تقنيات صناعة المحركات الكهربائية

نظرة شمولية:

عندما يتعلق الأمر بتطوير تقنيات المحركات الجديدة، يبقى النحاس جزءاً لا يتجزأ من التحسينات المستمرة في كفاءة المحرك، حقق المحرك التعريفي القياسي مكاسب كبيرة في الكفاءة من خلال المزيد من النحاس في اللفات، ونواة فولاذية عالية الجودة، أيضا محامل وعزل محسنين، بالإضافة لتصميم محسن لمروحة التبريد.

نظراً لأن البحث عن الكفاءة المتزايدة يجلب ظهور تقنيات وتصاميم جديدة للمحركات، تتجاوز المحرك التعريفي، فسيبقى النحاس جزءاً لا يتجزأ من كفاءة هذه التقنيات الجديدة ويطيل عمرها، من محركات ممانعة التبديل ومحركات المغناطيس الدائم ودوارات المحركات النحاسية.
وفقاً لـ (Ned Brush)، والذي يحمل الدكتوراة من (BFF Associates)، والخبير في مجال تكنولوجيا المحركات، “كانت تكنولوجيا المحركات الرئيسية التقليدية هي المحرك التعريفي، لكن وفي الآونة الأخيرة، هناك محرك المغناطيس الدائم، الذي يتمتع بتصنيفات كفاءة أعلى ومحرك ممنوع التبديل مع كفاءة محسّنة لتطبيق معين، لكل منها مكانها، لقد كان المحرك التعريفي العمود الفقري في الصناعة لأكثر من 100 عام، وعلى الرغم من وجود محرك الحث لفترة طويلة، إلا أن هناك تطورات مثيرة في تصميم المحرك نفسه، مما أدى إلى تحسين الكفاءة، أحد هذه الابتكارات هو تطوير المحرك الدوار النحاسي، والذي يمكنه تقليل خسائر المحرك بنسبة تصل من (12 لغاية 15٪) “.

يركز هذا المقال على دور النحاس في تحسين كفاءة الطاقة في تقنيات المحركات الجديدة، يشارك خبراء الصناعة معرفتهم المباشرة أثناء مناقشة التطبيقات والمزايا والعيوب لكل نوع من أنواع المحركات، لكل منها مكانة خاصة أو مكانة خاصة في السوق، إن امتلاك معرفة عملية أفضل بأنواع جديدة من المحركات سيكون ذا قيمة لمهندس المصنع ومدير المنشأة وأي شخص يعمل أو يشتري محركات للتطبيقات الصناعية.

محركات المغناطيس الدائم:

منذ فترة طويلة وخاصةً في تطبيقات المحركات، تكتسب المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PM) استخدامًا متزايداً في الأنظمة الصناعية التي تعمل بالمحركات، تستبدل تقنية محرك (PM) قضبان الألمنيوم في الدوار بمغناطيسات دائمة قوية تم إنشاؤها باستخدام عناصر أرضية نادرة، هذه إما مثبتة على السطح (SPM) أو مثبتة داخلياً (IPM).
وفقًا لجون مالينوفسكي، وهو مدير أول للمنتجات في شركة بالدور الكهربائية، ولـسميث أركنساس، “إن الجزء الثابت الأساسي في محرك مغناطيسي دائم مشابه جداً لمحرك الحث النحاسي التقليدي، فقط الجزء المتحرك في هذه المحركات فريد من نوعه، باستخدام مغناطيس دائم إما ملتصق بسطح العضو الدوار أو مغناطيس قضيب مدمج في تصفيح الدوار”.

أثبت مصنعو المحركات أن تصميمات المغناطيس الدائم توفر مكاسب في الكفاءة تصل إلى ثلاثة نطاقات (NEMA) أعلى (1.5 – 2٪) من المحرك الحثي عالي الكفاءة (AC)، ومع ذلك في معظم الحالات، لا يمكن تحقيق هذه المكاسب دون إقران محرك (PM) بمحرك متغير السرعة (VSD)، وعلى الرغم من حقيقة أن هناك كمية أقل من النحاس في محرك المغناطيس الدائم مقارنة بالمحرك الحثي (AC) المصنف بشكل مشابه، فإنه لا يزال يعتمد على النحاس في تشغيله لجعله أكثر كفاءة.

يشير السيد مالينوفسكي إلى أن “محرك المغناطيس الدائم كثيف جداً للطاقة، أي مقدار القوة الحصانية ومقدار عزم الدوران الذي يمكن للمحرك إنتاجه مقارنة بحجمه المادي” وبالتالي، فإن ماهيات الإطار مطلوبة الآن للتعويض عن التغيير في ارتفاع العمود”.
يواجه المصنعون هذا التحدي من خلال صنع محركات مغناطيسية دائمة في نفس أحجام إطار المحرك التعريفي (NEMA)، و(IEC AC)، من أجل تمكين عمليات التعديل التحديثي الأسهل.

في الاستخدام الشائع اليوم، تعمل محركات المغناطيس الدائم على قيادة المركبات الكهربائية الهجينة والكاملة، مثل (Toyota Prius) و(Chevy Volt)، حيث بدأ مصنعو الضواغط في دمج محركات مغناطيسية دائمة؛ لأن المحركات يمكن أن تعمل بسرعات عالية جداً دون استخدام تروس زيادة السرعة، وهو أمر غير فعال.

مزايا محرك المغناطيس الدائم:

• منحنى ممتاز لسرعة عزم الدوران.
  
• استجابة ديناميكية ممتازة.
  
• كفاءة وموثوقية عالية.
  
• صيانة منخفضة.
  
• عمر أطول.
  
• ضجيج صوتي منخفض.
  
• قدرة عالية السرعة.
  
• نسبة عزم دوران / حجم عالية أو كثافة طاقة عالية.
  
  

عيوب محرك المغناطيس الدائم:

• التكلفة العالية.
  
• الحاجة إلى محرك متغير السرعة (VSD).
  
• توافر المواد النادرة.
  

تطبيقات محرك المغناطيس الدائم:

• الأدوات اللاسلكية.
  
• قطارات ماجليف.
  
• توربينات الرياح.
  
• المركبات الهجينة.
  
• وحدات التكييف.
  
• غسالة ملابس.
  
• المعدات الطبية (MRI’s).
  
• المحركات الصناعية.
  

محركات الممانعة المبدلة:

محرك ممانعة التبديل (SRM)، هو محرك كهربائي بدون فرش يوفر عزم دوران مستمر، كما يتميز محرك (SRM) الإلكتروني والذي يكون مقترن بالمحرك تماماً، حيث يشكل كل منهما نظاماً قادراً للغاية ومتوافقًاً بشكل كبير.
إن (SRM)، هو بديل قابل للتطبيق وتحسين لمحركات الحث في تطبيقات السرعة المتغيرة، يلاحظ السيد روب بوتيلر، مدير العلاقات الحكومية في شركة (NIDEC Motor Corporation)، والسيد سانت لويس ميسوري، أن “تقنية تبديل التردد كانت موجودة منذ القرن التاسع عشر، ما حدث لجعل هذه التكنولوجيا في طليعة المحركات المتقدمة اليوم هو ظهور من إلكترونيات الطاقة وقدرات الحوسبة التي تسمح بالتنفيذ القابل للتطبيق تجارياً، جنباً إلى جنب مع تقنية المغناطيس الدائم، يتوقع قسم مولدات المحركات (MG-1)، والتابع لشركة (NEMA) تطوير معيار لتقنية محرك ممانعة التبديل في المستقبل.

يعتقد السيد هيلموث جلات، نائب رئيس قسم الهندسة في (NIDEC Motor Corporation) أن (SRM)، لديها بعض المزايا المتميزة على المحركات التقليدية، “أحد أكبر الاختلافات التي نواجها في نظام (SR) هو أنه يمكن أن يعمل مع إحدى مراحله المفقودة أو المختصرة، وبذلك يكون وضع التوقف الفوري للمغناطيس الدائم أو نظام المحرك التعريفي”.

تعتبر كمية ونوع الأسلاك النحاسية مهمة جداً في تصميم محرك ممانعة التبديل، تتداخل كل دورة للملف معاً للمساعدة في ملء الفتحة الكبيرة للجزء الثابت التي يسمح بها تصميم (SRM)، كما يوضح السيد جلات بأنه “يعتبر النحاس مكوناً رئيسياً لملفات، عادةً ما نستخدم نحاساً بنسبة 100٪ لتعبئة محركاتنا الكهربائية لأنه يتمتع بمقاومة كهربائية أقل بكثير من المواد البديلة مثل الألمنيوم.
تُترجم مقاومة اللف المنخفضة مباشرة إلى حرارة أقل هدراً، وبالتالي تحسين كفاءة الطاقة وتقليل درجة حرارة تشغيل المحركات بشكل مفيد، عند الضرورة تستخدم (SRM) ملفاً مصنوعاً من الأسلاك النحاسية أو سلك (Litz)، يتكون السلك من العديد من خيوط الأسلاك النحاسية الأصغر الملتوية في شكل حبل مكون في شكل هندسي مستطيل، يؤدي استخدام هذا النوع من الأسلاك إلى تحويل الموصلات إلى تقليل تأثير الجلد، وهي ظاهرة تؤدي إلى انتقال التيار إلى الخارج من هذا الموصل، مما يزيد بشكل فعال من مقاومة الموصل.

أنظمة (SR)، المصنعة اليوم مناسبة تماماً للتطبيقات الصناعية وهي بدائل قابلة للتطبيق لأنظمة السرعة المتغيرة الأخرى.

مزايا محرك الممانعة المبادلة:

• كفاءة عالية، خاصة على نطاق تحميل واسع.
  
• عزم وسرعة عالية.
  
• قدرة استثنائية على مدى سرعة ثابتة.
  
• موثوقية عالية وعمر طويل.
  
• بناء بسيط وقوي.
  
• كثافة طاقة عالية.
  

مساوئ محرك الممانعة المبادلة:

• تموج عزم الدوران.
  
• مستوى اهتزاز عالي.
  
• الضوضاء عالية جداً.
  
• كفاءة وذروة أقل بقليل من محرك PM.
  

تطبيقات محرك الممانعة المبادلة:

• غسالة ملابس.
  
• آلات الطرد المركزي والضواغط والمضخات.
  
• مكنسة كهربائية.
  
• التدفئة والتهوية وتكييف الهواء.
  
• أتمتة متطورة.
  
• كسارات الصخور.
  

المحركات النحاسية الدوارة:

نشأ ابتكار تكنولوجيا المحركات الدوارة النحاسية من الحاجة إلى تلبية متطلبات سوق المحركات ذات الجهد المنخفض لزيادة كفاءة الطاقة، هذا الطلب لم يتم تلبيته من خلال تصميم الدوار التقليدي المصنوع من الألومنيوم المصبوب.
صرح جون كاروف، مدير التسويق في مصنع(Siemens)، أن “الهدف كان اكتساب الكفاءة باستخدام تقنية دوّارات نحاسية جديدة مع الاحتفاظ بنفس البصمة مثل تصميم دوار الألومنيوم التقليدي، هذا مهم ليس فقط للتطبيقات الجديدة، ولكن أيضاً للتطبيقات التحديثية، لم تكن آلات الصب الدوارة التجارية ذات درجة الحرارة العالية موجودة، لتطوير هذه التكنولوجيا الجديدة، عملنا مع جمعية تطوير النحاس (CDA) لتصميم الدوار، وأكثر من ذلك مهم لتصميم وتطوير عملية صب الدوار المعقدة”.

تم تبرير الاستثمار الكبير في تصميم وتطوير (CRM)، من خلال مكاسب الكفاءة على تصاميم دوارات الألومنيوم التقليدية، وفقًا للسيد كاروف، “سعر الشراء الأولي لمحرك دوار نحاسي أعلى قليلاً من محرك دوار من الألومنيوم، مما يجعل تبرير الاسترداد عاملاً، ومع ذلك فإن الاسترداد قصير نسبياً ولا يمثل مشكلة بشكل عام؛ نظراً لعمر التصميم النموذجي البالغ 20 عامًا المحرك، كما أدى الصب بالقالب لدوار نحاسي صلب إلى زيادة الكفاءة في نفس حجم المحرك مثل المحرك التقليدي الموفر للطاقة، باستخدام تقنية الألمنيوم المصبوب”.
تم تصميم (CRM) في الولايات المتحدة ليتجاوز معايير جدول كفاءة (NEMA) الصارمة، كما يتجاوز الامتثال الفعال لتشريعات (EISA) لعام 2010، كما اكتسب (CRM) ميزة الأداء في المحرك الأوروبي 50 هرتز (IEC)، يُعد استخدام المحركات الدوارة النحاسية كمحركات بديلة للمعدات الأوروبية في الولايات المتحدة فرصة رائعة للمستخدمين النهائيين، لزيادة الإيرادات مع تلبية التشريعات الخاصة بالنحاس تلك المادة المذهلة، باستخدام الدوار النحاسي في محركات (IEC) الخاصة، لم يتم تحقيق فقط متطلبات الكفاءة الجديدة في أوروبا (IE 2 ،IE3)، والولايات المتحدة الأمريكية (MG1 Table 12-12)، ولكن تم التمكن أيضاً من تقليل الطول في كثير من حالات المحرك، مما يجعله أكثر إحكاماً، في حالات أخرى، يحقق قدرة حصانية أعلى، وكلاهما في نفس البصمة.

يشهد موزعو السيارات في الولايات المتحدة زيادة في مبيعات المحرك الدوار النحاسي، خاصة مع التركي المكثف على كفاءة الطاقة، وفقاً لجيك بالسيرزاك، مدير المبيعات داخل المصنع ومنتجات المحركات لشركة (KJ Electric) في سيراكيوز نيويورك، يقول السيد (بالسيرزاك) أن (CRM)، هو جزء مهم من مبيعات السيارات، ويزداد عاماً بعد عام.

بالإضافة إلى تطبيقات المحركات الحثية القياسية، يقود (CRM) المركبات الكهربائية، من السيارات الرياضية إلى المركبات العسكرية مثل محرك 300 حصان بقدرة 100 رطل، إلى (CRMs) المتعددة المستخدمة في تصميم (HEMITT A3) للجيش الأمريكي شاحنة تكتيكية للتنقل.

مزايا محرك الدوار النحاسي:

• القدرة على العمل بشكل معاكس.
  
• موثوقية عالية.
  
• قدرة عزم ثابتة.
  
• يبقى بارد.
  
• تكلفة صيانة أقل.
  
• انخفاض تكلفة الملكية (تكاليف الطاقة).
  
• اهتزاز أقل مع دوار دقيق وأفضل توازناً.
  
• في الغالب نفس خطوط الإنتاج مثل المحرك التعريفي القياسي.
  

عيوب محرك الدوار النحاسي:

• ارتفاع سعر الشراء الأولي.
  
• المحركات ذات الحجم الكبير والمخزنة تقتصر على 20 حصاناً أو أقل لدوار الصب.
  
• محدودية توافر ماكينات الصب.
  
• تكلفة النحاس أعلى إلى حد ما من المواد الأخرى.
  
• إجراء معالجة أكثر تعقيداً.
  

تطبيقات محرك دوار النحاس:

• جميع تطبيقات المحركات الحثية القياسية من الخفيفة إلى الشديدة.
  
• المركبات الكهربائية المدنية والعسكرية.
  
• صناعة البتروكيماويات والورق والتكرير.
  

تعتمد كل من تقنيات المحركات هذه على المغناطيس الدائم بالإضافة الى محول التردد والمحرك الحثي الدوار النحاسي، تعتمد على طريقتها الفريدة على النحاس في تصميمها لإنتاج محركات أكثر كفاءة وأكثر موثوقية، يوفر محرك (PM) المزود بمغناطيسات دائمة قوية في دواره، و(SRM) المزود بتبديل كهربائي للطاقة ودواره الثابت النحاسي الكثيف، ومحرك (CRM) المزود بدوار بارد يعمل بتقليل المقاومة الحالية، خيارات لتحقيق أهداف تقليل الطاقة وتحسين الأداء، وذلك من خلال الاستخدام المبتكر للنحاس وتقنيات التحويل والمغناطيس الدائم، أصبح لدى العملاء اليوم خيارات أكثر لتحقيق كفاءتهم ومتطلباتهم الخاصة بالتطبيق.