דגמים מתקדמים של מנועים: מנועים חדשים מגיעים ליישומים חדשים

דגמים עם מגנטים קבועים ועם שטף צירי, רוחבי ורדיאלי ממטבים את המומנט, ההספק, היעילות, הגודל, המשקל ופרמטרי ביצועים אחרים של המנוע, כמוסבר במאמר הזה מתוך מהדורת פברואר של Control Engineering.

דן ג’ונס, Incremotion Associates

מנועים חשמליים הם השרירים המכאניים שמניעים מניפות, מפוחים, משאבות, מדפסות, כונני דיסקים, כספומטים, מכונות תעשייתיות ומכשירים רפואיים, וגם מכוניות, אוטובוסים,משטחי בקרה של מטוסים ומאות יישומים אחרים. גנרטורים שממירים תנועה מכאנית ליצירת חשמל משתמשים באותם הרוטורים, סטטורים, מיסבים ומבנה תמיכה בסיסיים. אתגרי ההנדסה כיום כוללים בדרך כלל מיטוב של המנוע/ הגנרטור מבחינת מומנט, הספק, יעילות, גודל, משקל ופרמטרי ביצועים אחרים.

מנוע, הינע, אמצעי בקרה
במנועים חשמליים, היישום הספציפי קובע את הפרמטרים למיטוב. כמעט כל המנועים מונעים במהירות קבועה, מהירות משתנה או תנועת הפעל- הפסק. הדגש הגדל והולך על נצילות הספק גבוהה יותר מוביל לשימוש בהינעים אלקטרוניים עם מהירות משתנה כדי להשיג נצילות הספק גבוהה יותר במגוון רחב יותר מאשר יישומים עם מהירות קבועה. פיתוח מערכות תנועה שמשיגות יכולות של מיקום מדויק מצריך בדרך כלל מנועים עם מומנטי שיא גבוהים ותנועת מהירות ומומנט חלקה עד למהירות אפס. האלקטרוניקה של ההספק והבקרה מהווה רכיב חשוב של בקרת התנועה הכוללת או מערכת המכאטרוניקה שכוללת מנוע, הינע ורכיבי בקרה.
חמישה סוגים גנריים פופולריים של מנועים חשמליים הם: מברשת אוניברסלית DC, התנגדות מגנטית משתנה או ממותגת, השראה AC, וסינכרוני ללא מברשת מבוקר אלקטרונית או מנוע סינכרוני עם מגנט קבוע (PM). המנוע האוניברסלי הבשל הוא מנוע שדה מלופף שאפשר להפעיל באמצעות מתח כניסה ישר (DC) או חילופין (AC). נצילות ההספק שלו נמוכה. למנוע המברשת DC בתצורות השדה המלופף והמגנט הקבוע יש אורך חיים תפעולי מוגבל בגלל מערכת החילוף (קומוטציה) המכאנית שלו.
הטכנולוגיות החדשות שמפותחות מוגבלות בעיקר למערכות המנועים מהסוגים התנגדות מגנטית, השראה וסינכרוני עם מגנט קבוע ללא מברשת. לאחרונה הופיעו גם שילובים של שלושת טכנולוגיות המנועים האלה.

מנוע עם מגנט קבוע
למנוע החשמלי עם מגנט קבוע יש את נצילות ההספק המובנית הגבוהה ביותר והוא מוביל על פני טכנולוגיות המנועים האחרות במגוון הרחב של טכנולוגיות חדשות פוטנציאליות. למנוע הסינכרוני עם מגנט קבוע ללא מברשות (PMSM) יש שמות רבים, ביניהם מנוע DC ללא מברשות, מנוע PAMC ללא מברשות ומנוע מבוקר אלקטרונית (ECM).
כיום משתמשים ב- PMSM במגוון רחב של יישומים, והמגנטים שלהם נמצאים על המשטח הצילינדרי של הרוטור. המוצרים החדישים ביותר בתחום המיקום באמצעות סרוו התקדמו לתצורות של מגנטים טמונים בחישור צילינדרי ומגנט קבוע פנימי (IPM). במוצרים האלה עם מגנט טמון עם הזמן מגדילים את המומנט או מפחיתים את הגודל והמשקל במערכות נעות שונות של מיקום מדויק. למנועי הסרוו האלה נמצא שימוש במכונות לעיבוד מתכת, רובוטים וציוד לייצור מוליכים למחצה.

מנועים עם שטף צירי
בתחום התחבורה אופניים חשמליים, קטנועים, אופנועים ומכוניות הם המטרה של טכנולוגיות ה-PMSM החדשות. שתי דוגמאות מצוינות למיקומים חדשים של המגנטים ב-PMSM הם שטף צירי ושטף רוחבי.
ל-PMSM עם שטף צירי (איור) יש צורה ייחודית של דיסקית שמפתחת יותר מומנט מאשר PMSM רגילים שצורתם צילינדרית והשטף רדיאלי. התצורה הייחודית מתאימה לטבור של הגלגלים המניעים של רוב סוגי כלי הרכב.

מנוע עם שטף צירי מספק מומנט גבוה ומהירויות נמוכות של גל המנוע שמבטלות את הצורך בתיבות תמסורת יקרות ביישומים רבים. ההופעה המחודשת של כלי רכב היברידיים או חשמליים עודדה הערכה מחדש טכנית של המנוע עם שטף צירי לשימוש ביישומי הנעה.
יש שתי תצורות עיקריות של שטף צירי: רוטור המגנט הקבוע הפנימי בין שני ליפופים של הסטטור והטורוס שבה שני רוטורים סובבים את הסטטור הנייח. התצורה הנפוצה ביותר היא רוטור המגנט הקבוע הפנימי. חברות התחבורה מובילות את פעילות המחקר יחד עם חיבורים שמחברים פרופסורים באוניברסיטאות ברחבי העולם על ההערכה והתכנון של סוגי המנועים האלה והשימוש בהם. חברות מנועים סיניות מייצרות כמות גדולה של מנועי שטף צירי טבוריים (מותקנים בטבור הגלגל) בשביל אופניים חשמליים.
המיתון האחרון חיסל רבות מחברות ההזנק האלה המשתמשות במנועי שטף צירי טבוריים, אבל KLD Energy Technologies מאוסטין, טקסס מספקת את גירסת מנועי השטף הצירי הטבוריים 5 קילו-וט שלה ליצרני קטנועים. YASA Motors מאבינגטון, בריטניה, פיתחה את מנועי השטף הצירי שלה לכלי רכב גדולים יותר המשתמשים בסטטור ללא חריצים או סלילי הטיה מגנטיים ומפיקים יותר מ-60 ניוטון מטר ב-3600 סל”ד (25 ק”ו) ומשיגים נצילות הספק שיא של 96%. בכמעט כל מנועי השטף הצירי משתמשים במגנטי נאודימיום- ברזל- בור עתירי אנרגיה.
תצורה ייחודית יותר של PMSM  עם שטף צירי הוא ה-PMSM של NovaTorque (סאניווייל, קליפורניה). ב-PMSM עם שטף צירי הזה האורך הצירי גדול מהקוטר הרדיאלי שלו. לרוטור של NovaTorque יש צמד של מכללי טבור קוניים המורכבים ממגנטים פריטיים המוטבעים בחומר מגנטי רך בתצורה של IPM. התצורה הזאת מאפשרת למגנטים הפריטיים הזולים להשיג ביצועי מנוע שמשתווים או עולים על הביצועים של מגנטי עפרות נדירות (נאודימיום).
מכללי הטבור של הרוטור נמצאים בשני הקצוות של הרוטור, והשטף של המנוע זורם ישר (מקביל לגל) דרך צירי השדה של הסטטור שהם בכיוון הציר. המשטחים הקוניים של טבורי הרוטור יוצרים שטח מרווח אוויר גדול יותר וכתוצאה מכך מומנט משופר. המוצר הראשון של NovaTorque, מנוע שטף צירי PMSM 3 כ”ס בשם המותג +Premium Plus, מפתח 18 ניוטון מטר ב-1800 סל”ד. ההתמקדות הענפית של NovaTorque היא המניפות, המשאבות והמדחסים המשמשים במוצרי חימום, אוורור וקירור של מיזוג אוויר.

מנועי שטף רוחבי
למנוע השטף הרוחבי יש מעגל מגנטי מורכב. מנועי שטף רדיאלי ושטף צירי אפשר לדמות באמצעות אנליזת אלמנטים סופיים  דו מימדית ומודלים מתמטיים ישירים יותר, אבל מנוע השטף הרוחבי מצריך מודלים של אנליזת אלמנטים סופיים תלת מימדית בגלל המעגלים המגנטיים התלת מימדיים שלו. ליפוף סטטור בצורת טבעת מוקף במספר רכיבים מגנטיים בצורת U. למרות שמנוע השטף הרוחבי הומצא ב-1896 על ידי וו. מ. מורדאי, היישומים שצריכים את יכולת הביצועים המשופרים שלו מתפתחים לאט בגלל המבנה המורכב שלו והעלות הנוספת. הפיתוח של מגנטי נאודימיום וחומרים מרוכבים מגנטיים רכים איפשר ל- Landert Motoren מבולאך, שווייץ, לפתח משפחה של מנועי שטף רוחבי קטנים יותר, סידרת MDD1, עם מומנט נקוב בין 3.3 ל-10 ניוטון מטר ב-300 סל”ד (100 עד 300 ואט). היישומים כוללים שולחנות מסתובבים ומכונות תעשייתיות אחרות.
במכון לחקר החשמל של דרום קוריאה (KERI) בונים מנועי שטף רוחבי שונים מזה יותר מעשר שנים. קבוצת המכאטרוניקה של המכון פיתחה גירסאות רוטוריות וליניאריות. פותחו מערכות לשינוע חומרים עד 5000 ניוטון. מנוע השטף הרוחבי יכול להשיג צפיפות הספק ומומנט גבוהה מאוד יחד עם עלות ייצור גבוהה יותר. השימוש בו מוגבל כיום ליישומים מיוחדים.
מנועים צילינדריים היברידיים מנועי השטף הרוחבי הצילינדריים גם מפתחים טכנולוגיות מנועים חדשות על ידי שילוב של מגנט קבוע עם התנגדות מגנטית משתנה ומגנט קבוע עם מנועי השראה AC.
QM Power היא הדוגמה הטובה ביותר לשילוב של טכנולוגיות מנועים. הטכנולוגיה המגנטית עם נתיבים מקבילים (PPMT) של QM Power משלבת טכנולוגיות של התנגדות מגנטית משתנה ומגנט קבוע. יש שני נתיבי שטף שמפותחים וחולקים את אותם האלמנטים המגנטיים של המנוע, אחד משני המגנטים הקבועים והשני מתצורת הליפוף של הרוטור- סטטור של ההתנגדות המגנטית המשתנה. QM Power מדווחת שבאופן טיפוסי אפשר לשלש את הכוח המגנטי והתוצאה היא גידול של 30% בצפיפות ההספק ועלייה דומה בנצילות השיא. הגודל ניתן לשינוי מ-100 ואט למאות קילו-ואטים.
PPMT מיועד גם ליישומים של מהירות קבועה וגם למהירות משתנה, כולל התקני הנעה. PPMT שומר על נצילות הספק גבוהה במצבים של עומס גבוה. הוא יכול להשיג ביצועים מצוינים עם מגנטים פריטיים.
דוגמה אחרת לטכנולוגיית מנועים היברידית היא מנוע השראה AC עם התנעת קו (line start) שמשלב רוטור כלוב מסתובב עם כלוב מגנט קבוע (בדרך כלל מסוג פריטי) כדי לשפר משמעותית את נצילות ההספק של מנוע ה – AC. לחברת Lafert Corp מוונציה, איטליה, יש משפחה של מנועי AC עם התנעת קו תעשייתיים או מסחריים שנעים מ-1 ק”ו עד 15 ק”ו עם הגברה של 5-8% בנצילות השיא הנקובה.
כלי הדמיה
רבות הטכנולוגיות המנועים “החדשות” האלה חיכו עד שיפותחו רכיבים אלקטרוניים חדשים להנעה ובקרה, מגנטים חדשים וחומרי בידוד חדשים. כלי הדמיה חדשים עוזרים לתכנן את טכנולוגיות המנועים החדשות האלה.
הצורך במנועים וגנרטורים עם יותר צפיפות מומנט, צפיפות הספק ויעילות אנרגטית מתאים לצורך במנועים להנעת כלי רכב חשמליים והיברידיים חדשים, גנרטורים חדשים ויעילים יותר, ומוצרי חימום/ אוורור/ מיזוג אוויר קטנים יותר ויעילים יותר. צריך להתאים בקפידה את עלות המוצר לעומת הביצועים של המנוע והגנרטור לצרכים של היישום.