المفاقيد التخلفية في الآلات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم

ضرورة حصر المفاقيد التخلفية في الآلات المتزامنة

تم تطوير الآلات الكهربائية الدوارة ذات المغناطيس الدائم (PM) بشكل مكثف لتلبية متطلبات تحسين كفاءة الطاقة، بحيث تُمكِّن (PMs) الأرضية النادرة (على سبيل المثال، SmCo و NdFeB) من تصميمات الماكينات الكهربائية (PM) ذات الكفاءة الفائقة وقوة أو كثافة عزم الدوران.

كما يتطلب تصميم آلة كهربائية (PM) عالية الكفاءة تحليلاً تفصيلياً لمكونات الخسارة المحتملة، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإن مادة (PM) نفسها عرضة للخسائر التي يصعب تقييمها بدقة، وعادةً ما يتم تقييم خسائر التيار الدوامي فقط في المغناطيس خلال روتين التصميم النموذجي للآلة الكهربائية القائمة على (PM).

بحيث يعتمد هذا النهج على التفكير في أنه لا يمكن أن تحدث خسائر التخلفية في (PMs) المثالية، ومع ذلك؛ فإن هذا ليس هو الحال مع (PMs) الحقيقي ويمكن أن تحدث خسائر التخلفية فيها، بحيث تتم مناقشة طرق العناصر التحليلية والمتناهية (FE) لتقدير خسارة التيار الدوامي للجسيمات بشكل متكرر في العديد من الدراسات والتجارب.

ومع ذلك، تشير العديد من الدراسات إلى أنه بالإضافة إلى فقدان التيار الدوامة، كما يجب تحليل إمكانية فقدان التباطؤ في مادة (PM) الحقيقية، وذلك إذا تم استخدامها في آلة كهربائية دوارة، بحيث تقاس خسائر المجال المغناطيسي للتيار المتردد (ac) في المغناطيسات القائمة على (Nd) بواسطة أجهزة مماثلة تقريباً.

وفي البداية؛ فإنه يتم وضع عينات (PM) المستقطبة بالكامل في دائرة مغناطيسية بدون فجوة ويتم فصل الخسائر المقاسة إلى فقدان التيار الدوامي وفقدان التباطؤ بطريقة التردد الثنائي، بحيث تشير النتائج إلى أنه في بعض أوضاع التشغيل العادية يمكن أن توجد كميات كبيرة من فقدان التخلفية، كما تُستخدم البيانات المقاسة لفقدان الجسيمات فقط تحت حقول التيار المتناوب.

كما تستخدم بشكل إضافي في المعالجة اللاحقة لتوزيع كثافة التدفق المغناطيسي المحسوب في (FE) في (PMs) ولآلة متزامنة (PM) ذات سطح دوار ومغناطيس (PMSM)، بحيث تكون خسارة التباطؤ المحسوبة للجسيمات أكثر من ضعف قيمة خسارة تيار الدوامة، بحيث يتجاهل إجراء الحساب الخاص بتأثير مجال إزالة المغناطيسية على خسارة التخلفية في الآلة الفعلية.

ومن الناحية العملية؛ فإن نقطة عمل (PM)، لديها مجال إزالة مغناطيسية ذاتي إضافي ناتج عن فجوة الهواء ونفاذية غير محدودة للفولاذ الكهربائي، والتي تحول نقطة التشغيل أعمق في الربع الثاني من الجزء الطائر (BH)، بحيث تشير نتائج القياس باستخدام جهاز قياس مشابه بوضوح إلى أن فقد التخلفية في الجسيمات الدقيقة.

كما يتم تخفيفه بشكل كبير إذا كان مجال التيار المباشر السالب يعمل في عينة الجسيمات الدقيقة. وبالتالي؛ فإن إجراء تقدير الخسارة غير مناسب للتحقيق في فقد التخلفية في الآلات الكهربائية التي تحتوي على فجوة هوائية كعامل طبيعي لإزالة المغناطيسية، حيث أنه يبالغ في تقدير خسارة التباطؤ (PM) بشكل كبير.

طرق تحديد الخسائر التخلفية في المحركات التزامنية

تحديد أصل خسارة التخلفية في (NdFeB PMs)

تعتبر نظرية التباطؤ هي النظرية الأساسية للمواد المغناطيسية، بحيث تختلف النفاذية النسبية لمغناطيس (NdFeB) العملية (μ 1.01-1.05) عن النفاذية النسبية للفراغ، وهذا مؤشر على حقيقة أن هناك بعض الأطوار اللينة مغناطيسياً في المادة التي تتيح أيضاً التباطؤ في عينة (PM).

كما تشير العديد من الدراسات إلى أنه بالإضافة إلى “المرحلة المغناطيسية” الصلبة الرئيسية (Nd2Fe14B)، لذلك قد يحتوي مغناطيس (NdFeB) على مناطق مغناطيسية ذات قسريات أقل بشكل واضح، كذلك قد توجد هذه المناطق إما على السطح أو داخل حجم الجسيمات.

كما تمت دراسة عيوب سطح (PM) بشكل مفصل، بحيث يشير التحليل إلى الأكسدة كأصل لمراحل مغناطيسية منخفضة الإكراه على الجسيمات الدقيقة، كما ينتج عن أكسدة السطح لمغناطيس (NdFeB) وتكوين أطوار مغناطيسية سداسية (Nd2O3) و (α-Fe) مع قسريات في نطاق (50-200 كيلو أمبير / م) (عند درجة الحرارة المحيطة) وعمق حوالي (10) نانومتر على سطح حبيبات (NdFeB).

إعداد القياس ومعالجة البيانات

يشتمل التثبيت التجريبي على نظام قياس الخصائص الفيزيائية مع ما يصل إلى (14) مغناطيساً فائق التوصيل من تسلا و (P525 VSM) ونظام الحصول على البيانات بواسطة (Quantum Design)، كما يتم الحصول على الخصائص الجوهرية لـ (PM)، أي الاستقطاب (J) فيما يتعلق بقوة المجال الجوهرية (Hi) من البيانات المقاسة (VSM).

كما يقيس (VSM) مجموع استجابات جميع الأطوار المغناطيسية المتراكمة ضمن إشارة قياس واحدة للعينة، كما قد يكون للمراحل المغناطيسية منخفضة الإكراه مساهمة مميزة ويمكن أن يكون للخصائص المغناطيسية للمغناطيس تباين معين حتى في العينات من نفس الدفعة، وبالتالي يجب قياس وتحليل عدة عينات من نفس الدرجة للحصول على صورة أكثر دقة لتوزيع الأطوار المغناطيسية في درجة (PM).

نمذجة الخسارة التخلفية في (PMs)

تتكون منحنيات إزالة المغناطيسية الرئيسية المقاسة للعينات في الشكل التالي (1) من عدة أطوار مغناطيسية ذات خصائص مختلفة، بالإضافة إلى ذلك؛ فإن الطبقة المغناطيسية الموجودة على السطح مع انخفاض القوة القسرية تجعل منحنى إزالة المغناطيسية الرئيسي يعتمد على حجم المغناطيس.

كما أن هناك العديد من مفاهيم النمذجة لمحاكاة التباطؤ (PM)، بحيث يمكن العثور على المراجعات التفصيلية، كذلك تم تطوير معظم نماذج التباطؤ للمواد التي تتكون من مرحلة مغناطيسية واحدة، وبالتالي تتطلب تعديلاً للحالة المدروسة.

كما يطور مفهوم النمذجة في هذه المقالة مبدأ المحاكاة المقدم، بحيث يتم تمثيل سلوك التباطؤ لـ (NdFeB PM) بمراحل مغناطيسية “صلبة” و “ناعمة” اصطناعية تعمل في وقت واحد، كما أن المرحلة المغناطيسية “اللينة” هي في الواقع صلبة بطبيعتها ولكنها تسمى “لينة” فقط بسبب وجود الطور المغناطيسي مع قوة قسرية أعلى بشكل واضح.

أيضاً تمثل المرحلة المغناطيسية “الصلبة” سلوك التباطؤ للمراحل المغناطيسية الموجودة في الحجم، أي المرحلة (1) والمرحلة (3)، بحيث تمثل المرحلة المغناطيسية “اللينة” (أي المرحلة 2) مساهمة الأطوار المغناطيسية الموجودة على السطح مع انخفاض القوة القهرية.

كذلك يتم محاكاة سلوك التباطؤ لكل مرحلة مغناطيسية اصطناعية بواسطة الإصدار الثابت من (HDHM) بحيث يمكن استبدال (HDHM) ببدائل النمذجة التخلفية الأخرى التي تخضع لقواعد “مادلونغ” الأكثر صلة بالتباطؤ المغناطيسي.

وأخيراً؛ فإنه يمكن أن تؤدي العيوب الهيكلية في مواد الطاقة المتجددة الحقيقية إلى خسارة تخلفية كبيرة في ظل ظروف التشغيل في آلة كهربائية، كذلك قد تنشأ خسارة التباطؤ (PM) إما من الأطوار المغناطيسية الحجم أو السطحية مع قسر منخفض، بحيث كان تجزئة الجسيمات الدقيقة وسيلة فعالة لتقليل الخسارة الحالية الدوامة في الجسيمات الدقيقة.

ومع ذلك، فقد خلقت طبقة من الحبوب التالفة على أسطح الجسيمات الدقيقة، مما قد يزيد من فقدان التباطؤ في المادة، بحيث اقتصرت هذه المقالة على طوبولوجيا آلة واحدة لها قوة محددة عالية جداً وبالتالي كانت أكثر عرضة لتفاعلات المحرك التي تسبب في حدوث مشكلات في (PMs) من متوسط محركات (PM).