محركات بومبا 60 كيلوواط PMSM للقيادة في المركبات الكهربائية PML60

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

في مجالات الأتمتة الصناعية، ومركبات الطاقة الجديدة، والروبوتات المتطورة، برزت المحركات التزامنية ذات المغناطيس الدائم (PMSM) كخيار أساسي لأنظمة القيادة نظرًا لكفاءتها العالية، وحجمها الصغير، وخصائص استجابتها الديناميكية المتميزة. تقدم هذه المقالة تحليلًا شاملًا لهذه التقنية الميكانيكية الهامة من جوانب متعددة، بما في ذلك تعريفها، ومبادئ عملها، وتصميمها الهيكلي، ومنطق التحكم فيها، ومزاياها وعيوبها، ومقارنتها بمحركات التيار المستمر عديمة الفرش ذات التردد المتغير.

أولاً: تعريف وخصائص PMSM الأساسية

المحرك التزامني ذو المغناطيس الدائم هو محرك تزامني ثلاثي الأطوار يعمل بالتيار المتردد. وتكمن ميزته الأساسية في أن الدوار لا يحتاج إلى ملفات إثارة؛ بل يقوم بتوليد مجال مغناطيسي ثابت مباشرة من خلال مغناطيسات دائمة (مثل النيوديميوم-الحديد-البورون، والساماريوم-الكوبالت)، والتي تعمل بشكل متزامن مع المجال المغناطيسي الدوار الناتج عن ملفات الجزء الثابت.

بالمقارنة مع المحركات الحثية التقليدية، تتميز محركات المغناطيس الدائم المتزامنة (PMSMs) بمزايا كبيرة:

​● كفاءة عالية: لا يتكبد الدوار أي خسائر في الإثارة (خسائر النحاس ضئيلة)، مما ينتج عنه كثافة طاقة أعلى بنسبة تزيد عن 30٪ من كثافة الطاقة في المحركات الحثية.

​● استجابة ديناميكية عالية: قادرة على توفير عزم دوران كامل عند سرعة صفر، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب عمليات بدء وإيقاف متكررة.

​● ضوضاء منخفضة وعزم دوران سلس: تم تصميمه بقوة دافعة كهربائية عكسية جيبية (EMF)، ويعمل بأقل قدر من الاهتزاز.

​● معامل قدرة عالٍ: يتم توفير المجال المغناطيسي للدوار بواسطة مغناطيسات دائمة، مما يلغي مكون الإثارة في تيار الجزء الثابت. ونتيجة لذلك، يقترب معامل قدرة النظام من 1.

(PMSM)

ثانياً: مبدأ عمل المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم

يعتمد تشغيل المحرك المتزامن ذي المغناطيس الدائم على آلية "مزامنة المجال المغناطيسي بين الجزء الثابت والجزء الدوار"، والتي تتم على النحو التالي:

1. توليد المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت: عند تطبيق تيار متردد ثلاثي الأطوار على ملفات الجزء الثابت ثلاثية الأطوار، يتولد مجال مغناطيسي دوار في الفجوة الهوائية، يدور بسرعة متزامنة ns=60f/p

(حيث f هو تردد مصدر الطاقة و p هو عدد أزواج الأقطاب).

2. تزامن المجال المغناطيسي للدوار: يتفاعل المجال المغناطيسي الناتج عن المغناطيس الدائم للدوار مع المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت، مما ينتج عنه عزم دوران كهرومغناطيسي يدفع الدوار للدوران بالسرعة المتزامنة بما يتماشى مع مجال الجزء الثابت.

3. خاصية عدم بدء التشغيل الذاتي: نظرًا لعدم معرفة موضع الدوار الابتدائي وعدم القدرة على توليد عزم بدء التشغيل ذاتيًا، تتطلب محركات المغناطيس الدائم المتزامنة التنسيق مع عاكس (يوفر طاقة متغيرة التردد) لتحقيق بدء تشغيل سلس. يبدأ التشغيل الطبيعي فقط بعد أن تصل السرعة إلى عتبة معينة.

ثالثًا: البنية الأساسية للمحرك المتزامن ذي المغناطيس الدائم: الجزء الثابت والجزء الدوار

إن بنية المحرك المتزامن ذي المغناطيس الدائم تشبه بنية المحرك المتزامن التقليدي، لكن تصميم الدوار هو العامل الرئيسي الذي يميزه، ويؤثر بشكل مباشر على الأداء وسيناريوهات التطبيق.

1. الجزء الثابت: محور تحويل الطاقة

يتشابه هيكل الجزء الثابت إلى حد كبير مع هيكل محركات الحث التيار المتردد، ويتكون أساسًا من قلب حديدي وملفات ثلاثية الطور:

​● قلب حديدي: مصنوع من صفائح فولاذية سيليكونية مصفحة لتقليل خسائر التيارات الدوامية.

● اللفائف: يتم توزيع اللفائف ثلاثية الأطوار بشكل جيبي في فتحات الجزء الثابت. عند تنشيطها، فإنها تولد قوة دافعة كهربائية عكسية شبه جيبية، مما يضمن أن يكون تيار الخرج والجهد متوافقين في الطور (مما يعزز معامل القدرة).

2. الدوّار: القلب المدفوع بمغناطيس دائم

يفتقر الدوار إلى ملفات الإثارة، ويولد مجاله المغناطيسي عبر مغناطيسات دائمة. ويُصنف إلى نوعين بناءً على طريقة تركيب المغناطيس الدائم:

​● المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم المثبت على السطح (SPM): تُثبّت المغناطيسات الدائمة على سطح الدوّار وتُغطّى بغلاف واقٍ (مثل ألياف الكربون) لمنع التلف الناتج عن الطرد المركزي. تتميز محركات SPM بكثافة تدفق مغناطيسي عالية في الفجوة الهوائية، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الحساسة للحجم والوزن (مثل محركات الطائرات المسيّرة).

​● المحرك التزامني ذو المغناطيس الدائم الداخلي (IPM): تُدمج المغناطيسات الدائمة داخل الدوار (على سبيل المثال، في فتحات على شكل حرف V أو U). ومن خلال الاستفادة من عزم الممانعة (عزم إضافي ناتج عن الدائرة المغناطيسية غير المتماثلة لقلب الدوار)، تُحسّن محركات IPM من قدرة الإخراج. وبفضل كفاءتها العالية وقدرتها الأكبر على تحمل الأحمال الزائدة، تُستخدم محركات IPM على نطاق واسع في أنظمة قيادة المركبات الكهربائية.

(محرك السيارة الكهربائية)

رابعًا: مبدأ التحكم في المحرك المتزامن ذي المغناطيس الدائم: التحكم الاتجاهي والتقنيات الرقمية

لتحقيق تحكم دقيق للغاية في السرعة وعزم الدوران، تعتمد المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSMs) على تقنية التحكم الاتجاهي (التحكم الموجه للمجال، FOC). وتتمثل فكرتها الأساسية في تحويل كميات التيار المتردد ثلاثي الأطوار إلى كميات تيار مستمر (محور dq) في نظام إحداثيات دوار عبر تحويل الإحداثيات، مما يتيح التحكم المستقل في التدفق وعزم الدوران.

الخطوات الرئيسية في عملية التحكم:

1. اكتشاف الموضع: الحصول في الوقت الحقيقي على موضع الدوار وسرعته باستخدام جهاز تشفير أو محلل، مما يوفر مرجعًا زاويًا لتحويل الإحداثيات.

2. أخذ عينات التيار وتحويله: جمع تيارات الجزء الثابت ثلاثية الأطوار، والتي يتم تحويلها إلى تيارات محور dq (تتحكم في عزم الدوران) عبر تحويل كلارك / بارك.

3. حساب DSP وتعديل PWM: يقوم معالج الإشارات الرقمية (DSP) بحساب القيم المرجعية لتيارات المحور dq بناءً على عزم الدوران والسرعة المستهدفين، ثم يقوم بتوليد إشارات محرك العاكس عبر تعديل عرض النبضة لمتجه الفضاء (SVPWM) لتنظيم جهد وتردد الجزء الثابت.

المزايا التقنية: يفصل التحكم الاتجاهي بين التدفق وعزم الدوران، مما يقلل زمن الاستجابة الديناميكية إلى أجزاء من الثانية ويتيح إخراج عزم دوران كامل عند سرعة صفرية. مع ذلك، يتطلب ذلك معالجات إشارة رقمية أو وحدات تحكم دقيقة عالية الأداء، مما يزيد من تعقيد النظام.

خامساً: مزايا وعيوب نظام إدارة الطاقة المتزامنة

سادساً: مقارنة بين محرك التيار المستمر ذي المغناطيس الدائم (PMSM) ومحرك التيار المستمر بدون فرش (BLDC) ذي التردد المتغير: الروابط التقنية واختلافات التطبيقات

تعتمد كل من محركات المغناطيس الدائم المتزامن (PMSMs) ومحركات التيار المستمر عديمة الفرش ذات التردد المتغير (BLDC) على المغناطيس الدائم والتبديل الإلكتروني، لكنها تختلف في موضع التطبيق:

​● محرك التيار المستمر بدون فرش: يركز على التكلفة المنخفضة والتحكم البسيط، باستخدام محرك الموجة المربعة (القوة الدافعة الكهربائية العكسية شبه المنحرفة). وهو مناسب للتطبيقات ذات متطلبات الدقة المنخفضة، مثل المراوح ومضخات المياه.

​● المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM): يتميز بالدقة العالية والأداء المتميز، حيث يستخدم محركًا جيبيًا (قوة دافعة كهربائية عكسية جيبية) ويدعم التحكم الاتجاهي. ويُستخدم على نطاق واسع في المجالات المتطورة مثل الروبوتات الصناعية والمركبات الكهربائية.

خاتمة

بفضل كفاءتها العالية، وحجمها الصغير، واستجابتها الديناميكية الفائقة، أصبحت المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم بمثابة "العمود الفقري" للطاقة في القطاعات الصناعية وقطاعات الطاقة الجديدة. ورغم التحديات المتعلقة بالتكلفة وتعقيد التحكم، فإن التطورات في مواد المغناطيس الدائم (مثل مغناطيس الساماريوم-الحديد-النيتروجين منخفض التكلفة) وتقنيات التحكم الرقمي ستوسع نطاق تطبيقاتها. وفي المستقبل، ستواصل هذه المحركات لعب دور محوري في مجالات متطورة كالتصنيع الذكي والقيادة الذاتية.