بنية ومبدأ مولدات المغناطيس الدائم

1. الهيكل العام

أ مغناطيس دائم مولد متزامن يتكون المولد من جزأين رئيسيين: الجزء الثابت (الستاتور) والجزء الدوار (الروتور). يشير الجزء الثابت إلى الجزء غير القابل للحركة أثناء تشغيل المولد، ويتكون بشكل أساسي من صفائح فولاذية سيليكونية، وملفات محرك متناظرة ثلاثية الأطوار موصولة على شكل حرف Y موزعة في فتحات الجزء الثابت بزاوية كهربائية قدرها 120 درجة بين الأطوار، وغلاف يثبت القلب الحديدي، وأغطية طرفية. أما الجزء الدوار فيشير إلى الجزء القابل للحركة أثناء التشغيل. تشغيل المولد يتكون المولد التزامني ذو المغناطيس الدائم عادةً من قلب دوار، وفولاذ مغناطيسي دائم، وحلقات تثبيت، وعمود دوار. تتميز مواد المغناطيس الدائم، وخاصةً المغناطيس الدائم المصنوع من الكوبالت، بانخفاض مقاومتها للشد وصلابتها وهشاشتها. في حال عدم وجود وسائل حماية للدوار، وعندما يكون قطر دوار المولد كبيرًا أو يعمل بسرعة عالية، قد تقترب قوة الطرد المركزي المؤثرة على سطح الدوار من مقاومة الشد لمادة المغناطيس الدائم أو حتى تتجاوزها، مما قد يُلحق الضرر بالمغناطيس الدائم. لذلك، غالبًا ما تستخدم المولدات التزامنية ذات المغناطيس الدائم عالية السرعة بنية دوار بحلقة تثبيت. تتضمن هذه البنية تثبيت حلقة أسطوانية رقيقة الجدران مصنوعة من معدن عالي المقاومة بإحكام حول المحيط الخارجي أو الداخلي للدوار. تُثبّت حلقة التثبيت هذه الفولاذ المغناطيسي الدائم وأقطاب الحديد المطاوع في مواضعها على الدوار. وهكذا، يُشبه دوار المولد التزامني ذو المغناطيس الدائم جسمًا صلبًا متكاملًا، مما يضمن موثوقيته أثناء التشغيل بسرعات عالية.

2. بنية الدائرة المغناطيسية للدوار

تتجلى الخصائص الهيكلية للمولدات التزامنية ذات المغناطيس الدائم بشكل رئيسي في الدوار. وبشكل عام، يمكن تصنيفها، وفقًا للعلاقة بين اتجاه مغنطة المغناطيس الدائم واتجاه دوران الدوار، إلى نوع مماس ونوع شعاعي، وما إلى ذلك.

(1) بنية الدائرة المغناطيسية للدوار المماسي
في بنية الدائرة المغناطيسية ذات الدوار المماسي، يكون اتجاه مغنطة الدوار عموديًا تقريبًا على محور تدفق الفجوة الهوائية وأبعد عنها، مما يؤدي إلى تسرب كبير نسبيًا للتدفق المغناطيسي. مع ذلك، تعمل المغناطيسات الدائمة بالتوازي، حيث يوفر مقطعان عرضيان لكل مغناطيس تدفقًا مغناطيسيًا لكل قطب إلى الفجوة الهوائية، مما يزيد من كثافة التدفق المغناطيسي فيها. يبرز هذا الأمر بشكل خاص في الحالات التي تحتوي على عدد كبير من الأقطاب. لذلك، يُعد النوع المماسي مناسبًا للمولدات التزامنية ذات المغناطيس الدائم التي تتطلب عددًا كبيرًا من الأقطاب وكثافة تدفق مغناطيسي عالية في الفجوة الهوائية. تستخدم طريقة تثبيت المغناطيسات الدائمة وقطع الأقطاب بنية حلقة تثبيت، كما هو موضح في الشكل 1(أ).

(2) بنية الدائرة المغناطيسية للدوار الشعاعي
يوضح الشكل 1(ب) بنية الدائرة المغناطيسية للدوار الشعاعي. يتوافق اتجاه مغنطة المغناطيسات الدائمة مع محور التدفق المغناطيسي في الفجوة الهوائية، ويقترب منها. في الدائرة المغناطيسية المكونة من زوج واحد من الأقطاب، يوفر مغناطيسين دائمين القوة الدافعة المغناطيسية، ويعملان على التوالي. يوفر المقطع العرضي لكل مغناطيس دائم التدفق المغناطيسي لكل قطب للمولد، وتوفر القوة الدافعة المغناطيسية لكل مغناطيس دائم القوة الدافعة المغناطيسية لأحد أقطاب المولد.

الشكل 1: رسم تخطيطي لبنية الدائرة المغناطيسية لدوار مولد المغناطيس الدائم

بالمقارنة مع بنية الدوار المماسي، تتميز بنية الدائرة المغناطيسية للدوار الشعاعي بمعامل تسرب مغناطيسي أقل. في هذه البنية، ولأن المغناطيسات الدائمة تواجه مباشرةً الفجوة الهوائية ولها اتجاه مجال مغناطيسي، فإن كثافة التدفق المغناطيسي Bδ في الفجوة الهوائية تقترب من كثافة التدفق المغناطيسي Bm عند نقطة تشغيل المغناطيسات الدائمة، مما يحسن معدل استخدام مادة المغناطيس الدائم. يمكن صب المغناطيسات الدائمة في بنية الدوار الشعاعي مباشرةً أو لصقها على عمود المولد، مما يجعل البنية والعملية بسيطة نسبيًا. يضمن صب سبائك الألومنيوم بين الأقطاب سلامة بنية الدوار ويوفر تأثيرًا مُخمدًا، مما يُحسّن الأداء العابر للمولد ويعزز مقاومة إزالة المغناطيسية لمادة المغناطيس الدائم.

(3) هيكل دوار متكامل مدمج

في الوقت الحالي، في مجموعات المولدات التقليدية، يكون المحرك والمولد مستقلين نسبيًا. يحتوي عمود مرفق المحرك على طرفين، أحدهما في مقدمة المحرك والآخر في مؤخرته؛ الطرف الأمامي مزود بعجلة موازنة وحبل سحب تشغيل خارجي؛ أما الطرف الخلفي فيعمل كمحرك خرج، ويُستخدم عادةً للتوصيل بالمولد. مجموعات مولدات عالية السرعة لا يقتصر دور المولد على إنتاج الطاقة الكهربائية فحسب، بل يضمن أيضًا، من خلال حساب عزم القصور الذاتي، أن يكون عزم القصور الذاتي لدواره مساويًا لعزم القصور الذاتي لعجلة الموازنة، وبالتالي استخدام دواره كبديل لعجلة الموازنة الخاصة بالمحرك الرئيسي، مما يجعله جزءًا لا يتجزأ منه. وهذا يحقق "بنية مدمجة عالية السرعة للمولد". ويؤدي ذلك إلى تقليل الأبعاد المحورية للوحدة ووزنها بشكل ملحوظ، مما يحقق فصلًا أساسيًا بين المناطق الساخنة والباردة في مجموعة المولدات، ويسهل حلول تبديد الحرارة، ويحسن موثوقية النظام.