การพัฒนาและการประยุกต์ใช้มอเตอร์แม่เหล็กถาวร

มอเตอร์แม่เหล็กถาวร ใช้แม่เหล็กถาวรเพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก โดยไม่จำเป็นต้องใช้ขดลวดหรือกระแสกระตุ้น โดดเด่นด้วยความสูง ประสิทธิภาพและการออกแบบที่ตรงไปตรงมามอเตอร์เหล่านี้ได้รับการยอมรับในด้านคุณสมบัติประหยัดพลังงาน แท้จริงแล้ว การพัฒนามอเตอร์แม่เหล็กถาวรเป็นการเดินทางที่กว้างขวาง ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงความก้าวหน้าที่สำคัญเมื่อเวลาผ่านไป

กระบวนการพัฒนา

วิวัฒนาการของมอเตอร์แม่เหล็กถาวรมีการเชื่อมโยงอย่างซับซ้อนกับความก้าวหน้าของวัสดุแม่เหล็กถาวร ประเทศจีนมีความโดดเด่นในการเป็นประเทศแรกที่รับรู้และนำคุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุดังกล่าวไปใช้ในทางปฏิบัติ เมื่อกว่า 2,000 ปีที่แล้ว คุณสมบัติเหล่านี้ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างเข็มทิศ ซึ่งส่งผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อการนำทางและกลยุทธ์ทางการทหาร เหนือพื้นที่อื่นๆ นวัตกรรมนี้ได้รับการยกย่องว่าเป็นหนึ่งในสี่สิ่งประดิษฐ์ที่ยิ่งใหญ่ของจีนโบราณ

มอเตอร์ไฟฟ้าตัวแรกของโลกปรากฏขึ้นในช่วงทศวรรษปี ค.ศ. 1820 ที่จริงแล้วมอเตอร์ตัวนี้เป็นมอเตอร์แม่เหล็กถาวร สนามแม่เหล็กของมันถูกสร้างขึ้นโดยแม่เหล็กถาวร แต่ในความเป็นจริงแล้วเทคโนโลยีนี้หายไประยะหนึ่งและไม่แพร่หลายจนกระทั่งไม่กี่ปีมานี้ เนื่องจากวัสดุแม่เหล็กถาวรที่ใช้ในขณะนั้นคือแม่เหล็กธรรมชาติ ความหนาแน่นของพลังงานแม่เหล็กของแมกนีไทต์นี้ต่ำเป็นพิเศษ การใช้มันเพื่อสร้างมอเตอร์ทำให้มอเตอร์มีขนาดใหญ่เป็นพิเศษ เนื่องจากใช้งานได้จริงน้อย มอเตอร์แม่เหล็กถาวรจึงถูกแทนที่ด้วยมอเตอร์กระตุ้นไฟฟ้าอย่างช้าๆ การพัฒนาของมันก็หยุดชะงักไประยะหนึ่งเช่นกัน แต่นักวิทยาศาสตร์บางคนเชื่อว่ายังจำเป็นต้องศึกษามอเตอร์แม่เหล็กถาวร ดังนั้นในขณะที่คนอื่นเปลี่ยนสาขา แต่มีผู้คนจำนวนไม่น้อยที่ยังคงมีส่วนร่วมอย่างลึกซึ้งในสาขานี้

เนื่องจากมอเตอร์ประเภทต่างๆ ก้าวหน้าอย่างรวดเร็วอย่างต่อเนื่อง และมีการคิดค้นเครื่องสร้างสนามแม่เหล็กในปัจจุบัน นักวิจัยจึงได้ทำการตรวจสอบกลไก องค์ประกอบ และเทคโนโลยีการผลิตวัสดุแม่เหล็กถาวรอย่างกว้างขวาง สิ่งนี้นำไปสู่การค้นพบวัสดุแม่เหล็กถาวรหลายประเภท รวมถึงเหล็กกล้าคาร์บอน เหล็กทังสเตน และเหล็กโคบอลต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คุณสมบัติทางแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวร AlNiCo ซึ่งเกิดขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1930 และแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์ ซึ่งปรากฏในช่วงทศวรรษปี 1950 ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ เป็นผลให้การกระตุ้นด้วยแม่เหล็กถาวรถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในมอเตอร์ขนาดเล็กและขนาดเล็กต่างๆ กำลังขับของมอเตอร์แม่เหล็กถาวรมีตั้งแต่ไม่กี่มิลลิวัตต์จนถึงหลายสิบกิโลวัตต์ และมีการใช้อย่างแพร่หลายในการทหาร อุตสาหกรรม การผลิตทางการเกษตร และชีวิตประจำวัน ดังนั้นการผลิตมอเตอร์แม่เหล็กถาวรจึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก ช่วงนี้ยังเห็นความก้าวหน้าที่สำคัญในทฤษฎีการออกแบบ วิธีการคำนวณ การทำให้เป็นแม่เหล็ก และเทคโนโลยีการผลิตมอเตอร์แม่เหล็กถาวร ชุดวิธีการวิเคราะห์และการวิจัย เช่น วิธีแผนภาพการทำงานของแม่เหล็กถาวร ได้รับการจัดตั้งขึ้นในยุคนี้

อย่างไรก็ตาม ค่าบังคับต่ำของแม่เหล็กถาวร AlNiCo และความหนาแน่นคงตัวต่ำของแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์จะจำกัดช่วงการใช้งานในมอเตอร์ จนถึงทศวรรษที่ 1960 และ 1980 แม่เหล็กถาวรโคบอลต์โลหะหายากและแม่เหล็กถาวรเหล็กโบรอนนีโอไดเมียม (เรียกรวมกันว่าแม่เหล็กถาวรโลหะหายาก) ออกมาทีละชิ้น ความหนาแน่นรีแมนเนนซ์สูง แรงบีบบังคับสูง ผลิตภัณฑ์พลังงานแม่เหล็กสูง และคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ดีเยี่ยมของเส้นโค้งการล้างอำนาจแม่เหล็กเชิงเส้น เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตมอเตอร์ ซึ่งนำการพัฒนามอเตอร์แม่เหล็กถาวรไปสู่ยุคประวัติศาสตร์ใหม่

ลักษณะของมอเตอร์แม่เหล็กถาวร

เมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์กระตุ้นไฟฟ้าแบบเดิม มอเตอร์แม่เหล็กถาวรประกอบด้วย:

1. โครงสร้างที่เรียบง่ายและการดำเนินงานที่เชื่อถือได้

2.ขนาดเล็กและน้ำหนักเบา

3. การสูญเสียต่ำและมีประสิทธิภาพสูง

4. รูปร่างและขนาดของมอเตอร์ที่ยืดหยุ่นและหลากหลาย

ดังนั้นช่วงการใช้งานของมอเตอร์แม่เหล็กถาวรจึงกว้างมาก ครอบคลุมเกือบทุกสาขาการบินและอวกาศ เช่น การป้องกันประเทศ การผลิตทางอุตสาหกรรมและการเกษตร และชีวิตประจำวัน ต่อไปนี้เป็นคุณลักษณะหลักของมอเตอร์แม่เหล็กถาวรทั่วไปหลายตัวและการใช้งานหลัก

เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบดั้งเดิม เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรหายากไม่จำเป็นต้องใช้แหวนสลิปและอุปกรณ์แปรง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรมีโครงสร้างที่เรียบง่ายและลดอัตราความล้มเหลว การใช้แม่เหล็กถาวรของโลกที่หายากยังช่วยเพิ่มความหนาแน่นของสนามแม่เหล็กของช่องว่างอากาศ ความเร็วของมอเตอร์ให้เป็นค่าที่เหมาะสม และปรับปรุงอัตราส่วนกำลังต่อมวล เครื่องกำเนิดไฟฟ้าการบินและอวกาศสมัยใหม่เกือบทั้งหมดใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรหายาก ผลิตภัณฑ์ทั่วไปคือ 150 kVA 14 ขั้ว 12 รอบ/นาที ~ 000 รอบ/นาที และ 21 kVA 000 รอบ/นาที เครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรโคบอลต์หายากที่ผลิตโดย บริษัท General Electric ของสหรัฐอเมริกา

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรยังใช้เป็นตัวกระตุ้นเสริมสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันขนาดใหญ่ ในช่วงทศวรรษ 1980 จีนประสบความสำเร็จในการพัฒนาเครื่องกระตุ้นแม่เหล็กถาวรชนิดหายากที่มีกำลังการผลิตมากที่สุดในโลกตั้งแต่ 40 kVA ถึง 160 kVA พร้อมด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันขนาด 200 MW ถึง 600 MW หลังจากนั้นความน่าเชื่อถือของการดำเนินงานของโรงไฟฟ้าได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ปัจจุบัน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กที่ขับเคลื่อนโดยเครื่องยนต์สันดาปภายในสำหรับแหล่งพลังงานอิสระ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรสำหรับยานพาหนะ และกังหันลมแม่เหล็กถาวรขนาดเล็กที่ขับเคลื่อนด้วยล้อลมโดยตรงกำลังได้รับการส่งเสริม

การประยุกต์ในด้านต่างๆ

1. มอเตอร์แม่เหล็กถาวรหายากของโลกที่ประหยัดพลังงานมุ่งเน้นไปที่การบริโภคเป็นหลัก เช่น สิ่งทอ เส้นใยเคมี ปิโตรเลียม เหมืองแร่ และสาขาอื่นๆ มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรชนิดแรร์เอิร์ธใช้ในเหมืองถ่านหินเพื่อช่วยขนส่งเครื่องจักรและขับเคลื่อนปั๊มและพัดลมต่างๆ

2. ระบบเซอร์โว AC มอเตอร์แม่เหล็กถาวรที่หายากของโลกเป็นเครื่องจักรเมคคาทรอนิกส์ขั้นสูงประกอบด้วยระบบควบคุมความเร็วอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพสูง มอเตอร์แม่เหล็กถาวรชนิดแรร์เอิร์ธแสดงถึงอุตสาหกรรมเทคโนโลยีขั้นสูงที่มีศักยภาพและมีศักยภาพในการเติบโตอย่างมีนัยสำคัญ

3. พื้นที่ใหม่อีกประการหนึ่งคือการใช้ไมโครมอเตอร์ DC แม่เหล็กถาวรหายากหลายชนิดเพื่อรองรับระบบควบคุมความเร็วความถี่ตัวแปรใหม่สำหรับเครื่องปรับอากาศและตู้เย็น มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านแม่เหล็กถาวรชนิดหายากของโลกเป็นเครื่องมือที่มีกำลังต่างกัน และความต้องการมอเตอร์ดังกล่าวก็มีมากเช่นกัน

วัสดุแม่เหล็กถาวรชนิดแรร์เอิร์ธมีข้อได้เปรียบที่สำคัญในการใช้งานด้านการบินและอวกาศ และมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ในขณะที่มอเตอร์แม่เหล็กถาวรชนิดแรร์เอิร์ธถูกนำมาใช้อยู่แล้วในการใช้งานด้านการบินและอวกาศบางอย่าง เช่น การควบคุมแรงดันไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และการป้องกันการลัดวงจร นักวิทยาศาสตร์มีความเห็นเป็นเอกฉันท์ว่ามอเตอร์เหล่านี้เป็นตัวแทนของทิศทางที่สำคัญสำหรับการพัฒนาเครื่องยนต์การบินและอวกาศยุคต่อไป

ปัญหาทางเทคนิคที่ต้องเผชิญกับมอเตอร์แม่เหล็กถาวร

1. วัสดุแม่เหล็กถาวรราคาสูง

ต้นทุนของวัสดุแม่เหล็กถาวรมักคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 50% ของต้นทุนวัสดุโดยรวม วัสดุแม่เหล็กถาวรต้องใช้ทรัพยากรจากแร่หายาก ในประเทศส่วนใหญ่ ธาตุหายากเป็นทรัพยากรที่หายากอย่างยิ่งโดยมีราคาสูงและปริมาณต่ำ วัสดุหายากของโลกส่วนใหญ่ส่งออกจากประเทศจีน 

2. ปรากฏการณ์การล้างอำนาจแม่เหล็ก

มอเตอร์แม่เหล็กถาวรไวต่อการลดอำนาจแม่เหล็กแบบย้อนกลับไม่ได้เมื่อสัมผัสกับสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น อุณหภูมิสูงและการสั่นสะเทือนบ่อยครั้ง ปัจจัยที่เอื้อต่อการล้างอำนาจแม่เหล็ก ได้แก่ อุณหภูมิในการทำงานที่สูงของมอเตอร์ อุณหภูมิแวดล้อมที่สูงขึ้น และการสะสมความร้อน เมื่อล้างอำนาจแม่เหล็กแล้ว ประสิทธิภาพของมอเตอร์จะลดลงอย่างมาก ส่งผลให้ไม่สามารถใช้งานได้ เพื่อบรรเทาการเสื่อมสภาพของแม่เหล็กระหว่างการทำงาน แนวทางหนึ่งเกี่ยวข้องกับการแก้ไขปัญหาที่ต้นตอโดยการพัฒนาแม่เหล็กถาวร NdFeB ที่มีแม่เหล็กสูงทนความร้อนสูงใหม่ อีกกลยุทธ์หนึ่งคือการเพิ่มประสิทธิภาพเทคโนโลยีต่อต้านการล้างอำนาจแม่เหล็ก ตัวอย่างเช่น การบูรณาการการตรวจจับโหลด การลดภาระสูงสุด การใช้มาตรการการกระจายความร้อนที่ได้รับการปรับปรุง และการลดการเริ่มต้นบ่อยครั้ง ล้วนสามารถช่วยแก้ไขปัญหานี้ได้

3.เทคโนโลยีการควบคุม

เนื่องจากปรากฏการณ์ "แม่เหล็กถาวร" ในมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร จึงเป็นเรื่องยากมากที่จะปรับสนามแม่เหล็กจากภายนอก สำหรับมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรในปัจจุบัน แนวคิดในการควบคุมไม่ใช่เพื่อควบคุมสนามแม่เหล็ก แต่เพียงเพื่อควบคุมกระดองเท่านั้น มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรถูกควบคุมโดยใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และการควบคุมไมโครคอมพิวเตอร์ร่วมกัน บรรลุการจัดการที่ประณีตในด้านการควบคุมตำแหน่ง ความเร็ว และแรงบิด

นอกเหนือจากความท้าทายที่กล่าวถึงข้างต้นแล้ว มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร เผชิญกับอุปสรรคทางเทคนิคหลายประการที่ต้องให้ความสนใจและนวัตกรรมเพิ่มเติม ความท้าทายเหล่านี้รวมถึงความอ่อนแอต่อไฟฟ้าดับ ข้อจำกัดในการบรรลุความเร็วสูง และความยากลำบากในการเริ่มการทำงานของมอเตอร์ การแก้ไขปัญหาเหล่านี้ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการปลดล็อกศักยภาพของ PMSM และเพิ่มอรรถประโยชน์สูงสุดให้กับแอปพลิเคชันต่างๆ

หนึ่งในความท้าทายทางเทคนิคหลักที่ PMSM เผชิญคือความเปราะบางต่อไฟฟ้าดับ ต่างจากมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบดั้งเดิมที่สามารถทำงานได้ต่อไปแม้ไม่มีพลังงาน PMSM อาศัยแหล่งพลังงานภายนอกเพื่อรักษาแรงกระตุ้นของสนามแม่เหล็ก ในกรณีที่ไฟฟ้าดับ PMSM อาจหยุดการทำงาน ซึ่งนำไปสู่การหยุดชะงักในกระบวนการและระบบที่สำคัญ

เพื่อลดผลกระทบของไฟฟ้าดับต่อการดำเนินงาน PMSM นักวิจัยกำลังสำรวจโซลูชันที่เป็นนวัตกรรม เช่น ระบบกักเก็บพลังงานและแหล่งพลังงานสำรอง การรวมที่จัดเก็บแบตเตอรี่หรือตัวเก็บประจุเข้ากับระบบ PMSM สามารถจ่ายไฟชั่วคราวในระหว่างที่ไฟฟ้าดับ ช่วยให้สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องและลดเวลาหยุดทำงานให้เหลือน้อยที่สุด นอกจากนี้ ความก้าวหน้าในอิเล็กทรอนิกส์กำลังและอัลกอริธึมการควบคุมสามารถเพิ่มความยืดหยุ่นของ PMSM ต่อความผันผวนและการหยุดชะงักของพลังงานได้

ความท้าทายด้านเทคนิคอีกประการหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับ PMSM คือข้อจำกัดโดยธรรมชาติในการบรรลุความเร็วสูง แม้ว่า PMSM จะมีข้อได้เปรียบ เช่น ความหนาแน่นและประสิทธิภาพของแรงบิดสูง แต่ PMSM อาจประสบปัญหาในการทำงานที่ความเร็วสูงพิเศษเนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น ความเฉื่อยของโรเตอร์และแรงเหวี่ยง ข้อจำกัดนี้ก่อให้เกิดข้อจำกัดในการใช้งานที่ต้องการความเร่งและการชะลอตัวอย่างรวดเร็วหรือการทำงานที่ความเร็วสูง

เพื่อจัดการกับความท้าทายนี้ นักวิจัยกำลังตรวจสอบการออกแบบโรเตอร์ใหม่ วัสดุขั้นสูง และเทคนิคการทำความเย็นที่เป็นนวัตกรรมใหม่ เพื่อปรับปรุงความสามารถด้านความเร็วของ PMSM ด้วยการปรับโครงสร้างโรเตอร์ให้เหมาะสมและลดความเฉื่อยในการหมุน วิศวกรสามารถเพิ่มการตอบสนองและประสิทธิภาพของ PMSM ที่ความเร็วสูงได้ นอกจากนี้ ความก้าวหน้าในวัสดุแม่เหล็กและระบบการจัดการความร้อนสามารถช่วยลดความร้อนสูงเกินไปและความเครียดทางกลที่เกี่ยวข้องกับการทำงานที่ความเร็วสูงได้

การเริ่มการทำงานของมอเตอร์ทำให้เกิดความท้าทายทางเทคนิคอีกประการหนึ่งสำหรับ PMSM โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่จำเป็นต้องมีการควบคุมและการซิงโครไนซ์ที่แม่นยำ ต่างจากมอเตอร์เหนี่ยวนำซึ่งสามารถสตาร์ทได้เองเมื่อเชื่อมต่อกับแหล่งพลังงาน PMSM ต้องใช้สัญญาณควบคุมภายนอกเพื่อเริ่มการหมุน การพึ่งพาสัญญาณควบคุมภายนอกอาจทำให้เกิดความซับซ้อนในขั้นตอนการสตาร์ทมอเตอร์และเพิ่มความซับซ้อนของระบบ

เพื่อเอาชนะความท้าทายนี้ นักวิจัยกำลังสำรวจกลยุทธ์การควบคุมที่เป็นนวัตกรรมและเทคนิคการเริ่มต้นมอเตอร์แบบไร้เซ็นเซอร์สำหรับ PMSM ด้วยการใช้อัลกอริธึมขั้นสูงและเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ วิศวกรสามารถพัฒนาขั้นตอนการเริ่มต้นระบบที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ ซึ่งช่วยลดการพึ่งพาสัญญาณควบคุมจากภายนอก นอกจากนี้ ความก้าวหน้าในการออกแบบและการก่อสร้างมอเตอร์สามารถเพิ่มประสิทธิภาพและประสิทธิผลของลำดับการเริ่มต้นมอเตอร์ ความคล่องตัวในการทำงาน และปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบโดยรวม

แม้ว่า PMSM จะเผชิญกับความท้าทายทางเทคนิค แต่เรายังคงเชื่อมั่นในความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีมอเตอร์แม่เหล็กถาวร ในขณะที่นักวิจัยและวิศวกรยังคงผลักดันขอบเขตของนวัตกรรมอย่างต่อเนื่อง เราคาดว่าจะมีความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการจัดการกับอุปสรรคทางเทคนิคที่สำคัญ และปลดล็อกโอกาสใหม่สำหรับ PMSM ในอุตสาหกรรมต่างๆ

ด้วยการเอาชนะความท้าทายต่างๆ เช่น ความอ่อนแอต่อไฟฟ้าดับ ข้อจำกัดในการบรรลุความเร็วสูง และความยากลำบากในการเริ่มการทำงานของมอเตอร์ PMSM สามารถเพิ่มความสะดวกสบายและประสิทธิภาพในการผลิตของมนุษย์และชีวิตประจำวันได้ ด้วยความพยายามในการทำงานร่วมกันและการวิจัยอย่างต่อเนื่อง เรามั่นใจว่า PMSM จะมีบทบาทสำคัญในการขับเคลื่อนอนาคตของเทคโนโลยีและอุตสาหกรรม