المحرك المغناطيسي عالي القدرة بدون تحميل كهربائي 

دراسة المحرك المغناطيسي عالي القدرة بدون تحميل كهربائي

في المحركات المعلقة مغناطيسياً، تُستخدم القوة الكهرومغناطيسية لتعليق الدوار، وبالتالي؛ فإنه لا توجد حاجة للمحامل الميكانيكية، بحيث يدور المحرك بدون اتصال ميكانيكي، لذلك ليس هناك حاجة إلى زيت تشحيم والاحتكاك صغير، وبالإضافة إلى ذلك، تتميز المحركات المعلقة “مغناطيسياً” بالسرعة العالية والعمر الطويل وسهولة الصيانة.

كما تشمل تطبيقاتها المضخات السائلة والتطبيقات الصناعية ذات المضخات المعلبة والضواغط المتعددة، بحيث يتم تحقيق مخرجات تزيد عن عدة عشرات من (kW) بشكل عام بواسطة محامل مغناطيسية ومحرك، كما تتطلب التطبيقات مثل الضواغط محركاً مدمجاً معلقاً مغناطيسياً، بحيث تجمع المحركات غير المحمل بين المحمل المغناطيسي ووظائف المحرك مغناطيسياً.

وبالتالي، لا يزال من الصعب تحقيق تعليق عمود دوار موثوق به مع عزم دوران معقول وكثافة قوة شعاعية، وحتى الآن، لم يكن هناك سوى عدد قليل من المحركات التي لا تحمل ناتجاً يبلغ عدة كيلوواط أو أعلى، ومع ذلك؛ فإن المحركات الكهربائية غير المحمل جذابة لأنها تقصر عمود الدوار وتقلل من عدد إلكترونيات الطاقة والأسلاك.

لذلك تم تطوير مضخة معلبة بقدرة (30) كيلو وات بشكل خاص بمحرك غير محمل من النوع الحثي، كذلك لم تكن سرعة الدوران عالية لأن عمود المضخة المعلب كان يعمل في سائل، كما تم تصميم محرك بدون محمل بقوة (30000 دورة / دقيقة) وأكثر من (100) كيلو وات، ومع ذلك تم تقديم التصميمات فقط في تحليل العناصر المحدودة واقتصرت آلة الاختبار على (10) كيلو واط.

كما تم تصميم محرك بدون محمل بقوة (30000 دورة / دقيقة)، لكن طاقة النهاية (الطاقة الناتجة) كانت حوالي (5) كيلو واط فقط، كما تم بناء محرك متزامن ذو مغناطيس دائم (SPM)، وأبلغت نتائج الاختبار عن خرج (40) كيلو واط وسرعة دوران تبلغ (40.000 لفة / دقيقة)، ولاحقاً تم تقديم الخصائص الأساسية.

ومع ذلك؛ فإن خسارة التيار الدوامي في هيكل (SPM)، بحيث قللت من الكفاءة، وبالإضافة إلى ذلك كانت كثافة القوة الشعاعية وكثافة الطاقة وكثافة عزم الدوران محدودة، كما تم تطوير محركات أخرى لا تحمل طاقة عالية الخرج، كما تم تحليل “مجموعات زوجية” مختلفة لمحرك محمل (SPM) متعرج مركّز وتمت مقارنة اهتزازات المحرك مع مجموعات عدد الأعمدة المختلفة للمحرك الذي لا يُحمل كهربائياً.

مبدأ عمل محركات المغناطيس غير المحملة كهربائياً

يوضح الشكل التالي (1) المقاطع العرضية للعديد من المحركات غير المحركة الممكنة، بحيث يحتوي الجزء الثابت على (36) فتحة لاستيعاب مجموعتين من الملفات ثلاثية الطور لتوليد عزم الدوران وتوليد قوة التعليق، كما يتم عرض ملفات الطور (U) فقط في مجموعتين من أنظمة اللف المتناظرة ثلاثية الطور.

كما أن الموصلات الداخلية ذات اللون الأحمر والموصلات الخارجية ذات اللون الأخضر هي لفات المحرك والتعليق، وفي ترتيبات الموصل الحركي، كان للقطبين والستة أقطاب لفات كاملة الميل، وفي حين أن أربعة أقطاب لها لف قصير الميل كما هو مبين في الشكل السابق (1)؛ فإنه تم فحص العديد من ترتيبات اللف، ولكن تم عرض هياكل اللف التمثيلية فقط في الشكل، وذلك بسبب المساحة المحدودة.

الجدول التالي يوضح المعطيات التي كانت ثابتة، بحيث كان قطر الدوار وطول مكدسه لوحدة واحدة (58) مم و (46) مم على التوالي، كذلك كان القطر الخارجي للجزء الثابت (140) ملم مع عامل تعبئة فتحة موصل يبلغ (0.4)، أيضاً كانت نسبة مساحة الفتحة للمحرك والتعليق (2:1).

كما أن عدد لفات السلسلة لكل فتحة هو (6) و (10) لملفات المحرك والتعليق على التوالي، بحيث تم تغيير ممغنطة الجزء الدوار وترتيب الموصل فقط لفهم الخصائص الأساسية لأعداد مختلفة من الأقطاب المغناطيسية، كذلك كان هناك (24) مغناطيساً دائماً مدفوناً في الدوار.

ولاحقاً تم تعديل رقم قطب الدوار عن طريق تغيير اتجاهات مغنطة(PM)، على سبيل المثال، بالنسبة لتركيبة رقم قطب (2-4)؛ فإن عدد أقطاب الجزء المتحرك وأعمدة لف المحرك وأعمدة لف التعليق هي اثنان واثنان وأربعة على التوالي، وذلك كما هو مبين في الشكل السابق (1-A).

كما يوضح الشكل التالي (2) مبدأ توليد قوة التعليق للجمع (4-2)، وذلك مع رسم مبسط، بحيث يوجد مغناطيس دائم رباعي الأقطاب في الدوار، مما يسبب تدفقات من أربعة أقطاب، وكما هو موضح في المنحنيات الصلبة؛ فإن هناك أيضاً ملفات تعليق ثنائية الطور ثنائية القطب (Nx ،Ny ،Nx ،Ny) هما اللفات المعلقة لتوليد التعليق (MMF) في الاتجاهين (x،y) على التوالي.

مقارنة أداء المحرك قبل وبعد التحميل

حساب تيار عزم الدوران

عند السرعة المقدرة البالغة (37000 دورة / دقيقة)؛ فإنه تم الحصول على السعة الأساسية (Uemf) للتيار الكهربائي العكسي في ملف المحرك أحادي الطور عن طريق التحليل الطرفي المفتوح في طريقة العناصر المحدودة.

كما تم تلخيص النتائج من خلال أوراق دلالية خاصة بالمحرك المُطبق عليه التجربة كما في الجدول التالي، وعندما يتم زيادة عدد الأقطاب، تنخفض قوة (emf) العكسية بسبب تدفقات التسرب في المنطقة بين القطبين، وبالإضافة إلى ذلك؛ فقد كانت اللفات ذات الأقطاب الأربعة ذات هياكل قصيرة. وبالتالي، كما يتم تقليل عامل اللف، بحيث يتم إعطاء الطاقة الناتجة (P) مع التيار (Iq) للمحور (q) والكفاءة (η) من خلال العلاقة:

مقارنة معامل القدرة الخاص بالمحرك

كما تم إدراج عامل القدرة (cosφ) في الجدول السابق؛ فإنه تم الحصول على هذه القيم من قدرة الدخل وتيار جذر متوسط التربيع والجهد الكهربائي جذر متوسط التربيع من تحليل (FEM) العابر، بحيث انخفض عامل القدرة مع زيادة عدد الأعمدة، لذلك يتم دراسة معامل القدرة رياضياً من خلال:

حيث أن:

(R): هي مقاومة الطور.

(L): هي محاثة الطور.

ويظهر مخطط الطور في الشكل التالي بأن عامل القدرة الأساسي هو (cosφ)، حيث أن (φ) هي زاوية الطور بين “جهد الطور” و”تيار الطور”، ومن خلال من الرسم التخطيطي للطور في الشكل التالي؛ فإنه يمكن كتابة مقدار المحاثة (L) من خلال العلاقة:

وفيما بعد؛ فقد تمت مقارنة أداء عزم الدوران وقوة التعليق والتيار الدوامي مع مجموعات مختلفة من الأعمدة لوحدة واحدة من المحرك الذي لا يحمل، وقد تبين أن انخفاض رقم عمود المحرك يؤدي إلى زيادة عامل القدرة والكفاءة، بحيث يمكن أن تولد مجموعات من [Ps = Pt + 2]، وذلك باعتبارها قوى تعليق كبيرة وتقليل تيار الدوامة في المغناطيس الدائم.

كذلك؛ فقد تم تلخيص نتائج الاختبار، بحيث تم إجراء الاختبار الساكن لقياس القوة الشعاعية للمحرك الذي لا يحمل، كما تم تأكيد القوة الشعاعية الإجمالية البالغة (530) نيوتن (265 نيوتن لكل وحدة)، كذلك تم إجراء اختبارات متتالية، بحيث تم العثور على كفاءة المحرك لتكون عالية بنسبة (94.9٪).