ما الذي يشغّل سيارتك الكهربائية؟ من محركات التيار المتردد غير المتزامنة إلى المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم، وحتى محركات التردد التبادلي، يقدم كل نوع مزايا وعيوباً فريدة من نوعها. تستكشف هذه المقالة هياكل هذه الأنواع الرئيسية من المحركات ومبادئها وتطبيقاتها، مما يساعدك على فهم كيفية تأثيرها على الأداء والكفاءة في السيارات الكهربائية. تعمّق لاكتشاف المحرك الذي قد يقود سيارتك القادمة!
استنادًا إلى متطلبات الأداء الأساسية لمحرك الدفع لمركبات الطاقة الجديدة، تنقسم أنواع محركات الدفع شائعة الاستخدام إلى ثلاث فئات رئيسية: المحركات غير المتزامنة بالتيار المتردد، والمحركات المتزامنة المغناطيسية الدائمة، ومحركات التردد التبادلي.
حالياً، يستخدم كل طراز من السيارات المجهزة من قبل شركات السيارات المختلفة أنواعاً مختلفة من محركات الدفع.
لذلك ، لاختيار نوع المحرك لمركبة الطاقة الجديدة ، من المهم فهم هيكل ومبدأ العمل ومزايا وعيوب محرك الدفع.
يتكون محرك التيار المتردد غير المتزامن، المعروف أيضًا باسم المحرك الحثي، بشكل أساسي من الجزء الثابت، والدوار، وعمود المحرك، والمحامل الأمامية والخلفية، وغطاء الطرف، ومستشعر الموضع، ومستشعر درجة الحرارة، ومجموعة أسلاك الجهد المنخفض، ومجموعة أسلاك الطاقة ذات الجهد العالي.
ويتكون الجزء الثابت من القلب الحديدي للجزء الثابت والملف ثلاثي الأطوار؛ وغالباً ما يستخدم الدوار دوار القفص السنجابي، والذي يتضمن القلب الحديدي الدوار وملف القفص السنجابي.
اعتمادًا على قوة المحرك، يتم الاختيار بين طرق التبريد بالماء أو التبريد بالهواء. (الشكل 1)
1- غطاء الواجهة الأمامي
2- المحمل الأمامي
3- مبيت المحرك
4- دوّار القفص الدوار السنجابي
5- عمود المحرك
6- الجزء الثابت
7- المحمل الخلفي
8- غطاء الطرف الخلفي
9- مستشعر الموضع
10- غطاء صيانة المستشعر 10 - غطاء الصيانة
(1) مبدأ عمل محرك المحرك غير المتزامن بالتيار المتردد
1) يوفر الجزء الثابت مجالاً مغناطيسيًا دوارًا. لتوفير عزم الدوران، يحتاج المحرك غير المتزامن للتيار المتردد إلى تمرير طاقة تيار متردد ثلاثي الأطوار عبر ملف الجزء الثابت، مما يخلق مجالاً مغناطيسياً دواراً باستمرار (مع سرعة دوران المجال المغناطيسي ن.س).
يتطلب محرك التيار المتردد غير المتزامن أن تكون اللفات ثلاثية الأطوار للجزء الثابت متماثلة، ويجب أن تكون اللفات الحديدية للجزء الثابت متباعدة 120 درجة كهربائية. يجب أن يكون التيار المار عبر اللفات المتماثلة ثلاثية الأطوار متماثلًا أيضًا، بنفس الحجم والتردد وفرق الطور البالغ 120 درجة. تُعطى سرعة دوران المجال المغناطيسي الدوَّار بالمعادلة (1).
ن س = 60 ف / ص (1)
في هذه المعادلة، ns هي سرعة دوران المجال المغناطيسي الدوَّار (تُعرف أيضًا بالسرعة المتزامنة)، r/دقيقة؛ f هي تردد طاقة التيار المتردد ثلاثي الأطوار، هرتز؛ p هي عدد أزواج الأقطاب.
بالنسبة لمحرك الدفع الذي تم تصميمه ووضعه في الإنتاج، فإن عدد أزواج الأقطاب ثابت، وبالتالي فإن العامل الذي يحدد سرعة دوران المجال المغناطيسي هو تردد طاقة التيار المتردد ثلاثي الأطوار. نظرًا لأن تردد شبكة الطاقة في بلدنا هو f = 50 هرتز، فهناك علاقة خطية بين سرعة المحرك وعدد أزواج الأقطاب. (الشكل 2)
2) يوفر دوّار القفص السنجابي تيارات دوامة مستحثة. نظرًا لأن الجزء الثابت يوفر مجالًا مغناطيسيًا دوارًا، يتم استحثاث تيار دوامي على موصل دوّار القفص السنجابي، كما هو موضح في الشكل 3.
في المنطقة المغناطيسية بين الموصلين c وb من لفائف القفص السنجابي، توجد خطوط قوة مغناطيسية خارجية، وتتعزز خطوط القوة المغناطيسية هذه تحت تأثير المجال المغناطيسي الدوار.
ومن ثَمَّ، سيُستحَثُّ تيار دوامي i1 على الموصلين c، b؛ وبالمثل، سيُستحَثُّ تيار دوامي i2 على الموصل.
سيؤدِّي التيار على الموصِّل b، تحت تأثير المجال المغناطيسي الدوَّار للجزء الثابت، إلى تعرُّض موصِّل لف القفص السنجابي b لقوة كهرومغناطيسية، ممَّا يتسبَّب في توليد عزم دوران كهرومغناطيسي للدوَّار وبدء الدوران. يلحق الدوار الدوَّار الدوَّار تدريجيًّا بالمجال المغناطيسي الدوَّار، ويدور بسرعة n أبطأ قليلًا من "السرعة المتزامنة ns" للمجال المغناطيسي.
وتسمى هذه الظاهرة، حيث تكون سرعة دوران الدوار n أبطأ قليلاً من سرعة المجال المغناطيسي للجزء الثابت ns، انزلاق الدوار. يسمح هذا الانزلاق غير المتزامن لموصل دوّار القفص السنجابي بقطع خطوط القوة المغناطيسية باستمرار، مما ينتج عنه تيارات دوامة مستحثة.
وبالتالي، يتم تحويل الطاقة الكهربائية على الدوّار إلى طاقة ميكانيكية، مما يضمن استمرار الإخراج الخارجي.
(2) مبدأ توليد الطاقة في محركات التيار المتردد غير المتزامنة
وفقًا لقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي، عندما يقطع جزء من موصل الدائرة المغلقة خطوط المجال المغناطيسي أثناء الحركة، يتولد تيار مستحث داخل الموصل، وتُعرف القوة الدافعة الكهربية المتولدة باسم القوة الدافعة الكهربية المستحثة.
في محرك التيار المتردد غير المتزامن، عندما يستخدم المحرك كمولد، يتم تنشيط الجزء الثابت بتيار ثلاثي الأطوار لتوفير المجال المغناطيسي، ويوفر الملف الدوار الموصل.
عندما تقوم قوة ميكانيكية خارجية، مثل عمود الإدارة في السيارة، بتحريك عمود الدوران، مما يجعل الدوار يتحرك، إذا كانت سرعة الدوار أعلى من السرعة المتزامنة للمجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت، فإن المحرك غير المتزامن للتيار المتردد يعمل كمولد.
يكون اتجاه الدوار الذي يقطع المجال المغناطيسي الدوار معاكسًا لاتجاه الدوار عندما يعمل كمحرك دفع، وبالتالي فإن اتجاه القوة الدافعة الكهربائية المستحثة للدوار يكون معكوسًا أيضًا.
أثناء عملية توليد الطاقة، يتعرض دوّار المحرك لعزم دوران كهرومغناطيسي معاكس لقوة السحب الخارجية، مما يؤدي إلى انخفاض سرعة الدوار.
تتفوق المحركات غير المتزامنة التي تعمل بالتيار المتردد في توفير عزم دوران خرج قابل للتعديل على نطاق واسع، وقادرة على زيادة عزم الدوران الناتج بالقوة على فترات قصيرة أثناء التسارع أو التسلق. وغالباً ما تستخدم المركبات الكهربائية التي يتم تشغيلها بمحركات متزامنة مغناطيسية دائمة آليات علبة تروس إضافية لزيادة عزم الدوران لتحسين السرعة.
ومع ذلك، فإن محركات التيار المتردد غير المتزامنة لها عدة عيوب. فبسبب الإثارة الأحادية الجانب، فإنها تتطلب تيارات بدء تشغيل أكبر وتياراً أكبر لكل وحدة من عزم الدوران الناتج. يحتوي الجزء الثابت على تيارات إثارة تفاعلية مما يؤدي إلى استهلاك طاقة أعلى من المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم، مع عامل طاقة متأخر.
تحدث ظروف التحميل الزائد بشكل متكرر أثناء محركات الأقراص الثقيلة. ويتطلب هيكلها المعقد نسبياً خبرة عالية في تكنولوجيا التحكم، مما يجعل تصنيعها أكثر تكلفة، كما أن كثافة طاقتها أقل نسبياً.
في الوقت الحالي، تُستخدم محركات التيار المتردد غير المتزامنة بشكل شائع كمحركات دفع في السيارات الكهربائية المطورة في الولايات المتحدة.
يتألف هيكل المحرك المتزامن المغناطيسي الدائم من الجزء الثابت، والدوّار، وعمود المحرك، والمحامل الأمامية والخلفية، وغطاء الطرف، وقناة مياه التبريد، ومستشعر الموضع، ومستشعر درجة الحرارة، وحزام الجهد المنخفض، وحزام الطاقة.
يتكون الجزء الثابت من القلب الحديدي للجزء الثابت واللفات ثلاثية الطور؛ ويتكون الدوار من أقطاب مغناطيسية دائمة وقلب حديدي، مع قلب حديدي مصنوع من الحديد المكدس صفائح السيليكون الصلب.
يتضمن ترتيب المغناطيسات الدائمة في الدوار بشكل أساسي دوّارات ذات مغناطيس دائم مثبتة على السطح ومثبتة على السطح ودوّارات ذات مغناطيس دائم داخلية، مع استخدام دوّارات ذات مغناطيس دائم داخلية بشكل شائع في محركات الطاقة الجديدة. (الشكل 4)
1- غطاء الواجهة الأمامي
2- محمل الواجهة الأمامية
3- مبيت المحرك
4- الجزء الثابت
5- عمود المحرك
6- دوار المغناطيس الدائم المدمج
7- محمل الطرف الخلفي
8- غطاء الطرف الخلفي (مستشعر الموضع المدمج)
(1) مبدأ القيادة للمحرك المتزامن المغناطيسي الدائم
يتم توفير المجال المغناطيسي الدوار بواسطة الجزء الثابت، ويتم إنتاجه بنفس الطريقة وبنفس سرعة محرك التيار المتردد غير المتزامن. يتم توفير الأقطاب المغناطيسية بواسطة المغناطيس الدائم للدوار.
وهكذا، فإن المجال المغناطيسي الدوار الذي يولده الجزء الثابت يشكل دائرة مع أقطاب المغناطيس الدائم للدوار والقلب الحديدي. وفقًا لمبدأ الحد الأدنى من الممانعة المغناطيسية، أي أن التدفق المغناطيسي يغلق دائمًا على طول المسار الأقل مقاومة مغناطيسية، يتم سحب الدوار إلى الدوران بواسطة القوة الكهرومغناطيسية للمجال الدوار.
وبالتالي، يدور دوّار المغناطيس الدائم بشكل متزامن مع المجال المغناطيسي الدوّار الذي يولده الجزء الثابت، وبالتالي يدفع دوران عمود المحرك.
(2) مبدأ توليد الطاقة للمحرك المتزامن المغناطيسي الدائم
باتباع قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي، يتم توفير جزء من موصل الدائرة المغلقة بواسطة اللفات الثابتة ثلاثية الطور، مع توفير المجال المغناطيسي بواسطة المغناطيس الدائم على الدوار.
عندما يدفع عزم الدوران الخارجي الدوار إلى الدوران، فإنه يولد مجالاً مغناطيسيًا دوارًا، مما يؤدي إلى قطع جزء من الموصلات في اللفات الثابتة ثلاثية الطور واستحثاث تيار متماثل ثلاثي الطور.
في هذه المرحلة، يتم تحويل الطاقة الحركية للدوار إلى طاقة كهربائية، ويعمل المحرك المتزامن المغناطيسي الدائم كمولد.
تشمل مزايا المحرك المتزامن المغناطيسي الدائم صغر حجمه وخفة وزنه وكثافة طاقته العالية واستهلاكه المنخفض للطاقة وارتفاع درجة الحرارة وكفاءته الأعلى مقارنةً بالمحركات غير المتزامنة.
يمكن تصميمه كمحرك منظم ذو عزم دوران عالٍ لبدء التشغيل، وذو قدرة تحميل عالية بناءً على المتطلبات.
يقوم المحرك المتزامن المغناطيسي الدائم بالمزامنة الصارمة ويتمتع بأداء استجابة ديناميكي جيد، ومناسب للتحكم في التردد؛ يمكن ضبط عزم دوران المحرك وسرعته على نطاق واسع من خلال تغيير التيار والتردد.
ومع ذلك، عادةً ما تكون مادة المغناطيس الدائم المستخدمة في المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم عبارة عن مادة مغناطيسية قوية من حديد النيوديميوم البورون النيوديميوم وهي هشة نسبيًا وقد تنكسر تحت الاهتزازات الشديدة.
وعلاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي استخدام مادة المغناطيس الدائم في الدوار إلى اضمحلال مغناطيسي في تشغيل المحرك وحالات السخونة الزائدة، مما يؤدي إلى انخفاض الطاقة.
حاليًا، تُستخدم المحركات المتزامنة المغناطيسية الدائمة على نطاق واسع في محركات مركبات الطاقة الجديدة، حيث تستخدم أسواق الطاقة الجديدة في آسيا وأوروبا بشكل أساسي المحركات المتزامنة المغناطيسية الدائمة كمحركات طاقة جديدة.
محرك التردد المبدّل (SRM) هو محرك ميكاترونيك نموذجي، يُعرف أيضًا باسم "نظام الدفع بالتردد المبدّل". يشتمل المحرك في المقام الأول على أربعة مكونات: محرك الترددات المترددة المبدلة نفسه، ومحول الطاقة، ومستشعرات موضع الدوار، ووحدة تحكم، كما هو موضح في الشكل 5.
يتضمن الهيكل الرئيسي لمحرك SRM الجزء الثابت، والدوار، ومستشعرات الموضع، والمحامل الأمامية والخلفية، وأغطية الأطراف الأمامية والخلفية، وغلاف المحرك، كما هو موضح في الشكل 6. يتألف الجزء الثابت من قلب الجزء الثابت واللفات.
1- غطاء الواجهة الأمامي
2- محمل الواجهة الأمامية
3- الدوار
4- عمود المحرك
5- الجزء الثابت
6- مبيت المحرك
7- محمل الطرف الخلفي
8- غطاء الطرف الخلفي
9- مستشعر الموضع
10- غطاء صيانة المستشعر 10 - غطاء الصيانة
11- مروحة تبريد 11- مروحة تبريد
12- غطاء طرف المروحة
ويستخدم كل من قلب الجزء الثابت والدوّار هياكل ذات أقطاب بارزة، ويتكونان من صفائح فولاذية مغلفة من السيليكون. الأقطاب البارزة للجزء الثابت مزودة بملفات، بينما لا يحتوي الدوار على لفات أو مغناطيس دائم.
يشير الهيكل ثلاثي الأطوار 6/4 أقطاب إلى أن الجزء الثابت للمحرك يحتوي على ستة أقطاب بارزة، والدوّار يحتوي على أربعة أقطاب بارزة. يتم توصيل اللفات المركزة على قطبين بارزين متماثلين من الجزء الثابت على التوالي لتكوين طور، وعدد الأطوار يساوي عدد الأقطاب البارزة للجزء الثابت مقسومًا على اثنين، كما هو موضح في الشكل 7 (أ).
يشير الهيكل ثلاثي الأطوار 12/8 قطبًا إلى أن الجزء الثابت للمحرك يحتوي على اثني عشر قطبًا بارزًا، والدوّار يحتوي على ثمانية أقطاب بارزة. يتم توصيل اللفات على أربعة أقطاب بارزة متماثلة للجزء الثابت على التوالي لتكوين طور، وعدد الأطوار يساوي عدد الأقطاب البارزة للجزء الثابت مقسومًا على أربعة، كما هو موضح في الشكل 7 (ب).
وكلما زاد عدد مراحل محرك التردد التبديلي كلما كانت زاوية التدرج أصغر، وكلما كان التشغيل أكثر سلاسة، وكلما كان من الأفضل تقليل تموج عزم الدوران. ومع ذلك، يصبح التحكم أكثر تعقيدًا، مما يؤدي إلى زيادة عدد أجهزة التحويل الرئيسية والتكاليف.
توضِّح المعادلة (2) حساب زاوية الانحدار:
α = 360 درجة × (عدد أقطاب الجزء الثابت - عدد أقطاب الجزء الدوار) / (عدد أقطاب الجزء الثابت)
على سبيل المثال، بالنسبة لمحرك ثلاثي الأطوار ذي 6/4 أقطاب، فإن زاوية الانطلاق α = 360 درجة × 2/(6×4) = 30 درجة.
(1) مبدأ تشغيل المحرك لمحرك التردد المبدّل
كما هو موضح في الرسم البياني لمبدأ العمل لآلة تصريف التيار الكهربائي ثلاثية الأطوار 12/8 قطب في الشكل 8، عندما يتحكم تيار لف الطور A في المفتاح الرئيسي S1، S2 للإغلاق، يتم تنشيط ومغنطة الطور A.
تشكل قوة المجال المغناطيسي المتولدة داخل المحرك مجالاً مغناطيسياً شعاعياً مع OA كمحور. تنحني خطوط القوة المغناطيسية لهذا المجال المغناطيسي حيث تمر عبر الفجوة الهوائية بين القطبين البارزين للجزء الثابت والقطبين البارزين للدوار.
في هذا الوقت، تكون الممانعة المغناطيسية للدائرة المغناطيسية أكبر مما تكون عليه عندما يتطابق القطب البارز للجزء الثابت والقطب البارز للدوّار. ومن ثَمَّ، يتأثر القطب البارز الدوَّار بالسحب المغناطيسي الذي يجعل محور القطب الدوَّار Oa يتطابق مع محور القطب الثابت OA.
هذا يولد عزم دوران كهرومغناطيسي لخاصية الممانعة المغناطيسية، مما يجعل الدوار يبدأ في الدوران عكس اتجاه عقارب الساعة. عند إيقاف تشغيل تيار الطور A وإيقاف تشغيل مصدر الطاقة في الطور B، يدور المجال المغناطيسي داخل المحرك 30 درجة.
يدور الدوّار بعد ذلك 15 درجة إضافية عكس اتجاه عقارب الساعة تحت تأثير السحب الكهرومغناطيسي. إذا تم تزويد الطاقة بالتتابع إلى لفات الطور A-B-C-A، فسوف يدور الدوار باستمرار عكس اتجاه عقارب الساعة.
عندما يتم تنشيط لفات الجزء الثابت في كل مرحلة بالتناوب، يدور المجال المغناطيسي للجزء الثابت 3×30 درجة، ويدور الدوّار بزاوية قطب دوّار 3×15 درجة (أي 360 درجة/عدد الأقطاب البارزة للدوّار).
إذا تم إمداد الطاقة بالتتابع إلى اللفات الطورية A-C-B-A، فسوف يدور الدوار في اتجاه عقارب الساعة. لا يرتبط اتجاه دوران محرك الممانعة التبديلية باتجاه التيار ولكن يتم تحديده من خلال تسلسل تشغيل الطاقة لملفات طور الجزء الثابت.
في التشغيل الفعلي للمحركات متعددة الأطوار، من الشائع أيضًا أن يتم تنشيط لفتي طور أو أكثر في وقت واحد.
(2) مبدأ تشغيل مولد الممانعة التبديلية
تتضمن حالة عمل مولد الممانعة التبديلية ثلاث حالات: حالة الإثارة، وحالة الاستمرار، وحالة توليد الطاقة، كما يتضح من الشكل الموجي لمحرك الطور L في الشكل 10.
في الشكل 9، تُعرّف الزاوية θ بأنها الزاوية المحصورة بين محور عمود سن الدوّار ومحور فتحة سن الجزء الثابت. عندما يحاذي محور عمود سن الدوّار محور فتحة سن الجزء الثابت المقابل له، يكون الحث الطوري عند الحد الأدنى (يُعرّف بأنه θ=0°). ويظل معامل الحث الطوري للملف ثابتًا عند Lmin حتى تلتقي الحافة الأمامية لقطب الدوّار مع الحافة الخلفية لقطب الجزء الثابت (θ=θθ1).
بينما يستمر الدوّار في الدوران ويبدأ قطب الدوّار في التداخل مع قطب الجزء الثابت، حتى تتحاذى الحافة الخلفية لقطب الدوّار والحافة الخلفية لقطب الجزء الثابت بالكامل (في هذا الوقت، θ=θ2)، يزداد محاثة طور اللف خطيًا داخل هذه المنطقة، ليصل إلى أقصى حد Lmax.
عندما يستمر الدوّار في الدوران بحيث تحاذي الحافة الأمامية لقطب الدوّار الحافة الأمامية لقطب الجزء الثابت (في هذا الوقت، θ=θ4)، يظل معامل الحث الطوري عند Lmax.
ووفقًا للنظرية الأساسية للمجال الكهرومغناطيسي، فإن وجود المجال المغناطيسي يكون مصحوبًا بعزم الدوران الكهرومغناطيسي لدوار المحرك، والذي يمكن تمثيله بالمعادلة (3).
إذا تم تشغيل لفات محرك الممانعة التبديلية وإيقاف تشغيلها بين θ3 و θ4، فإن المحرك يعمل كمولد. في هذا الوقت، يتشكل تيار في منطقة الحث المتناقص، وبالتالي dL/dθ<0.
إذا كان التيار يمر عبر اللفات الطورية في هذا الوقت، يتم توليد عزم دوران كبح (T(θ، i)<0). إذا حافظت قوة ميكانيكية خارجية على دوران المحرك، يمتص المحرك الطاقة الميكانيكية ويحولها إلى خرج كهربائي، مما يشير إلى أن محرك الممانعة التبديلية يعمل في وضع المولد.
وتتمثل مزايا محركات التردد التبادلي في هيكلها البسيط والموثوق به، وأداء بدء التشغيل الجيد، والكفاءة العالية، والتكلفة المنخفضة. وهي توفر مجموعة واسعة من إمكانيات التحكم في السرعة من خلال تغيير التوصيل وزوايا الإغلاق والجهد. ومع ذلك، تشمل العيوب تموج عزم الدوران الكبير والضوضاء العالية.
تُستخدم حالياً في بعض المركبات الصغيرة التي تعمل بالكهرباء، مثل الدراجات البخارية الكهربائية رباعية الدفع وسيارات الدوريات.
نظراً لخصائص الأداء المتميزة التي تتطلبها محركات الدفع في سيارات الطاقة الجديدة، يختلف نوع محرك الدفع الذي يتم اختياره باختلاف الطرازات في السوق.
توضح هذه المقالة هيكل ومبادئ عمل محركات الطاقة الجديدة شائعة الاستخدام مثل المحركات غير المتزامنة ذات التيار المتردد، والمحركات المتزامنة المغناطيسية الدائمة، ومحركات التردد التبادلي. ستساعد هذه المعلومات في فهم أفضل لهذه المحركات الدافعة.
علاوة على ذلك، يختلف هيكل ومبادئ كل نوع من أنواع المحركات، مما يؤدي إلى مجموعة واسعة من التطبيقات. ووفقًا للتخطيط الاستراتيجي الصناعي الوطني، سيستمر التوسع في الأبحاث التي تركز على أنظمة القيادة الكهربائية لمركبات الطاقة الجديدة الصديقة للبيئة. وبالتالي، فإن التنوع والمستوى التكنولوجي للمحركات سيستمر أيضًا في التقدم.