تتكون المركبات الكهربائية بشكل أساسي من ثلاثة أجزاء: نظام قيادة المحرك ونظام البطارية ونظام التحكم في السيارة. نظام قيادة المحرك هو الجزء الذي يقوم بتحويل الطاقة الكهربائية مباشرة إلى طاقة ميكانيكية، وهو ما يحدد مؤشرات أداء المركبات الكهربائية. ولذلك، فإن اختيار محرك القيادة مهم بشكل خاص.
وفي بيئة حماية البيئة، أصبحت السيارات الكهربائية أيضًا نقطة ساخنة للبحث في السنوات الأخيرة. يمكن للسيارات الكهربائية أن تحقق انبعاثات صفرية أو منخفضة للغاية في حركة المرور في المناطق الحضرية، ولها مزايا هائلة في مجال حماية البيئة. تعمل جميع الدول جاهدة لتطوير السيارات الكهربائية. تتكون المركبات الكهربائية بشكل أساسي من ثلاثة أجزاء: نظام قيادة المحرك ونظام البطارية ونظام التحكم في السيارة. نظام قيادة المحرك هو الجزء الذي يقوم بتحويل الطاقة الكهربائية مباشرة إلى طاقة ميكانيكية، وهو ما يحدد مؤشرات أداء المركبات الكهربائية. ولذلك، فإن اختيار محرك القيادة مهم بشكل خاص.
1. متطلبات المركبات الكهربائية لمحركات القيادة
في الوقت الحاضر، يأخذ تقييم أداء السيارة الكهربائية بشكل أساسي في الاعتبار مؤشرات الأداء الثلاثة التالية:
(1) الحد الأقصى لعدد الكيلومترات (كم): الحد الأقصى لعدد الكيلومترات التي تقطعها السيارة الكهربائية بعد شحن البطارية بالكامل؛
(2) قدرة (قدرات) التسارع: الحد الأدنى من الوقت اللازم لتسارع السيارة الكهربائية من حالة التوقف إلى سرعة معينة؛
(3) السرعة القصوى (كم/ساعة): السرعة القصوى التي يمكن أن تصل إليها السيارة الكهربائية.
المحركات المصممة لخصائص قيادة المركبات الكهربائية لها متطلبات أداء خاصة مقارنة بالمحركات الصناعية:
(1) يتطلب محرك قيادة السيارة الكهربائية عادةً متطلبات أداء ديناميكي عالية من أجل التشغيل/التوقف المتكرر، والتسارع/التباطؤ، والتحكم في عزم الدوران؛
(2) من أجل تقليل وزن السيارة بأكملها، يتم عادة إلغاء ناقل الحركة متعدد السرعات، الأمر الذي يتطلب أن يتمكن المحرك من توفير عزم دوران أعلى بسرعة منخفضة أو عند صعود منحدر، وعادة ما يمكنه الصمود 4-5 مرات الزائد.
(3) يجب أن يكون نطاق تنظيم السرعة كبيرًا قدر الإمكان، وفي الوقت نفسه، من الضروري الحفاظ على كفاءة تشغيل عالية ضمن نطاق تنظيم السرعة بالكامل؛
(4) تم تصميم المحرك للحصول على سرعة عالية قدر الإمكان، وفي نفس الوقت، يتم استخدام غلاف من سبائك الألومنيوم قدر الإمكان. المحرك عالي السرعة صغير الحجم، مما يساعد على تقليل وزن المركبات الكهربائية؛
(5) يجب أن تتمتع المركبات الكهربائية بالاستخدام الأمثل للطاقة وأن يكون لها وظيفة استعادة طاقة الكبح. يجب أن تصل الطاقة المستردة بواسطة الكبح المتجدد عمومًا إلى 10%-20% من إجمالي الطاقة؛
(6) بيئة عمل المحرك المستخدم في السيارات الكهربائية أكثر تعقيدًا وقسوة، وتتطلب أن يتمتع المحرك بموثوقية جيدة وقدرة على التكيف البيئي، وفي نفس الوقت التأكد من أن تكلفة إنتاج المحرك لا يمكن أن تكون مرتفعة جدًا.
2. العديد من محركات الأقراص شائعة الاستخدام
2.1 محرك بتيار مستمر
في المرحلة الأولى من تطوير السيارات الكهربائية، استخدمت معظم السيارات الكهربائية محركات التيار المستمر كمحركات دفع. هذا النوع من تكنولوجيا المحركات ناضج نسبيًا، مع طرق تحكم سهلة وتنظيم ممتاز للسرعة. كان الأكثر استخدامًا في مجال محركات تنظيم السرعة. . ومع ذلك، نظرًا للهيكل الميكانيكي المعقد للمحرك DC، مثل: الفرش والمبدلات الميكانيكية، فإن سعة التحميل الزائد اللحظية وزيادة سرعة المحرك تكون محدودة، وفي حالة العمل طويل المدى، فإن الهيكل الميكانيكي للمحرك DC يكون محدودًا. سيتم إنشاء المحرك خسارة وزيادة تكاليف الصيانة. بالإضافة إلى ذلك، عندما يعمل المحرك، فإن الشرر المنبعث من الفرش يجعل الدوار يسخن، وتهدر الطاقة، وتجعل من الصعب تبديد الحرارة، كما تسبب تداخلًا كهرومغناطيسيًا عالي التردد، مما يؤثر على أداء السيارة. بسبب أوجه القصور المذكورة أعلاه في محركات التيار المستمر، فقد تخلصت السيارات الكهربائية الحالية بشكل أساسي من محركات التيار المستمر.
2.2 محرك غير متزامن يعمل بالتيار المتردد
المحرك غير المتزامن AC هو نوع من المحركات يستخدم على نطاق واسع في الصناعة. ويتميز بأن الجزء الثابت والدوار مصفحان بصفائح فولاذية من السيليكون. يتم تعبئة كلا الطرفين بأغطية من الألومنيوم. ، عملية موثوقة ودائمة، وسهولة الصيانة. بالمقارنة مع محرك DC بنفس الطاقة، فإن محرك التيار المتردد غير المتزامن أكثر كفاءة، والكتلة أخف بمقدار النصف تقريبًا. إذا تم اعتماد طريقة التحكم في التحكم في ناقلات الأمراض، فيمكن الحصول على إمكانية التحكم ونطاق تنظيم السرعة الأوسع الذي يمكن مقارنته بمحرك DC. نظرًا لمزايا الكفاءة العالية والطاقة النوعية العالية والملاءمة للتشغيل عالي السرعة، فإن المحركات غير المتزامنة AC هي المحركات الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في السيارات الكهربائية عالية الطاقة. في الوقت الحاضر، تم إنتاج المحركات غير المتزامنة ذات التيار المتردد على نطاق واسع، وهناك أنواع مختلفة من المنتجات الناضجة للاختيار من بينها. ومع ذلك، في حالة التشغيل عالي السرعة، يتم تسخين دوار المحرك بشكل خطير، ويجب تبريد المحرك أثناء التشغيل. في الوقت نفسه، فإن نظام القيادة والتحكم للمحرك غير المتزامن معقد للغاية، كما أن تكلفة جسم المحرك مرتفعة أيضًا. بالمقارنة مع محرك المغناطيس الدائم والتردد المتغير للمحركات، فإن كفاءة وكثافة الطاقة للمحركات غير المتزامنة منخفضة، وهو ما لا يفضي إلى تحسين الحد الأقصى لعدد الكيلومترات للسيارات الكهربائية.
2.3 محرك المغناطيس الدائم
يمكن تقسيم المحركات ذات المغناطيس الدائم إلى نوعين وفقًا لأشكال الموجات الحالية المختلفة لملفات الجزء الثابت، أحدهما هو محرك DC بدون فرش، والذي يحتوي على تيار موجة نبضية مستطيلة؛ والآخر هو محرك متزامن ذو مغناطيس دائم، وله تيار موجة جيبية. كلا النوعين من المحركات متماثلان بشكل أساسي من حيث الهيكل ومبدأ العمل. الدوارات عبارة عن مغناطيس دائم، مما يقلل من الخسارة الناجمة عن الإثارة. يتم تركيب الجزء الثابت مع ملفات لتوليد عزم الدوران من خلال التيار المتردد، لذلك يكون التبريد سهلًا نسبيًا. نظرًا لأن هذا النوع من المحركات لا يحتاج إلى تركيب فرش وهيكل تخفيف ميكانيكي، فلن يتم إنشاء شرارات تخفيف أثناء التشغيل، والتشغيل آمن وموثوق، والصيانة مريحة، ومعدل استخدام الطاقة مرتفع.
نظام التحكم في محرك المغناطيس الدائم أبسط من نظام التحكم في محرك التيار المتردد غير المتزامن. ومع ذلك، نظرًا لقيود عملية المواد ذات المغناطيس الدائم، فإن نطاق الطاقة لمحرك المغناطيس الدائم صغير، والحد الأقصى للطاقة بشكل عام هو عشرات الملايين فقط، وهو أكبر عيب لمحرك المغناطيس الدائم. في الوقت نفسه، فإن مادة المغناطيس الدائم الموجودة على الدوار سيكون لها ظاهرة الاضمحلال المغناطيسي في ظل ظروف ارتفاع درجة الحرارة والاهتزاز والتيار الزائد، لذلك في ظل ظروف العمل المعقدة نسبيًا، يكون محرك المغناطيس الدائم عرضة للتلف. علاوة على ذلك، فإن أسعار المواد ذات المغناطيس الدائم مرتفعة، وبالتالي فإن تكلفة المحرك بأكمله ونظام التحكم فيه مرتفعة.
2.4 محرك التردد المتغير
كنوع جديد من المحركات، فإن محرك الممانعة المبدلة لديه أبسط بنية مقارنة بالأنواع الأخرى من محركات الدفع. الجزء الثابت والدوار عبارة عن هيكلين بارزين مزدوجين مصنوعين من صفائح الفولاذ السيليكونية العادية. لا يوجد هيكل على الدوار. تم تجهيز الجزء الثابت بملف مركز بسيط، والذي يتميز بالعديد من المزايا مثل الهيكل البسيط والصلب، والموثوقية العالية، والوزن الخفيف، والتكلفة المنخفضة، والكفاءة العالية، وارتفاع درجة الحرارة المنخفضة، وسهولة الصيانة. علاوة على ذلك، فهو يتميز بخصائص ممتازة للتحكم الجيد في نظام التحكم في سرعة التيار المستمر، وهو مناسب للبيئات القاسية، ومناسب جدًا للاستخدام كمحرك قيادة للسيارات الكهربائية.
مع الأخذ في الاعتبار أن محركات التيار المستمر والمحركات ذات المغناطيس الدائم، باعتبارها محركات قيادة السيارة الكهربائية، تتمتع بقدرة ضعيفة على التكيف في الهيكل وبيئة العمل المعقدة، وتكون عرضة للفشل الميكانيكي وإزالة المغناطيسية، تركز هذه الورقة على إدخال محركات الممانعة التبديلية والمحركات غير المتزامنة التي تعمل بالتيار المتردد. بالمقارنة مع الآلة، فهي تتمتع بمزايا واضحة في الجوانب التالية.
2.4.1 هيكل الجسم الحركي
إن هيكل محرك الممانعة المبدلة أبسط من هيكل المحرك التعريفي ذو القفص السنجابي. الميزة البارزة هي أنه لا يوجد أي لف على الدوار، وهو مصنوع فقط من صفائح فولاذ السيليكون العادية. تتركز معظم خسائر المحرك بأكمله على لف الجزء الثابت، مما يجعل المحرك سهل التصنيع، وله عزل جيد، وسهل التبريد، وله خصائص ممتازة لتبديد الحرارة. يمكن لهيكل المحرك هذا أن يقلل من حجم ووزن المحرك، ويمكن الحصول عليه بحجم صغير. قوة انتاج أكبر. نظرًا للمرونة الميكانيكية الجيدة لدوار المحرك، يمكن استخدام محركات ذات ممانعة مبدلة للتشغيل بسرعة فائقة.
2.4.2 دائرة قيادة المحرك
إن تيار الطور لنظام قيادة المحرك ذو الممانعة المبدلة هو أحادي الاتجاه ولا علاقة له باتجاه عزم الدوران، ويمكن استخدام جهاز تحويل رئيسي واحد فقط لتلبية حالة التشغيل الرباعي للمحرك. يتم توصيل دائرة محول الطاقة مباشرة على التوالي مع ملف الإثارة للمحرك، وكل دائرة طور تزود الطاقة بشكل مستقل. حتى لو فشل ملف مرحلة معينة أو فشل جهاز التحكم في المحرك، فإنه يحتاج فقط إلى إيقاف تشغيل الطور دون التسبب في تأثير أكبر. ولذلك، فإن كلاً من جسم المحرك ومحول الطاقة آمنان وموثوقان للغاية، لذا فهما أكثر ملاءمة للاستخدام في البيئات القاسية من الآلات غير المتزامنة.
2.4.3 جوانب أداء النظام الحركي
تتمتع محركات الممانعة المبدلة بالعديد من معلمات التحكم، ومن السهل تلبية متطلبات التشغيل الرباعي للسيارات الكهربائية من خلال استراتيجيات التحكم المناسبة وتصميم النظام، ويمكنها الحفاظ على قدرة كبح ممتازة في مناطق التشغيل عالية السرعة. لا تتمتع محركات الممانعة المبدلة بكفاءة عالية فحسب، بل تحافظ أيضًا على كفاءة عالية عبر نطاق واسع من تنظيم السرعة، وهو ما لا مثيل له في الأنواع الأخرى من أنظمة قيادة المحركات. هذا الأداء مناسب جدًا لتشغيل المركبات الكهربائية، وهو مفيد جدًا لتحسين نطاق إبحار المركبات الكهربائية.
3. الاستنتاج
ينصب تركيز هذه الورقة على طرح مزايا محرك الممانعة المبدل كمحرك دفع للسيارات الكهربائية من خلال مقارنة أنظمة التحكم في سرعة محرك القيادة المختلفة شائعة الاستخدام، والتي تعد نقطة بحث ساخنة في تطوير السيارات الكهربائية. بالنسبة لهذا النوع من المحركات الخاصة، لا يزال هناك مجال كبير للتطوير في التطبيقات العملية. يحتاج الباحثون إلى بذل المزيد من الجهود لإجراء البحوث النظرية، وفي الوقت نفسه، من الضروري الجمع بين احتياجات السوق لتعزيز تطبيق هذا النوع من المحركات في الممارسة العملية.
وقت النشر: 24 مارس 2022