پس از طراحی و ساخت اولین نمونه ماشین الكتریكی توسط ارستد این ماشینها تغییر و تحولات بزرگی را در دهه‌های اخیر پذیرا بوده‌اند  جهت گیری عمومی این تغییرات افزایش راندمان و بهبود كیفیت كار ماشین همراه با كاهش وزن و حجم و قیمت تمام شده بوده است. گر چه تجمع تمامی این مولفه‌ها همیشه در یك طرح ممكن نیست اما طراحان ماشینهای الكتریكی بر اساس تجربه دانش و هنر خویش همیشه سعی در تلفیق آنها نموده‌اند.

تحقیق فوق در رابطه كنترل دور موتورهای DC بدون جاروبك بوده كه شامل دو بخش طراحی و كنترل می‌باشد. كه در بخش طراحی به نحوة طراحی بكمك نرم افزار و روابط و فرمولهای حاصله برای توان و گشتاور اشاره شده و در بخش كنترل نحوه كنترل  دور موتور بكمك تراشته‌های MC33035 و MC33039 بیان گردیده است. و مدارات و عناصر مرتبط با تراشه‌های كنترلی نیز آورده شده است.

در پایان جا دارد از زحمات و راهنماییهای استاد ارجمند جناب مهندس لنگری كمال تشكر را داشته باشم. هم چنین از پدر و مادر عزیزم و برادرانم كه در طی این مدت با صبر و تحمل و راهنماییهای دلسوزانه خویش همواره مشوق من بودند سپاسگزارم.

مواد آهنربای دائم

آهنرباهای دائم ممكن است در ماشینهای الكتریكی برای ایجاد تحریك، تولید خواص مشابه الكترومغناطیسهای تحریك شده با جریان مستقیم، مورد استفاده قرار گیرند. یك آهنربای دائم مفید می‌باشد زیرا انرژی مغناطیسی را ذخیره می‌كند و این انرژی صرف عملكرد وسیله نمی‌گردد. نقشی را كه این انرژی ایفا می‌كند قابل مقایسه با یك كاتالیزور در یك واكنش شیمیایی است. هنگام كار در محدوده طبیعی، آهنربا انرژی‌اش را برای یك دوره نامحدود از زمان حفظ می‌كند. باید توجه نمود كه اگر میدان مغناطیسی با استفاده از آهنربای الكتریكی به جای آهنربای دائم ایجاد شود، انرژی میدان تحریك همچنان باقی می‌ماند. با این حال قدری انرژی، یعنی تلفات اهمی جریان تحریك، از بین خواهد رفت.

اصول آهنربای دائم

آهنرباهای دائم، همانطور كه در شكل  نشان داده شده، مواد مغناطیسی سخت با حلقه‌های هیسترزیس بزرگ می‌باشند. زمانی كه یك ماده آهنربا در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد (بدین معنی كه در میان قطبهای  مغناطیسی یك آهنربای الكتریكی قرار گیرد)، چگالی شار در ماده همانطور كه منحنی 0-1 در شكل1 نشان می‌دهد افزایش خواهد یافت، كه به عنوان، منحنی شروع مغناطیس شدن، شناخته می‌شود. در نقطه 1 ماده اشباع می‌شود، و افزایش خواهد یافت، كه به عنوان منحنی شروع مغناطیس شدن،[1] شناخته می‌شود. در نقطه 1 ماده اشباع می‌شود، و افزایش مجددی به صورت پیشروی حاشیه‌ای و در لبه منحنی، در شدت میدان مغناطیسی (H) و در چگالی شار (B) نتیجه می‌شود. چگالی شار در یك نسبت نزدیك به نفوذپذیری

فضای آزاد  افزایش می یابد.

شكل 1: حلقه هیسترزیس آهنربای دائم

كاهش پایدار مغناطیسی، پس از رسیدن به اشباع، باعث می‌شود كه مسیر خطی B-H ، منحنی 1-2 را تعقیب كند. مقدار چگالی شار در نقطه 2 روی حلقه هیسترزیس (H=0) به عنوان چگالی شار باقیمانده یا پسماند [2]  ماده آهنربا شناخته شده، و نشان دهنده مقدار شار مغناطیسی است كه ماده می تواند تولید كند.

معكوس شدن جهت و افزایش میدان مغناطیسی، حلقه هیسترزیس را در ربع دوم. یعنی منحنی 2-3 ایجاد خواهد كرد كه به عنوان منحنی مغناطیس زدایی نرمال [3]  شناخته می‌شود و این قسمت مهمترین ناحیه مشخصه آهنربا می‌باشد. مقدار میدان مغناطیسی كه در آن چگالی شار در آهنربا به صفر می‌رسد به عنوان پسماند زدایی یا نیروی پسماند زدا  شناخته می شود.

افزایش مجدد میدان مغناطیسی، ماده آهنربا را در جهت معكوس به اشباع می‌برد (نقطه 4 ). حلقه هیسترزیس با كاهش میدان مغناطیسی در نقطه 5 به صفر می‌رسد و سپس با معكوس شدن دوباره میدان اعمال شده به پلاریته‌های اولیه و افزایش آن تا رسیدن به نقطه 1، كامل می‌شود.

مقادیر چگالی شار به كار گرفته شده برای ترسیم حلقه هیسترزیس شكل 1 چگالی شار كلی در ماده آهنربا را نشان می دهد. البته همه شار ماده آهنربا از خواص شار در فاصله هوایی وجود خواهد داشت. البته چگالی شار در یك فاصله هوایی كه در معرض میدان مغناطیسی H قرار دارد،  می‌باشد. در نتیجه چگالی شار كل (یا نرما) در ماده آهنربا (B)شامل دو مولفه است، یكی برابر  می باشد (كه به هر حال در هوا موجود است) و دیگری چگالی شار ذاتی  است ( متعلق به قابلیت ذاتی ماده برای داشتن شار بیشتر نسبت به آنچه كه در فاصله هوایی موجود است با شدت میدان اعمال شده H ). از لحاظ محاسباتی در ربع اول و چهارم، و  در ربع دوم و سوم حلقه هیسترزیس می‌باشد، به طوری كهH در ربع دوم و سوم یك علامت منفی دارد. نمودار  برحسب H به عنوان حلقه هیسترزیس ذاتی ماده آهنربا معروف است. شكل2 حلقه‌های هیسترزیس ذاتی و نرمال یك ماده آهنربا را نشان می‌دهد. در حال حاضر ما دو منحنی مغناطیس زدایی داریم: نرمان و ذاتی.[4]

چگالی شار باقیمانده یا پسماند برای هر دو منحنی مغناطیس زدایی نرمال و ذاتی یكسان است. با این حال، پسماند زدایی آنها متفاوت می‌باشد. پسماندزدایی ذاتی ،  ، بزرگتر از پسماند زدایی نرمال،  است. اختلاف بین و  به شیب منحنی مغناطیس زدایی در مجاورت  بستگی دارد. هر چه شیب بیشتر باشد، اختلاف كمتر خواهد بود. شیب منحنی مغناطیس زدایی كه از محور –H می‌گذرد برای آهنرباهای آلنیكو خیلی زیاد است و بنابراین بین پسماند زدایی نرمال و ذاتی اختلاف كمی وجود دارد. سرامیكها (یا فریتها) و آهنرباهای خاك كمیاب بین  و  مشخصات مغناطیس زدایی نرمال تقریباً خطی دارند و اختلاف بین  و بیشتر است. در بعضی از آهنرباهای خاكی  حدوداً دو برابر  می‌باشد.

شكل 2 حلقه‌های هیسترزیس ذاتی و نرمال یك ماده آهنربای دائم.

مواد آهنربای مدرن

مواد آهنربای دائم را بر طبق تركیب شیمیایی شان می توان به سه گروه اصلی تقسیم نمود. این سه گروه شامل سرامیكها (یا فریتها)، آلنیكوها و آهنرباهای خاك كمیاب می‌شوند. در این میان فریتها (سرامیكها كاملاً مغناطیسی) عایقهای حرارتی و الكتریكی هستند در حالی كه سایر آهنرباها، هادیهای فلزی می باشند. آلنیكوها پسماند نسبتاً زیاد و نیروی پسماند زدای كمی دارند، اما سرامیكها دارای پسماند كم و نیروی پسماند زادی نسبتاً زیادی می باشند، در حالی كه در مورد آهنرباهای خاك كمیاب، هر دوی این پارامترها بزرگ می‌باشد. سرامیكها به عنوان مواد خام فراوان و خیلی ارزان مورد استفاده قرار می‌گیرند. آلنیكوها و آهنرباهای كابالت- خاك كمیاب (كبالت- ساماریوم)  از كبالت اما با درصدهای مختلف استفاده می كنند، در حالی كه در سرامیكها و آهنرباهای فریت- خاك كمیاب (آهنرباهای نئودیمیوم- آهن – بورون) اصلاً از كبالت استفاده نمی شود.

خصوصیات مواد آهنربای دائم تابع استاندارد بین المللی (1986) IEC 404-8-1 می‌‌باشند بر اساس استاندارد IEC 404-1مواد آهنربای دائم با یك حرف كه همراه آن چند عدد می آید، طبقه‌بندی می شوند. آهنرباهای آلیاژی با حرف Rطبقه‌بندی می شوند، در حالی كه سرامیكها با S مشخص می گردند. عدد اول نوع ماده را در كلاس مربوطه نشان می‌دهد. برای مثال R1 آهنرباهای آلنیكو را نشان می دهد و R5 گروه كبالت خاك كمیاب را مشخص می كند. عدد دوم از بین : (O) آهنرباهای همگرا، (1) غیرهمگرا، (3) پیوند پلیمر همگرا و (4) پیوند پلیمر غیرهمگرا تعیین می شود. عدد سوم به انواع مختلف آهنربای مشابه در یك گروه مربوط می‌گردد.

خواص مغناطیسی

مناسب‌ترین پارامتر برای تعیین كیفیت آهنربا، انرژی ماكزیموم آن است كه حاصل ضرب میدان مغناطیسی و القایی آهنربا می‌باشد، به طوری كه این پارامتر بیانگر ماكزیمم انرژی است كه می‌توان از آهنربا بدست آورد. وقتی كه آهنربا در نقطه حاصل ضرب انرژی ماكزیموم خود  كار می كند، ابعاد آن مینیموم می‌‌باشد.

بهترین آهنرباهای دائم با قابلیت كار بالا، مواد كبالت- خاك كمیاب (SmCo) بودند كه دارای حاصل ضرب انرژی ماكزیمومی بین  190-130 بودند. در سال 1984 با ظهور تركب نئودیمیوم – آهن- بورون بدون كبالت كه حاصل ضرب انرژی ماكزیموم  290 را داشت، این وضعیت تغییر یافت. سرعت گسترش و پیشرفت این ماده جدید در طول چند سال گذشته بسیار سریع بوده به طوری كه هم اكنون این ماده در ابعاد تجاری از طریق تولید كنندگان آهنربا، قابل دسترسی است.