การพัฒนาและการประยุกต์ใช้มอเตอร์แม่เหล็กถาวร

มอเตอร์แม่เหล็กถาวร อาศัยแม่เหล็กถาวรในการสร้างสนามแม่เหล็ก ไม่ต้องใช้ขดลวดกระตุ้นหรือกระแสไฟฟ้า มอเตอร์ประเภทนี้ขึ้นชื่อในเรื่อง ประสิทธิภาพและการออกแบบที่ตรงไปตรงมาถือเป็นมอเตอร์ประหยัดพลังงาน มอเตอร์แม่เหล็กถาวรผ่านกระบวนการพัฒนามาอย่างยาวนานซึ่งสะท้อนถึงการปรับปรุงครั้งยิ่งใหญ่ตลอดหลายปีที่ผ่านมา

กระบวนการพัฒนา

วิวัฒนาการของมอเตอร์แม่เหล็กถาวรนั้นมีความใกล้ชิดกับการพัฒนาของวัสดุแม่เหล็กถาวร ประเทศจีนเป็นประเทศแรกๆ ที่ตระหนักถึงคุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุประเภทนี้และนำคุณสมบัตินี้ไปใช้ในทางปฏิบัติ เมื่อกว่า 2,000 ปีก่อน การนำคุณสมบัติเหล่านี้ไปใช้กับเข็มทิศซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่ง รวมถึงการนำทางและกลยุทธ์ทางการทหาร เป็นต้น ถือเป็นหนึ่งในสี่สิ่งประดิษฐ์ที่ยิ่งใหญ่ของจีนโบราณ

มอเตอร์ไฟฟ้าตัวแรกของโลกปรากฏขึ้นในปี 1820 มอเตอร์ชนิดนี้เป็นมอเตอร์แม่เหล็กถาวร สนามแม่เหล็กของมอเตอร์ประเภทนี้สร้างขึ้นโดยแม่เหล็กถาวร อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้หายไประยะหนึ่งและได้รับการพัฒนาอย่างกว้างขวางในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากวัสดุแม่เหล็กถาวรที่ใช้ในเวลานั้นเป็นแมกนีไทต์ธรรมชาติ ความหนาแน่นของพลังงานแม่เหล็กจึงต่ำเป็นพิเศษ การใช้วัสดุนี้ในการผลิตมอเตอร์ทำให้มอเตอร์มีขนาดใหญ่เป็นพิเศษ เนื่องจากการใช้งานจริงต่ำ มอเตอร์แม่เหล็กถาวรจึงค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยมอเตอร์กระตุ้นไฟฟ้า การพัฒนาก็หยุดชะงักไประยะหนึ่งเช่นกัน อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์บางคนเชื่อว่ายังคงมีความจำเป็นต้องศึกษาเกี่ยวกับมอเตอร์แม่เหล็กถาวร ดังนั้น ในขณะที่บางคนเปลี่ยนสาขา ผู้คนจำนวนเล็กน้อยยังคงมีส่วนเกี่ยวข้องอย่างลึกซึ้งในสาขานี้

ในขณะที่มอเตอร์ทุกประเภทกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว และในเวลาเดียวกันกับการคิดค้นตัวสร้างแม่เหล็กในปัจจุบัน นักวิจัยก็ได้ศึกษาเกี่ยวกับกลไก องค์ประกอบ และเทคโนโลยีการผลิตของวัสดุแม่เหล็กถาวรอย่างกว้างขวาง เป็นผลให้ค้นพบวัสดุแม่เหล็กถาวรหลายชนิด เช่น เหล็กกล้าคาร์บอน เหล็กทังสเตน และเหล็กโคบอลต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คุณสมบัติทางแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวร AlNiCo ที่ประดิษฐ์ขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1930 และแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์ที่ประดิษฐ์ขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1950 ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ดังนั้น วิธีการกระตุ้นด้วยแม่เหล็กถาวรจึงได้รับการนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับมอเตอร์ขนาดเล็กและขนาดเล็กต่างๆ มอเตอร์แม่เหล็กถาวรใช้กันอย่างแพร่หลายในกองทหาร อุตสาหกรรม การผลิตทางการเกษตร และชีวิตประจำวัน โดยมีกำลังไฟฟ้าตั้งแต่ไม่กี่มิลลิวัตต์ไปจนถึงหลายสิบกิโลวัตต์ ดังนั้น การผลิตมอเตอร์แม่เหล็กถาวรจึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในช่วงเวลานี้ ทฤษฎีการออกแบบ วิธีการคำนวณ การทำให้เป็นแม่เหล็ก และเทคโนโลยีการผลิตของมอเตอร์แม่เหล็กถาวรก็ได้รับการปรับปรุงอย่างมากเช่นกัน ในช่วงเวลานี้ วิธีการวิเคราะห์และการวิจัยชุดหนึ่งได้รับการพัฒนา รวมถึงวิธีการสร้างไดอะแกรมการทำงานของแม่เหล็กถาวร

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากแม่เหล็กถาวร AlNiCo มีแรงกดต่ำ และแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์มีความหนาแน่นของเศษเหลือต่ำ จึงทำให้ขอบเขตการใช้งานในมอเตอร์มีจำกัดมาก จนกระทั่งถึงช่วงปี 1960 และ 1980 วัสดุแม่เหล็กถาวรของธาตุหายากก็ออกมาทีละชนิด ได้แก่ แม่เหล็กถาวรโคบอลต์ของธาตุหายากและแม่เหล็กถาวรนีโอไดเมียมเหล็กโบรอน วัสดุแม่เหล็กถาวรเหล่านี้มีความหนาแน่นของเศษเหลือและแรงกดสูง ผลิตภัณฑ์พลังงานแม่เหล็กสูง และคุณสมบัติแม่เหล็กที่ยอดเยี่ยมของเส้นโค้งการขจัดแม่เหล็กเชิงเส้น เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตมอเตอร์ โดยส่งเสริมให้มอเตอร์แม่เหล็กถาวรเข้าสู่ยุคประวัติศาสตร์ใหม่

ลักษณะของมอเตอร์แม่เหล็กถาวร

เมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์กระตุ้นไฟฟ้าแบบดั้งเดิม มอเตอร์แม่เหล็กถาวรประกอบด้วย:

1. โครงสร้างเรียบง่ายและการทำงานที่เชื่อถือได้

2. ขนาดเล็กและน้ำหนักเบา

3. การสูญเสียต่ำและประสิทธิภาพสูง

4. มอเตอร์มีรูปร่างและขนาดที่ยืดหยุ่นและอเนกประสงค์

ขอบเขตการใช้งานนั้นกว้างขวางมาก กล่าวได้ว่าในทุกพื้นที่ แผนกอวกาศนั้นรวมถึงการป้องกันประเทศ การผลิตทางอุตสาหกรรมและเกษตรกรรม และชีวิตความเป็นอยู่ของประชาชน ต่อไปนี้คือลักษณะสำคัญของมอเตอร์แม่เหล็กถาวรทั่วไปหลายชนิดและการใช้งานหลัก

เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบธรรมดา เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรของแรร์เอิร์ธไม่มีสลิปริงและอุปกรณ์แปรง โครงสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรนั้นเรียบง่ายและลดอัตราความล้มเหลว การใช้แม่เหล็กถาวรของแรร์เอิร์ธสามารถเพิ่มความหนาแน่นของแม่เหล็กในช่องว่างอากาศได้ รวมถึงเพิ่มความเร็วของมอเตอร์ให้เข้าใกล้ค่าที่เหมาะสมเพื่อปรับปรุงอัตราส่วนกำลังต่อมวล เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรของแรร์เอิร์ธเกือบทั้งหมดใช้กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำหรับการบินและอวกาศสมัยใหม่ ผลิตภัณฑ์ทั่วไปของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรของแรร์เอิร์ธโคบอลต์ขนาด 150 kVA 14 ขั้ว ความเร็วรอบ 12 รอบต่อนาที ~ 000 รอบต่อนาที และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรของแรร์เอิร์ธโคบอลต์ขนาด 21 kVA ความเร็วรอบ 000 รอบต่อนาที ผลิตโดยบริษัทเจเนอรัลอิเล็กทริกแห่งสหรัฐอเมริกา

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรยังใช้เป็นเครื่องกระตุ้นเสริมสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันขนาดใหญ่ เครื่องกระตุ้นเสริมแม่เหล็กถาวรธาตุหายากที่มีความจุ 40 kVA ถึง 160 kVA สูงสุดในโลกได้รับการพัฒนาสำเร็จสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันขนาด 200 MW ~ 600 MW ในช่วงทศวรรษ 1980 ตั้งแต่นั้นมา ความน่าเชื่อถือของการทำงานของโรงไฟฟ้าได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ปัจจุบัน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์สันดาปภายในสำหรับแหล่งพลังงานอิสระ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรสำหรับยานพาหนะ และกังหันลมแม่เหล็กถาวรขนาดเล็กที่ขับเคลื่อนโดยตรงด้วยล้อลมกำลังได้รับการส่งเสริมอย่างค่อยเป็นค่อยไป

การประยุกต์ในด้านต่างๆ

1. มอเตอร์แม่เหล็กถาวรแบบแรร์เอิร์ธประหยัดพลังงานส่วนใหญ่ใช้สำหรับการบริโภค เช่น สิ่งทอ เส้นใยเคมี ปิโตรเลียม การทำเหมือง และสาขาอื่นๆ มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรแบบแรร์เอิร์ธที่ใช้ในเหมืองถ่านหินช่วยในการขนส่งเครื่องจักรและขับเคลื่อนปั๊มและพัดลมต่างๆ

2. ระบบเซอร์โว AC ของมอเตอร์แม่เหล็กถาวรแบบแรร์เอิร์ธเป็นเครื่องจักรเมคคาทรอนิกส์ขั้นสูงชนิดหนึ่งที่มีระบบควบคุมความเร็วแบบอิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูง มอเตอร์แม่เหล็กถาวรแบบแรร์เอิร์ธถือเป็นอุตสาหกรรมเทคโนโลยีขั้นสูงที่มีแนวโน้มดีและมีศักยภาพในการพัฒนาอย่างมหาศาล

3. พื้นที่ใหม่อีกแห่งหนึ่งคือการใช้ไมโครมอเตอร์ DC แม่เหล็กถาวรของดินหายากต่างๆ เพื่อรองรับระบบควบคุมความเร็วความถี่แปรผันใหม่สำหรับเครื่องปรับอากาศและตู้เย็น มอเตอร์ DC แบบไม่มีแปรงถ่านแม่เหล็กถาวรของดินหายากเป็นเครื่องมือที่มีกำลังที่แตกต่างกัน และความต้องการมอเตอร์ดังกล่าวก็มีมากเช่นกัน

วัสดุแม่เหล็กถาวรของแรร์เอิร์ธมีข้อดีมากมายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ มอเตอร์แม่เหล็กถาวรของแรร์เอิร์ธถูกนำมาใช้ในบางสาขาของอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ เช่น การควบคุมแรงดันไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร แต่บรรดานักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกเชื่อกันโดยทั่วไปว่ามอเตอร์แม่เหล็กถาวรของแรร์เอิร์ธเป็นหนึ่งในแนวทางสำคัญสำหรับการพัฒนาเครื่องยนต์การบินและอวกาศรุ่นต่อไป

ปัญหาทางเทคนิคที่ต้องเผชิญกับมอเตอร์แม่เหล็กถาวร

1. วัสดุแม่เหล็กถาวรราคาสูง

ต้นทุนของวัสดุแม่เหล็กถาวรมักคิดเป็นมากกว่า 50% ของต้นทุนวัสดุทั้งหมด วัสดุแม่เหล็กถาวรต้องการทรัพยากรแรร์เอิร์ธ ในประเทศส่วนใหญ่ แรร์เอิร์ธถือเป็นทรัพยากรแร่ที่มีน้อยมาก มีราคาสูงและปริมาณน้อย ผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่จากวัสดุแรร์เอิร์ธของโลกส่งออกจากประเทศจีน 

2. ปรากฏการณ์การสลายแม่เหล็ก

มอเตอร์แม่เหล็กถาวรมักจะเสี่ยงต่อการเกิดการสลายแม่เหล็กถาวรอย่างถาวรภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น อุณหภูมิสูงและการสั่นสะเทือนทางกลที่เกิดขึ้นบ่อยครั้ง ปัจจัยที่ส่งผลต่อการสลายแม่เหล็ก ได้แก่ อุณหภูมิการทำงานของมอเตอร์ที่สูง อุณหภูมิแวดล้อมที่สูงขึ้น และความร้อนสะสม เมื่อเกิดเหตุการณ์ดังกล่าวขึ้น ประสิทธิภาพจะลดลงอย่างมาก และมอเตอร์ก็แทบจะไร้ประโยชน์ เพื่อลดการสลายตัวของแม่เหล็กระหว่างกระบวนการทำงาน เราต้องค้นคว้าและพัฒนาวัสดุแม่เหล็กถาวร NdFeB ที่ทนต่ออุณหภูมิสูงและเป็นแม่เหล็กสูงหลายรุ่นเพื่อแก้ปัญหาตั้งแต่ต้นเหตุ อีกวิธีหนึ่งคือส่งเสริมเทคโนโลยีป้องกันการสลายแม่เหล็ก เช่น การตรวจจับโหลด การลดโหลดสูงสุด การปรับปรุงมาตรการระบายความร้อน และลดความถี่ในการสตาร์ท

3. เทคโนโลยีการควบคุม

เนื่องจากปรากฏการณ์ “แม่เหล็กถาวร” ในมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร จึงยากมากที่จะปรับสนามแม่เหล็กภายนอก สำหรับการใช้งานมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรในปัจจุบัน แนวคิดในการควบคุมไม่ใช่การควบคุมสนามแม่เหล็ก แต่เป็นการควบคุมอาร์เมเจอร์เท่านั้น มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรควบคุมโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ร่วมกับการควบคุมไมโครคอมพิวเตอร์ บรรลุการจัดการที่ละเอียดรอบคอบในการควบคุมตำแหน่ง ความเร็ว และแรงบิด

นอกเหนือจากปัญหาที่กล่าวข้างต้นแล้ว ยังมีปัญหาทางเทคนิคที่สำคัญอีกบางประการที่เกิดขึ้น มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร ซึ่งต้องได้รับความสนใจและนวัตกรรมใหม่ๆ มากขึ้น ปัญหาเหล่านี้ได้แก่ ความเสี่ยงต่อไฟฟ้าดับ ไม่สามารถเข้าถึงความเร็วสูงได้ และมอเตอร์สตาร์ทติดยาก การแก้ไขปัญหาเหล่านี้มีความสำคัญต่อการปลดล็อกศักยภาพทั้งหมดของ PMSM และเพิ่มประโยชน์ใช้สอยให้สูงสุดในแอปพลิเคชันต่างๆ

ความอ่อนไหวต่อไฟฟ้าดับเป็นปัญหาทางเทคนิคที่สำคัญอย่างหนึ่งที่ PMSM เผชิญอยู่ ในขณะที่มอเตอร์เหนี่ยวนำโดยทั่วไปยังคงทำงานต่อไปโดยไม่มีแหล่งจ่ายไฟ แต่ PMSM ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอกเพื่อกระตุ้นสนามแม่เหล็กเสมอ ในกรณีไฟฟ้าดับ PMSM อาจหยุดทำงาน ส่งผลให้กระบวนการและระบบที่สำคัญหยุดชะงัก

วิธีการบางอย่างที่ใช้เพื่อลดผลกระทบของไฟฟ้าดับต่อการทำงานของ PMSM ได้แก่ ระบบกักเก็บพลังงานและพลังงานสำรอง การรวมแบตเตอรี่หรือตัวเก็บประจุเข้ากับระบบ PMSM จะทำให้สามารถรักษาระดับแหล่งจ่ายไฟไว้ได้ระยะหนึ่งในกรณีที่ไฟฟ้าดับ ทำให้ทำงานต่อไปได้และลดระยะเวลาการหยุดชะงัก นอกจากนี้ การเพิ่มความแข็งแกร่งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและอัลกอริทึมการควบคุมจะช่วยเพิ่มความทนทานของ PMSM ต่อความผันผวนและการหยุดชะงักของพลังงาน

ความท้าทายทางเทคนิคอีกประการหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับ PMSM คือข้อจำกัดโดยธรรมชาติในการทำงานด้วยความเร็วสูง แม้ว่า PMSM จะมีคุณสมบัติที่ดีบางประการ เช่น ความหนาแน่นของแรงบิดและประสิทธิภาพสูง แต่ก็อาจไม่สามารถทำงานได้ด้วยความเร็วสูงมากเนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น ความเฉื่อยของโรเตอร์และแรงเหวี่ยง ข้อจำกัดนี้กำหนดข้อจำกัดในการใช้งานที่ต้องใช้การเร่งความเร็วและลดความเร็วอย่างรวดเร็วหรือการทำงานด้วยความเร็วสูง

เพื่อรับมือกับความท้าทายนี้ ได้มีการพิจารณาการออกแบบโรเตอร์ที่สร้างสรรค์ วัสดุขั้นสูง และเทคนิคการระบายความร้อนที่สร้างสรรค์ เพื่อปรับปรุงความสามารถด้านความเร็วของ PMSM ด้วยโครงสร้างโรเตอร์ที่ปรับให้เหมาะสม การลดความเฉื่อยของการหมุนทำให้วิศวกรสามารถเพิ่มการตอบสนองและประสิทธิภาพการทำงานที่ความเร็วสูงได้ นอกจากนี้ ยังสามารถใช้การพัฒนาวัสดุแม่เหล็กและระบบจัดการความร้อนเพิ่มเติมเพื่อลดความร้อนสูงเกินไปและความเค้นเชิงกลในการทำงานความเร็วสูงได้อีกด้วย

ความท้าทายทางเทคนิคอีกประการหนึ่งใน PMSM เกี่ยวข้องกับกระบวนการเริ่มต้นการทำงาน เมื่อเริ่มต้นการทำงาน สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการความแม่นยำในการควบคุมและการซิงโครไนซ์ PMSM จะต้องเผชิญกับความท้าทายทางเทคนิคอีกประการหนึ่ง ซึ่งต่างจากมอเตอร์เหนี่ยวนำ ซึ่งจะเริ่มทำงานเองเมื่อเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ PMSM ต้องใช้สัญญาณควบคุมภายนอกจากภายนอกเพื่อเริ่มการหมุน ซึ่งจะเพิ่มความซับซ้อนของระบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการเริ่มต้นกระบวนการทำงานมอเตอร์

เพื่อเอาชนะความท้าทายนี้ นักวิจัยกำลังสำรวจกลยุทธ์การควบคุมที่เป็นนวัตกรรมและเทคนิคการเริ่มต้นมอเตอร์แบบไร้เซ็นเซอร์สำหรับ PMSM ด้วยการใช้อัลกอริธึมขั้นสูงและเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ วิศวกรสามารถพัฒนาขั้นตอนการเริ่มต้นระบบที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ ซึ่งช่วยลดการพึ่งพาสัญญาณควบคุมจากภายนอก นอกจากนี้ ความก้าวหน้าในการออกแบบและการก่อสร้างมอเตอร์สามารถเพิ่มประสิทธิภาพและประสิทธิผลของลำดับการเริ่มต้นมอเตอร์ ความคล่องตัวในการทำงาน และปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบโดยรวม

เราเชื่อมั่นว่าแม้จะมีความท้าทายทางเทคนิคเหล่านี้ แต่เทคโนโลยีมอเตอร์แม่เหล็กถาวรก็ยังคงมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เมื่อพิจารณาถึงความเร็วในการเสนอและทดสอบแนวคิดใหม่ๆ โดยนักวิจัยและวิศวกรแล้ว ความสำเร็จอันน่าทึ่งสามารถคาดหวังได้จากความสามารถในการเอาชนะความท้าทายทางเทคนิคหลักบางประการ และเปิดมุมมองใหม่ต่อการใช้งาน PMSM ในอุตสาหกรรมต่างๆ

หากสามารถแก้ปัญหาความเสี่ยงจากไฟฟ้าดับ ข้อจำกัดในการวิ่งด้วยความเร็วสูง และปัญหาการสตาร์ทเครื่องยนต์ได้ PMSM จะทำให้ชีวิตและการผลิตของมนุษย์สะดวกสบายและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น เราคาดการณ์ได้อย่างง่ายดายจากความร่วมมือและการวิจัยอย่างต่อเนื่องว่ามอเตอร์ PMSM จะมีบทบาทสำคัญในการขับเคลื่อนเทคโนโลยีและอุตสาหกรรมต่างๆ ในไม่ช้านี้