المزايا والصعوبات والتطورات الجديدة لمحركات 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 تحريك المحرك من المحور إلى داخل العجلات.

1. محور القوة

محركات التدفق المحورييتلقون اهتمامًا متزايدًا (اكتساب الجر). لسنوات عديدة، تم استخدام هذا النوع من المحركات في التطبيقات الثابتة مثل المصاعد والآلات الزراعية، ولكن على مدى العقد الماضي، عمل العديد من المطورين على تحسين هذه التكنولوجيا وتطبيقها على الدراجات النارية الكهربائية، وكبسولات المطارات، وشاحنات البضائع، والكهربائية. المركبات، وحتى الطائرات.

تستخدم محركات التدفق الشعاعي التقليدية المغناطيس الدائم أو المحركات الحثية، والتي حققت تقدمًا كبيرًا في تحسين الوزن والتكلفة. ومع ذلك، فإنهم يواجهون العديد من الصعوبات في مواصلة التطور. قد يكون التدفق المحوري، وهو نوع مختلف تمامًا من المحركات، بديلاً جيدًا.

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

محركات التدفق المحوريأكثر إحكاما. بالمقارنة مع المحركات الشعاعية، فإن الطول المحوري للمحرك أقصر بكثير. بالنسبة لمحركات العجلات الداخلية، غالبًا ما يكون هذا عاملاً حاسماً. يضمن الهيكل المدمج للمحركات المحورية كثافة طاقة وكثافة عزم دوران أعلى من المحركات الشعاعية المماثلة، وبالتالي يلغي الحاجة إلى سرعات تشغيل عالية للغاية.

كفاءة محركات التدفق المحوري عالية جدًا أيضًا، وعادةً ما تتجاوز 96%. ويرجع الفضل في ذلك إلى مسار التدفق الأقصر والأحادي البعد، والذي يمكن مقارنته أو حتى أعلى من حيث الكفاءة مقارنة بأفضل محركات التدفق الشعاعي ثنائية الأبعاد في السوق.

طول المحرك أقصر، عادة ما يكون أقصر من 5 إلى 8 مرات، ويتم تقليل الوزن أيضًا بمقدار 2 إلى 5 مرات. لقد غير هذان العاملان اختيار مصممي منصات المركبات الكهربائية.

2. تكنولوجيا التدفق المحوري

هناك نوعان من الطبولوجيا الرئيسية لمحركات التدفق المحوري: عضو ساكن فردي ذو دوار مزدوج (يشار إليه أحيانًا بالآلات ذات النمط الدائري) وعضو ساكن مزدوج.

حاليًا، تستخدم معظم المحركات ذات المغناطيس الدائم طوبولوجيا التدفق الشعاعي. تبدأ دائرة التدفق المغناطيسي بمغناطيس دائم على الجزء المتحرك، ويمر عبر السن الأول في الجزء الثابت، ثم يتدفق بشكل قطري على طول الجزء الثابت. ثم قم بالمرور عبر السن الثاني للوصول إلى الفولاذ المغناطيسي الثاني الموجود على الدوار. في طوبولوجيا التدفق المحوري للدوار المزدوج، تبدأ حلقة التدفق من المغناطيس الأول، وتمر محوريًا عبر أسنان الجزء الثابت، وتصل فورًا إلى المغناطيس الثاني.

وهذا يعني أن مسار التدفق أقصر بكثير من مسار محركات التدفق الشعاعي، مما يؤدي إلى أحجام محرك أصغر 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.

إن مسار التدفق المغناطيسي لآلة التدفق المغناطيسي المحوري هو أحادي البعد، لذلك يمكن استخدام الفولاذ الكهربائي الموجه بالحبيبات. يسهل هذا الفولاذ مرور التدفق، وبالتالي تحسين الكفاءة.

تستخدم محركات التدفق الشعاعي تقليديًا اللفات الموزعة، مع عدم عمل ما يصل إلى نصف نهايات اللف. سيؤدي تراكب الملف إلى زيادة الوزن والتكلفة والمقاومة الكهربائية والمزيد من فقدان الحرارة، مما يجبر المصممين على تحسين تصميم الملف.

ينتهي الملف منمحركات التدفق المحوريتكون أقل بكثير، وتستخدم بعض التصميمات ملفات مركزة أو مجزأة، وهي فعالة تمامًا. بالنسبة للآلات الشعاعية للجزء الثابت المجزأة، فإن تمزق مسار التدفق المغناطيسي في الجزء الثابت يمكن أن يؤدي إلى خسائر إضافية، ولكن بالنسبة لمحركات التدفق المحوري، فهذه ليست مشكلة. إن تصميم ملف اللف هو المفتاح للتمييز بين مستوى الموردين.

3. التنمية

تواجه محركات التدفق المحوري بعض التحديات الخطيرة في التصميم والإنتاج، على الرغم من مزاياها التكنولوجية، إلا أن تكاليفها أعلى بكثير من تكاليف المحركات الشعاعية. يتمتع الناس بفهم شامل للغاية للمحركات الشعاعية، كما أن طرق التصنيع والمعدات الميكانيكية متاحة بسهولة أيضًا.

أحد التحديات الرئيسية لمحركات التدفق المحوري هو الحفاظ على فجوة هوائية موحدة بين الجزء المتحرك والجزء الثابت، حيث أن القوة المغناطيسية أكبر بكثير من تلك الخاصة بالمحركات الشعاعية، مما يجعل من الصعب الحفاظ على فجوة هوائية موحدة. يعاني محرك التدفق المحوري ذو الدوار المزدوج أيضًا من مشاكل في تبديد الحرارة، حيث أن الملف يقع عميقًا داخل الجزء الثابت وبين القرصين الدوارين، مما يجعل تبديد الحرارة أمرًا صعبًا للغاية.

يصعب أيضًا تصنيع محركات التدفق المحوري لأسباب عديدة. الآلة ذات الدوار المزدوج التي تستخدم آلة ذات دوار مزدوج مع طوبولوجيا النير (أي إزالة النير الحديدي من الجزء الثابت مع الاحتفاظ بالأسنان الحديدية) تتغلب على بعض هذه المشاكل دون توسيع قطر المحرك والمغناطيس.

ومع ذلك، فإن إزالة النير تجلب تحديات جديدة، مثل كيفية تثبيت الأسنان الفردية ووضعها في موضعها دون اتصال نير ميكانيكي. التبريد هو أيضا تحديا أكبر.

كما أنه من الصعب إنتاج الدوار والحفاظ على فجوة الهواء، حيث أن قرص الدوار يجذب الدوار. والميزة هي أن أقراص الدوار متصلة مباشرة من خلال حلقة عمود، وبالتالي تلغي القوى بعضها البعض. وهذا يعني أن المحمل الداخلي لا يتحمل هذه القوى، ووظيفته الوحيدة هي إبقاء الجزء الثابت في الوضع الأوسط بين قرصي الدوار.

لا تواجه المحركات ذات الجزء الثابت المزدوج تحديات المحركات الدائرية، ولكن تصميم الجزء الثابت أكثر تعقيدًا ويصعب تحقيق الأتمتة، كما أن التكاليف ذات الصلة مرتفعة أيضًا. على عكس أي محرك تدفق شعاعي تقليدي، لم تظهر عمليات تصنيع المحركات المحورية والمعدات الميكانيكية إلا مؤخرًا.

4. تطبيق السيارات الكهربائية

الموثوقية أمر بالغ الأهمية في صناعة السيارات، وإثبات موثوقية ومتانة مختلفةمحركات التدفق المحوريكان إقناع الشركات المصنعة بأن هذه المحركات مناسبة للإنتاج الضخم يمثل تحديًا دائمًا. وقد دفع هذا موردي المحركات المحورية إلى تنفيذ برامج تحقق واسعة النطاق بأنفسهم، حيث أظهر كل مورد أن موثوقية محركهم لا تختلف عن محركات التدفق الشعاعي التقليدية.

المكون الوحيد الذي يمكن أن يبلى فيمحرك التدفق المحوريهو المحامل. طول التدفق المغناطيسي المحوري قصير نسبيًا، وموضع المحامل أقرب، وعادةً ما يكون مصممًا ليكون "مبالغًا في الأبعاد" قليلاً. ولحسن الحظ، فإن محرك التدفق المحوري لديه كتلة دوارة أصغر ويمكنه تحمل الأحمال الديناميكية المنخفضة للدوار. ولذلك، فإن القوة الفعلية المطبقة على المحامل أصغر بكثير من قوة محرك التدفق الشعاعي.

يعد المحور الإلكتروني أحد التطبيقات الأولى للمحركات المحورية. يمكن للعرض الأرق أن يغلف المحرك وعلبة التروس في المحور. في التطبيقات الهجينة، يؤدي الطول المحوري الأقصر للمحرك بدوره إلى تقصير الطول الإجمالي لنظام النقل.

والخطوة التالية هي تثبيت المحرك المحوري على العجلة. بهذه الطريقة، يمكن نقل الطاقة مباشرة من المحرك إلى العجلات، مما يحسن كفاءة المحرك. نظرًا للتخلص من ناقل الحركة، والتروس التفاضلية، وأعمدة الإدارة، فقد تم أيضًا تقليل تعقيد النظام.

ومع ذلك، يبدو أن التكوينات القياسية لم تظهر بعد. تبحث كل شركة مصنعة للمعدات الأصلية عن تكوينات محددة، حيث يمكن للأحجام والأشكال المختلفة للمحركات المحورية أن تغير تصميم المركبات الكهربائية. بالمقارنة مع المحركات الشعاعية، تتمتع المحركات المحورية بكثافة طاقة أعلى، مما يعني إمكانية استخدام محركات محورية أصغر. وهذا يوفر خيارات تصميم جديدة لمنصات المركبات، مثل وضع مجموعات البطاريات.

4.1 حديد التسليح مجزأة

تعد طوبولوجيا محرك YASA (المحرك غير المقيّد والمجزأ) مثالًا على طوبولوجيا الجزء الثابت المفرد ذات الدوار المزدوج، مما يقلل من تعقيد التصنيع ومناسب للإنتاج الضخم الآلي. تتمتع هذه المحركات بكثافة طاقة تصل إلى 10 كيلووات/كجم عند سرعات تتراوح من 2000 إلى 9000 دورة في الدقيقة.

باستخدام وحدة تحكم مخصصة، يمكن أن يوفر تيارًا قدره 200 كيلو فولت أمبير للمحرك. يبلغ حجم وحدة التحكم حوالي 5 لترات وتزن 5.8 كجم، بما في ذلك الإدارة الحرارية مع تبريد الزيت العازل، وهي مناسبة لمحركات التدفق المحوري وكذلك المحركات الحثية والتدفق الشعاعي.

يتيح ذلك لمصنعي المعدات الأصلية للسيارات الكهربائية ومطوري الدرجة الأولى اختيار المحرك المناسب بمرونة بناءً على التطبيق والمساحة المتاحة. الحجم والوزن الأصغر يجعل السيارة أخف وزنًا وتحتوي على المزيد من البطاريات، مما يزيد من تعزيز النطاق.

5. تطبيق الدراجات النارية الكهربائية

بالنسبة للدراجات النارية الكهربائية ومركبات ATV، قامت بعض الشركات بتطوير محركات التدفق المحوري AC. التصميم الشائع الاستخدام لهذا النوع من المركبات هو تصميمات التدفق المحوري المعتمدة على فرشاة التيار المستمر، في حين أن المنتج الجديد عبارة عن تصميم بدون فرش يعمل بالتيار المتردد ومحكم الإغلاق بالكامل.

تظل ملفات كل من محركات التيار المستمر والتيار المتردد ثابتة، لكن الدوارات المزدوجة تستخدم مغناطيسًا دائمًا بدلاً من الأجزاء الدوارة. وميزة هذه الطريقة هي أنها لا تتطلب عكسًا ميكانيكيًا.

يمكن للتصميم المحوري للتيار المتردد أيضًا استخدام وحدات تحكم محرك التيار المتردد القياسية ثلاثية الطور للمحركات الشعاعية. وهذا يساعد على تقليل التكاليف، حيث أن جهاز التحكم يتحكم في تيار عزم الدوران، وليس السرعة. تتطلب وحدة التحكم ترددًا يبلغ 12 كيلو هرتز أو أعلى، وهو التردد السائد لهذه الأجهزة.

يأتي التردد الأعلى من محاثة الملف المنخفضة البالغة 20 μ H. يمكن للتردد التحكم في التيار لتقليل تموج التيار وضمان إشارة جيبية سلسة قدر الإمكان. من منظور ديناميكي، تعد هذه طريقة رائعة لتحقيق تحكم أكثر سلاسة في المحرك من خلال السماح بتغييرات سريعة في عزم الدوران.

يعتمد هذا التصميم ملفًا مزدوج الطبقة موزعًا، بحيث يتدفق التدفق المغناطيسي من العضو الدوار إلى عضو دوار آخر عبر الجزء الثابت، بمسار قصير جدًا وكفاءة أعلى.

مفتاح هذا التصميم هو أنه يمكن أن يعمل بجهد أقصى يبلغ 60 فولت وهو غير مناسب لأنظمة الجهد العالي. لذلك، يمكن استخدامه للدراجات النارية الكهربائية والمركبات ذات العجلات الأربع من فئة L7e مثل رينو تويزي.

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

وتنص مواصفات الدراجة النارية ذات الدفع الرباعي L7e في اللائحة الإطارية الأوروبية 2002/24/EC على ألا يتجاوز وزن المركبات المستخدمة لنقل البضائع 600 كيلوغرام، باستثناء وزن البطاريات. ويسمح لهذه المركبات بحمل ما لا يزيد عن 200 كيلوجرام من الركاب، وما لا يزيد عن 1000 كيلوجرام من البضائع، وما لا يزيد عن 15 كيلووات من قوة المحرك. يمكن أن توفر طريقة اللف الموزعة عزم دوران يتراوح بين 75-100 نيوتن متر، مع طاقة خرج قصوى تبلغ 20-25 كيلووات وقوة مستمرة تبلغ 15 كيلووات.

يكمن التحدي المتمثل في التدفق المحوري في كيفية تبديد الحرارة من خلال اللفات النحاسية، وهو أمر صعب لأن الحرارة يجب أن تمر عبر الجزء المتحرك. اللف الموزع هو مفتاح حل هذه المشكلة، لأنه يحتوي على عدد كبير من فتحات القطب. بهذه الطريقة، هناك مساحة سطحية أكبر بين النحاس والقشرة، ويمكن نقل الحرارة إلى الخارج وتفريغها بواسطة نظام تبريد سائل قياسي.

الأقطاب المغناطيسية المتعددة هي المفتاح لاستخدام أشكال الموجات الجيبية، والتي تساعد على تقليل التوافقيات. تتجلى هذه التوافقيات في تسخين المغناطيس والقلب، بينما لا تستطيع مكونات النحاس التخلص من الحرارة. عندما تتراكم الحرارة في المغناطيس والنوى الحديدية، تنخفض الكفاءة، ولهذا السبب يعد تحسين الشكل الموجي ومسار الحرارة أمرًا بالغ الأهمية لأداء المحرك.

تم تحسين تصميم المحرك لتقليل التكاليف وتحقيق الإنتاج الضخم الآلي. لا تتطلب حلقة الغلاف المبثوقة معالجة ميكانيكية معقدة ويمكن أن تقلل من تكاليف المواد. يمكن لف الملف مباشرة واستخدام عملية الربط أثناء عملية اللف للحفاظ على شكل التجميع الصحيح.

النقطة الأساسية هي أن الملف مصنوع من سلك قياسي متوفر تجاريًا، في حين أن القلب الحديدي مصفح بفولاذ محول قياسي تم وضعه على الرف، والذي يحتاج ببساطة إلى تقطيعه إلى شكله. تتطلب تصميمات المحركات الأخرى استخدام مواد مغناطيسية ناعمة في تصفيح القلب، والتي قد تكون أكثر تكلفة.

استخدام اللفات الموزعة يعني أن الفولاذ المغناطيسي لا يحتاج إلى تجزئة؛ يمكن أن تكون أشكالًا أبسط وأسهل في التصنيع. إن تقليل حجم الفولاذ المغناطيسي وضمان سهولة تصنيعه له تأثير كبير في تقليل التكاليف.

يمكن أيضًا تخصيص تصميم محرك التدفق المحوري هذا وفقًا لمتطلبات العملاء. لدى العملاء إصدارات مخصصة تم تطويرها حول التصميم الأساسي. ثم يتم تصنيعها على خط إنتاج تجريبي للتحقق من الإنتاج المبكر، والذي يمكن تكراره 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 المباني.