مزايا وصعوبات وتطورات جديدة في محركات التدفق المحوري

بالمقارنة مع محركات التدفق الشعاعي، تتمتع محركات التدفق المحوري بالعديد من المزايا في تصميم المركبات الكهربائية. على سبيل المثال، يمكن لمحركات التدفق المحوري تغيير تصميم مجموعة نقل الحركة عن طريق نقل المحرك من المحور إلى داخل العجلات.

1. محور القوة

محركات التدفق المحوريتحظى هذه المحركات باهتمام متزايد (تكتسب زخماً). لسنوات عديدة، استُخدم هذا النوع من المحركات في تطبيقات ثابتة مثل المصاعد والآلات الزراعية، ولكن خلال 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 هذه المحركات تقدماً ملحوظاً في تحسين الوزن والتكلفة. مع ذلك، فهي تواجه العديد من الصعوبات في مواصلة تطويرها. وقد يكون التدفق المحوري، وهو نوع مختلف تماماً من المحركات، بديلاً جيداً.

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

محركات التدفق المحوريتتميز المحركات المحورية بصغر حجمها؛ فمقارنةً بالمحركات الشعاعية، يكون طولها المحوري أقصر بكثير. وهذا عامل حاسم في محركات العجلات الداخلية. يضمن تصميمها المدمج كثافة طاقة وعزم دوران أعلى من المحركات الشعاعية المماثلة، مما يُغني عن الحاجة إلى سرعات تشغيل عالية للغاية.

تتميز محركات التدفق المحوري بكفاءة عالية جدًا، تتجاوز عادةً 96%. ويعود ذلك إلى مسار التدفق الأقصر أحادي البعد، والذي يضاهي أو حتى يفوق في كفاءته أفضل محركات التدفق الشعاعي ثنائية الأبعاد المتوفرة في السوق.

يتميز المحرك بقصر طوله، عادةً من 5 إلى 8 مرات أقصر، كما ينخفض ​​وزنه من 2 إلى 5 مرات. وقد غيّر هذان العاملان خيارات مصممي منصات المركبات الكهربائية.

2. تقنية التدفق المحوري

هناك نوعان رئيسيان من الطوبولوجيا لـمحركات التدفق المحوري: دوار مزدوج ذو ثابت واحد (يشار إليه أحيانًا باسم آلات على شكل حلقة) ودوار مفرد ذو ثابت مزدوج.

تستخدم معظم محركات المغناطيس الدائم حاليًا تقنية التدفق المغناطيسي الشعاعي. تبدأ دائرة التدفق المغناطيسي بمغناطيس دائم على الدوار، وتمر عبر السن الأول على الجزء الثابت، ثم تتدفق شعاعيًا على طول الجزء الثابت. بعد ذلك، تمر عبر السن الثاني لتصل إلى المغناطيس الثاني على الدوار. أما في تقنية التدفق المحوري ذات الدوار المزدوج، فتبدأ حلقة التدفق من المغناطيس الأول، وتمر محوريًا عبر أسنان الجزء الثابت، لتصل مباشرة 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 عند نفس القدرة.

المحرك الشعاعي، حيث يمر التدفق المغناطيسي عبر السن الأول ثم يعود إلى السن التالي عبر الجزء الثابت، ليصل إلى المغناطيس. ويتبع التدفق المغناطيسي مسارًا ثنائي الأبعاد.

مسار التدفق المغناطيسي في آلة التدفق المغناطيسي المحوري أحادي البعد، لذا يمكن استخدام الفولاذ الكهربائي ذي الحبيبات الموجهة. هذا الفولاذ يُسهّل مرور التدفق، مما يُحسّن الكفاءة.

تستخدم محركات التدفق الشعاعي تقليديًا ملفات موزعة، حيث لا يعمل ما يصل إلى نصف أطراف الملف. يؤدي بروز الملف إلى زيادة الوزن والتكلفة والمقاومة الكهربائية وفقدان الحرارة، مما يجبر المصممين على تحسين تصميم الملفات.

نهايات الملفمحركات التدفق المحوريتكون الخسائر أقل بكثير، وتستخدم بعض التصاميم لفائف مركزة أو مجزأة، وهي فعالة تمامًا. في المحركات الشعاعية ذات الجزء الثابت المجزأ، قد يؤدي انقطاع مسار التدفق المغناطيسي في الجزء الثابت إلى خسائر إضافية، ولكن هذا لا يمثل مشكلة في محركات التدفق المحوري. ويُعد تصميم لفائف الملف هو العامل الأساسي في تحديد مستوى الموردين.

3. التطوير

تواجه محركات التدفق المحوري تحديات كبيرة في التصميم والإنتاج، فعلى الرغم من مزاياها التقنية، إلا أن تكلفتها أعلى بكثير من تكلفة المحركات الشعاعية. يتمتع الناس بفهم عميق للمحركات الشعاعية، كما أن أساليب التصنيع والمعدات الميكانيكية متوفرة بسهولة.

يُعدّ الحفاظ على فجوة هوائية منتظمة بين الدوّار والجزء الثابت أحد التحديات الرئيسية لمحركات التدفق المحوري، نظرًا لأن القوة المغناطيسية فيها أكبر بكثير من تلك الموجودة في المحركات الشعاعية، مما يجعل الحفاظ على هذه الفجوة أمرًا صعبًا. كما يُعاني محرك التدفق المحوري ثنائي الدوّار من مشاكل في تبديد الحرارة، حيث يقع الملف في عمق الجزء الثابت وبين قرصي الدوّار، مما يُصعّب عملية تبديد الحرارة.

تُعدّ محركات التدفق المحوري صعبة التصنيع لأسباب عديدة. وتتغلب آلة الدوار المزدوج، التي تستخدم تصميمًا مشابهًا مع بنية النير (أي إزالة النير الحديدي من الجزء الثابت مع الإبقاء على أسنان الحديد)، على بعض هذه المشاكل دون زيادة قطر المحرك أو حجم المغناطيس.

مع ذلك، فإن إزالة النير يطرح تحديات جديدة، مثل كيفية تثبيت وتحديد موضع كل سن على حدة دون وجود وصلة ميكانيكية للنير. كما أن التبريد يمثل تحدياً أكبر.

يُعدّ تصنيع الدوّار والحفاظ على الفجوة الهوائية أمرًا صعبًا، نظرًا لتأثير قرص الدوّار على الدوّار نفسه. تكمن الميزة في أن أقراص الدوّار متصلة مباشرةً عبر حلقة عمود، ما يُلغي القوى المؤثرة على بعضها. هذا يعني أن المحمل الداخلي لا يتحمّل هذه القوى، ووظيفته الوحيدة هي تثبيت الجزء الثابت في المنتصف بين قرصي الدوّار.

لا تواجه محركات الدوار الأحادي ذات العضو الثابت المزدوج تحديات المحركات الدائرية، إلا أن تصميم العضو الثابت فيها أكثر تعقيدًا ويصعب أتمتته، كما أن تكاليفها مرتفعة. وعلى عكس محركات التدفق الشعاعي التقليدية، فإن عمليات تصنيع المحركات المحورية ومعداتها الميكانيكية لم تظهر إلا مؤخرًا.

4. استخدام المركبات الكهربائية

تُعد الموثوقية أمراً بالغ الأهمية في صناعة السيارات، وإثبات موثوقية ومتانة مختلف أنواع السياراتمحركات التدفق المحوريلطالما شكّل إقناع المصنّعين بملاءمة هذه المحركات للإنتاج الضخم تحدياً. وقد دفع هذا موردي المحركات المحورية إلى إجراء برامج تحقق شاملة بأنفسهم، حيث أثبت كل مورد أن موثوقية محركه لا تختلف عن موثوقية محركات التدفق الشعاعي التقليدية.

المكون الوحيد الذي يمكن أن يتلف فيمحرك التدفق المحوريتكمن المشكلة في المحامل. يتميز محرك التدفق المحوري بقصر طول التدفق المغناطيسي المحوري، وتقارب مواقع المحامل، وعادةً ما تُصمم بأبعاد أكبر قليلاً من اللازم. ولحسن الحظ، يتميز محرك التدفق المحوري بكتلة دوارة أصغر، مما يسمح له بتحمل أحمال ديناميكية أقل على عمود الدوار. وبالتالي، تكون القوة الفعلية المؤثرة على المحامل أقل بكثير من تلك المؤثرة على محرك التدفق القطري.

يُعد المحور الإلكتروني أحد أوائل تطبيقات المحركات المحورية. يسمح عرضه الأقل بتغليف المحرك وعلبة التروس داخل المحور. وفي التطبيقات الهجينة، يؤدي قصر طول المحور للمحرك بدوره إلى تقصير الطول الإجمالي لنظام النقل.

تتمثل الخطوة التالية في تركيب المحرك المحوري على العجلة. وبهذه الطريقة، يمكن نقل الطاقة مباشرةً من المحرك إلى العجلات، مما يُحسّن كفاءة المحرك. وبفضل الاستغناء عن ناقل الحركة والتروس التفاضلية وعمود الدوران، انخفض تعقيد النظام بشكل ملحوظ.

مع ذلك، يبدو أن التكوينات القياسية لم تظهر بعد. إذ يقوم كل مصنّع للمعدات الأصلية بدراسة تكوينات محددة، لأن اختلاف أحجام وأشكال المحركات المحورية قد يؤثر على تصميم المركبات الكهربائية. وبالمقارنة مع المحركات الشعاعية، تتميز المحركات المحورية بكثافة طاقة أعلى، مما يسمح باستخدام محركات محورية أصغر حجماً. وهذا يوفر خيارات تصميم جديدة لمنصات المركبات، مثل موضع حزم البطاريات.

4.1 المحرك المجزأ

يُعدّ تصميم محرك YASA (محرك ذو عضو دوار مجزأ وبدون نير) مثالاً على تصميم محرك ذي عضو دوار مزدوج وعضو ثابت واحد، مما يُقلل من تعقيد عملية التصنيع ويجعله مناسبًا للإنتاج الآلي بكميات كبيرة. تتميز هذه المحركات بكثافة طاقة تصل إلى 10 كيلوواط/كيلوغرام عند سرعات تتراوح بين 2000 و9000 دورة في الدقيقة.

باستخدام وحدة تحكم مخصصة، يمكنها توفير تيار كهربائي بقدرة 200 كيلو فولت أمبير للمحرك. تبلغ سعة وحدة التحكم حوالي 5 لترات ووزنها 5.8 كيلوغرامات، وهي مزودة بنظام تبريد بزيت عازل، ما يجعلها مناسبة لمحركات التدفق المحوري، بالإضافة إلى محركات الحث ومحركات التدفق الشعاعي.

يُتيح هذا لمصنعي المعدات الأصلية للسيارات الكهربائية والمطورين الرئيسيين اختيار المحرك المناسب بمرونة بناءً على التطبيق والمساحة المتاحة. كما أن صغر الحجم والوزن يجعلان السيارة أخف وزنًا وتتسع لعدد أكبر من البطاريات، مما يزيد من مدى سيرها.

5. استخدام الدراجات النارية الكهربائية

بالنسبة للدراجات النارية الكهربائية والمركبات الرباعية، طورت بعض الشركات محركات التدفق المحوري للتيار المتردد. التصميم الشائع الاستخدام لهذا النوع من المركبات هو تصميمات التدفق المحوري للتيار المستمر ذات الفرش، بينما المنتج الجديد هو تصميم تيار متردد مغلق بالكامل بدون فرش.

تبقى ملفات محركات التيار المستمر والتيار المتردد ثابتة، لكن الدوار المزدوج يستخدم مغناطيسًا دائمًا بدلًا من الأجزاء الدوارة. وتكمن ميزة هذه الطريقة في أنها لا تتطلب عكسًا ميكانيكيًا.

يمكن استخدام وحدات تحكم قياسية ثلاثية الأطوار لمحركات التيار المتردد المحورية في تصميم التيار المتردد للمحركات الشعاعية. وهذا يُسهم في خفض التكاليف، حيث تتحكم وحدة التحكم في تيار العزم وليس السرعة. تتطلب وحدة التحكم ترددًا يبلغ 12 كيلوهرتز أو أعلى، وهو التردد الشائع لمثل هذه الأجهزة.

ينتج التردد الأعلى عن انخفاض معامل الحث للملفات إلى 20 ميكروهنري. ويتحكم التردد في التيار لتقليل تموج التيار وضمان إشارة جيبية سلسة قدر الإمكان. ومن منظور ديناميكي، تُعد هذه طريقة مثالية لتحقيق تحكم أكثر سلاسة في المحرك من خلال السماح بتغييرات سريعة في عزم الدوران.

يعتمد هذا التصميم على لف مزدوج الطبقات 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. لذا، يمكن استخدامه للدراجات النارية الكهربائية والمركبات ذات الأربع عجلات من فئة L7e مثل رينو تويزي.

يسمح الجهد الأقصى البالغ 60 فولت بدمج المحرك في الأنظمة الكهربائية السائدة بجهد 48 فولت، مما يبسط أعمال الصيانة.

تنص مواصفات الدراجات النارية رباعية العجلات من طراز L7e في اللائحة الإطارية الأوروبية 2002/24/EC على ألا يتجاوز وزن المركبات المستخدمة لنقل البضائع 600 كيلوغرام، باستثناء وزن البطاريات. ويُسمح لهذه المركبات بحمل ما لا يزيد عن 200 كيلوغرام من الركاب، وما لا يزيد عن 1000 كيلوغرام من البضائع، وما لا يزيد عن 15 كيلوواط من قدرة المحرك. ويمكن لطريقة اللف الموزع أن توفر عزم دوران يتراوح بين 75 و100 نيوتن متر، مع قدرة خرج قصوى تتراوح بين 20 و25 كيلوواط وقدرة مستمرة تبلغ 15 كيلوواط.

يكمن التحدي في التدفق المحوري في كيفية تبديد الحرارة بواسطة ملفات النحاس، وهو أمر صعب لأن الحرارة يجب أن تمر عبر الدوار. يُعدّ اللف الموزع الحل الأمثل لهذه المشكلة، إذ يحتوي على عدد كبير من فتحات الأقطاب. وبهذه الطريقة، تزداد مساحة السطح بين النحاس والغلاف، ويمكن نقل الحرارة إلى الخارج وتصريفها بواسطة نظام تبريد سائل قياسي.

تُعدّ الأقطاب المغناطيسية المتعددة أساسيةً لاستخدام الموجات الجيبية، التي تُساعد على تقليل التوافقيات. وتتجلى هذه التوافقيات في تسخين المغناطيسات والقلب الحديدي، حيث لا تستطيع المكونات النحاسية تبديد الحرارة. وعندما تتراكم الحرارة في المغناطيسات والقلوب الحديدية، تنخفض الكفاءة، ولذلك يُعدّ تحسين شكل الموجة ومسار الحرارة أمرًا بالغ الأهمية لأداء المحرك.

تم تحسين تصميم المحرك لتقليل التكاليف وتحقيق الإنتاج الآلي بكميات كبيرة. لا تتطلب حلقة الغلاف المصنعة بالبثق عمليات ميكانيكية معقدة، مما يقلل من تكاليف المواد. يمكن لف الملف مباشرة، وتُستخدم عملية ربط أثناء عملية اللف للحفاظ على شكل التجميع الصحيح.

يكمن جوهر الأمر في أن الملف مصنوع من سلك قياسي متوفر تجاريًا، بينما يُغلف القلب الحديدي بصفائح من فولاذ المحولات القياسي الجاهز للاستخدام، والذي لا يحتاج سوى إلى قصه بالشكل المطلوب. تتطلب تصميمات المحركات الأخرى استخدام مواد مغناطيسية لينة في تغليف القلب، وهو ما قد يكون أكثر تكلفة.

يُتيح استخدام اللفائف الموزعة الاستغناء عن تقسيم الفولاذ المغناطيسي، مما يسمح بتشكيله بأشكال أبسط وتصنيعه بسهولة أكبر. ويُسهم تصغير حجم الفولاذ المغناطيسي وتسهيل تصنيعه بشكل كبير في خفض التكاليف.

يمكن تخصيص تصميم هذا المحرك ذي التدفق المحوري وفقًا لمتطلبات العميل. حيث يتم تطوير نسخ مخصصة بناءً على التصميم الأساسي، ثم تُصنّع على خط إنتاج تجريبي للتحقق من الإنتاج في مراحله الأولى، ويمكن تكرار ذلك في مصانع أخرى.

يرجع التخصيص بشكل أساسي إلى أن أداء السيارة لا يعتمد فقط على تصميم محرك التدفق المغناطيسي المحوري، ولكن أيضًا على جودة هيكل السيارة وحزمة البطارية ونظام إدارة البطارية.