الهندسةالهندسة الكهربائية

كفاءة الجزء الدوار في محرك المغناطيس الدائم المتزامن

تعزيز كفاءة الجزء الدوار في محرك المغناطيس الدائم المتزامن

 

في القرن الحادي والعشرين، كانت هناك زيادة كبيرة في أزمة الطاقة بسبب استنفاد الهيدروكربونات والاحتباس الحراري، وبناءً على ذلك؛ ازداد أيضاً الطلب على تدابير لخفض استهلاك الطاقة، وبسبب هذه المشاكل الاقتصادية والبيئية؛ فإنه تم تكريس جهود بحثية كبيرة لتطوير آلات كهربائية عالية الكفاءة كبديل للآلات التقليدية ذات الاستهلاك العالي للطاقة.

 

كما ان هذا نتيجة لزيادة وعي العملاء فيما يتعلق بتكاليف دورة الحياة المنخفضة والكفاءة العالية والتوافق بالإضافة إلى زيادة الحساسية تجاه التحديات البيئية، على سبيل المثال في التطبيقات الصناعية والأوساط الأكاديمية، بحيث يتم استبدال المحركات الحثية التي تعمل بالخط (IMs) بمحرك مغناطيسي دائم بدء التشغيل.

 

ونظراً لعامل القدرة العالية (PF) وكفاءتها بغض النظر عن الاختلافات في الحمل، توفر محركات (LSPM) بديلاً عالي الكفاءة في استخدام الطاقة لـ (IMs)، والذي يستخدم على نطاق واسع في الصناعات لتطبيقات مختلفة مثل المحركات الكهربائية منخفضة التكلفة وأنظمة الضخ والضواغط المتعددة.

 

كما أن محرك (LSPM) عبارة عن آلة متزامنة يتم فيها إدخال مغناطيس دائم (PM) في دوار “قفص السنجاب”، بحيث ينتج مجال الإثارة بدلاً من لف مجال التيار المستمر، وفي حالة المحرك التعريفي؛ فإنه يتم تقصير دائرة القضبان الموصلة في “الجزء المتحرك” من قفص السنجاب باستخدام حلقات طرفية، مما يُمكِّن محرك (LSPM) من البدء بمصدر جهد تيار متردد تقليدي، وذلك دون الحاجة إلى عاكس إضافي.

 

وكل هذا يؤدي إلى تخفيض فعال في تكلفة التصميم، بحيث يعمل محرك (LSPM) “كمحرك متزامن” في حالة تشغيل ثابتة بسبب وجود مغناطيس تحت قضبان الدوار، أيضاً يعمل محرك (LSPM) بسرعة ثابتة، كما ويولد الجسيم المدفون في الجزء المتحرك من قفص السنجاب مكون عزم ممانعة نتيجة لملوحة الجزء المتحرك.

 

لذلك يشتمل هذا المحرك على مزايا المحرك المتزامن الداخلي التقليدي للمغناطيس الدائم (IPM) (كفاءة عالية وعزم دوران عالٍ وكثافة عزم دوران عالية) وبالنسبة لـ (IM) يكون له (بنية قوية وقدرة على بدء الخط). علاوة على ذلك، بحيث يوفر هذا النوع من الهيكل الدوار مزايا مثل نسبة الملوحة المحسنة ونسبة عالية من (PF) وفقدان منخفض للنحاس ونوعية جيدة لحماية المغناطيس، وكل ذلك من خلال تحقيق الحماية المغناطيسية والصلابة الميكانيكية.

 

تأثير كثافة تدفق فجوة الهواء على كفاءة المحرك المتزامن

 

تعد التحليلات الشاملة لتوزيع كثافة تدفق فجوة الهواء والقوة الدافعة العكسية (EMF) ضرورية لأنها توفر معلومات التصميم الرئيسية لتحسين هيكل الدوار من أجل التأكد من خصائص الأداء المطلوبة لآلة كهربائية، كما يعد تحسين تصميم الشكل الدوار أمراً بالغ الأهمية لتحقيق القيم المثلى في تحليل عدم التحميل.

 

وفي الآلة الكهربائية؛ فإنه يمكن تحليل توزيع كثافة تدفق فجوة الهواء عبر طريقتين، وهما طريقة العناصر المحدودة (العددية) والطريقة التحليلية، ومع ذلك؛ فإن الطريقة العددية لحساب كثافة تدفق فجوة الهواء المطلوبة تستغرق وقتاً طويلاً، كما ويصبح من الصعب على مصممي الآلة تحديد القيم المثلى لمتغيرات تصميم الآلة.

 

الدراسات التي اهتمت برفع كفاءة المحركات المتزامنة

 

تم إجراء الكثير من الأبحاث في مجال الآلات المتزامنة (PM) الخالية من الفرشاة باستخدام طريقة الدارة المكافئة المغناطيسية التقليدية (MEC) لحساب الخصائص المغناطيسية، والتي تنطبق على التدفق المحوري وتبديل التدفق ومتزامن القطب البارز ومكبرات الصوت وآلات (IPM) غير مناسب لأغراض التحسين بسبب التعقيدات في هياكل الدوار (LSPM) والجهود المطلوبة للنمذجة.

 

وعلاوة على ذلك؛ فإن الطريقة التحليلية القائمة على (MEC)، لا تأخذ في الاعتبار لتأثيرات التشبع في الجسور الدوارة، مما يؤدي إلى نسب خطأ عالية في نتائج الإخراج، كما أن الخوارزميات الجينية تستغرق وقتاً طويلاً إلى حد كبير بسبب عملية التكرار المتكررة المطلوبة للتوافق مع متغيرات التصميم من أجل التحسين المستمر.

 

وبالمثل؛ فإن “معادلات ماكسويل” أو معادلات مجال “لابلاس” للنمذجة التحليلية تتطلب معرفة رياضية قوية وتتطلب رسم خرائط مطابقة لمعالجة تأثيرات شق الجزء الثابت، وعلى العكس من ذلك؛ فقد تم إيلاء اهتمام أقل لمحركات (LSPM) لتحسين شكل الدوار المعقد باستخدام النماذج التحليلية الخطية (0-D) (MEC).

 

كما أن نماذج (MEC) العامة المطبقة على محرك (LSPM)، بحيث تقدم حلولاً غير خطية معقدة للغاية ولا تأخذ في الاعتبار تأثير التشبع في الجسور بسبب تسرب التدفق، وهو الأكثر شيوعاً وقد ينتج عنه نسبة عالية من الخطأ لتحسين متغيرات التصميم للحصول على شكل دوار فعال.

 

كذلك؛ فإنه من الصعب تطبيق الطرق التحليلية المذكورة أعلاه مباشرة على آلة (LSPM) من نوع (IPM) من أجل التنبؤ بتوزيع مجال فجوة الهواء في ظل حالة الدائرة المفتوحة، وذلك بسبب تسرب التدفق الكبير والتشبع المغناطيسي في الجسور.

 

الاعدادات الفنية لضمان حد أعلى لكفاءة المحركات المتزامنة

 

بشكل عام، وللحصول على (PF) عالي مع الحد الأدنى من تيار الخط؛ فإنه يجب استخدام الحجم الأمثل لقطاعات (PM) لتوفير كثافة التدفق المطلوبة لتقليل الطاقة التفاعلية المتبادلة مع مصدر الطاقة، وهي نماذج (MEC) المعتمدة سابقاً غير مناسبة لأغراض التحسين في محرك (LSPM) بسبب هياكل الدوار المعقدة وهناك حاجة إلى بذل الكثير من الجهود للنمذجة التحليلية.

 

ولتحسين الكفاءة و (PF) لمحرك (LSPM) بقدرة (7.5) كيلو واط، تم تطوير نموذج دائرة حدودي مشبع خطي (LPM) لتحليل كثافة تدفق فجوة الهواء، وكل ذلك بهدف تحسين متغيرات التصميم وإدراك شكل فعال لفتحات (PM) وحواجز التدفق.

 

كذلك لم يتم اقتراح طريقة (LPM) المحسنة بناءً على نهج (MEC) التقليدي لتحسين الدوار المحدب الشكل لمحرك (LSPM) بما في ذلك تسرب التدفق للنمذجة التحليلية، بحيث يتم إجراء تحقيق دقيق لتقييم آثار شكل قطب الدوار على توزيع كثافة تدفق فجوة الهواء.

 

كما تمثل هذه الطريقة في الاعتبار التشبع في الجسور بالإضافة إلى خصائص المواد الأخرى، وذلك مع توفير قدر كبير من البساطة والدقة، كما يتم استخدام طريقة العناصر المحدودة (FEM) للحصول على صورة دقيقة لتوزيع التدفق المغناطيسي في الجهاز، كما أن هذا أمر بالغ الأهمية لتحديد الموقع الدقيق وطاقة المادة المغناطيسية وللتحقق من تأثير حاجز التدفق المغناطيسي.

 

 

ولاحقاً تم استخدام طريقة تحليلية خطية مشبعة بسيطة [0-D (LPM)]، وذلك لحساب متوسط ​​كثافة تدفق فجوة الهواء الفعالة كشرط أساسي للحصول على معلمات التصميم الحرجة لأقصى قيمة للمكون الأساسي لـ (EMF) الخلفي مع محتوى متناسق منخفض يشتمل هذا النموذج على تسرب التدفق عبر حواجز وجسور التدفق الدوار.

 

كما أن هذا الإجراء أبسط بكثير من الطرق السابقة المطبقة للنمذجة التحليلية لمحركات (LSPM)، بحيث شكل فتحة المغناطيس المحسن واتجاه المغنطة ضروريان لإنتاج كثافة تدفق مغناطيسي موحدة في فجوة الهواء، بخيث يتم تحديد صحة نهج تحسين التصميم من خلال مقارنة نتائج الطريقة التحليلية المقترحة مع نتائج الطريقة التحليلية لـ (FEM).

 

 

 

المصدر
M. Lin, D. Li, Y. Zhao, X. Ren and R. Qu, "Improvement of starting performance for line-start permanent magnet motors by winding reconfiguration", IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 56, pp. 2441-2450, May 2020.K. Kurihara and M. A. Rahman, "High-efficiency line-start interior permanent-magnet synchronous motors", IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 40, no. 3, pp. 789-796, May 2004.G.-H. Kang, J. Hur, H. Nam, J.-P. Hong and G.-T. Kim, "Analysis of irreversible magnet demagnetization in line-start motors based on the finite-element method", IEEE Trans. Magn., vol. 39, no. 3, pp. 1488-1491, May 2003.H. Mirahki and M. Moallem, "Torque calculation in interior permanent magnet synchronous machine using improved lumped parameter models", Prog. Electromagn. Res. M, vol. 39, pp. 131-139, Oct. 2014.

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى