تعد محركات الإثارة (المعروفة أيضًا باسم "محركات الإثارة الكهربائية") والمحركات ذات المغناطيس الدائم نوعين أساسيين في مجال المحركات الكهربائية المصنفة بناءً على طرق توليد المجال المغناطيسي. توجد اختلافات كبيرة بين الاثنين من حيث مصادر المجال المغناطيسي والتصميم الهيكلي وخصائص الأداء والسيناريوهات القابلة للتطبيق. يقدم ما يلي تحليلًا مقارنًا تفصيليًا من ثلاثة أبعاد: الخصائص الأساسية، والاختلافات الرئيسية، والسيناريوهات القابلة للتطبيق، للمساعدة في توضيح الاختلافات الأساسية ومنطق التطبيق بين الاثنين.
1. الميزة الأساسية: تحليل الخصائص الأساسية لنوعين من المحركات بشكل منفصل
(1) محرك الإثارة (محرك الإثارة الكهربائي): "يولد مصدر الطاقة الخارجي مجالًا مغناطيسيًا"
يتم إنشاء المجال المغناطيسي لمحرك الإثارة عن طريق تنشيط ملف الإثارة (الملف)، بدلاً من الاعتماد على المغناطيس الدائم. تدور ميزاته الأساسية حول "المجال المغناطيسي القابل للتعديل":
مصدر المجال المغناطيسي
مطلوب "نظام إثارة" إضافي (بما في ذلك ملف الإثارة، وإمدادات طاقة الإثارة، والمنظم) لتوليد مجال كهرومغناطيسي باعتباره المجال المغناطيسي الرئيسي للمحرك عن طريق تمرير تيار مستمر إلى ملف الإثارة للعضو الدوار/العضو الثابت.
01
التعقيد الهيكلي
يشتمل جانب الدوار عادةً على ملف إثارة، والذي يتطلب نقل مصدر طاقة خارجي وتيار ملف دوار من خلال حلقات الانزلاق وفرش الكربون (أو هياكل الإثارة بدون فرش) (يمكن للهياكل بدون فرش أن تقلل من التآكل، لكن التصميم أكثر تعقيدًا)؛ مطلوب وحدة تحكم الإثارة لضبط تيار الإثارة.
02
مرونة الأداء
يمكن تعديل قوة المجال المغناطيسي بدقة عن طريق تغيير تيار الإثارة، وبالتالي التحكم بمرونة في السرعة وعزم الدوران والجهد الناتج للمحرك (مثل المولد الذي يمكنه إخراج الجهد بشكل ثابت، ويمكن للمحرك تحقيق تنظيم سرعة واسع النطاق)؛ يمكن تعديل الإثارة ديناميكيًا وفقًا لمتطلبات الحمل لتحسين الكفاءة في ظل ظروف التشغيل المختلفة (مثل تقليل تيار الإثارة وتقليل الخسائر تحت الأحمال الخفيفة).
03
الخسارة والصيانة
هناك "فقدان الإثارة" (فقدان النحاس الناتج عن تنشيط ملف الإثارة)، والكفاءة الإجمالية أقل قليلاً من كفاءة محركات المغناطيس الدائم التي لها نفس القوة؛ إذا تم استخدام بنية فرشاة الكربون ذات الحلقة المنزلقة، فستكون فرشاة الكربون عرضة للتآكل وتتطلب استبدالًا وصيانة منتظمة، وقد تولد شرارات (غير مناسبة للسيناريوهات المقاومة للانفجار{{0}).
04
خصائص التكلفة
ليست هناك حاجة إلى مواد ذات مغناطيس دائم، لتجنب مخاطر تقلب الأسعار المرتفعة للمغناطيسات الأرضية النادرة، كما أن ميزة تكلفة المواد لنماذج الطاقة- العالية (مثل مستوى الميجاواط) أكثر وضوحًا؛ ومع ذلك، نظرًا لنظام الإثارة والبنية المعقدة، قد تكون التكلفة الإجمالية لنماذج الطاقة الصغيرة والمتوسطة أعلى من تكلفة المحركات ذات المغناطيس الدائم.
05
(2) محرك المغناطيس الدائم: "المغناطيس الدائم له مجال مغناطيسي خاص به"
يتم توفير المجال المغناطيسي الرئيسي لمحرك المغناطيس الدائم بواسطة مغناطيس دائم مثل بورون حديد النيوديميوم، وكوبالت السماريوم، والفريت، دون الحاجة إلى تيار إثارة خارجي. تدور ميزاته الأساسية حول "التبسيط الهيكلي والكفاءة":
①مصدر المجال المغناطيسي:اعتمادًا على المغناطيسية المتأصلة للمغناطيس الدائم (المغناطيس الدائم يحافظ على المجال المغناطيسي لفترة طويلة بعد المغنطة دون الحاجة إلى مصدر طاقة إضافي)، يتم تحديد قوة المجال المغناطيسي الرئيسي من خلال خصائص المواد للمغناطيس الدائم.
②بساطة الهيكل:لا يوجد لف إثارة، وحلقة انزلاق، وفرشاة كربون على جانب الدوار (التيار الرئيسي هو "المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم"، والدوار يحتوي فقط على مغناطيس دائم)، مما يجعل الهيكل أكثر إحكاما وأصغر حجما وأخف وزنا؛ لا يلزم وجود نظام إثارة، ونظام التحكم بسيط نسبيًا (يحتاج فقط إلى التحكم في تيار عضو الإنتاج، دون تعديل الإثارة).
③استقرار الأداء:لا يوجد فقدان للإثارة، كفاءة تشغيل عالية (خاصة بالنسبة لنماذج الطاقة الصغيرة والمتوسطة، الكفاءة أعلى بنسبة 5% -15% من محركات الإثارة بنفس المواصفات)؛ يتم تحديد قوة المجال المغناطيسي من خلال الخصائص المتأصلة للمغناطيس الدائم ولا يمكن تعديلها ديناميكيًا (يجب تعديل الإخراج بشكل غير مباشر من خلال التحكم في ناقل تيار المحرك، ويكون نطاق السرعة محدودًا باستراتيجية التحكم)؛ هناك خطر إزالة المغناطيسية الدائمة للمغناطيس: قد تؤدي درجة الحرارة المرتفعة والاهتزاز القوي وتيار عضو الإنتاج المفرط إلى تحلل مغناطيسي أو إزالة مغناطيسية دائمة للمغناطيس الدائم، مما يؤثر على العمر الافتراضي للمحرك.
④التآكل والصيانة:لا توجد مشكلة في تآكل فرشاة الكربون، ودورة صيانة طويلة (تتطلب فقط فحصًا روتينيًا، ولا حاجة إلى استبدال الأجزاء الضعيفة بشكل متكرر)؛ يعد فقدان النحاس غير المثار، وفقدان الحديد، والفقد الميكانيكي هي المصادر الرئيسية للفقد، وتكون ميزة الكفاءة أكثر أهمية في ظل ظروف التحميل الخفيف ذات السرعة المنخفضة.
⑤خصائص التكلفة:الاعتماد على مواد المغناطيس الدائم الأرضية النادرة (مثل بورون حديد النيوديميوم)، تمثل تكلفة المواد نسبة عالية (حوالي 30٪ -50٪)، وسيؤثر تقلب أسعار الأتربة النادرة بشكل مباشر على تكلفة المحركات؛ يؤدي تبسيط الهيكل إلى تقليل تكاليف التصنيع والتجميع، وقد تكون التكلفة الإجمالية لنماذج الطاقة الصغيرة والمتوسطة (مثل مستوى كيلوواط) أقل من تكلفة محركات الإثارة.
2.مقارنة الاختلافات الرئيسية: التمايز الواضح في التنسيق الجدولي
| مقارنة الأبعاد | محرك الإثارة (الإثارة الكهربائية) | محرك المغناطيس الدائم (المغناطيس الدائم متزامن / غير متزامن) |
| طريقة توليد المجال المغناطيسي | تنشيط ملف الإثارة (يتطلب مصدر طاقة خارجي للإثارة) | المغناطيسية المتأصلة للمغناطيس الدائم (لا يلزم وجود مصدر طاقة بعد المغنطة) |
| الهيكل الأساسي | بما في ذلك لف الإثارة، حلقة الانزلاق / فرشاة الكربون (أو الإثارة بدون فرش)، وحدة التحكم في الإثارة | تحتوي على مغناطيس دائم (دوار)، لا يوجد لف مثير وحلقة انزلاقية/فرشاة كربون |
| إمكانية تعديل المجال المغناطيسي | يمكن تعديلها بدقة من خلال تيار الإثارة (مرن) | غير قابل للتعديل (يعتمد على خصائص المغناطيس الدائم، ويتطلب تعديلًا غير مباشر من خلال التحكم في المتجهات) |
| مستوى الكفاءة | أقل (مع فقدان الإثارة)، وكفاءة أفضل في ظل ظروف التشغيل{0}العالية الطاقة | عالية (لا يوجد فقدان للإثارة)، مزايا كبيرة في كفاءة الحمل/الطاقة الصغيرة والمتوسطة |
| متطلبات الصيانة | عالية (تحتاج الفرشاة الكربونية إلى الاستبدال بانتظام، ويحتاج نظام الإثارة إلى الصيانة) | منخفض (لا توجد أجزاء ضعيفة، وتتطلب فقط صيانة روتينية) |
| هيكل التكلفة | انخفاض تكلفة المواد (بدون مغناطيس دائم)، وارتفاع تكلفة الهيكل/التحكم | ارتفاع تكلفة المواد (المغناطيس الدائم للأتربة النادرة)، وانخفاض تكلفة الهيكل/التحكم |
| القدرة على التكيف البيئي | هيكل الحلقة المنزلقة عرضة للشرر (غير مناسب لسيناريوهات مقاومة الانفجارات/الأتربة)- | لا يوجد خطر حدوث شرارة (ينطبق على البيئات النظيفة والمقاومة للانفجارات-) |
| خطر إزالة المغناطيسية | لا (المجال المغناطيسي الناتج عن التيار، يختفي بعد انقطاع التيار الكهربائي) | نعم (درجة الحرارة المرتفعة، والاهتزاز القوي، والتيار الزائد قد يتسبب في إزالة مغنطة المغناطيس الدائم) |
3. السيناريو القابل للتطبيق: مطابقة الاختيار الأمثل حسب الطلب
(1) محرك الإثارة: مناسب لطلب "الطاقة العالية، التنظيم القوي، تقلب التكلفة المنخفضة"
①تتطلب أنظمة توليد الطاقة واسعة النطاق، مثل المولدات الحرارية/الكهرومائية (مستوى ميغاواط) وتوربينات الرياح (النماذج غير المتزامنة ذات التغذية المزدوجة)، جهدًا ثابتًا للإخراج ويمكنها التكيف مع التغيرات في حمل الشبكة من خلال تنظيم الإثارة.
②المحرك الصناعي الثقيل: مثل كسارات التعدين، ومصانع الصلب الكبيرة، ومحركات دفع السفن (طاقة عالية، وعزم دوران مرتفع، يتطلب تنظيم سرعة واسع النطاق، والنسبة العالية من تكلفة الأرض النادرة غير اقتصادية)
③سيناريوهات الجهد المنخفض والتيار العالي: مثل محركات التيار المستمر في صناعة الألومنيوم كهربائيا، والتي يمكنها التحكم بدقة في عزم الدوران من خلال تنظيم الإثارة وتجنب خطر إزالة مغنطة المغناطيس الدائم تحت التيارات العالية.
④السيناريوهات الحساسة للتكلفة وليس لها أي قيود على الصيانة، مثل المراوح الصناعية التقليدية ومضخات المياه (التي لا تتطلب كفاءة قصوى ويمكن أن تقبل الصيانة المنتظمة لفرشاة الكربون).
(2) محرك مغناطيسي دائم: مناسب لاحتياجات "الكفاءة العالية، والصيانة المنخفضة، والمساحة المدمجة"
①محرك مركبات الطاقة الجديدة: مثل محركات الدفع للسيارات الكهربائية النقية والمركبات الهجينة (التي تتطلب كثافة طاقة عالية، وكفاءة عالية، ومساحة/وزن محدود، ولا توجد متطلبات صيانة).
②أنظمة المؤازرة الصناعية: مثل مفاصل الروبوت، ومغازل الأدوات الآلية الدقيقة (التي تتطلب تنظيمًا عالي الدقة للسرعة-، واهتزازًا منخفضًا، واستجابة عالية وفقدانًا منخفضًا لمحركات المغناطيس الدائم هي أكثر ملاءمة).
③الأجهزة المنزلية/التجارية: مثل ضواغط تكييف الهواء، ومحركات الغسالات، ومحركات الطائرات بدون طيار (طاقة صغيرة إلى متوسطة، وكفاءة عالية، يمكن أن تقلل من استهلاك الطاقة، ولا يتسامح المستخدمون مطلقًا مع الصيانة).
④التطبيقات البيئية الخاصة: مثل المعدات الطبية (محركات معدات التصوير بالرنين المغناطيسي)، ومحركات الورش المقاومة للانفجار- (لا تسبب شرارة، وتحتاج إلى صيانة منخفضة، ومناسبة للبيئات النظيفة/الخطيرة).
⑤توليد طاقة منخفض من مصادر الطاقة المتجددة، مثل محولات الطاقة الكهروضوئية الصغيرة والمولدات المحمولة (الكفاءة العالية يمكن أن تحسن استخدام الطاقة، والهيكل المدمج سهل التركيب).
4. ملخص
(1) اختيار محرك الإثارة:عندما يكون الطلب على "طاقة عالية، وتنظيم قوي للمجال المغناطيسي، وتجنب مخاطر تكلفة العناصر الأرضية النادرة"، ويكون مستوى صيانة معين مقبولًا (كما هو الحال في المجالات الصناعية ومجالات توليد الطاقة على نطاق واسع{{0})، فإن محرك الإثارة يكون خيارًا أكثر عملية.
(2) اختيار محركات المغناطيس الدائم:عندما يكون الطلب "الكفاءة العالية، والصيانة المنخفضة، وصغر الحجم / الوزن الخفيف"، ويكون التسامح مع تقلبات التكلفة مرتفعًا (كما هو الحال في مجالات الطاقة الجديدة، والتصنيع الدقيق، والمعدات المنزلية)، فإن المحركات ذات المغناطيس الدائم تتمتع بمزايا أكثر.
إن اتجاه التكرار التكنولوجي لكليهما واضح أيضًا: تتطور محركات الإثارة نحو "بدون فرش" (تقليل الصيانة) و"التحكم الفعال في الإثارة"، في حين تتجه محركات المغناطيس الدائم نحو "المواد المغناطيسية الدائمة الأرضية النادرة" (تقليل التكاليف) و"مقاومة درجات الحرارة العالية وإزالة المغناطيسية" (تحسين الموثوقية).
