لماذا أصبحت المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم هي محركات الدفع الرئيسية؟

لماذا أصبحت المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم هي محركات الدفع الرئيسية؟

يُمكن للمحرك الكهربائي تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، ونقل هذه الطاقة الميكانيكية إلى العجلات عبر نظام النقل لتحريك المركبة. وهو أحد أنظمة الدفع الأساسية في مركبات الطاقة الجديدة. حاليًا، تُستخدم محركات الدفع ذات المغناطيس الدائم والمحركات غير المتزامنة للتيار المتردد بشكل شائع في مركبات الطاقة الجديدة. وتستخدم معظم مركبات الطاقة الجديدة المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم، ومن أبرز شركات السيارات التي تستخدمها: BYD وLi Auto. بينما تستخدم بعض المركبات المحركات غير المتزامنة للتيار المتردد. أما المحركات الكهربائية، فتُستخدم في سيارات شركات مثل Tesla وMercedes-Benz.

يتكون المحرك غير المتزامن بشكل أساسي من جزء ثابت (ستاتور) وجزء دوار (روتور). عند توصيل ملفات الستاتور بمصدر طاقة تيار متردد، يدور الروتور ويولد الطاقة. ويكمن مبدأ عمله في أنه عند تزويد ملفات الستاتور بتيار متردد، يتولد مجال كهرومغناطيسي دوار، بينما تقطع ملفات الروتور، وهي عبارة عن موصل مغلق، خطوط الحث المغناطيسي للستاتور بشكل مستمر في هذا المجال. ووفقًا لقانون فاراداي، عندما يقطع موصل مغلق خط الحث المغناطيسي، يتولد تيار كهربائي، وهذا التيار بدوره يولد مجالًا كهرومغناطيسيًا. في هذه الحالة، يوجد مجالان كهرومغناطيسيان: الأول هو المجال الكهرومغناطيسي للستاتور المتصل بالتيار المتردد الخارجي، والآخر هو المجال الكهرومغناطيسي الناتج عن قطع خط الحث الكهرومغناطيسي للستاتور. وفقًا لقانون لينز، فإن التيار المستحث يقاوم دائمًا سببه، أي يحاول منع موصلات الدوار من قطع خطوط الحث المغناطيسي للمجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت. والنتيجة هي أن موصلات الدوار "تلحق" بالمجال الكهرومغناطيسي الدوار للجزء الثابت، مما يعني أن الدوار يلاحق المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت، وفي النهاية يبدأ المحرك بالدوران. خلال هذه العملية، تكون سرعة دوران الدوار (n2) وسرعة دوران الجزء الثابت (n1) غير متزامنتين (بفرق سرعة يتراوح بين 2 و6%). لذلك، يُسمى هذا النوع من المحركات بالمحرك غير المتزامن. أما إذا كانت سرعة الدوران متساوية، فيُسمى المحرك متزامنًا.

المحرك التزامني ذو المغناطيس الدائم هو نوع من محركات التيار المتردد. يتكون دواره من الفولاذ مع مغناطيسات دائمة. عند تشغيل المحرك، يتم تنشيط الجزء الثابت لتوليد مجال مغناطيسي دوار يدفع الدوار للدوران. تعني "التزامن" أن سرعة دوران الدوار أثناء التشغيل المستقر تتزامن مع سرعة دوران المجال المغناطيسي. تتميز المحركات التزامنية ذات المغناطيس الدائم بنسبة قدرة إلى وزن عالية، وحجم أصغر، ووزن أخف، وعزم دوران خرج أكبر، وسرعة قصوى ممتازة، وأداء كبح فائق. لذلك، أصبحت هذه المحركات الأكثر استخدامًا في المركبات الكهربائية اليوم. مع ذلك، عند تعرض مادة المغناطيس الدائم للاهتزازات، ودرجات الحرارة العالية، وتيار الحمل الزائد، قد تنخفض نفاذيتها المغناطيسية، أو قد يحدث فقدان للمغناطيسية، مما قد يقلل من أداء المحرك. إضافةً إلى ذلك، تستخدم هذه المحركات موادًا نادرة، وتكلفة تصنيعها غير مستقرة.

بالمقارنة مع المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم، تحتاج المحركات غير المتزامنة إلى امتصاص الطاقة الكهربائية للتشغيل، مما يؤدي إلى استهلاك الطاقة الكهربائية وانخفاض كفاءة المحرك. وتُعد المحركات ذات المغناطيس الدائم أغلى ثمناً نظراً لاحتواءها على مغناطيس دائم.

تميل الطرازات التي تختار محركات التيار المتردد غير المتزامنة إلى إعطاء الأولوية للأداء والاستفادة من مزايا الأداء والكفاءة لهذه المحركات عند السرعات العالية. ومن أبرز هذه الطرازات طراز S المبكر. الميزات الرئيسية: عند قيادة السيارة بسرعات عالية، يمكنها الحفاظ على التشغيل عالي السرعة والاستخدام الأمثل للطاقة الكهربائية، مما يقلل من استهلاك الطاقة مع الحفاظ على أقصى قدرة خرج.

تميل السيارات التي تستخدم محركات التزامن ذات المغناطيس الدائم إلى إعطاء الأولوية لاستهلاك الطاقة، والاستفادة من أداء هذه المحركات وكفاءتها العالية عند السرعات المنخفضة، مما يجعلها مناسبة للسيارات الصغيرة والمتوسطة الحجم. تتميز هذه المحركات بصغر حجمها وخفة وزنها وعمر بطاريتها الطويل. كما أنها تتمتع بأداء ممتاز في تنظيم السرعة، وتحافظ على كفاءة عالية حتى مع عمليات التشغيل والإيقاف والتسارع والتباطؤ المتكررة.

تهيمن المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم على السوق. ووفقًا لإحصاءات "قاعدة البيانات الشهرية لسلسلة صناعة مركبات الطاقة الجديدة" الصادرة عن معهد أبحاث الصناعات المتقدمة (GGII)، بلغ إجمالي الطاقة الإنتاجية المحلية لمحركات قيادة مركبات الطاقة الجديدة خلال الفترة من يناير إلى أغسطس 2022 حوالي 3.478 مليون وحدة، بزيادة سنوية قدرها 101%. ومن بينها، بلغت الطاقة الإنتاجية للمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم 3.329 مليون وحدة، بزيادة سنوية قدرها 106%، بينما بلغت الطاقة الإنتاجية للمحركات غير المتزامنة ذات التيار المتردد 1.295 مليون وحدة، بزيادة سنوية قدرها 22%.

أصبحت المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم هي محركات الدفع الرئيسية في سوق سيارات الركاب الكهربائية بالكامل.

بالنظر إلى اختيار المحركات للطرازات الرئيسية محليًا وعالميًا، نجد أن سيارات الطاقة الجديدة التي أطلقتها شركات محلية مثل سايك موتور، وجيلي أوتوموبيل، وغوانغتشو أوتوموبيل، وبايك موتور، ودينزا موتورز، وغيرها، تستخدم جميعها محركات متزامنة بمغناطيس دائم. وتُستخدم هذه المحركات بشكل رئيسي في الصين. أولًا، نظرًا لأدائها الجيد عند السرعات المنخفضة وكفاءتها العالية في تحويل الطاقة، مما يجعلها مناسبة جدًا لظروف العمل المعقدة التي تتطلب توقفات وانطلاقات متكررة في حركة المرور الحضرية. ثانيًا، نظرًا لأن المغناطيس الدائم المصنوع من النيوديميوم والحديد والبورون يتطلب استخدام موارد أرضية نادرة، وتمتلك الصين 70% من موارد الأرض النادرة في العالم، ويبلغ إجمالي إنتاجها من المواد المغناطيسية من النيوديميوم والحديد والبورون 80% من الإنتاج العالمي، لذا فإن الصين حريصة جدًا على استخدام هذه المحركات.

تستخدم شركتا تسلا وبي إم دبليو الأجنبيتان محركات متزامنة ذات مغناطيس دائم ومحركات غير متزامنة تعمل بالتيار المتردد في تطويرها بشكل تعاوني. ومن منظور هيكل التطبيق، يُعد المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم الخيار الأمثل لمركبات الطاقة الجديدة.

تُشكّل تكلفة مواد المغناطيس الدائم حوالي 30% من تكلفة المحركات التزامنية ذات المغناطيس الدائم. تشمل المواد الخام المستخدمة في تصنيع هذه المحركات بشكل أساسي حديد النيوديميوم والبورون، وصفائح الفولاذ السيليكوني، والنحاس، والألومنيوم. يُستخدم حديد النيوديميوم والبورون بشكل رئيسي في صناعة مغناطيسات الدوّار الدائمة، وتُشكّل تكلفته حوالي 30% من التكلفة الإجمالية. تُستخدم صفائح الفولاذ السيليكوني بشكل أساسي في صناعة قلب الدوّار، وتُشكّل تكلفته حوالي 20% من التكلفة الإجمالية. تُشكّل تكلفة لفائف الجزء الثابت حوالي 15% من التكلفة الإجمالية. تُشكّل تكلفة عمود المحرك حوالي 5% من التكلفة الإجمالية. تُشكّل تكلفة غلاف المحرك حوالي 15% من التكلفة الإجمالية.

لماذاضاغط هواء لولبي بمحركات مغناطيسية دائمة من OSGأكثر كفاءة؟

يتكون المحرك التزامني ذو المغناطيس الدائم بشكل أساسي من أجزاء ثابتة (ستاتور)، ودوار (روتور)، وغلاف. وكما هو الحال في محركات التيار المتردد العادية، يتميز قلب الستاتور ببنية رقائقية لتقليل فقد الحديد الناتج عن التيارات الدوامية وتأثيرات التخلف المغناطيسي أثناء تشغيل المحرك. وتكون الملفات عادةً ثلاثية الأطوار ومتماثلة، ولكن تختلف معايير اختيارها. أما جزء الدوار، فيأتي بأشكال متنوعة، منها دوار المغناطيس الدائم المزود بقفص بدء التشغيل، ودوار المغناطيس الدائم المدمج أو المثبت على السطح. ويمكن تصنيع قلب الدوار إما كهيكل صلب أو رقائقي. ويُزود الدوار بمادة مغناطيسية دائمة، تُعرف عادةً بالمغناطيس.

في ظل التشغيل العادي لمحرك المغناطيس الدائم، يكون المجال المغناطيسي للدوار والجزء الثابت متزامنًا. لا يوجد تيار مستحث في جزء الدوار، ولا توجد خسائر في النحاس أو التخلف المغناطيسي أو خسائر التيارات الدوامية. لذا، لا داعي للقلق بشأن خسائر الدوار أو ارتفاع درجة حرارته. عادةً، يُغذى محرك المغناطيس الدائم بواسطة محول تردد خاص، ويتميز بخاصية بدء التشغيل التدريجي. إضافةً إلى ذلك، يُعد محرك المغناطيس الدائم محركًا متزامنًا، يتميز بإمكانية ضبط معامل القدرة من خلال شدة الإثارة، مما يسمح بتصميم معامل القدرة عند قيمة محددة.

من وجهة النظر الأولية، ونظرًا لأن محرك المغناطيس الدائم يتم تشغيله بواسطة مصدر طاقة بتردد متغير أو عاكس داعم، فإن عملية بدء تشغيل محرك المغناطيس الدائم سهلة للغاية؛ فهي تشبه بدء تشغيل محرك التردد المتغير، وتتجنب عيوب بدء تشغيل المحركات غير المتزامنة ذات القفص العادي.

باختصار، يمكن أن تصل كفاءة ومعامل قدرة محركات المغناطيس الدائم إلى مستويات عالية جدًا، كما أن هيكلها بسيط للغاية، وقد شهد السوق رواجًا كبيرًا في السنوات العشر الماضية.

مع ذلك، يُعدّ فقدان الإثارة مشكلة حتمية في محركات المغناطيس الدائم. فعندما يكون التيار مرتفعًا جدًا أو درجة الحرارة مرتفعة للغاية، ترتفع درجة حرارة ملفات المحرك فجأة، ويزداد التيار بشكل حاد، ويفقد المغناطيس الدائم إثارته بسرعة. في نظام التحكم بمحركات المغناطيس الدائم، يُستخدم جهاز حماية من التيار الزائد لتجنب احتراق ملفات الجزء الثابت للمحرك، ولكن فقدان الإثارة الناتج عن ذلك وتوقف الجهاز أمر لا مفر منه.