چه عواملی خطر ازدست‌رفتن خاصیت مغناطیسی فولاد مغناطیسی در موتورهای مغناطیس دائمی (PMSM) را در محیط‌های با دمای بالا ایجاد می‌کنند

واقعیت‌های حرارتی صنعتی و آسیب‌پذیری‌های مغناطیس دائمی

موتورهای سنکرون مغناطیس دائمی، چگالی انرژی و عملکرد گشتاوری استثنایی را در سراسر کارخانه‌های تولید مدرن فراهم می‌کنند. در یک واحد تولید سرامیکی کفپوش که از دمنده‌های خروجی کوره به‌صورت پیوسته استفاده می‌کند، درایوی که اخیراً نصب شده بود پس از پنج ماه کارکرد، جریان الکتریکی را حدود بیست و پنج درصد بیشتر از حالت عادی مصرف کرد و همزمان با دشواری در دستیابی به گشتاور اسمی عمل می‌کرد. آزمون‌های تشخیصی نشان داد که گرمای تابشی خروجی کوره در محیط، ترکیبی با بارهای جریان هارمونیک پیوسته، دمای هسته روتور را فراتر از ۱۶۵ درجه سانتی‌گراد افزایش داده و منجر به دموگنتیزاسیون غیرقابل‌بازگشت در فولاد مغناطیسی عناصر کمیاب شده است. کارکرد یک موتور مغناطیس دائمی (PMSM) در محیط‌های حرارتی شدید، نیازمند درک عمیق مهندسی از مکانیزم‌های فیزیکی است که تراز‌دهی دامنه‌های مغناطیسی را تهدید می‌کنند.

آهنرباهای دائمی نئودیمیوم-آهن-بور (NdFeB) عناصر کمیاب، دارای بازماندگی بالا (Br) و حداکثر حاصل‌ضرب انرژی مغناطیسی (BHmax) هستند. با این حال، مقاومت ذاتی آن‌ها در برابر ازدست‌رفتن مغناطیسی (Hcj)—که به‌عنوان مقاومت فیزیکی در برابر غیرمغناطیس‌شدن تعریف می‌شود—ضریب حرارتی منفی دارد که معمولاً بین ۰٫۵- تا ۰٫۷- درصد به ازای هر درجه سانتی‌گراد متغیر است. با افزایش دمای کاری، منحنی خطی ازدست‌رفتن مغناطیسی خم می‌شود و نقطه عطفی به نام «نقطه زانو» ایجاد می‌گردد. اگر شرایط کاری نقطه کار مغناطیسی را پایین‌تر از این نقطه زانو هل دهد، ازدست‌رفتن جریان مغناطیسی به‌صورت برگشت‌ناپذیر رخ می‌دهد و ظرفیت گشتاور موتور را به‌طور دائمی کاهش داده و جریان کاری را افزایش می‌دهد.

تقاطع افزایش حرارتی بالاتر و میدان‌های واکنش آرمیچر

دمای بالا به تنهایی به ندرت باعث از دست رفتن دائمی مغناطیس‌شدن در ماشین‌آلات طراحی‌شدهٔ مناسب می‌شود؛ بلکه عمدتاً حاشیهٔ ایمنی در برابر میدان‌های الکترومغناطیسی مخالف را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد. در یک موتور مغناطیس دائمی (PMSM) , شار مغناطیسی تولیدشده توسط جریان‌های آرمیچر استاتور، به‌طور مستقیم در مسیر محور مستقیم (محور d) بر میدان مغناطیسی آهنرباهای روتور مخالفت می‌کند. در دماهای عادی، آهنربا این میدان مخالف را تحمل می‌کند. با این حال، هنگامی که دمای محیط، گرمای هستهٔ روتور را افزایش می‌دهد، مقاومت ذاتی آهنربا در برابر از دست رفتن مغناطیس‌شدن به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد. جریان اضافی ناگهانی یا جریان راه‌اندازی سنگین، میدان واکنش آرمیچری ایجاد می‌کند که نقطهٔ کار مغناطیسی را پایین‌تر از نقطهٔ شانه‌ای (knee point) می‌برد و منجر به از دست رفتن دائمی مغناطیس‌شدن می‌شود.

هارمونیک‌های نامنظم اینورتر و جریان‌های گردابی روتور

استفاده از موتورهای مغناطیس دائمی در اینورترهای متغیر فرکانس، هارمونیک‌های ولتاژ ماژوله‌شده با عرض پالس (پی‌دبلیو‌ام) با فرکانس بالا را ایجاد می‌کند. این ولتاژهای هارمونیک به شکاف هوایی موتور نفوذ کرده و جریان‌های گردابی با فرکانس بالا را مستقیماً در فولاد مغناطیسی کمیاب موجود در آهنرباهای دائمی القا می‌کنند. ازآنجاکه روتور در محیطی بسته و بدون انتقال حرارت جابجایی مؤثر کار می‌کند، جریان‌های گردابی مناطق داغ موضعی را مستقیماً درون آهنرباها ایجاد می‌کنند. در موتورهای مغناطیس دائمی (پی‌ام‌اس‌ام) که ساختار آهنرباهای آن‌ها تقسیم‌شده نیست، دمای موضعی ممکن است ۲۰ تا ۴۰ درجه سانتی‌گراد بیشتر از دمای اندازه‌گیری‌شده روی سطح باشد و منجر به ازدست‌رفتن موضعی خاصیت مغناطیسی شود.

کنترل قوی کاهش میدان در سرعت‌های چرخشی بالا

گسترش سرعت عملیاتی موتور آهنربای دائمی فراتر از سرعت پایهٔ اسمی آن نیازمند این است که اینورتر جریان دِمَگنتیزینگ محور d منفی (id) را فرمان دهد. این جریان فرمان‌داده‌شده به‌صورت فعال شار خالی شکاف هوایی را کاهش می‌دهد تا نیروی محرکهٔ الکتریکی معکوس موتور کاسته شود و امکان دستیابی به سرعت‌های بالاتری برای شفت فراهم گردد. در محیط‌های با دمای بالا که موتور ازپیش در نزدیکی حد حرارتی خود در حال کار است، تضعیف قوی میدان، فشار الکترومغناطیسی دِمَگنتیزینگ پیوسته‌ای را مستقیماً علیه آهنرباهای داغ وارد می‌کند. اگر در حین تضعیف میدان با سرعت بالا، سیستم رانش از همگام‌سازی کنترل اینورتر خارج شود یا دچار قطع موقت توان گردد، جریان‌های ناکنترل‌شده می‌توانند به‌طور دائمی استحکام مغناطیسی روتور را از بین ببرند.

مقاومت حرارتی و تعالی طراحی موتورهای ENNENG PMSM

پیشگیری از دمغناطیس‌شدن حرارتی نیازمند مدل‌سازی الکترومغناطیسی دقیق و انتخاب محافظه‌کارانهٔ مواد است. شرکت ENNENG موتورهای سنکرون با آهنربای دائمی مقاوم در برابر بارهای سنگین را تولید می‌کند که به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند تا در برابر تنش‌های حرارتی، الکتریکی و مکانیکی شدید مقاومت کنند. ادغام یک موتور ENNENG موتور مغناطیس دائمی (PMSM) در خطوط تولید پرتلاش، ثبات مغناطیسی مطلق را در محدودهٔ ولتاژهای ۱۱۰ ولت تا ۶۹۰ ولت تضمین می‌کند.

چارچوب مهندسی یکپارچه‌ای که توسط ENNENG توسعه یافته، ظرفیت‌های گسترده‌ای از ۵ کیلووات تا سیستم‌های چند مگاواتی ۵ مگاواتی را پوشش می‌دهد و انعطاف‌پذیری کامل ولتاژی از ۱۱۰ ولت تا ۶۹۰ ولت را فراهم می‌کند. کارکرد با افزایش دمای داخلی کمتر از ۶۰ کلوین، بافر ایمنی حرارتی بزرگی را تضمین می‌کند و آهنگرهای روتور را به‌طور ایمن از آستانه‌های بحرانی ازدست‌رفتن مغناطیسی‌شان در شرایط گرمای محیطی شدید جدا نگه می‌دارد.

آلیاژریزی میکروی دیسپروزیوم و تربیوم برای افزایش همکشندگی

ENNENG از آهنگرهای NdFeB سینترشدهٔ باکیفیت استفاده می‌کند که با فرآیند انتشار مرزدانه‌ای عناصر کمیاب سنگین دیسپروزیوم (Dy) و تربیوم (Tb) تهیه شده‌اند. این فرآیند متالورژیکی به‌طور چشمگیری همکشندگی ذاتی آهنگر (Hcj) را افزایش می‌دهد بدون اینکه از باقی‌ماندهٔ مغناطیسی (remanence) کاسته شود و امکان کارکرد مداوم در دماهای بالاتر از ۱۸۰ درجهٔ سانتی‌گراد را فراهم می‌کند. در یک سیستم ENNENG موتور مغناطیس دائمی (PMSM) نقطهٔ مغناطیسی شکست همچنان به‌طور محکم در ربع سوم منحنی B-H باقی می‌ماند و اطمینان حاصل می‌شود که بارهای الکتریکی گذرا نمی‌توانند منجر به تخریب دائمی شار شوند.

تقسیم‌بندی آهنرباهای روتور و مدارهای تهویهٔ داخلی

برای حذف گرمایش محلی ناشی از جریان‌های گردابی، شرکت اِنِنگ از تقسیم‌بندی آهنرباها در جهت محوری و محیطی استفاده می‌کند. جداسازی هر قطعهٔ آهنربا با سدهای ریز اپوکسی، حلقه‌های جریان گردابی را سرکوب کرده و اتلاف‌های آهن روتور را تا شصت درصد کاهش می‌دهد. علاوه‌براین، بدنه‌های روتور دارای کانال‌های تهویهٔ آیرودینامیکی داخلی هستند که هوای خنک‌کننده را مستقیماً روی غلاف‌های نگهدارندهٔ آهنرباها جریان می‌دهند و توزیع دمای یکنواخت در روتور را تضمین می‌کنند.

استانداردهای معتبر و چارچوب‌های تأیید حرارتی

طبقه‌بندی حرارتی موتورهای صنعتی و آزمون‌های دمغناطیس‌شدن باید مطابق با استانداردهای مهندسی بین‌المللی دقیق انجام شود. عملکرد حرارتی موتور و مقاومت عایق‌بندی آن بر اساس استاندارد آی‌ئی‌سی ۶۰۰۳۴-۱ تعیین می‌شود که حدود افزایش دما را برای طبقه‌های استاندارد B، F و H تعریف می‌کند.

آزمون‌های عایقی و جداسازی تلفات باید مطابق با استاندارد آی‌ئی‌سی ۶۰۰۳۴-۲-۱ انجام شوند. برای تأیید پایداری مغناطیسی در شرایط خطا، طراحی موتورها باید معیارهای ارتعاشی آی‌ئی‌سی ۶۰۰۳۴-۱۴ و استانداردهای سخت‌گیرانه آی‌ئی‌ای‌ای ۸۴۱ برای صنایع نفتی و شیمیایی را رعایت کند. تأیید مقاومت در برابر دمغناطیس‌شدن نیازمند انجام آزمون‌هایی است که موتور مغناطیس دائمی (PMSM) در شرایط اتصال کوتاه سه‌فاز متقارن ناگهانی و در بالاترین دمای کاری مجاز، مطابق با پروتکل‌های آی‌ئی‌ای‌ای ۱۱۵ انجام می‌شود تا اطمینان حاصل شود که هیچ از دست‌رفتن غیرقابل‌بازگشت شار مغناطیسی رخ ندهد. علاوه بر این، ایمنی نصب الکتریکی و محافظت از بار حرارتی باید مطابق با مادهٔ ۴۳۰ کد الکتریکی ملی ان‌اف‌پی‌ای ۷۰ باشد.

راهنمای نگهداری در محل و محافظت حرارتی

حفاظت از سرمایه‌گذاری‌های آهنرباهای دائمی نیازمند نظارت منظم بر میدان و رویه‌های پیشگیرانهٔ تعمیر و نگهداری سیستماتیک است.

ادغام حسگرهای حرارتی پیشرفته و تنظیم دقیق قطع‌کننده

هرگز موتور آهنربای دائمی را در محیط‌های صنعتی گرم بدون محافظت حرارتی فعال به کار نبرید. اطمینان حاصل کنید که شناساگرهای دمای مقاومتی جاسازی‌شدهٔ PT100 (RTD) به قفل‌های ایمنی درایو متصل شده‌اند. کنترل‌کنندهٔ فرکانس متغیر را طوری برنامه‌ریزی کنید که در دمای ۱۱۰ درجهٔ سانتی‌گراد هشدار صوتی صادر کند و در صورت رسیدن دمای استاتور به ۱۳۰ درجهٔ سانتی‌گراد، خاموش‌سازی کنترل‌شدهٔ فوری انجام دهد؛ این دما بسیار پایین‌تر از حد حرارتی درجات برتر نئودیمیوم-آهن-بور (NdFeB) است.

بازرسی مسیرهای عبور هوای خنک‌کننده و عملکرد دمنده

بازرسی‌های ماهانه‌ی پوشش‌های خنک‌کننده‌ی بیرونی موتور، باله‌های رادیاتور و فن‌های کمکی خنک‌کننده را انجام دهید. در محیط‌های صنعتی گرد‌آلود مانند کارخانه‌های سیمان، نساجی و شیمیایی، تجمع ذرات به‌عنوان عایق حرارتی عمل کرده و انتقال حرارت همرفتی را مختل می‌کند و دمای هسته‌ی روتور را افزایش می‌دهد. مسیرهای هوای خنک‌کننده را به‌طور منظم با هوای فشرده‌ی خشک تمیز کنید و جهت چرخش صحیح موتورهای فن‌های کمکی خنک‌کننده را تأیید نمایید.

تأیید میدانی اززدایی مغناطیسی ازطریق آزمون نیروی محرکه‌ی الکتریکی معکوس

اگر موتور مغناطیس دائمی (PMSM) اگر موتور جریان کار عادی را آغاز کند یا به‌طور مکرر محافظ بار اضافی درایو را فعال کند، آزمون تأیید نیروی محرکه الکتریکی معکوس (بک-ام‌اف) را انجام دهید. موتور را از تجهیزات محرک جدا کنید و محور آن را با سرعت اسمی نام‌گذاری‌شده با استفاده از یک درایو کمکی یا دستگاه تراش بچرخانید. ولتاژ باز-مدار انتهایی بین خطوط را با استفاده از یک اسیلوسکوپ دیجیتال کالیبره‌شده اندازه‌گیری کنید. اگر ولتاژ اندازه‌گیری‌شدهٔ بک-ام‌اف بیش از پنج درصد کمتر از مقدار ذکرشده روی پلاک فنی کارخانه باشد، آنگاه ازدست‌رفتن دائمی مغناطیسی رخ داده و نیاز به بازسازی روتور وجود دارد.

برای بررسی طراحی‌های تخصصی موتورهای مغناطیس دائمی و مشخصات حرارتی، کاتالوگ محصولات ENNENG را بررسی کنید و راه‌حل‌ها را از طریق مهندسی موتورهای ENNENG .

برای پرسش‌های فنی دربارهٔ انتخاب موتورهای با دمای بالا یا کاهش خطر ازدست‌رفتن مغناطیسی، با ENNENG تماس بگیرید:

• واتس‌اپ: +۸۶ ۱۸۵۶۲۷۸۰۲۲۸
• پست الکترونیکی: [email protected]
• تلفن: +۸۶ ۵۳۲ ۶۶۰۰۰۵۵۹

F AQ

پ: چگونه تکنسینان نیروگاه می‌توانند تشخیص دهند که آیا یک موتور مغناطیس دائمی (PMSM) دچار ازدست‌رفتن مغناطیسی شده است؟

الف: علائم اصلی عملیاتی از دست‌رفتن مغناطیس‌پذیری، افزایش پایدار جریان مصرفی موتور برای تولید گشتاور مکانیکی یکسان است که همراه با افزایش دمای کاری و قطع‌شدن‌های مکرر درایو به دلیل بار اضافی می‌باشد. برای تأیید، موتور را از سیستم جدا کنید و آن را در سرعت نامی بچرخانید تا ولتاژ نیروی محرکه الکتریکی معکوس (بک-ام‌اف) در حالت مدار باز بین فازها اندازه‌گیری شود. کاهش ولتاژ بیش از پنج درصد نسبت به مقادیر مشخص‌شده روی پلاک شناسایی‌کننده، از دست‌رفتن دائمی مغناطیس‌پذیری را تأیید می‌کند.

پرسش: تفاوت بین از دست‌رفتن مغناطیس‌پذیری برگشت‌پذیر و غیربرگشت‌پذیر چیست؟

الف: از دست‌رفتن مغناطیس‌پذیری برگشت‌پذیر زمانی رخ می‌دهد که افزایش دما باعث کاهش موقت شار مغناطیسی شود، اما نقطه کار همچنان بالای نقطه زانوی منحنی B-H باقی می‌ماند. وقتی موتور خنک می‌شود، قدرت مغناطیسی اولیه به‌طور کامل بازمی‌گردد. از دست‌رفتن مغناطیس‌پذیری غیربرگشت‌پذیر زمانی اتفاق می‌افتد که گرما و میدان مغناطیسی مخالف سیم‌پیچ آرمیچر، نقطه کار را فراتر از نقطه زانوی منحنی هل دهند و ترازبندی دامنه‌های مغناطیسی داخلی را به‌طور دائمی از بین ببرند.