المواد المستخدمة في تصميم الآلات الكهربائية عالية السرعة

اختيار المواد المستخدمة في تصميم الآلات الكهربائية عالية السرعة:

يتم تحديد متطلبات الكتلة والحجم والطاقة والموثوقية والكفاءة للآلات الكهربائية عالية السرعة (EMs) وتضمنها خصائص المواد المستخدمة فيها، لذلك يجب إيلاء اهتمام خاص لاختيار المواد ذات الخصائص الضرورية في عملية تصميم (EM) عالية السرعة.

كما لا تختلف المواد المستخدمة في المكونات الثابتة لـ (EM) عالي السرعة (الجزء الساكن ودروع المحامل وعناصر التبريد وما إلى ذلك)، عن المواد المستخدمة في الكهرومغناطيسية الصناعية التقليدية، لكن المواد المستخدمة في الأجزاء الدوارة (العمود وصندوق الجزء الدوار وظهر الدوار) من (EMs) عالية السرعة مع مغناطيس دائم عالي الإكراه (HCPM).

أيضاً يجب أن يكون لها خصائص قوة متزايدة، والتي من خلالها ظروف التشغيل (EM)، والحد من سرعة الدوران، كما ويتم تحديد القوة، على سبيل المثال؛ فإنه يتم تحديد قيمة فجوة الهواء بواسطة قوة جلبة الجزء المتحرك للـ (EM) عالي السرعة مع (HCPM).

المواد المستخدمة للجزء الدوار في الآلات عالية السرعة:

عند سرعات الدوران العالية، تميل قوى “الطرد المركزي” التي تعمل على (HCPM) إلى تمزيقها بعيداً عن العمود، ولمقاومة هذه القوى ولضمان القوة الميكانيكية للعضو الدوار؛ فإنه يتم استخدام غلاف الدوار، ويتم تثبيت غلاف الدوار فوق (HCPM) بنوع معين من الانكماش ويمكن صنعه كغطاء أو جرح واحد غير مغناطيسي على (HCPM)، وذلك مع خيوط مادة مركبة ملتصقة براتنج الإيبوكسي.

كما يعد استخدام المواد المركبة في الكهرومغناطيسية عالية السرعة أكثر تقنية من استخدام الأكمام الصلبة غير المغناطيسية، لكن هذه التكنولوجيا تتطلب معدات لف متخصصة، مما يحد من تطبيقها على نطاق واسع، لذلك وفي عدد من الحالات؛ فإنه يتم استخدام الأكمام المكونة من قطعة واحدة، والتي يتم تثبيتها بنوع معين من الانكماش على الدوار، كما يتم استخدام التيتانيوم أو (Inconel 718) كمادة من غلاف الدوار.

بالإضافة إلى ذلك، لاختيار مادة جلبة العضو الدوار؛ فإنه من الضروري مراعاة أن السطح الخارجي لكمبة العضو الدوار يحدد معامل الاحتكاك، مما يؤثر على خسائر الاحتكاك، ولتقليل هذه الخسائر؛ فإنه يمكن استخدام الطلاءات الخاصة المضادة للاحتكاك، والتي يزيد التطبيق من كفاءة (EM) عالي السرعة إلى (0.5٪).

في تصميم غلاف الدوار؛ فإنه من الضروري مراعاة الامتدادات الحرارية والميكانيكية لغطاء الدوار أثناء التشغيل، كما يمكن أن تصل هذه الامتدادات في بعض الحالات إلى (0.3 – 0.5 ملم)، وخاصةً إذا تم تحديد فجوة الهواء بشكل غير صحيح؛ فإنه يمكن أن يؤدي التمدد الحراري إلى اتصال ميكانيكي بين الجزء الثابت والدوار، وهو أمر غير مقبول؛ أي أن هذا المعيار يلعب أيضاً دوراً مهماً في اختيار المواد للكم الدوار.

من المهم أيضاً ملاحظة أن جميع المواد المستخدمة في غلاف الدوار تقريباً لها موصلية كهربائية، مما يؤدي إلى تيارات دوامة وتسخين غلاف الدوار، بالإضافة الى (HCPM)، لذلك؛ فإنه يجب أن يكون غلاف الدوار أقل توصيل كهربائي.

المواد المستخدمة في صناعة العضو الدوار Shaft:

يوفر عمود (EM) عالي السرعة الصلابة اللازمة للدوار وقوته الميكانيكية وخصائصه المغناطيسية، كما لا ينبغي إغلاق المجال المغناطيسي لـ (HCPM) من خلال المحامل لتجنب حدوث التيارات الحاملة؛ لذلك؛ فإنه يُنصح باستخدام عمود مسبق الصنع بظهر مصنوع من مادة مغناطيسية وعمود مصنوع من مادة غير مغناطيسية.

كما يوصى باستخدام أعمدة غير مغناطيسية بالكامل فقط للأنظمة المغناطيسية المدمجة ونظام (Halbach) في جميع الحالات الأخرى، بحيث سيؤدي استخدام عمود غير مغناطيسي إلى تقليل كثافة التدفق المغناطيسي في فجوة الهواء بنسبة (15-25٪)، وبالنسبة للأعمدة المغناطيسية بالكامل؛ فإنه من الضروري عزل المحامل، أما بالنسبة للجزء غير المغناطيسي من العمود، عادةً ما يتم استخدام التيتانيوم أو (Inconel 718).

المواد المستخدمة للجزء الثابت في الآلات عالية السرعة:

يتم تحديد احتمالات استخدام مادة معينة من النواة المغناطيسية للجزء الثابت في الكهرومغناطيسية عالية السرعة من خلال الحد الأدنى من الخسائر ومتطلبات فيزيائية أخرى مثل الكتلة والحجم للنواة المغناطيسية للجزء الثابت و (EM) وقوة (EM) القصوى وأقصى كثافة تدفق مغناطيسي في فجوة الهواء، كذلك تكلفة النواة المغناطيسية للجزء الثابت وقابلية التصنيع.

وبالتالي؛ فإن مهمة اختيار المادة الأساسية المغناطيسية المثلى للجزء الثابت هي مهمة التحسين متعدد المعايير، وذلك كمعيار اختيار أساسي؛ فإنه يتم استخدام متطلبات الكتلة والحجم (EM) و”كثافة التدفق المغناطيسي” والكفاءة وقابلية التصنيع وتكلفة النواة المغناطيسية للجزء الثابت.

ونظراً لأنه يمكن تمثيل كل معيار من هذه المعايير كدالة لكثافة التدفق المغناطيسي في ظهر الجزء الثابت والمسننات؛ فمن الممكن صياغة وظيفة رياضية لاختيار المادة الأساسية المغناطيسية للجزء الثابت، وذلك باستخدام هذه الوظيفة للقيم القصوى المحددة للخسائر المحددة في ظهر الجزء الثابت والمسننات، كما يمكن تبرير تكلفة النواة المغناطيسية للجزء الثابت وتكنولوجيا الإنتاج وفعالية مادة معينة عددياً.

ومع الأخذ في الاعتبار أن هذه مهمة تحسين؛ فإنه يجب حلها بعد حسابات (EM) الأولية، والتي ستحدد الأبعاد الهندسية للنواة المغناطيسية للجزء الثابت والأحمال الكهرومغناطيسية (الحمل الحالي الخطي، كثافة التدفق المغناطيسي في فجوة الهواء، إلخ)، كما يجب تقديم جميع المعايير المذكورة أعلاه كوظائف لخصائص الصلب.

كما يتم تحديد كتلة النواة المغناطيسية للجزء الثابت من خلال كثافة التدفق المغناطيسي في الجزء الخلفي من الجزء الثابت والمسننات، بالإضافة إلى كثافة المادة الأساسية المغناطيسية للجزء الثابت، كما ويمكن تمثيلها كدالة لهذه المتطلبات.

بحيث يتم تحديد الكفاءة من خلال الخسائر المحددة للمادة الأساسية المغناطيسية للجزء الثابت، والتي يمكن تقريبها كدالة للتردد والمتطلبات التجريبية وكثافة التدفق المغناطيسي في الجزء الخلفي من الجزء الثابت والمسننات، كما يتم تحديد تكلفة النواة المغناطيسية للجزء الثابت من خلال الكتلة الكلية للمادة المستخدمة في تصنيعها (مع الأخذ في الاعتبار كتلة النفايات أثناء الختم أو القطع).

الفولاذ الكهربائي والسبائك المغناطيسية اللينة:

تظهر تبعيات الخسائر المحددة على التردد لمختلف أنواع الفولاذ الكهربائي، وفي (EM) عالية السرعة؛ فإنه يتم استخدام الفولاذ الكهربائي السيليكوني على نطاق واسع، كما تتمثل المزايا الرئيسية للفولاذ الكهربائي في تكنولوجيا الإنتاج البسيطة للقلب المغناطيسي للجزء الثابت للتيار الكهربائي عالي السرعة، حيث أن العيب هو كثافة تدفق مغناطيسي منخفضة التشبع، مما يؤدي إلى زيادة في معلمات الكتلة والحجم في (EM).

كما أن كثافة التدفق المغناطيسي عالية التشبع لها “سبائك مغناطيسية” ناعمة تعتمد على الكوبالت أو النيكل، على سبيل المثال، (VACOFLUX 50) و (VACOFLUX 48) و (VACODUR S Plus) و (VACODUR 49) و (VACOFLUX 18 HR) و (VACOFLUX 17)، حيث أن كثافة التدفق المغناطيسي للتشبع لهذه الأنواع من السبائك تختلف من (2.14) إلى (2.35 T).