تُشغّل المحركات الكهربائية شريان الحياة للصناعة الحديثة، ومن بينها، تبرز المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSMs) كحل متفوق عبر قطاعات متعددة. ما هي المزايا التي تقدمها على المحركات التقليدية؟ ما هي التصميمات المبتكرة المخفية داخل هيكلها؟ ما هي استراتيجيات التحكم الفريدة التي تجعلها متميزة؟ تقدم هذه المقالة تحليلًا شاملاً لهيكل PMSM، ومبادئ العمل، وطرق التحكم، والتطبيقات.
المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM) هو نوع من المحركات المتزامنة حيث يتم توفير المجال المغناطيسي للإثارة بواسطة مغناطيسات دائمة. بالمقارنة مع المحركات المتزامنة التقليدية ذات الإثارة الكهربائية، تزيل PMSMs الحاجة إلى ملفات إثارة ومصادر طاقة إضافية، مما يؤدي إلى هيكل أكثر إحكاما وكفاءة أعلى. بالمقارنة مع المحركات الحثية، توفر PMSMs كثافة طاقة أعلى، ونسبة عزم الدوران إلى القصور الذاتي، ودقة تحكم أعلى، مما يجعلها مثالية لمحركات المؤازرة عالية الأداء، والمركبات الكهربائية، وتوليد طاقة الرياح، والتطبيقات الأخرى.
تتكون PMSMs بشكل أساسي من جزأين: الجزء الثابت والجزء الدوار. في حين أن هيكلها الأساسي يشبه المحركات المتزامنة التقليدية، فإن تصميم الدوار يمثل ابتكارها الأساسي.
يتكون الجزء الثابت، وهو المكون الثابت لـ PMSM، بشكل أساسي من قلب الجزء الثابت وملفات الجزء الثابت. عادة ما يتم تصفيح قلب الجزء الثابت من صفائح فولاذ السيليكون لتقليل فقد الحديد. يتم تضمين ملفات الجزء الثابت في فتحات قلب الجزء الثابت، وتشكل ملفات تيار متردد متعددة الأطوار، مع تكوينات ثنائية وثلاثية الأطوار الأكثر شيوعًا. بناءً على توزيع اللف، يمكن تصنيف ملفات الجزء الثابت على أنها:
تتميز اللفائف الموزعة بفتحات متعددة لكل قطب لكل طور (Q=2,3,...k). تكمن ميزتها في قمع التوافقيات العليا بشكل فعال وتحسين أداء المحرك، على الرغم من أن تعقيد التصنيع يزداد.
تستخدم اللفائف المركزة فتحة واحدة لكل قطب لكل طور (Q=1). في حين أنها أسهل في التصنيع، فإنها تولد محتوى توافقي أعلى، مما يتطلب تدابير إضافية لقمع التوافقيات.
يتميز الدوار، وهو المكون الدوار، بمغناطيسات دائمة كابتكاره الرئيسي. بناءً على موضع المغناطيس، يتم تصنيف PMSMs على أنها:
في SPMSMs، يتم تركيب المغناطيسات مباشرة على سطح الدوار. ينتج هذا التصميم مجالات مغناطيسية شبه جيبية للفجوة الهوائية ويبسط تصميم معلمة الحث، ولكنه يعاني من قوة ميكانيكية أقل وضعف المغناطيس للتأثيرات الهوائية.
تقوم IPMSMs بتضمين المغناطيسات داخل الدوار، مما يوفر قوة ميكانيكية فائقة والقدرة على استخدام عزم الممانعة لزيادة كثافة عزم الدوران. توجد تكوينات مغناطيسية داخلية مختلفة، بما في ذلك الترتيبات أحادية الطبقة ومتعددة الطبقات ومن النوع V.
يقسم التصنيف الإضافي بناءً على نسبة البروز PMSMs إلى:
تعمل PMSMs من خلال التفاعل بين المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت والمجال المغناطيسي الدائم للدوار. عندما يتدفق تيار متردد متعدد الأطوار متماثل عبر ملفات الجزء الثابت، فإنه يولد مجالًا مغناطيسيًا دوارًا. يتزامن المجال المغناطيسي الدائم للدوار مع هذا المجال الدوار، مما ينتج عزم دوران يدفع الدوران. يحدث التشغيل المتزامن عندما تتطابق سرعة الدوار مع السرعة الدورانية لمجال الجزء الثابت.
على غرار المحركات الحثية، يخلق التيار المتردد ثلاثي الأطوار في ملفات الجزء الثابت لـ PMSM مجالًا مغناطيسيًا دوارًا. تعتمد السرعة الدورانية للمجال على تردد إمداد الطاقة وأزواج أقطاب الجزء الثابت:
n = 60f / p
حيث n هي السرعة الدورانية (دورة في الدقيقة)، و f هو التردد (هرتز)، و p هو عدد أزواج الأقطاب.
ينتج التفاعل بين مجالات المغناطيس الدائم للدوار والمجالات الدوارة للجزء الثابت عزم دوران كهرومغناطيسي. يعتمد مقدار عزم الدوران على قوة المجال، وعلاقتها الزاوية، والمعلمات الهيكلية للمحرك. تولد SPMSMs في المقام الأول عزم دوران المغناطيس الدائم، بينما تنتج IPMSMs كلاً من عزم دوران المغناطيس الدائم وعزم الممانعة بسبب تصميمها ذي القطب البارز.
يهدف التحكم في PMSM إلى التنظيم الدقيق للسرعة وعزم الدوران والموضع. نظرًا لطبيعتها غير الخطية والمترابطة بقوة، يمثل التحكم في PMSM تحديات فريدة. تشمل أساليب التحكم الشائعة:
تتحكم هذه الطريقة البسيطة في سرعة المحرك عن طريق الحفاظ على نسبة جهد إلى تردد ثابتة. في حين أنها فعالة من حيث التكلفة، فإنها توفر دقة وأداء ديناميكي محدودين، مما يجعلها غير مناسبة للتطبيقات عالية الأداء.
تقوم هذه التقنية المتقدمة بتحليل تيار الجزء الثابت إلى مكونات الإثارة وعزم الدوران للتحكم المستقل. يوفر FOC دقة عالية واستجابة ديناميكية ولكنه يتطلب خوارزميات معقدة تتضمن تحويلات الإحداثيات وتحديد المعلمات.
باستخدام تدفق الدوار كمرجع، تقوم هذه الطريقة بتحليل تيار الجزء الثابت إلى مكونات المحور d والمحور q للتحكم المنفصل في الإثارة وعزم الدوران، مما يتيح استجابة سريعة لعزم الدوران ولكنه يتطلب بيانات دقيقة عن موضع الدوار.
يستخدم هذا الاختلاف تدفق الجزء الثابت كمرجع، مما يلغي الاعتماد المباشر على موضع الدوار ولكنه يزيد من تعقيد الخوارزمية.
ينظم DTC عزم الدوران مباشرة عن طريق التحكم في متجهات جهد الجزء الثابت لمطابقة قيم عزم الدوران والمرجع. في حين أنه بسيط من الناحية الهيكلية مع ديناميكيات ممتازة، فإنه ينتج تموجًا كبيرًا في عزم الدوران يتطلب تدابير للتخفيف.
يؤدي التخلص من مستشعرات الموضع إلى تقليل التكلفة والتعقيد. تشمل التقنيات الشائعة بدون مستشعر:
تقدر هذه الطريقة موضع الدوار من ملاحظات القوة الدافعة الكهربائية الخلفية، لكنها تواجه صعوبة بسرعات منخفضة بسبب سعات الإشارة الصغيرة المعرضة لتداخل الضوضاء.
عن طريق حقن إشارات عالية التردد ومراقبة اختلافات الحث الناتجة عن تأثيرات البروز، يعمل هذا النهج بشكل جيد لـ IPMSMs ولكنه يتطلب ترددات تبديل أعلى.
تُستخدم هذه الطريقة البسيطة لـ PMSMs ذات القوة الدافعة الكهربائية الخلفية شبه المنحرفة، وتنتج تموجًا كبيرًا في عزم الدوران. تتطلب تطبيقات الحلقة المغلقة مستشعرات Hall لتغذية الارتجاع الموضعي.
بالمقارنة مع المحركات الحثية التقليدية، تقدم PMSMs:
يؤدي التخلص من تيار الإثارة إلى تقليل الخسائر، خاصةً في ظل الأحمال الخفيفة. تظهر الدراسات أن PMSMs تحقق كفاءة أعلى بحوالي 2٪ من المحركات الحثية ذات الكفاءة الممتازة (IE3) في ظل ظروف مماثلة.
تمكن المغناطيسات الدائمة عالية الطاقة من مجالات مغناطيسية أقوى ضمن أبعاد مدمجة، مما يوفر المزيد من الطاقة لكل وحدة حجم.
تسهل تصميمات الدوار المدمجة ذات القصور الذاتي المنخفض عمليات البدء والإيقاف والتسارع السريع، مما يعزز الاستجابة الديناميكية.
تمكن طرق التحكم المتقدمة مثل FOC و DTC من التنظيم الدقيق للسرعة وعزم الدوران والموضع، مما يلبي متطلبات تطبيقات المؤازرة.
تتفوق PMSMs في مجالات متنوعة:
مثالية لأنظمة دفع المركبات الكهربائية، تعمل PMSMs على تحسين النطاق والتسارع. اعتمدت الشركات المصنعة الكبرى مثل Tesla و BYD هذه التكنولوجيا.
تزيل توربينات الرياح PMSM ذات الدفع المباشر علب التروس، مما يقلل من الخسائر الميكانيكية والصيانة مع تحسين الموثوقية في البيئات القاسية.
بصفتها مكونات أساسية في أنظمة المؤازرة عالية الأداء، تلبي PMSMs المتطلبات الدقيقة للروبوتات الصناعية وأدوات آلات CNC.
تُستخدم على نطاق واسع في مكيفات الهواء القائمة على العاكس والغسالات والثلاجات، تعمل PMSMs على تحسين كفاءة الطاقة مع تقليل الضوضاء وإطالة العمر الافتراضي.
بفضل كفاءتها الفائقة وكثافة الطاقة ودقة التحكم، تمثل PMSMs تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا المحركات. نظرًا لأن مواد المغناطيس الدائم وخوارزميات التحكم تستمر في التطور، ستتوسع التطبيقات بشكل أكبر في التنقل الكهربائي والتصنيع الذكي والفضاء. يعد البحث المستمر في تصميم المحركات واستراتيجيات التحكم والتقنيات بدون مستشعر بأن يقود تطوير PMSM المستمر.
اتصل شخص: Mr. Alex Yip
الهاتف :: +86 2386551944
