المحرك التعريفي ومقارنة التصميم بين أقفاص الألومنيوم والنحاس

دواعي تصميم أقفاص الألومنيوم والنحاس في المحركات التعريفية

حسب الدراسات الهندسية أنه يتم استخدام ما يقرب من 50٪ من الاستهلاك العالمي النهائي للطاقة الكهربائية لتزويد المحركات الكهربائية، وعلى الرغم من أن غالبية المحركات الكهربائية لديها طاقة مصنفة أقل من 0.75 كيلو واط، إلا أن الجزء الصغير المتبقي من السوق الكلي له التأثير الأكبر على استهلاك الطاقة الكهربائية، وكما هو موضح في الشكل (1).

وفي الواقع(10٪) من المحركات الكهربائية هي تلك التي لديها تصنيف طاقة أعلى من (0.75) كيلوواط، كما أنها مسؤولة عن (91٪) من إجمالي الطاقة الكهربائية المستهلكة حول العالم، كما يوضح الشكل التالي (1- D) توزيع أنواع المحركات الكهربائية في قارة أوروبا مقسمة إلى نطاقات قدرة مختلفة ومتعددة.

لذلك من الواضح أن طوبولوجيا المحرك الأكثر تأثيراً من حيث استهلاك الطاقة الكهربائية هي (AC) متعددة الأطوار كونها الأكثر شيوعاً في نطاق الطاقة المتوسطة والعالية، بحيث يمثل المحرك التعريفي ذو القفص السنجابي المتصل بالشبكة (SCIM) أكبر حصة في السوق من بين مجموعة واسعة من المحركات الكهربائية (AC) المتاحة في السوق.

لذلك؛ فإن تحسين كفاءته يمكن أن يكون له أكبر تأثير على تقليل التأثير البيئي من حيث انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وفي العقدين الماضيين أدخلت جميع الاقتصادات الكبرى تقريباً بعض المخططات التنظيمية وذلك أساس طوعي ثم إلزامي، أولاً على الحد الأدنى من كفاءة المحرك ومؤخراً على الكفاءة الكلية لنظام القيادة الكهربائية.

وعلى سبيل المثال، في أوروبا تحدد لائحة اللجنة (1781/2019) جدولاً زمنياً دقيقاً للحد الأدنى من متطلبات كفاءة الطاقة للمحركات الكهربائية على حد سواء العاكس والشبكة الكهربائية المباشرة الموردة، كما تم تحديد تعريف فئات الكفاءة للمحركات الكهربائية المعتمدة من قبل السلطات التنظيمية وكذلك منهجية تحديد الكفاءة تجريبياً بواسطة المعايير الدولية (IEC 60034-30-1 / 2) و (IEC 60 034-2-1) على التوالي.

سلوك آداء القدرة الخاص بالمحرك التعريفي

إلى جانب تصنيف الأداء المستند إلى سلوك كفاءة الطاقة الوارد في الشكل (A-1)؛ فقد تخضع أنظمة (SCIM) ثلاثية الطور التي يتم توفيرها مباشرة من الرئيسي لمتطلبات الأداء الدنيا أيضاً من حيث خصائص سرعة عزم الدوران. في الواقع، كما يتم تحديد الحد الأدنى لقيمة عزم الانهيار والسحب والبدء جنباً إلى جنب مع القيمة القصوى لتيار البدء بواسطة (IEC 60 034-12)، وذلك لأنواع التصميم المختلفة.

حيث يوضح الشكل (2-B) كيف تتغير هذه المتطلبات مع القدرة المقدرة. معظم مؤشرات الأداء التي تم تعيين حدودها وفقاً للمعايير المذكورة، إلى جانب عامل القدرة المصنف، لذلك لا يمكن تحسين أحدها دون تدهور الآخر، وفي الواقع؛ فإنه يمكن اعتبار تصميم (SCIM) مشكلة تحسين متعددة الأغراض لأن خيارات التصميم، ومن اختيارات المواد إلى التصميم الهندسي تؤثر على مقاييس أداء تنافسية متعددة.

كما يمكن تقسيم استراتيجيات التصميم التي تهدف إلى زيادة كفاءة (SCIM) إلى عائلتين رئيسيتين، بحيث يعتمد الأول على تعديلات تصميمات الماكينة الحالية بأقل تأثير اقتصادي لمصنعي المحركات، أي استخدام التصفيح الحالي للجزء الثابت والدوار، ويعد الإطالة المحورية الأساسية واستخدام مواد مغناطيسية أفضل واعتماد قفص نحاسي بعض الأمثلة على نهج التصميم هذا؛ فقد أثبتت هذه التعديلات الإضافية للتصاميم الحالية أنها ناجحة بشكل هامشي في تحسين الكفاءة، ولكن مع العديد من القيود.

في الواقع، قد يؤدي تغيير التصميم الذي يهدف إلى تحسين الكفاءة إلى انتهاك مؤشرات الأداء الأخرى، مثل الحد الأدنى من عزم الدوران عند البدء والسحب والانهيار، بحيث يتمثل الخيار الثاني لزيادة الكفاءة في إعادة تصميم المحرك بالكامل، كما أن هذا له مزايا تحقيق مستوى كفاءة أعلى مع أفضل استغلال للمواد المستخدمة دون المساس بأي مؤشرات أداء أخرى.

وومع ذلك؛ فإنه من المتوقع ارتفاع التكاليف المالية بسبب الإدراك الجديد أو الحاجة إلى خط إنتاج معدل من بين العديد من عوامل التصميم التي تؤثر على أداء (SCIM)، بحيث يلعب شكل الفتحة التي تستضيف قضبان الدوار دوراً أساسياً في تحديد منحنى سرعة عزم الدوران بالإضافة إلى الكفاءة كدالة للحمل.

حيث يبدأ إجراء تصميم الفتحة الدوارة عادةً من مجموعة محدودة من أشكال الفتحات المعروفة، مثل شبه المنحرف أو المستطيل أو المستدير أو (Boucherot)، والتي يمكن أن تكون جميعها ذات حجم تحليلي، و بالنظر إلى التبسيطات الحتمية المعتمدة في النماذج التحليلية؛ فإنها عادة ما تكون هناك حاجة إلى مرحلة تحسين (FE) لالتقاط تأثيرات التعديلات الهندسية الصغيرة.

كذلك قد يكون الأسلوب البديل للتصميم هو استخدام خوارزمية تحسين رسمية لتحديد هندسة الدوار، والتي تزيد من مؤشرات الأداء المحددة، وعلى الرغم من أنه يمكن اعتباره موضوعاً معروفاً وموحداً، إلا أن تحليل وتصميم (SCIMs)، خاصة عند تنفيذه بمساعدة خوارزمية التحسين، بحيث لا يزال يمثل تحديات كبيرة لأن التنبؤ الدقيق للأداء يتطلب وقتاً طويلاً من التحليل الاقتصادي المؤقت.

لذلك اقترحت الأعمال المنشورة مؤخراً منهجية منهجية جديدة لتنفيذ تحسين تصميم (SCIMs)،كما تم تقديم طريقة مبتكرة لتقييم الأداء التحليلي المختلط  (FEA)، وهي قادرة على الحصول على تقدير سريع جداً لعزم الدوران وسلوك الكفاءة دون المساس بدقة النتائج، كما تم تضمين هذا النهج الجديد لتقدير الأداء في مساعدة إجراء التصميم التلقائي عن طريق خوارزمية التحسين العشوائية التي تهدف إلى تعظيم كل من الأداء المبدئي والمقدر.

طريقة اعتماد الأقفاص النحاسية وأقفاص الألمنيوم

تم اعتماد الأقفاص الدوارة النحاسية بشكل تقليدي بشكل أساسي في المحركات ذات الجهد العالي المتوسط ​​حيث يتم إدخال قضبان مسبقة الصنع في الفتحة ويتم لحامها بالنحاس في الحلقات الطرفية، حيث أدى التحسين الأخير لتقنيات الصب النحاسي إلى جعل أقفاص النحاس حلاً مجدياً اقتصادياً.

أيضاً أضاف ذلك حلولاً لنطاقات الطاقة الصغيرة والمتوسطة حيث كانت تكلفة قضبان النحاس المصنعة هي القيد الرئيسي لقبول السوق، وعلى الرغم من أن استبدال قفص الألومنيوم بقضبان نحاسية قد ثبت أنه منهجية فعالة لتحسين كفاءة المحرك ، فإن تعديل التصميم هذا قد يؤدي إلى تدهور أداء البدء.

حيث أن الهدف من هذا الطرح هو تحديد فعالية حل التصميم هذا باستخدام نهج منهجي مختلف عما تم الإبلاغ عنه مسبقاً في الدراسات على وجه الخصوص؛ فإنه يتم النظر في أشكال الفتحات المختلفة التي تغطي مجموعة واسعة من المتطلبات من حيث بدء عزم الدوران وبدء التيار الكهربائي.

كما تم تنظيم الدراسات العلمية على النحو التالي، بالبداية جاءت الاختبارات التجريبية التي أجريت على محرك تحريضي على شكل “قفص سنجاب” جاهز للاستخدام مع قفص من الألومنيوم، وذلك من أجل التحقق من صحة طريقة تقييم الأداء السريع المنفذة.

ولاحقاً تم دراسة نتائج التحسين التي تم الحصول عليها باستخدام قفص من الألومنيوم مع مراعاة مواصفات المحرك للمحرك الحثي المختبَر، بحيث يتم استخدام الآلات الكهربائية المثلى التي تنتج نطاقاً واسعاً من عزم بدء التشغيل والكفاءة المُقدرة كتصاميم أساسية لممارسة المقارنة اللاحقة، وأخيراً يتم بعد ذلك تقييم تأثير الاستبدال المباشر لمادة قضيب الدوار في القسم الخامس بما في ذلك الآثار الحرارية.