محركات بومبا 350 كيلوواط PMSM للمركبات الكهربائية PML350

1. محرك سلك مسطح
• يتغير شكل لف المحرك تدريجيًا من سلك دائري إلى سلك مسطح، مع معدل تعبئة عالٍ للفتحات، ونهايات قصيرة، وكثافة طاقة عالية، وقدرة قوية على تبديد الحرارة

2. تصميم عزل الجهد العالي
• يعتمد المحرك على مواد وعمليات عزل جديدة لتلبية متطلبات تردد التبديل العالي لوحدات التحكم المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) للمحركات ذات السرعة العالية بشكل متزايد.

•3. محامل معزولة عالية السرعة وذات قدرة تحمل عالية
يستخدم تصميم المحرك محامل معزولة، مما يلبي متطلبات التصميم التي تصل إلى 24000 دورة في الدقيقة؛ كما أنه يمنع بشكل فعال حدوث التآكل الكهربائي للمحامل.

4. محرك مبرد بالزيت
• يعتمد المحرك على هيكل تبريد زيتي عالي السرعة، مما يقلل بشكل فعال من القدرة المقدرة بعد تقليل الحجم، الأمر الذي لا يحسن الكفاءة فحسب، بل يحسن أيضًا من عمر النظام.

5. أداء ممتاز في مجال الضوضاء والاهتزازات
• يعتمد دوار المحرك على بنية قطب مائلة مجزأة، مما يحسن بشكل فعال من مستوى الضوضاء والاهتزاز والخشونة لنظام المحرك

يُعدّ المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM) محركًا مغناطيسيًا دائمًا يُستخدم على نطاق واسع في المركبات الكهربائية. وبفضل كفاءته التي تفوق كفاءة المحركات الحثية بنسبة 15%، وكثافة طاقته العالية بين محركات الجر، فقد أصبح حجر الزاوية في أنظمة الدفع الحديثة للمركبات الكهربائية.

1. ما هو المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM)؟

يُعدّ المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM) نوعًا من المحركات المتزامنة للتيار المتردد، حيث يُولّد مجاله المغناطيسي عبر مغناطيسات دائمة تُنتج قوى دافعة كهربائية معاكسة جيبية الشكل. ورغم تشابهه في بنية الجزء الثابت والدوار مع المحركات الحثية، إلا أن دوار المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم يستخدم مغناطيسات دائمة بدلًا من ملفات المجال لتوليد مجاله المغناطيسي، مما أكسبه الاسم البديل "محرك الموجة الجيبية ثلاثي الأطوار عديم الفرش ذو المغناطيس الدائم".
بالمقارنة مع المحركات التقليدية، تتفوق محركات المغناطيس الدائم المتزامنة (PMSM) في الكفاءة، والتصميم بدون فرش، وسرعة الدوران العالية، والسلامة، والأداء الديناميكي. فهي توفر عزم دوران سلسًا مع ضوضاء منخفضة، مما يجعلها مثالية للتطبيقات عالية السرعة مثل الروبوتات. وباعتبارها محركات متزامنة ثلاثية الأطوار تعمل بالتيار المتردد، فإنها تعمل بالتزامن مع مصادر الطاقة الخارجية للتيار المتردد.

تفتقر المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM) إلى ملفات دوارة؛ فبدلاً من ذلك، تولد المغناطيسات الدائمة المجال المغناطيسي الدوار مباشرةً. وهذا يلغي الحاجة إلى الإثارة بالتيار المستمر، مما يبسط بنيتها ويقلل تكلفتها. تشمل مكوناتها الأساسية الجزء الثابت (بملفات ثلاثية الأطوار) والجزء الدوار (بمغناطيسات دائمة). ويبدأ تشغيل المحرك بتزويد الجزء الثابت بتيار متردد ثلاثي الأطوار.

يعمل المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM) بنفس طريقة عمل المحركات التزامنية، حيث يعتمد على مجال مغناطيسي دوار (RMF) لتوليد قوة دافعة كهربائية بسرعة تزامنية. عند تطبيق تيار متردد ثلاثي الأطوار على ملفات الجزء الثابت، يتشكل مجال مغناطيسي دوار في الفجوة الهوائية. ومع دوران المغناطيسات الدائمة في الجزء الدوار بشكل متزامن مع هذا المجال، يتولد عزم الدوران. تجدر الإشارة إلى أن محركات PMSM لا تبدأ التشغيل ذاتيًا، وتتطلب مصدر طاقة بتردد متغير للتشغيل.

2. بنية محركات PMSM

الجزء الثابت: على غرار محركات الحث التقليدية ذات التيار المتردد، يتلقى الجزء الثابت في محرك المغناطيس الدائم المتزامن الطاقة عبر ملفاته. وعادةً ما تُوزع هذه الملفات على عدة فتحات بنمط شبه جيبي لإنتاج موجة قوة دافعة كهربائية عكسية جيبية الشكل.

الدوار: يُميّز تصميم الدوّار محركات المغناطيس الدائم المتزامنة (PMSM) عن المحركات التزامنية الأساسية. فبدلاً من ملفات المجال، يستخدم الدوّار مغناطيسات دائمة لتوليد أقطابه المغناطيسية. تشمل المواد الشائعة المستخدمة في صناعة المغناطيس الدائم الساماريوم-كوبالت والنيوديميوم-حديد-بورون (NdFeB) نظرًا لنفاذيتها المغناطيسية العالية وفعاليتها من حيث التكلفة. تُصنّف محركات المغناطيس الدائم المتزامنة (PMSM) حسب موضع المغناطيس الدائم.

·محرك متزامن مغناطيسي دائم مثبت على السطح (SPM): يتم ربط المغناطيسات الدائمة بسطح الدوار.

• المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم الداخلي (IPM): يتم تضمين المغناطيس الدائم داخل الدوار. توفر تصميمات IPM كفاءة أعلى بكثير.

(PMSM)

3. مبادئ التحكم في المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم

تستخدم محركات PMSM تقنية التحكم الاتجاهي الكلاسيكية، مما يتيح التحكم في السرعة بنظام الحلقة المغلقة لتحقيق تنظيم دقيق. يستخدم نظام الحلقة المغلقة بيانات السرعة لتتبع موضع الدوار في الوقت الفعلي، مما يدعم تنظيم السرعة بسلاسة تامة، بما في ذلك عزم الدوران الكامل عند سرعة صفرية.

يُركّب مستشعر موضع (مثل جهاز التشفير أو المحلل) على عمود الدوّار للكشف عن موضع الدوّار. وباستخدام معلمات المحرك وقياسات التيار (التي تتم معالجتها بواسطة معالج الإشارات الرقمية عالي السرعة)، يحسب نظام القيادة موضع الدوّار. خلال كل فترة أخذ عينات، يُحوّل نظام التيار المتردد ثلاثي الأطوار إلى نظام إحداثيات ثنائي دوّار، حيث تُحلّل التيارات إلى مركبتين: مركبة مباشرة (d) ومركبة تربيعية (q) للتحكم المستقل.

يعتمد المحرك على استراتيجيات التحكم الاتجاهي، حيث يُولّد مُركّبات تيار مرجعية (dq) مُتوافقة مع عزم الدوران المُستهدف. تُستخدم هذه المراجع بعد ذلك لإنتاج إشارات تشغيل البوابة للعكس. من أهم مزاياه استجابته الديناميكية السريعة: إذ تُدار تأثيرات الاقتران بين عزم الدوران والتدفق المغناطيسي عبر التحكم في فصل الاقتران (توجيه تدفق الجزء الثابت)، مما يُتيح تنظيمًا مُستقلًا لعزم الدوران والتدفق المغناطيسي. مع ذلك، يتطلب هذا التعقيد الحسابي العالي استخدام مُعالج سريع أو مُعالج إشارات رقمية (DSP).

4. مزايا وعيوب نظام إدارة الأداء المتزامن

المزايا:

• قدرة عالية على التحميل الزائد؛ كثافة الطاقة تتجاوز بكثير كثافة الطاقة في المحركات الحثية.

·كفاءة أعلى (أفضل بنسبة 15٪ من المحركات الحثية) وحجم أصغر (ثلث حجم المحركات التقليدية)، مما يبسط عملية التركيب والصيانة.

يوفر عزم دوران كامل عند السرعات المنخفضة.

·فقدان ضئيل للنحاس في الدوار (لا يوجد إثارة للمجال عبر تيار الجزء الثابت)، مما يقلل من توليد الحرارة ويطيل العمر الافتراضي.

·التصميم بدون فرش يلغي الحاجة إلى المبدلات الميكانيكية، مما يقلل الاحتكاك والتآكل وتكاليف الصيانة مع تجنب مخاطر الشرارة في البيئات القاسية.

يعمل معامل القدرة العالي على تحسين كفاءة النظام ككل ويقلل من جهد الخط/الجهد المنخفض.

عزم دوران سلس مع أداء ديناميكي ممتاز.

العيوب:

•تكلفة أعلى مقارنة بالمحركات الحثية.

•غير ذاتية التشغيل؛ تتطلب مصادر طاقة متغيرة التردد للتشغيل.

·هناك حاجة إلى أنظمة تحكم معقدة لإدارة تيارات الجزء الثابت.

(المحرك قيد التشغيل)

خاتمة

برز المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM) كتقنية أساسية في أنظمة قيادة المركبات الكهربائية، مدفوعًا بكفاءته العالية، وكثافة طاقته العالية، وأدائه الديناميكي المتميز. وبفضل الاستغناء عن ملفات المجال والفرش من خلال الإثارة بالمغناطيس الدائم، يقلل المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم من الفاقد ويعزز الموثوقية. في الوقت نفسه، تتيح تقنية التحكم الاتجاهي تنظيمًا مستقلًا لعزم الدوران والتدفق المغناطيسي، مما يوفر ميزات رئيسية مثل عزم الدوران الكامل عند سرعة صفرية والاستجابة السريعة.

على الرغم من التحديات التي تواجهها المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSMs) - كارتفاع التكاليف، وعدم الحاجة إلى التشغيل الذاتي، وأنظمة التحكم المعقدة - إلا أن هيمنتها في السيارات الكهربائية لا تزال راسخة. فكفاءتها (أفضل بنسبة 15% من المحركات الحثية)، وحجمها الصغير (ثلث حجم المحركات التقليدية)، وقدرتها على الاحتفاظ بعزم الدوران عند السرعات المنخفضة، تجعلها ضرورية للسيارات الكهربائية عالية الأداء وذات المدى الطويل.

مع ازدياد استخدام مواد العناصر الأرضية النادرة (مثل NdFeB N52)، وخوارزميات التحكم المدعومة بالذكاء الاصطناعي (مثل التحكم التنبؤي بالنموذج)، ومنصات الجهد العالي 800 فولت، ستواصل محركات المغناطيس الدائم المتزامنة (PMSMs) تطورها، مما يُحسّن التكلفة والأداء والاستدامة. وبالنظر إلى المستقبل، ستعزز هذه المحركات دورها كـ"قلب الطاقة" للسيارات الكهربائية، دافعةً الابتكار في الصناعة وداعمةً لأهداف الحياد الكربوني العالمي.