طراحی و شبیهسازی ماشین الکتریکی آهنربای دائم دوتحریکه با هدف کاهش نوسانهای گشتاور

Transcript

1

2 دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی دانشکده مهندسی برق عنوان رساله کارشناسی ارشد طراحی و شبیهسازی ماشین الکتریکی آهنربای دائم دوتحریکه با هدف کاهش نوسانهای گشتاور استاد راهنما دکتر کریم عباس زاده نگارش سیده سارا معروفیان

3 چکیده استفاده از آهنربای دائم در ساختار ماشینهای الکتریکی عالوه بر سادهتر شدن طراحی و ساخت با کاهش تلفات منجر به افزایش بازدهی میشود. با این وجود استفاده از آهنرباهای دائم بدون اشکال نبوده و مسائل جانبی خود را به همراه خواهد آورد. نوسان گشتاور باال که به طور عمده ناشی از حضور آهنربای دائم در ساختار ماشین است از جمله معایب کاربرد آهنربای دائم میباشد. این گشتاور نوسانی اضافی که در اغلب مقاالت و مراجع با نام گشتاور دندانهای شناخته میشود ناشی از برهمکنش بین دندانهها و آهنرباها بوده و به صورت نوسانی با فرکانس باال خود را نشان میدهد. به منظور کاهش گشتاور دندانهای در موتورهای الکتریکی روشهای گوناگونی ارائه شدهاست موربسازی شیارهای استاتور و یا آهنرباها استفاده از کمان قطب مناسب به کارگیری شیارهای اضافی در ساختار دندانهها و کنترل تغذیه تنها نمونههایی از انواع روشهاست که در سالیان اخیر معرفی شدهاند. در تمامی این روشها کاهش حداکثری نوسان گشتاور به عنوان هدف اصلی مدنظر قرار داشته با این حال اجرای هریک از این روشها مشکالتی را نیز به همراه خواهد داشت. در این پایاننامه روشی جدید برای کاهش گشتاور دندانهای معرفی میگردد. این روش بر مبنای استفاده از نوسانهای حاصل از یک سیمپیچی کمکی است که به ساختار موتور سنکرون آهنربای دائم طراحیشده اضافه میشود. سیمپیچی کمکی یادشده به صورت تکفاز بوده و تغذیهی آن به نحوی انتخاب میگردد که بتواند گشتاور دندانهای موتور را تا حد امکان از نظر دامنه کاهش دهد. ابتدا موتور سنکرون آهنربای دائم با استفاده از روشهای تحلیلی طراحی میگردد. سپس با استفاده از نرمافزار اجزای محدود Maxwell شبیهسازی شده و پس از آن با استفاده از روش مدار معادل مغناطیسی مدلسازی میگردد. در فصل چهارم روش معرفیشده در این پایاننامه که همان استفاده از سیمپیچی کمکی است معرفی شده و این سیمپیچی به هر دو مدل اجزای محدود و مدار معادل مغناطیسی اضافه شده و اثر آن بررسی میگردد. محاسبات نشان میدهد که با استفاده از این سیمپیچی گشتاور نوسانی در حدود 06 درصد نسبت به حالت اولیه )موتور بدون تحریک اضافی( کاهش مییابد. در عین حال نتایج اجزای محدود و روش مدار معادل مغناطیسی نیز با یکدیگر مطابقت خوبی دارند. واژههای کلیدی- گشتاور دندانهای موربسازی شیارهای اضافی سیمپیچی کمکی روش اجزای محدود روش مدار معادل مغناطیسی. أ

4 فهرست مطالب فصل اول 1-1 -مقدمه معرفی انواع آهنرباهای دائم فریت آلنیکو آهنربای خاک کمیاب معرفی و دستهبندی انواع ماشینهای آهنربای دائم تقسیمبندی موتورهای آهنربای دائم بر اساس مسیرهای عبور شار تقسیمبندی موتورهای آهنربای دائم از نظر عملکرد تقسیمبندی موتورهای آهنربای دائم از نظر نحوهی قرارگیری آهنرباهای دائم تقسیمبندی موتورهای آهنربای دائم با توجه به مدارهای راهانداز راهاندازهای موتورهای سنکرون 26...AC 5-1- موتورهای آهنربای دائم شار شعاعی با آهنربای نصبشده روی سطح فصل دوم 1-2 -مقدمه طراحی اجزای موتور انتخاب سرعت موتور انتخاب چگالی شار متوسط در فاصلهی هوایی )بارگذاری مغناطیسی ویژه( انتخاب بارگذاری الکتریکی ویژه انتخاب تعداد دور سیمپیچی تعیین حجم مورد نیاز آهنربا انتخاب سطح مقطع هادیها ب

5 تعیین ابعاد و تعداد شیارهای استاتور محاسبهی طول متوسط دورهای سیمپیچی تعیین طول فاصلهی هوایی تعیین کمان قطب بهینه طراحی موتور سنکرون آهنربای دائم با آهنرباهای نصبشده روی سطح روتور شبیهسازی موتور سنکرون آهنربای دائم فصل سوم 1-3 -مقدمه فرآیند تولید گشتاور در موتورهای الکتریکی تولید گشتاور در موتورهای سنکرون روشهای محاسبهی گشتاور و نیرو در سیستمهای الکترومکانیکی تانسور کشش ماکسول روش کوانرژی تئوری نیروی لورنتس نوسان گشتاور منابع تولید نوسان گشتاور گشتاور دندانهای روشهای کاهش نوسان گشتاور در موتورهای آهنربای دائم تغییر در ساختار فیزیکی موتور به منظور کاهش نوسان گشتاور روشهای ناظر بر تغذیهی موتور فصل چهارم 1-4 -مقدمه بررسی نقش انواع سیمپیجیها در تولید گشتاور ج

6 سیمپیچی چندفاز سیمپیچی تکفاز استفاده از سیمپیچی تکفاز به منظور کاهش گشتاور دندانهای محاسبهی توان مورد نیاز برای کاهش گشتاور دندانهای تعیین زمان مناسب برای اعمال تغذیه به سیمپیچی کمکی فصل پنجم 1-5 -جمعبندی نتیجهگیری و پیشنهادات منابع و مراجع فهرست شکلها فصل اول شکل 1-1 -حلقهی هیسترزیس یک مادهی آهنربای دائم ]1[...4 شکل 2-1 -منحنی چگالی شار بر حسب میدان مغناطیسی برای دستهای از فریتها] 8...]1 شکل 3-1 -منحنی چگالی شار-شدت میدان مغناطیسی آلنیکو] 16...]1 شکل 4-1 -منحنی دیامغناطیس شوندگی یک نمونه از آهنربای خاک کمیاب] 11...]1 شکل 5-1 -موتور شار محوری و یک نمونه از موتورهای شار شعاعی )به ترتیب از راست به چپ( شکل 0-1 -مسیرهای عبور شار یک نمونه ماشین شار محوری] 14...]12 شکل 7-1 -موتور رلوکتانسی آهنربای دائم با سیمپیچی کمکی شکلPMSM-8-1 شار شعاعی شکل 9-1 -انواعی از روشهای قرار دادن آهنربا در ساختار ماشین شکل روشهای نصب آهنرباهای روتور. الف. آهنرباهای دفنشده درون هسته. ب. آهنرباهای نصبشده روی سطح شکل مدار قدرت پایه از یک مبدل تریستوری با منبع جریان د

7 فصل دوم شکل منحنیهای BH برای مادهی 35...Alnico 5 شکل ورقهی استاتور با 30 شیار شکل انواع شیار شکل سیمپیچی نمونهی یک ماشین الکتریکی شکل مقایسهی مفهوم گام قطب و کمان قطب در ماشینهای الکتریکی] 43...]23 شکل دو آرایش متفاوت برای آهنرباهای روتور )به ترتیب از راست به چپ: پالریزاسیون شعاعی و پالریزاسیون موازی( شکل انواع شارهای نشتی )به ترتیب از راست به چپ: شار نشتی شیار و شار نشتی زیگزاگ( شکل مدار معادل سادهی ماشین سنکرون شکل دیاگرام فیزوری ماشین سنکرون در ضریب قدرت واحد شکل موتور شبیهسازی شده در نرمافزار 51...Maxwell شکل مسیرهای بردار پتانسیل مغناطیسی برای موتور آهنربای دائم طراحیشده شکل ولتاژ القاشده )back-emf( در سیمپیچی استاتور شکل جریان سیمپیچی سهفاز استاتور شکل چگالی جریان سیمپیچی استاتور فصل سوم شکل موتور سنکرون چهارقطب ساده شکل گشتاور خروجی برای یک موتور به همراه مولفههای نوسانی شکل روتور یک ماشین قطبپنجهای شکل موتور با آهنرباهای نصبشده روی سطح روتور شکل تابع پرمانس موتور شکل گشتاور دندانهای محاسبهشده با استفاده از تابع پرمانس و ضرایب فوریه شکل شبکهی رلوکتانسی موتور آهنربای دائم ه

8 شکل مقادیر بردار پتانسیل مغناطیسی برای سطح U3. الف. محاسبه شده با استفاده از روش مدار معادل مغناطیسی. ب. محاسبه شده با روش اجزای محدود شکل چگالی شار مغناطیسی برای سطح U3. الف. محاسبهشده با استفاده از روش مدار معادل مغناطیسی. ب. محاسبهشده با استفاده از روش اجزای محدود شکل گشتاور خروجی موتور با استفاده از روش مدار معادل مغناطیسی و تانسور ماکسول. الف. محاسبهشده با روش مدار معادل مغناطیسی. ب. محاسبهشده با روش اجزای محدود شکل توزیع نامتقارن دندانههای استاتور به منظور کاهش گشتاور دندانهای] 84...]10 شکل استفاده از شیارهای اضافی بر روی دندانههای استاتور برای کاهش گشتاور دندانه- ای] 85...]23 شکل تغییر در محل باز شدن شیار و تغییر زاویهی بین شیارهای داخلی و خارجی در موتورهای دو وجهی با هدف کاهش گشتاور دندانهای شکل توزیع نامتقارن آهنرباها روی سطح روتور با هدف کاهش گشتاور دندانهای] 87...]21 شکل تقسیمبندی آهنرباها به چند تکه برای هر قطب آهنربایی به منظور کاهش گشتاور دندانهای] 87...]37 شکل موربسازی آهنرباهای روتور با هدف کاهش گشتاور دندانهای شکل تغییر در سطح خارجی آهنرباها به منظور کاهش گشتاور دندانهای] 89...]0 شکل ایجاد شیار روی سطح خارجی روتور برای کاهش گشتاور دندانهای شکل استفاده از سیمپیچیهای کمکی با تغذیهی DC برای کنترل شار تحریک و نیز کاهش گشتاور دندانهای شکل انواع روشهای استفاده از تحریک کمکی )به ترتیب از راست به چپ: تحریک موازی و تحریک سری(...93 شکل دو نمونه از ماشینهای آهنربای دائم تحریک دوگانه شکل نمونهای از ماشین آهنربای دائم با تحریک دوگانهی DC و استفاده از قطبهای آهنی به همراه آهنربا ]41[...90 فصل چهارم شکل سیمپیچی سهفاز دو قطب متمرکز شکل سیمپیچی تکفاز دوقطب متمرکز به همراه توزیع MMF و

9 شکل سیمپیچی توزیعشده شکل سیمپیچی گام کسری به همراه نمودارهای MMF شکل نمونهای از یک سیمپیچی تکفاز شکل موتور سنکرون آهنربای دائم طراحیشده شکل گشتاور خروجی موتور سنکرون آهنربای دائم طراحیشده قبل از استفاده از سیمپیچی کمکی شکل موتور سنکرون آهنربای دائم طراحیشده به همراه سیمپیچی کمکی شکل گشتاور خروجی موتور سنکرون آهنربای دائم طراحیشده به همراه سیمپیچی کمکی شکل اندوکتانس خودی سیمپیچی کمکی شکل اندوکتانس متقابل سیمپیچی کمکی و فاز A شکل جریان سیمپیچی کمکی شکل گشتاور نوسانی تولیدشده توسط سیمپیچی کمکی شکل نمایش روند تغییرات گشتاور دندانهای هنگام عبور آهنربا از مقابل دندانهی استاتور شکل گشتاور دندانهای موتور بدون تغذیهی سیمپیچی استاتور شکل نقطهی شروع حرکت موتور شکل گشتاور دندانهای موتور پس از اعمال تغذیه به سیمپیچی کمکی در لحظهی صفر شکل گشتاور خروجی موتور در دو حالت تغذیهی سهفاز و تغذیهی سهفاز به همراه سیمپیچی کمکی با استفاده از روش مدار معادل مغناطیسی فهرست جدولها فصل اول جدول ویژگیهای مغناطیسی برخی از انواع آهنرباهای دائم فصل پنجم جدول مقادیر پارامترهای موتور ز

10 فصل اول- معرفی موتورهای آهنربای دائم 1-1 -مقدمه در این بخش از فصل اول چشمانداز کلی پروژهی انجام شده به صورت مختصر ارائه میگردد. اولین ماشینهای الکتریکی با تحریک آهنربای دائم در نیمهی اول قرن 11 میالدی تولید شدند ]1[. با این وجود کیفیت پایین مواد مغناطیسی سخت مورد استفاده در این ماشینها باعث شد تا استفاده از آنها به عنوان تحریک در ماشینهای الکتریکی مقرونبهصرفه نباشد به این ترتیب به کارگیری آهنربای دائم در ساختار ماشینها چندان مورد توجه قرار نگرفت. با اختراع آلنیکو در سال میالدی استفاده از آهنربای دائم به عنوان سیستم تحریک مجددا مطرح گردید با این وجود 1191 کاربرد آن تنها به موتورهای DC کموتاتوردار کوچک محدود بود. آهنربای دائم ساختهشده از عناصر کمیاب خاک نوع جدیدی از آهنربای دائم است که در دههی و 07 میالدی تولید گردید و نسبت به سایر انواع آهنرباهای دائم نظیر فریت و آلنیکو میدان 07 مغناطیسی قویتری تولید مینماید. در سالهای اخیر با تولید این گروه از آهنرباهای دائم با قابلیت تولید چگالی شار باال )چگالی شار پسماند باال( استفاده از آنها را به عنوان منبع تولید شار )یا بخشی از سیستم تحریک( در ماشینهای الکتریکی مورد توجه بسیار قرار گرفته است از اینرو آهنرباهای دائم جدید نظیر فریت و آهنربای عناصر کمیاب خاک که شدت میدان مغناطیسی باال و نیز قابلیت تولید چگالی شار مناسب و کافی را دارا هستند برای به کارگیری در انواع ماشینهای الکتریکی مناسب میباشند. به این ترتیب آهنربای دائم جایگزین بخشی از سیستم تحریک یا تمامی آن در انواعی از 1

11 ماشینهای الکتریکی نظیر ماشینهای سنکرون شده است. عالوه بر ماشینهای سنکرون از آهنرباهای دائم در انواع دیگری از ماشینهای الکتریکی مانند BLDCها نیز استفاده میشود. استفاده از آهنربای دائم به جای سیمپیچی تحریک در ماشینهای الکتریکی مزایای زیر را به همراه دارد: 1.حذف تلفات سیستم تحریک 1.افزایش بازدهی ماشین 9.سادگی طراحی و ساخت ماشین 4.گشتاور و توان تولیدی بیشتر به ازای حجم در مقایسه با ماشینهای با تحریک الکترومغناطیسی ]1[ 5.عملکرد دینامیکی بهتر در مقایسه با ماشینهای با تحریک الکترومغناطیسی ]1[ از سوی دیگر مشکالت به کارگیری آهنربای دائم در ساختار ماشین عبارتند از: ]9[ 1.تولید چگالی شار ثابت و عدم کنترلپذیری ماشین ]1[ 1.احتمال از دست رفتن جزئی و یا حتی کامل اثر مغناطیسی آهنربا و تضعیف عملکرد ماشین 9.نوسان گشتاور باال ]4[ و ]5[ و ]6[ و ]0[ مشکل سوم در سایر ماشینهای الکتریکی نیز وجود دارد. دلیل این مساله وجود هارمونیکهای زمانی و مکانی در ماشین است با این وجود نوسان گشتاور در ماشینهای آهنربای دائم شدیدتر است زیرا عالوه بر موارد یاد شده وجود آهنربای دائم در ساختار ماشین منجر به بروز نوسان بیشتری میگردد که در ارتباط با علت آن و عوامل موثر در فصل دوم به صورت مفصل توضیح داده خواهد شد. 1

12 2-1 -معرفی انواع آهنرباهای دائم از آنجایی که هدف از انجام این پروژه طراحی موتور و در نهایت بهبود عملکرد آن از نظر گشتاور خروجی است در این بخش تنها اطالعات مختصری در ارتباط با انواع آهنرباهای دائم ارائه میگردد. یک آهنربای دائم قادر است تا بدون حضور سیمپیچی تحریک و یا استفاده از توان الکتریکی میدان مغناطیسی تولید کند. در این حالت استفاده از انرژی الکتریکی خارجی تنها برای تغییر در شدت میدان مغناطیسی است. مانند هر مادهی فرومغناطیسی دیگر یک آهنربای دائم را میتوان با استفاده از منحنی B-H توصیف نمود. نام دیگر آهنربای دائم مواد مغناطیسی سخت است یعنی مواد فرومغناطیسی با حلقهی هیسترزیس بزرگ. معیار اصلی سنجش توانایی یک آهنربای دائم میزان حلقهی هیسترزیس آن در ربع دوم دستگاه مختصات است که به آن منحنی دیامغناطیسشوندگی میگویند. این منحنی در شکل 1-1 نشان داده شدهاست. چنانچه یک میدان مغناطیسی با جهت عکس اعمال شود چگالی شار مغناطیسی به نقطهی K کاهش مییابد. هنگامی که این میدان مغناطیسی معکوس برداشته شود چگالی شار مجددا به نقطهی L در حلقهی هیسترزیس کوچک بازمیگردد. بنابراین اعمال میدان معکوس باعث کاهش شار پسماند یا مغناطیسشدگی پسماند گردیده است. اعمال مجدد یک میدان مغناطیسی مجددا باعث افت چگالی شار خواهد شد که نتیجهی آن طی کامل حلقهی هیسترزیس کوچک و بازگشت هسته به مقدار تقریبی چگالی شار در نقطهی K خواهد بود. حلقهی هیسترزیس کوچک را اغلب میتوان با یک 9

13 1 خط مستقیم که به آن خط بازگشت میگویند جایگزین نمود. این خط شیبی دارد که آن را 1 پرمابیلیتی بازگشت μ rec مینامند. ]1[ شکل 1-1- حلقهی هیسترزیس یک مادهی آهنربای دائم ]1[ رابطهی اصلی بین چگالی شار مغناطیسی B مغناطیسشدگی ذاتی Bi با توجه به حضور مادهی فرومغناطیسی و شدت میدان مغناطیسی H را میتوان با استفاده از رابطهی )1-1( بیان نمود. B = μ 0 H + B i = μ 0 (H + M) = μ 0 (1 + χ)h = μ 0 μ r H )1-1( پرمابیلیتی نسبی مواد فرومغناطیسی بسیار بزرگتراز یک است یعنی 1 χ + 1. برای ایجاد حلقهی هیسترزیس آهنربای دائم اعمال میدان مغناطیسی خارجی ضروری است با اعمال این میدان مغناطیسی خارجی H a میدان مغناطیسی برآیند به صورت زیر محاسبه میشود: ]1[ H = H a + H d )1-1( 1 Recoil Line 1 Recoil Permeability 4

14 B i در رابطهی باال H d پتانسیل موجود بین قطبهاست که 107 درجه در جهت مخالف بوده و متناسب با مغناطیسشدگی ذاتی B i است. در یک مدار مغناطیسی بسته شدت میدان مغناطیسی منتجه از مغناطیسشدگی ذاتی است. = 0 d H برای مدلسازی ویژگیهای فیزیکی آهنربا کمیتهایی فیزیکی تعریف میشوند که عبارتند از: چگالی شار اشباع مغناطیسی B- sat چگالی شار اشباع مغناطیسی و شدت میدان مغناطیسی متناظر با آن H. sat در این نقطه جهت تمامی ممانهای مغناطیسی نواحی مغناطیسی در جهت میدان مغناطیسی خارجی اعمالشده است. چگالی شار مغناطیسی پسماند B r چگالی شار متناظر با شدت میدان مغناطیسی صفر است. چگالی شار پسماند باال به این معناست که آهنربا میتواند چگالی شار مغناطیسی بیشتری در فاصلهی هوایی مدار مغناطیسی تولید کند. اهمیت پسماند مغناطیسی در این است که در غیاب تحریک خارجی )جریان سیمپیچها( ماده میتواند در یک مدار مغناطیسی شار تولید نماید. ]0[ نیروی بازدارندهی مغناطیسی H c یا بازدارندگی مقدار شدت میدان دیامغناطیسکنندگی الزم برای صفر کردن چگالی شار مغناطیسی مادهای است که قبال مغناطیس شده است. ]0[ هرچقدر میزان بازدارندگی بیشتر باشد ورقهی نازکتری از آهنربا میتواند در مقابل میدان مغناطیسزدا مقاومت کند. منحنی دیامغناطیسشوندگی ذاتی نسبت حلقهی هیسترزیس f(h) B i = در ربع چهارم دستگاه مختصات است که در آن B. i = B r + μ 0 H به ازای 0=H چگالی شار مغناطیسی ذاتی برابر است با چگالی شار پسماند یعنی.B i = B r 5

15 بازدارندگی ذاتی H c شدت میدان مغناطیسی مورد نیاز برای صفر کردن چگالی شار مغناطیسی ذاتی B i مادهی مغناطیسی است که با منحنی B i = f(h) توصیف میگردد. پرمابیلیتی مغناطیسی بازگشتی μ rec نسبت چگالی شار مغناطیسی به شدت میدان مغناطیسی در هر نقطه از منحنی دیامغناطیسشوندگی است و با رابطهی )9-1( گردد:] 0 [ بیان می- μ rec = μ 0 μ rrec = B H )9-1( در رابطهی باال پرمابیلیتی نسبی بازگشتی μ rrec مقداری بین 1 تا 9/5 دارد. بیشینه مقدار انرژی مغناطیسی تولیدشده در واحد حجم برای یک آهنربا در فضای خارج آن برابر است با بیشینه چگالی انرژی مغناطیسی به ازای حجم یعنی: w max = (BH) max 2 J/m 3 )4-1( مختصات در رابطهی باال (BH) max H max و B max به نقطهی بیشینه مقدار چگالی انرژی روی منحنی مغناطیس زدایی با اشاره دارد. بیشینه حاصلضرب انرژی در حقیقت معیاری برای توانایی آهنربای دائم است این حاصلضرب معادل نقطهای روی ربع دوم حلقهی هیسترزیس بوده و چنانچه مادهی مغناطیسی در این نقطه کار کند کمترین حجم ممکن از ماده برای تولید چگالی شار مشخص در فاصلهی هوایی مورد نیاز خواهد بود. ]0[ فاکتور شکل منحنی دیامغناطیسشوندگی که ویژگی تقعر منحنی دیامغناطیسشوندگی را مشخص میکند. γ = (BH) max B r H c = B maxh max B r H c )5-1( 6

16 γ = 1 به ازای یک منحنی مغناطیس زدایی مستطیلی شکل و برای یک خط مستقیم )مانند آهنرباهای خاک کمیاب(.γ = 0.25 شوند: آهنرباهای دائم با توجه به ساختار مولکولی و نیز عناصر تشکیلدهنده به سه دسته تقسیم می- 1.آلنیکو 1.فریت 9.آهنربای خاکهای کمیاب فریت در سال 1110 آلیاژ استیل کبالت و در سال 1191 آلنیکو در ژاپن کشف شد. همچنین در سال 1190 در ژاپن کاتو و تاکئی آهنرباهایی از جنس اکسیدهای پودری ساختند. این پیشرفت مقدمهای بر فریت مدرن بود. فریتها ترکیبهایی شیمیایی هستند که شامل مواد سرامیکی با آهن 9 اکسید (Fe2O3) به عنوان اجزای پایهای ترکیب میباشند. فریتها ترکیباتی فرومغناطیسی و نارسانا بوده که از اکسیدهای آهن مانند هماتیت و یا مگنتیت (Fe3O4) و یا سایر اکسیدهای فلزی مشتق (Fe2O3) میشوند. این مواد نظیر اغلب سرامیکها سخت و شکنندهاند. با توجه به ویژگیهای شیمیایی فریتها به دو دستهی سخت و نرم تقسیم میگردند که این دستهبندی بر اساس بازدارندگی مغناطیسی کم یا زیاد انجام میشود. نمونههایی از فریتهای نرم عبارتند از: فریت منگنز-روی فریت نیکل-روی 0

17 برخی از انواع فریتهای سخت عبارتند از: فریت استرونتیوم فریت باریوم فریت کبالت در مقایسه با گروه دیگر از آهنرباهای دائم یعنی آلنیکو فریت نیروی بازدارندهی بزرگتری دارد اما در مقابل چگالی شار پسماند مغناطیسی آن کمتر است. مهمترین ویژگی فریتها قیمت اندک و مقاومت الکتریکی باالی آنهاست بنابراین تلفات ناشی از جریان گردابی در داخل آهنربا بسیار کم خواهد بود. ]1[ استفاده از فریتها در موتورهای زیر یک اسببخار مقرونبه صرفه است. آهنرباهایی از جنس باریومفریت اغلب در موتورهای DC کموتاتوردار مورد استفاده قرار میگیرند. منحنی چگالیشار-میدان مغناطیسی برای دستهای از فریتها در شکل 1-1 دیده میشود. شکل 1-1- منحنی چگالی شار بر حسب میدان مغناطیسی برای دسته ای از فریتها] 1 [ 0

18 آلنیکو آلنیکو نام مخففی است برای خانوادهای از آلیاژهای آهن که عالوه بر آهن به طور عمده شامل آلومینیوم نیکل و کبالت هست و نام آلنیکو نیز از اول اسامی آنها گرفته شدهاست. عالوه بر مواد یاد شده آلنیکو شامل مس و گاهی تیتانیوم است. تا پیش از ساخت آهنرباهای خاک کمیاب آلنیکو قویترین نوع آهنربا بوده است. مزیت اصلی آلنیکو چگالی شار پسماند باال و ضریب حرارتی پایین است. ]1[ این مزایا امکان تولید چگالی شار مغناطیسی باال در فاصلهی هوایی را در دماهای باالی آهنربا فراهم میسازند. از سوی دیگر نیروی بازدارندهی مغناطیسی آلنیکو خیلی اندک بوده و منحنی دیامغناطیسشوندگی آن به شدت غیرخطی است بنابراین دیامغناطیس شدن آلنیکو به سادگی مغناطیسشدن آن انجام میشود. از اینرو به هنگام استفاده از آلنیکو در ماشینهای الکتریکی باید این مساله را به دقت مورد بررسی قرار داد. زیرا عبور شار در جهت مخالف با جهت مغناطیسشدگی آلنیکو میتواند به راحتی خاصیت مغناطیسی آن را از بین ببرد. ساختار شیمیایی آلیاژ آلنیکو شامل 0 تا 11 درصد آلومینیوم 15 تا 16 درصد نیکل 5 تا 14 درصد کبالت بیش از 6 درصد مس بیش از 1 درصد تیتانیوم و نیز آهن به عنوان مادهی پایه است. بخشی از منحنی چگالیشار-شدت میدان مغناطیسی برای آلنیکو در شکل )9-1( است. نشان داده شده 1

19 آهنربای خاک کمیاب شکل 9-1 منحنی چگالی شار-شدت میدان مغناطیسی آلنیکو] 1 [ در دهههای اخیر با تولید آهنرباهای خاک کمیاب پیشرفت بزرگی در زمینهی تامین چگالی انرژی مغناطیسی در دسترس (BH)max به وجود آمده است. عناصر خاک کمیاب در حقیقت به هیچوجه کمیاب نیستند بلکه مواد معدنی طبیعی آنها به طور گسترده در ترکیبات موجود در طبیعت یافت میشوند. اولین نسل از این گروه آلیاژهای جدید بر اساس ترکیب SmCo5 و در سالهای 1167 اختراع و از دههی 07 به بعد به صورت صنعتی تولید شدند. ویژگی اصلی این دسته از آهنرباهای دائم چگالی شار پسماند باال نیروی بازدارندهی باال تولید انرژی زیاد منحنی حرارتی پایین است. مغناطیسزدایی خطی و ضریب بیشینه حرارت قابل تحمل توسط آهنربای خاک کمیاب بین تا 957 درجهی سانتیگراد 977 است. ]1[ این گروه از آهنرباهای دائم را میتوان برای موتورهای با حجم کم چگالی توان باال و با کالس عایقی F یا H مورد استفاده قرار داد. تنها مشکل قیمت باالی آنهاست که به دلیل استفاده از Sm و Co در ساختار آنها میباشد. 17

20 با کشف نسل دوم از آهنرباهای خاک کمیاب بر اساس عنصر نئودیمیوم Nd که نسبتا ارزانتر است پیشرفت بزرگی در زمینهی ساخت این آهنرباها ایجاد شده است. مزیت اصلی نئودیمیوم ویژگی- های بهتر مغناطیسی آن نسبت به SmCo است با این وجود برتری خواص مغناطیسی آن تنها در دمای اتاق دیده میشود. منحنیهای دیامغناطیسشوندگی آن به ویژه نیروی بازدارنده به شدت به دما وابسته است. در شکل 4-1 منحنی دیامغناطیسشوندگی را برای یک نمونه از آهنربای خاک کمیاب مشاهده میکنید. همانگونه که در شکل نیز دیده میشود این منحنی برای دماهای کاری مختلف تفاوت چشمگیری دارد. شکل منحنی دیامغناطیس شوندگی یک نمونه از آهنربای خاک کمیاب ]1[ در جدول 1-1 ویژگیهای مغناطیسی برخی از انواع آهنرباهای دائم نشان داده شدهاست. جدول ویژگیهای مغناطیسی برخی از انواع آهنرباهای دائم نوع آهنربا Br(T) Hci(kA/m) BHmax(kJ/m 9 Tc( o C) ) Nd 1 Fe 14 B(sintered) 1-1/ Nd 1 Fe 14 B(Bonded) 7 /6-7/