغناطيسية والتوصيل المغناطيسي للمحرك أثناء تشغيله.
تأثير الإجهاد على فقدان الجذع
بسبب الإجهاد، سيكون الإجهاد الانضغاطي عند نير الجزء الثابت لمحرك المغناطيس الدائم مركّزًا نسبيًا، مما يؤدي إلى خسارة كبيرة وتدهور في الأداء. توجد مشكلة فقدان حديد كبيرة عند نير الجزء الثابت لمحرك المغناطيس الدائم، وخاصة عند تقاطع أسنان الجزء الثابت مع النير، حيث يزداد فقدان الحديد بشكل كبير بسبب الإجهاد. وقد وجدت الأبحاث من خلال الحسابات أن فقدان الحديد في محركات المغناطيس الدائم قد زاد بنسبة 40٪ -50٪ بسبب تأثير إجهاد الشد، وهو أمر لا يزال مدهشًا للغاية، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في الخسارة الكلية لمحركات المغناطيس الدائم. من خلال التحليل، يمكن أيضًا العثور على أن فقدان الحديد في المحرك هو الشكل الرئيسي للخسارة الناتجة عن تأثير الإجهاد الانضغاطي على تكوين قلب حديد الجزء الثابت. بالنسبة لدوار المحرك، عندما يكون قلب الحديد تحت إجهاد الشد الطرد المركزي أثناء التشغيل، فلن يزيد ذلك من فقدان الحديد فحسب، بل سيكون له أيضًا تأثير تحسين معين.
تأثير الإجهاد على المحاثة وعزم الدوران
يتدهور أداء الحث المغناطيسي لقلب المحرك الحديدي تحت ضغطه، وينخفض محاثة عموده إلى حد ما. بتحليل الدائرة المغناطيسية لمحرك المغناطيس الدائم، نجد أن الدائرة المغناطيسية للعمود تتكون بشكل رئيسي من ثلاثة أجزاء: فجوة هوائية، ومغناطيس دائم، وقلب حديدي للجزء الثابت والدوار. يُعد المغناطيس الدائم أهم هذه الأجزاء. وبناءً على ذلك، لا يُحدث أي تغيير في أداء الحث المغناطيسي لقلب المحرك الحديدي تغيرات كبيرة في محاثة العمود.
في محرك المغناطيس الدائم، تكون الدائرة المغناطيسية للعمود، المكونة من الفجوة الهوائية ونواة العضو الثابت والدوار، أصغر بكثير من المقاومة المغناطيسية للمغناطيس الدائم. مع الأخذ في الاعتبار تأثير إجهاد القلب، يتدهور أداء الحث المغناطيسي وينخفض محاثة العمود بشكل ملحوظ. حلل تأثير إجهاد الخواص المغناطيسية على القلب الحديدي لمحرك المغناطيس الدائم. مع انخفاض أداء الحث المغناطيسي لنواة المحرك، ينخفض الترابط المغناطيسي للمحرك، وينخفض أيضًا عزم الدوران الكهرومغناطيسي للمحرك.
وقت النشر: ٧ أغسطس ٢٠٢٣
