التحكم عالي الكفاءة في المحرك المتزامن دائم المقطع

أهمية التحكم عالي الكفاءة في المحرك المتزامن دائم المقطع

كنوع جديد من المحركات الكهربائية الخطية، يتميز “المحرك المتزامن” الخطي ذو المغناطيس الدائم بلف الجزء الأساسي بمزايا كثافة الدفع العالية وفقدان الطاقة المنخفض والاستجابة الديناميكية السريعة، كما أنه مصدر قيادة مثالي لأنظمة الرفع اللاسلكية وله مزايا بارزة في ترقية المناجم فائقة العمق والمباني الشاهقة ومصاعد السفن ولا يتطلب الهيكل الثانوي المتحرك أن يتحرك كابل المحرك مع الثانوي.

كما ويمكن أيضاً حماية المغناطيس الدائم بشكل فعال، وفي الوقت نفسه؛ فإنه يحل مشاكل “المقاومة المغناطيسية” للجزء الثابت والحث المفرط وجهد القيادة العالي، كما أن الخسارة الكهرومغناطيسية الكبيرة والكفاءة الإجمالية المنخفضة الناتجة عن المحرك الخطي الفولاذي المغناطيسي الأساسي الطويل للغاية، بحيث يتميز هيكل التجزئة الأولي المعياري أيضاً بمزايا الهيكل المرن وسهولة التصنيع وسهولة الصيانة والعديد من المزايا الأخرى.

كما يمكن تحديد الطول الأساسي والطول الثانوي للمحرك الأساسي المجزأ والفجوة الهوائية بين الأجزاء الأولية وفقًا للتطبيق الفعلي ومتطلبات دقة التحكم والتكلفة والموثوقية، وذلك من أجل ضمان أن يكون الدفع الكهرومغناطيسي لخرج المحرك أثناء الحركة الديناميكية للجزء الثابت بين الساكن مستقراً وله تأثير نهائي أصغر.

أيضاً يتم تصميم المحرك المقسم عادةً كقطعة بين اللفات الأولية والنواة الأساسية ليست كذلك مجزأة، بحيث يكون محرك متزامن خطي مغناطيسي دائم متعرج مقطعي (SW-PMLSM) بدون بنية فجوة بين الأجزاء، حيث أظهرت الأبحاث أنه يمكن أن يقلل هذا الهيكل بشكل فعال من تذبذب الدفع أثناء العملية بين الأقسام الأولية، وهو مناسب للأماكن التي يكون فيها استقرار الدفع مطلوباً.

كما يعتبر النموذج الرياضي الدقيق هو الأساس لتصميم وحدة التحكم في القيادة وتحليل أداء النظام، وخاصةً في المحرك الخطي الأساسي ذي المغناطيس الدائم المقسم، بالإضافة إلى مشكلة التأثير النهائي، كما أن هناك ظاهرة مجال مغناطيسي خاصة مثل عتبة نصف الفتح، وهناك مجال مغناطيسي غير مفصول بين المرحلتين الأولية والثانوية، ومجال مغناطيسي ديناميكي مفرط بين الأجزاء الثانوية.

لذلك؛ فقد تختلف خصائص المعلمة في نموذجها الرياضي عن المحركات المتزامنة العادية، لذا من الضروري دراسة المعطيات الكهرومغناطيسية في النموذج الرياضي للمحرك بالاقتران مع الهياكل الطوبولوجية المحددة والتحولات بين الأجزاء، كما أن إنشاء نموذج محاكاة دقيق أقرب إلى الحالة الفيزيائية الفعلية وله إمكانية تحقيق هندسية واقعية له أهمية كبيرة في تحسين أداء المحرك وبحوث التحكم، بحيث يسهل المحاكاة الموحدة للمحرك والنظام.

النموذج المحاكي لـ (SW-PMLSM)

يختلف هيكل الدائرة المغناطيسية بين المرحلتين الابتدائية والثانوية لـ (SW-PMLSM) مع الموضع النسبي، وبالتالي فإن المعطيات الكهرومغناطيسية للمحرك هي وظيفة للموضع الثانوي، وعند النظر في تأثير التشبع المغناطيسي؛ فإن بعض المعطيات الكهرومغناطيسية هي أيضاً دالة لتيار المحرك، والذي يتميز بخصائص غير خطية قوية.

الاختلاف وتحليل المعطيات الكهرومغناطيسية لـ (SW-PMLSM)

هدف هذا الطرح هو (SW-PMLSM) مع وجود تجزئة متعرجة، ولا توجد فجوة بين الأجزاء وطول المحرك هو مضاعف الجزء الثابت أحادي المقطع (فحوى كل قسم من (SW-PMLSM) مع هذا الهيكل هو تم تغييره بشكل موحد أثناء عملية تبديل اللف).

كما يظهر هيكل (SW-PMLSM) في الشكل التالي، حيث أن الملف الأولي هو طوبولوجيا متقاربة الطول بطول ثانوي يبلغ ضعف طول الملف الأولي أحادي المرحلة أثناء تشغيل المحرك، كما تشتمل علاقة اقتران المجال المغناطيسي بين المرحلتين الأولية والثانوية على الشروط الأربعة التالية:

• لا يقع المغناطيس الدائم للمحرك ضمن المجال المغناطيسي للإثارة لملف الوحدة الثابتة (الجزء غير النشط).

• يدخل المغناطيس الدائم للمحرك تدريجياً في مجال الإثارة لملف الوحدة الثابتة (الجزء الفعال N).

• يقترن المغناطيس الدائم للمحرك بشكل كامل بمجال الإثارة لملف الجزء الثابت للوحدة (الجزء الفعال N − 1).

• يخرج المغناطيس الدائم للمحرك تدريجياً من نطاق المجال المغناطيسي المثير لوحدة لف الجزء الثابت (الجزء الفعال N − 2).

قاعدة الاختلاف لمعطيات الحث المتزامن

أثناء التشغيل الفعلي لـ (SW-PMLSM)، ترتبط درجة الاقتران الفعلية للملف ثلاثي الطور والمحرك بموضع المحرك، وهناك أخدود نصف مملوء في نهاية كل قسم من اللف الأساسي، لذا؛ فإن الحث ثلاثي الطور للملف ثلاثي الطور غير متماثل وهو دالة للموضع الثانوي.

كما أن هناك صيغة حساب الحث المتقاطع للمحرك الخطي المتزامن للمغناطيس الدائم، وهي:

حيث أن (Ls0 ،Ls2 ،Ms0) هي متوسط الحث الذاتي والمكون الثانوي للحث الذاتي ومتوسط الحث المتبادل على الترتيب، وبأخذ ملف المرحلة (A) كمثال؛ فإنه يمكن الحصول على الحث الذاتي لملف المرحلة (A) لمحرك خطي مغناطيسي دائم تقليدي وفقاً لتعريف الحث ونظرية التفاعل المزدوج.

حيث أن (LAσ ،Lm1) هما الحث الذاتي المغناطيسي للتسرب والتحريض الذاتي للإثارة لملف الطور.

الاختلاف والتدفق المقترن بالمغناطيس الدائم لـ (SW-PMLSM)

إن ارتباط التدفق المقترن بالمغناطيس الدائم هو وظيفة المغناطيس الدائم للملف الثابت لكل مرحلة، وهو أيضاً المتطلب الرئيسي لإنشاء النموذج الرياضي لنظام الإحداثيات المتزامن الخطي للمحرك المتزامن الدائم، حيث أن ارتباط التدفق المقترن بالمغناطيس الدائم لكل ملف طور من (PMLSM) هو:

وبالنسبة إلى (SW-PMLSM)، عندما تبقى منطقة الاقتران بين المرحلتين الأولية والثانوية دون تغيير؛ فإنها تكون سعة التدفق المغناطيسي المقترن للمغناطيس الدائم ثابتة، كما ويتغير حجم التدفق المقترن بالمغناطيس الدائم مع منطقة الاقتران بين المرحلتين الأولية والثانوية.

وعندما ينسحب المحرك تدريجياً من جزء ثابت معين، بحيث يتم تقليل ارتباط التدفق المقترن بالمغناطيس الدائم تدريجياً إلى الصفر ويمكن اعتبار تباينه بمثابة تغيير خطي في التحليل التقريبي؛ فإنه يمكن التعبير عن شكل المتجه على النحو التالي:

حيث أن:

(ψfmax): هو سعة تغيير ارتباط تدفق المغناطيس الدائم.

(xn): هو طول المقطع.

(xs): هو طول الاقتران الفعال.

وأخيراً؛ فإن تحليل نموذج المحاكاة يعتمد على طول المحرك (SW-PMLSM)، بحيث يعتبر ضعف طول الجزء الثابت أحادي القطعة، وفي أي وقت؛ فإنه يبقى من الضروري تلبية عضو الإنتاج الثابت ثلاثي المراحل في حالة إمداد الطاقة.

كما ترتبط إحدى لفات الجزء الثابت للمحرك تماماً بالمحرك، ويكون جزء واحد من لف الجزء الثابت في حالة دخول المحرك تدريجياً والآخر في حالة المحرك الذي يخرج تدريجياً من الجزء الثابت، بحيث لا يقترن بالمجال الكهربائي للمحرك الذي يتم تجاهله.

هذه الحالات الثلاث موجودة دائماً أثناء التشغيل الخطي الفعلي للمحرك المجزأ، كما يتم تعريف المقطع (n) دائماً على أنه المقطع الأمامي حيث تحدث حركات الاقتران الأولية والثانوية، كما ويكون الجزء (n) دائماً في الحالة التي يدخل فيها المحرك تدريجياً وتزداد متطلبات الحث الأولية والثانوية ومتطلبات ارتباط تدفق المغناطيس الدائم مع منطقة الاقتران.

لذلك؛ فإن الزيادة عند الوصول إلى الحد الأقصى للقيمة يتم تعديلها لإعادة الدخول مع تعريف الواجهة الأمامية، ومع تغيير الإزاحة (x) تتغير معلمات الجزء الثابت (n) بشكل دوري، كما ويتم تعريف المقطع (n-1) والجزء (n-2) على أنهما المقطعان الأول والثاني، وفي منتصف ونهاية الجزء الثابت حيث يحدث اقتران المرحلة؛ فإنها تظهر معلمات الحث للجزء الثابت ثلاثي المراحل ومعلمات ارتباط التدفق المغناطيسي للمغناطيس الدائم.