مزايا وصعوبات وتطورات جديدة في محركات التدفق المحوري

بالمقارنة مع محركات التدفق الشعاعي، تتمتع محركات التدفق المحوري بمزايا عديدة في تصميم المركبات الكهربائية. على سبيل المثال، يُمكن لمحركات التدفق المحوري تغيير تصميم نظام الدفع بنقل المحرك من المحور إلى داخل العجلات.

1. محور القوة

محركات التدفق المحوريتحظى هذه المحركات باهتمام متزايد (وتكتسب زخمًا متزايدًا). ​​لسنوات عديدة، استُخدم هذا النوع من المحركات في التطبيقات الثابتة مثل المصاعد والآلات الزراعية، ولكن على مدار العقد الماضي، عمل العديد من المطورين على تحسين هذه التقنية وتطبيقها على الدراجات النارية الكهربائية، وعربات المطارات، وشاحنات الشحن، والمركبات الكهربائية، وحتى الطائرات.

تستخدم محركات التدفق الشعاعي التقليدية مغناطيسات دائمة أو محركات حثية، وقد حققت تقدمًا ملحوظًا في تحسين الوزن والتكلفة. ومع ذلك، تواجه هذه المحركات صعوبات عديدة في مواصلة تطويرها. قد يكون محرك التدفق المحوري، وهو نوع مختلف تمامًا، بديلًا جيدًا.

بالمقارنة مع المحركات الشعاعية، فإن مساحة السطح المغناطيسي الفعالة لمحركات المغناطيس الدائم ذات التدفق المحوري هي سطح دوار المحرك، وليس القطر الخارجي. لذلك، في حجم معين من المحرك، عادةً ما توفر محركات المغناطيس الدائم ذات التدفق المحوري عزم دوران أكبر.

محركات التدفق المحوريأكثر إحكامًا؛ مقارنةً بالمحركات الشعاعية، يكون الطول المحوري للمحرك أقصر بكثير. بالنسبة لمحركات العجلات الداخلية، يُعد هذا عاملًا حاسمًا. يضمن الهيكل المدمج للمحركات المحورية كثافة طاقة وعزم دوران أعلى من المحركات الشعاعية المماثلة، مما يُغني عن الحاجة إلى سرعات تشغيل عالية جدًا.

كفاءة محركات التدفق المحوري عالية جدًا، تتجاوز عادةً 96%. ويعود ذلك إلى مسار التدفق الأقصر والأحادي البعد، والذي يُضاهي، بل ويفوق، كفاءة أفضل محركات التدفق الشعاعي ثنائية الأبعاد المتوفرة في السوق.

طول المحرك أقصر، عادةً من 5 إلى 8 مرات، كما انخفض وزنه بمقدار مرتين إلى خمس مرات. هذان العاملان غيّرا اختيارات مصممي منصات المركبات الكهربائية.

2. تقنية التدفق المحوري

هناك نوعان رئيسيان من الطوبولوجيات لـمحركات التدفق المحوري:الدوار المزدوج أحادي الجزء الثابت (يشار إليها أحيانًا باسم الآلات ذات النمط الحلقي) والدوار المفرد ثنائي الجزء الثابت.

حاليًا، تستخدم معظم محركات المغناطيس الدائم طوبولوجيا التدفق الشعاعي. تبدأ دائرة التدفق المغناطيسي بمغناطيس دائم على الدوار، وتمر عبر السن الأولى في الجزء الثابت، ثم تتدفق شعاعيًا على طول الجزء الثابت. ثم تمر عبر السن الثانية لتصل إلى الفولاذ المغناطيسي الثاني على الدوار. في طوبولوجيا التدفق المحوري ثنائي الدوار، تبدأ حلقة التدفق من المغناطيس الأول، وتمر محوريًا عبر أسنان الجزء الثابت، وتصل مباشرةً إلى المغناطيس الثاني.

وهذا يعني أن مسار التدفق أقصر بكثير من مسار محركات التدفق الشعاعي، مما يؤدي إلى أحجام أصغر للمحرك وكثافة طاقة أعلى وكفاءة بنفس الطاقة.

محرك شعاعي، حيث يمر التدفق المغناطيسي عبر السن الأول، ثم يعود إلى السن التالي عبر الجزء الثابت، ليصل إلى المغناطيس. يتبع التدفق المغناطيسي مسارًا ثنائي الأبعاد.

مسار التدفق المغناطيسي لآلة التدفق المغناطيسي المحوري أحادي البعد، لذا يُمكن استخدام الفولاذ الكهربائي المُوجَّه للحبيبات. يُسهِّل هذا الفولاذ مرور التدفق، مما يُحسِّن الكفاءة.

تستخدم محركات التدفق الشعاعي تقليديًا لفات موزعة، مع تعطل ما يصل إلى نصف أطراف اللفات. سيؤدي بروز الملف إلى زيادة الوزن والتكلفة والمقاومة الكهربائية وفقدان الحرارة، مما يدفع المصممين إلى تحسين تصميم اللفات.

نهايات الملفمحركات التدفق المحوريأقل بكثير، وتستخدم بعض التصاميم لفات مركزة أو مجزأة، وهي فعالة تمامًا. في الآلات الشعاعية ذات الجزء الثابت المجزأ، قد يؤدي تمزق مسار التدفق المغناطيسي في الجزء الثابت إلى خسائر إضافية، ولكن في محركات التدفق المحوري، لا تُمثل هذه مشكلة. يُعد تصميم لفات الملف مفتاح التمييز بين الموردين.

3. التطوير

تواجه محركات التدفق المحوري تحديات كبيرة في التصميم والإنتاج، فرغم مزاياها التكنولوجية، إلا أن تكلفتها أعلى بكثير من تكاليف المحركات الشعاعية. يتمتع الناس بفهم شامل للمحركات الشعاعية، كما أن طرق التصنيع والمعدات الميكانيكية متوفرة بسهولة.

من التحديات الرئيسية التي تواجه محركات التدفق المحوري الحفاظ على فجوة هوائية منتظمة بين الدوار والثابت، لأن القوة المغناطيسية أكبر بكثير من تلك الموجودة في المحركات الشعاعية، مما يجعل الحفاظ على فجوة هوائية منتظمة أمرًا صعبًا. كما يواجه محرك التدفق المحوري ثنائي الدوار مشاكل في تبديد الحرارة، حيث تقع اللفة عميقًا داخل الجزء الثابت وبين قرصي الدوار، مما يجعل تبديد الحرارة أمرًا بالغ الصعوبة.

محركات التدفق المحوري صعبة التصنيع أيضًا لأسباب عديدة. تتغلب الآلة ثنائية الدوار، التي تستخدم آلة ثنائية الدوار مع طوبولوجيا النير (أي إزالة النير الحديدي من الجزء الثابت مع الاحتفاظ بالأسنان الحديدية)، على بعض هذه المشاكل دون زيادة قطر المحرك والمغناطيس.

ومع ذلك، فإن إزالة النير تُطرح تحديات جديدة، مثل كيفية تثبيت الأسنان الفردية ووضعها في موضعها الصحيح دون الحاجة إلى وصلة ميكانيكية بالنير. كما يُمثل التبريد تحديًا أكبر.

من الصعب أيضًا إنتاج الدوار والحفاظ على الفجوة الهوائية، لأن قرص الدوار يجذبه. تكمن ميزة ذلك في أن أقراص الدوار متصلة مباشرةً عبر حلقة عمود، مما يُلغي تأثير القوى. هذا يعني أن المحمل الداخلي لا يتحمل هذه القوى، ووظيفته الوحيدة هي إبقاء الجزء الثابت في وضعية وسطى بين قرصي الدوار.

لا تواجه محركات الدوار الواحد ذات العضو الثابت المزدوج تحديات المحركات الدائرية، إلا أن تصميم العضو الثابت أكثر تعقيدًا وصعوبة في أتمتته، كما أن تكاليفه مرتفعة. وعلى عكس أي محرك تدفق شعاعي تقليدي، لم تظهر عمليات تصنيع المحركات المحورية والمعدات الميكانيكية إلا مؤخرًا.

4. تطبيق المركبات الكهربائية

تعتبر الموثوقية أمرًا بالغ الأهمية في صناعة السيارات، وإثبات موثوقية ومتانة المنتجات المختلفةمحركات التدفق المحوريلطالما كان إقناع المصنّعين بملاءمة هذه المحركات للإنتاج الضخم تحديًا. وقد دفع هذا موردي المحركات المحورية إلى إجراء برامج تحقق مكثفة بأنفسهم، حيث أثبت كل مورد أن موثوقية محركاتهم لا تختلف عن محركات التدفق الشعاعي التقليدية.

المكون الوحيد الذي يمكن أن يتآكل فيمحرك التدفق المحوريالمحامل. طول التدفق المغناطيسي المحوري قصير نسبيًا، وموضع المحامل أقرب، وعادةً ما تكون مصممة لتكون ذات أبعاد أكبر قليلًا. لحسن الحظ، يتميز محرك التدفق المحوري بكتلة دوار أصغر، ويمكنه تحمل أحمال دوارة ديناميكية أقل على عمود الدوران. لذلك، تكون القوة الفعلية المطبقة على المحامل أقل بكثير من قوة محرك التدفق الشعاعي.

يُعد المحور الإلكتروني أحد التطبيقات الأولى للمحركات المحورية. إذ يُمكن للعرض الأرق أن يُحيط المحرك وعلبة التروس داخل المحور. في التطبيقات الهجينة، يُؤدي قصر طول المحور للمحرك إلى تقصير الطول الإجمالي لنظام ناقل الحركة.

الخطوة التالية هي تركيب المحرك المحوري على العجلة. بهذه الطريقة، يمكن نقل الطاقة مباشرةً من المحرك إلى العجلات، مما يُحسّن كفاءته. وبفضل الاستغناء عن نواقل الحركة، والتروس التفاضلية، وأعمدة الدفع، انخفض تعقيد النظام.

مع ذلك، يبدو أن التكوينات القياسية لم تظهر بعد. يبحث كل مُصنِّع للمعدات الأصلية عن تكوينات محددة، إذ إن اختلاف أحجام وأشكال المحركات المحورية قد يُغيّر تصميم المركبات الكهربائية. بالمقارنة مع المحركات الشعاعية، تتميز المحركات المحورية بكثافة طاقة أعلى، مما يعني إمكانية استخدام محركات محورية أصغر. وهذا يُتيح خيارات تصميم جديدة لمنصات المركبات، مثل وضع مجموعات البطاريات.

4.1 المحرك المجزأ

يُعدّ تصميم محرك YASA (محرك بدون نير ومُجزّأ) مثالاً على تصميم محرك ثنائي الدوار وثابت واحد، مما يُقلّل من تعقيد التصنيع ويُناسب الإنتاج الآلي بكميات كبيرة. تتميز هذه المحركات بكثافة طاقة تصل إلى 10 كيلوواط/كجم عند سرعات تتراوح بين 2000 و9000 دورة في الدقيقة.

باستخدام وحدة تحكم مخصصة، يُمكنها توفير تيار كهربائي قدره 200 كيلو فولت أمبير للمحرك. تبلغ سعة وحدة التحكم حوالي 5 لترات وتزن 5.8 كيلوغرام، بما في ذلك التحكم الحراري مع تبريد بالزيت العازل، وهي مناسبة لمحركات التدفق المحوري، بالإضافة إلى محركات التدفق الحثية والشعاعية.

يتيح هذا لمُصنّعي المعدات الأصلية للسيارات الكهربائية والمطورين من الطراز الأول اختيار المحرك المناسب بمرونة بناءً على التطبيق والمساحة المتاحة. فالحجم والوزن الأصغر يجعلان السيارة أخف وزنًا وتحتوي على بطاريات أكثر، مما يزيد من مدى القيادة.

5. تطبيق الدراجات النارية الكهربائية

للدراجات النارية الكهربائية ومركبات الدفع الرباعي، طورت بعض الشركات محركات تدفق محورية تعمل بالتيار المتردد. التصميم الشائع لهذا النوع من المركبات هو محركات التدفق المحوري المعتمدة على التيار المستمر، بينما المنتج الجديد هو محرك تيار متردد، مغلق بالكامل، بدون فرش.

تظل ملفات محركات التيار المستمر والتيار المتردد ثابتة، لكن الدوارات المزدوجة تستخدم مغناطيسات دائمة بدلاً من المحركات الدوارة. ميزة هذه الطريقة أنها لا تتطلب عكسًا ميكانيكيًا.

يمكن أيضًا للتصميم المحوري للتيار المتردد استخدام وحدات تحكم قياسية ثلاثية الطور لمحركات التيار المتردد للمحركات الشعاعية. هذا يُسهم في خفض التكاليف، إذ تتحكم وحدة التحكم في تيار عزم الدوران، وليس في السرعة. تتطلب وحدة التحكم ترددًا يبلغ 12 كيلوهرتز أو أعلى، وهو التردد السائد لهذه الأجهزة.

يأتي التردد الأعلى من محاثة اللفات المنخفضة البالغة 20 ميكرومتر. يُمكّن هذا التردد من التحكم في التيار لتقليل تموج التيار وضمان إشارة جيبية سلسة قدر الإمكان. من منظور ديناميكي، تُعد هذه طريقة رائعة لتحقيق تحكم أكثر سلاسة في المحرك من خلال السماح بتغييرات سريعة في عزم الدوران.

يعتمد هذا التصميم على لف مزدوج الطبقة موزع، بحيث يتدفق التدفق المغناطيسي من الدوار إلى دوار آخر عبر الجزء الثابت، بمسار قصير جدًا وكفاءة أعلى.

يكمن سر هذا التصميم في قدرته على العمل بجهد أقصى يبلغ 60 فولت، وهو غير مناسب لأنظمة الجهد العالي. لذلك، يُمكن استخدامه مع الدراجات النارية الكهربائية والمركبات رباعية الدفع من الفئة L7e، مثل رينو تويزي.

يسمح الحد الأقصى للجهد 60 فولت بدمج المحرك في الأنظمة الكهربائية السائدة 48 فولت ويبسط أعمال الصيانة.

تنص مواصفات دراجة L7e رباعية الدفع، الواردة في اللائحة الإطارية الأوروبية 2002/24/EC، على ألا يتجاوز وزن المركبات المستخدمة لنقل البضائع 600 كيلوغرام، باستثناء وزن البطاريات. ويُسمح لهذه المركبات بنقل ما لا يزيد عن 200 كيلوغرام من الركاب، وما لا يزيد عن 1000 كيلوغرام من البضائع، وما لا يزيد عن 15 كيلوواط من قوة المحرك. وتوفر طريقة اللف الموزع عزم دوران يتراوح بين 75 و100 نيوتن متر، مع قدرة خرج قصوى تتراوح بين 20 و25 كيلوواط، وقوة مستمرة تبلغ 15 كيلوواط.

يكمن تحدي التدفق المحوري في كيفية تبديد الحرارة في لفائف النحاس، وهو أمر صعب نظرًا لضرورة مرور الحرارة عبر الدوار. يُعدّ توزيع اللفات حلاً لهذه المشكلة، نظرًا لاحتوائها على عدد كبير من فتحات الأقطاب. وبهذه الطريقة، تتسع مساحة السطح بين النحاس والغطاء، ويمكن نقل الحرارة إلى الخارج وتصريفها بواسطة نظام تبريد سائل قياسي.

يُعد تعدد الأقطاب المغناطيسية أساسيًا لاستخدام أشكال الموجات الجيبية، مما يُساعد على تقليل التوافقيات. تتجلى هذه التوافقيات في تسخين المغناطيسات والنواة، بينما لا تستطيع المكونات النحاسية امتصاص الحرارة. عندما تتراكم الحرارة في المغناطيسات والنوى الحديدية، تنخفض الكفاءة، ولذلك يُعد تحسين شكل الموجة ومسار الحرارة أمرًا بالغ الأهمية لأداء المحرك.

تم تحسين تصميم المحرك لخفض التكاليف وتحقيق إنتاج آلي بكميات كبيرة. لا تتطلب حلقة الغلاف المبثوقة معالجة ميكانيكية معقدة، مما يُقلل من تكاليف المواد. يمكن لفّ الملف مباشرةً، وتُستخدم عملية ربط أثناء عملية اللف للحفاظ على الشكل الصحيح للتجميع.

النقطة الأساسية هي أن الملف مصنوع من سلك قياسي متوفر تجاريًا، بينما يُغلَّف قلب الحديد بفولاذ محولات قياسي جاهز للاستخدام، والذي يحتاج ببساطة إلى تقطيعه. تتطلب تصاميم المحركات الأخرى استخدام مواد مغناطيسية ناعمة في تصفيح القلب، وهو ما قد يكون أكثر تكلفة.

استخدام اللفات الموزعة يُغني عن تقطيع الفولاذ المغناطيسي؛ إذ يُمكن أن تكون أشكاله أبسط وأسهل تصنيعًا. إن تقليل حجم الفولاذ المغناطيسي وضمان سهولة تصنيعه له تأثير كبير على خفض التكاليف.

يمكن أيضًا تخصيص تصميم محرك التدفق المحوري هذا وفقًا لمتطلبات العملاء. طُوِّرت نسخ مخصصة من هذا المحرك بناءً على التصميم الأساسي، ثم صُنعت على خط إنتاج تجريبي للتحقق المبكر من الإنتاج، والذي يمكن تكراره في مصانع أخرى.

التخصيص هو في الأساس لأن أداء السيارة لا يعتمد فقط على تصميم محرك التدفق المغناطيسي المحوري، ولكن أيضًا على جودة هيكل السيارة وحزمة البطارية ونظام إدارة البطاريات (BMS).