فهم المحركات بدون فرش - فجوة التدفق المثالية لكثافة عزم الدوران العالية

ما هي الفجوة الهوائية؟

هناك طريقة بسيطة لتحديد فجوة الهواء وهي القول بأنها الهواء الموجود في الفراغ بين الجزء الثابت والدوار للمحرك.

وبشكل أكثر تحديدًا، يمكن أن يكون لدينا تعريفات مماثلة لمحركات التيار المتردد أو التيار المتردد ومحركات التيار المباشر أو التيار المباشر.

في محرك التيار المتردد، فجوة الهواء هي المساحة الهوائية بين قلب العضو الدوار والجزء الثابت. ومن ناحية أخرى، يقال إنها المسافة بين القطبين وعضو المحرك في محرك التيار المستمر.

فجوة التدفق هي المسافة بين المادة ذات النفاذية العالية في الجزء الثابت (الجزء الثابت "الحديد") والمادة ذات النفاذية العالية المقابلة في الجزء المتحرك (الجزء المتحرك "الحديد الخلفي"). عادة ما تكون هذه المادة مصنوعة من شرائح رقيقة من الفولاذ Fe-Si.

كما نعلم جميعًا، بشكل عام، يجب أن تكون فجوة التدفق صغيرة قدر الإمكان 

لاحظ أن فجوة التدفق تشمل المغناطيس. تتمتع المغناطيسات الأرضية النادرة (ممغنطة أو غير ممغنطة) بنفس نفاذية الهواء. لذلك، من وجهة نظر الجزء الثابت، لا يمكن تمييز المغناطيس عن الهواء ويجب تضمينه كجزء من فجوة التدفق.

كيف تعمل الفجوة الهوائية؟

لفهم كيفية عمل الفجوات الهوائية، تذكر أولاً أن المحركات والمولدات الكهربائية عبارة عن آلات كهربائية تدور.

وهذا يعني أن المحركات والمولدات الكهربائية تعمل بشكل متشابه للغاية. والفرق هو أن المحركات الكهربائية تحول الطاقة الكهربائية الموردة إلى طاقة ميكانيكية. وبدلا من ذلك، تأخذ المولدات طاقة ميكانيكية محددة وتحولها إلى طاقة كهربائية.

في كلتا الحالتين، تحدث عملية تحويل الطاقة عندما يعمل الجزء الثابت والعضو المتحرك معًا لتوليد التدفق المغناطيسي من خلال اللفات النحاسية الخاصة بهما. وهنا يأتي دور فجوة الهواء.

يتشكل في فجوة الهواء مجال مغناطيسي، وتكون إحدى اللفات المذكورة أعلاه مسؤولة عن توليد التدفق المغناطيسي، الذي يجب أن يمر عبر فجوة الهواء مرتين لكل قطب من كل مرحلة من مراحل المحرك.

بعض العوامل الرئيسية المتعلقة بعملية الفجوة الهوائية هي:

القوة المغناطيسية تتناسب عكسيا مع مربع المسافة. ومع زيادة حجم فجوة الهواء، يقل الجذب المغناطيسي ويصبح التحكم فيه أكثر صعوبة.

تؤدي زيادة حجم فجوة الهواء إلى زيادة التيار المغنطيسي، الذي يمثل مقدار التيار المطلوب لدفع التدفق المغناطيسي عبر فجوة الهواء.

كلما زاد عدد أقطاب المحرك أو المولد، زاد عدد المرات التي يجب أن يعبر فيها التدفق الفجوة الهوائية في كل دورة.

كل هذه العوامل تقودنا إلى استنتاج أنه كلما كانت الفجوة الهوائية أصغر، كلما كان ذلك أفضل. ومع ذلك، فإن فجوة الهواء الأصغر تعني فصلًا أقل بين الأجزاء المتحركة للعضو الدوار والجزء الثابت. ولهذا السبب فإن مراقبة فجوة الهواء في المحركات والمولدات أمر بالغ الأهمية، حيث أن أدنى اختلاف في محاذاة فجوة الهواء مع هذه الخصائص يمكن أن يخلق مشاكل تشغيلية في الماكينة.

تتكون الدائرة المغناطيسية من حلقة حديدية ناعمة، ولفائف نحاسية (2A، 250 لفة) ممثلة بمستطيل أخضر، وفجوة هوائية في الحلقة. يتم تمثيل كثافة التدفق (وحدات تسلا) بالمسافة بين خطوط التدفق واللون، حيث يكون اللون الأحمر هو الأعلى كثافة والأزرق هو الأقل كثافة. من الواضح أن كثافة التدفق تكون أكبر في الحلقات ذات فجوات التدفق الصغيرة. تحتوي هذه الحلقة أيضًا على أقل قدر من التدفق "المتسرب" إلى الهواء المحيط.

والسبب في هذا الاختلاف هو أن الفجوة الهوائية تزيد من ممانعة الدائرة. الممانعة هي تدفق في الدائرة المغناطيسية، تمامًا مثل المقاومة الحالية في الدائرة. لذلك، يعتمد التدفق المغناطيسي في الدائرة على الممانعة الكلية والقوة الدافعة المغناطيسية المطبقة (عدد اللفات مضروبة في التيار)، تمامًا كما يعتمد التيار على المقاومة الكلية في الدائرة والجهد المطبق.

دعونا نلقي نظرة فاحصة على كيفية اختلاف التدفق مع فجوة التدفق نفسها. يمكننا القيام بذلك عن طريق رسم خط عبر فجوة التدفق وقياس كثافة التدفق عند كل نقطة على الخط.

عند القيام بذلك بالنسبة لفجوات التدفق التي تبلغ 1 مم و4 مم، فمن الواضح أن التدفق في منتصف كل فجوة يظل كما هو. ويمكن أيضًا ملاحظة أن التدفق في فجوة التدفق البالغة 4 مم أصغر بأربع مرات من التدفق في فجوة التدفق البالغة 1 مم. لذا، لإنتاج نفس كثافة التدفق في فجوة 4 مم، نحتاج إلى مضاعفة الملفات عند نفس التيار إلى أربعة أضعاف، أو الاحتفاظ بنفس عدد الملفات ومضاعفة التيار إلى أربعة أضعاف. يمكن تطبيق هذا المفهوم أيضًا على المحركات الكهربائية، وهو ما يفسر لماذا يبذل المهندسون عادةً جهودًا كبيرة لإبقاء فجوة التدفق صغيرة قدر الإمكان.

تأثير حجم فجوة التدفق على عزم دوران المحرك البسيط

يعتمد عزم الدوران الناتج عن المحرك على كثافة التدفق في فجوة الهواء، ومع زيادة حجم فجوة التدفق، يتناقص عزم الدوران تدريجياً

من الواضح من المناقشة أعلاه أننا نريد بشكل عام أن تكون فجوة التدفق صغيرة قدر الإمكان لزيادة عزم دوران المحرك، وبالتالي فهو ثابت المحرك. ومع ذلك، بالإضافة إلى تفاوتات التصنيع، نحتاج أيضًا إلى مراعاة سمك المغناطيس. بشكل عام، إذا جعلت مغناطيس الجزء الدوار أطول، فإن كثافة التدفق عند أقطابها تزداد أيضًا. سيؤدي ذلك إلى زيادة عزم دوران المحرك.

إذا كنت لا تعرف الكثير عن الخلوص الداخلي للمحرك بدون فرش، فيمكنك الاتصال ببائعنا، وسيقدم لك إجابة احترافية.