التطوير الرقمي للمحرك الكهربائي عالي الموثوقية

أهمية التطوير الرقمي للمحرك الكهربائي عالي الموثوقية

أحدثت كهربة النقل ثورة تقنية عالمية خلال العقود الماضية، وهي مستفيدة من كونها صديقة للبيئة وذات كفاءة عالية في استخدام الطاقة وأداء دفع جيد، كما تكتسب أنظمة النقل الكهربائية مثل المركبات الكهربائية (EVs) والطائرات الكهربائية والسفن الكهربائية؛ اهتماماً متزايداً من المهندسين والباحثين في جميع أنحاء العالم.

وبشكل عام، ترغب أنظمة النقل الكهربائي في أن تفي أنظمة القيادة الكهربائية الخاصة بها بمتطلبات متعددة منها كفاءة الطاقة الجيدة وأداء الطاقة والاهتزاز والضوضاء المنخفض والحجم والوزن المنخفض والمتانة الكبيرة والقدرة على تحمل الأخطاء، كما قد توفر أنظمة الدفع الكهربائي متعددة الأطوار مقارنةً بالأنظمة ثلاثية الطور الكلاسيكية؛ حلاً أكثر فاعلية يلبي جميع المتطلبات الصعبة.

كما كانت هناك تطبيقات مختلفة للمحركات متعددة الأطوار في مجال النقل المكهرب، بحيث تم تصميم محرك مزدوج ثلاثي الطور ومقارنته بآلة نيسان ثلاثية الطور، كما وأظهر تحسناً في كثافة عزم الدوران وجودة عزم الدوران دون المساومة على الكفاءة.

لذلك؛ فإن نظام تخزين الطاقة الهجين مع محرك متزامن مغناطيسي دائم مزدوج ثلاثي الأطوار (DTP PMSM)، مما يحقق مجموعة نقل حركة مبسطة وأداء جيد للمركبة الكهربائية، كما تم دمج آلة ذات تسع مراحل في شاحن البطارية الموجود على متن المركبات الكهربائية، وذلك مع وحدة تحكم منطقية ضبابية مصممة للتحكم في الشحن.

إلى جانب أنظمة الدفع الكهربائية، تفضل الأنظمة المساعدة المكهربة، مثل المشغلات الكهربائية والمضخات الكهربائية، أيضاً؛ فإن التكوينات متعددة المراحل، بحيث تم استخدام المحركات سداسية الطور على نطاق واسع في أنظمة السلامة الحيوية مثل أنظمة توجيه الطاقة الكهربائية (EPS) وأنظمة الكبح الكهربائية (EBS) للمركبات المكهربة.

ونظراً لمتطلبات التطبيق للمحركات متعددة المراحل؛ فقد كانت هناك دراسات وإنجازات وفيرة في التصميم والنمذجة والتحكم، ومن بين الأنواع المختلفة من المحركات متعددة الأطوار؛ فإن هناك خيار مثير للاهتمام للغاية وهو الآلة المزدوجة ثلاثية الطور التي تتكون من مجموعتين من اللفات ثلاثية الطور بنقاط محايدة معزولة.

التصميم الأمثل لجهاز (PMSM) ذو المراحل ثلاثية الطور

تصميم المتطلبات الرئيسية لـ (DTP PMSM)

يتضمن (DTP PMSM) مجموعتين من اللفات الثابتة ثلاثية الطور من النوع (Y) مع نقاط محايدة منفصلة، كما توجد مجموعتان من لفات الجزء الثابت المشار إليها بواسطة (A ،B ،C) و (X ،Y ،Z) في الجزء الثابت ولكن لا تتكسر مع بعضها البعض، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي.

كما أن هناك نوعان من الهياكل المتعرجة المشتركة الاستخدام، الأول هو أن مجموعتي اللفات متطابقتان تماماً في الزاوية الكهربائية، أي أن اللفات يتم تحويلها بمقدار (0) درجة كهربائية، والأخرى هي أن اللفات يتم إزاحتها مكانياً بمقدار (30) درجة كهربائية.

أما بالنسبة لهيكل اللف الأخير، ونظراً لأن عزم الدوران التوافقي السادس الناتج عن مجموعتي اللفات يساوي (180) درجة فرق طور؛ فإن أقل ترتيب لتموج عزم الدوران هو (12)، وفي حين ينبغي النظر في التسامح مع الخطأ وتموج عزم الدوران؛ فإنه يتم استخدام المخطط مع اللف الذي تم إزاحته بمقدار (30) درجة كما هو موضح في الشكل التالي (b).

تحسين تركيبة الفتحة والقطب

نظراً لتأثير نطاق تردد مفتاح التحكم على أداء النظام وتكلفة الأجهزة؛ فإنه يجب مراعاة الأرقام القطبية للمحرك أولاً، وفي هذا التصميم التالي، تتم مقارنة مخططات (6،8،10) ذات الأعمدة المتكاملة والفتحة الجزئية، كما يمكن ترتيب المخططات الثلاثة المذكورة أعلاه في لفات ثابتة ثلاثية الطور مع مخطط فتحة عدد صحيح تقليدي.

كذلك تم ضبط مسافة القطب (عدد الفتحات لكل قطب) على الطراز (6)، كما وتكون مخططات مطابقة فتحة القطب على التوالي (6 أقطاب / 36 فتحة)، (8 أقطاب / 48 فتحة)، (10 أقطاب / 60 فتحة)، وذلك مع خطوة الملف (5)، وذلك بشرط أن تكون المعلمات الأخرى والحمل الكهرومغناطيسي للمحرك متماثلاً، حيث يوضح الشكل التالي موجات عزم الدوران المسننة للمخططات الثلاثة في نطاق 12 درجة ميكانيكية عند السرعة المقدرة.

التصميم الأمثل للدائرة المغناطيسية الدوارة

عادة ما يتم إصلاح المغناطيس الدائم الدوار لـ (DTP PMSM) بطريقتين، وهما هيكل قطب مثبت على السطح وبنية قطب داخلي، بحيث يقع “المغناطيس الدائم” المثبت على السطح على السطح الخارجي لقلب الدوار، وذلك من أجل تجنب رمي المغناطيس الدائم أثناء دوران المحرك، وعادةً ما يتم تغطية السطح الخارجي للمغناطيس الدائم بغطاء “غير مغناطيسي” أو ربطه بشريط من “الألياف الزجاجية” لحمايته.

وذلك بسبب الأداء الميكانيكي الضعيف للهيكل المركب على السطح، والذي لا يناسب المحركات عالية السرعة؛ فإنه تم اعتماد الهيكل الداخلي كما هو موضح في الشكل التالي (a)، ونظراً لأن “حجم المغناطيس” الدائم ومعامل قوس القطب ثابتان؛ فإن قياس “العزلة المغناطيسية” يصبح العامل الحاسم لأداء المحرك، حيث يحتوي على الضلع (الضلع بين أقطاب المغناطيس المجاورة) والجسر (الجسر بين زوايا الويب الخارجية وسطح الدوار ).

كما يتم تنفيذ التصميم الأمثل من خلال تغيير سمك الجسر لأن سمك الضلع يؤثر بشكل أساسي على القوة الميكانيكية بدلاً من الأداء الكهرومغناطيسي للمحرك، بحيث يتراوح سمك الجسر من (1.0) مم إلى (2.0) مم بمقياس (0.1) مم، كما ويعرض الشكل السابق (b) الأداء الكهرومغناطيسي الذي تم الحصول عليه بواسطة (FEA).

أما بالنسبة للمحرك؛ فإنه يجب أن يكون عزم الدوران وكثافة تدفق الهواء صغيراً، كما ويجب أن يكون الجزء الخلفي من (EMF) قريباً من جهد إمداد الطاقة وأصغر قليلاً منه، وإلى جانب ذلك؛ فإنه من أجل تحسين القوة الميكانيكية الكافية، يجب ألا يكون سمك الجسر صغيراً جداً.

المحاكاة الكهرومغناطيسية وتحليل المخطط الأمثل

وفقاً لمخطط التصميم الأمثل المقترح لـ (DTP PMSM)، تم تقييم الأداء في ظل ظروف التشغيل بدون حمل وتصنيف من حيث كثافة التدفق والتيار الكهرومغناطيسي الخلفي والتيار وعزم الدوران؛ فإنه تم تمثيل النتائج من خلال الشكل التالي [(a) – (e)ٍ].

يوضح الشكل السابق توزيع المجال المغناطيسي في المحرك أن كثافة التدفق لأسنان الجزء الثابت أقل من (1.8) تسلا بينما تزيد كثافة تدفق الجسر المتحرك محلياً عن 2.0 تسلا مع عدم وجود حمل، وهو أمر مفيد لدخول التدفق إلى قلب الجزء الثابت من الأسنان بعد المرور عبر فجوة الهواء، لذلك يمكن اعتبار أن تصميم الدائرة المغناطيسية للمحرك، ومن الناحية النظرية يعتبر معقول ويوفر استخداماً جيداً للمواد.

تبلغ قيمة الذروة لعزم الدوران بدون حمل حوالي (0.29) نيوتن متر، وهو ما يمثل 1.52 ٪ من عزم الدوران المقدر (19.1 نيوتن متر) وهو صغير جداً عند السرعة المقدرة (3000) دورة في الدقيقة، كذلك يكون شكل الموجة (EMF) ذو الخط الخلفي جيبياً ويكون (RMS) الخاص به حوالي (178) فولت.

ووفقاً لـ (FFT)، تبلغ سعة (EMF) الخلفية الأساسية (245) فولت مع (THD)، أي أقل من 1.80٪، مع الأخذ في الاعتبار وجود مقاومة الاحتكاك والفقد الشارد، لذلك؛ فإن عزم الدوران الكهرومغناطيسي عند الحمل المقدر يكون (19.6) نيوتن متر أعلى قليلاً من القيمة المقدرة وتيار الحالة المستقرة هو (11.5) أمبير، ومع شكل “موجة جيبية” ومكونات متناسقة منخفضة.