تقنيات المحركات الكهربائية الناشئة: مراجعة لأنظمة المحركات الكهربائية الجديدة والفعالة | بقلم/ محمود حسين الحاج

تشغل المحركات الكهربائية الأجهزة الصغيرة، مثل أقفال الأبواب الأوتوماتيكية، إلى الأنظمة الصناعية الكبيرة. داخل منازلنا ومكاتبنا، حيث توجد المحركات الكهربائية في معظم الأجهزة المنزلية، مثل الثلاجات وأجهزة الكمبيوتر والأفران ومضخات الحرارة. وفي القطاع الصناعي، تدفع المحركات أنشطة مثل الخلط والسحق والتجفيف وكذلك نقل البضائع.

تقنيات المحركات الكهربائية الجديدة

يتحسن أداء المحركات الكهربائية وكفاءة الطاقة بسرعة بفضل التقدم في علوم المواد والتصميم والإلكترونيات وغيرها من المجالات.

ويمكن أن يكون للتحول إلى تقنيات محركات كهربائية أكثر كفاءة واستدامة تأثير كبير في خفض فواتير الطاقة، وزيادة الإنتاجية وتحقيق أهداف الانبعاثات.

وقد قامت بعض المعاهد التقنية بإجراء دراسة دقيقة لتقنيات المحركات الكهربائية الجديدة والناشئة التي أسهمت في تغطية العناصر التالية وهي:

 

• إيجابيات وسلبيات أنواع المحركات الجديدة – التيار المستمر بدون فرشاة والتردد المتزامن والمغناطيس الدائم المتزامن بالإضافة الى التردد المتحول وغيرها

• تصاميم تدفق المحركات – محورية، عرضية وشعاعية

• مواد مغناطيسية جديدة – سبائك غير متبلورة، سبائك بلورية، مغناطيسات حديدية وأرضية نادرة

• أشباه الموصلات الحالية والناشئة لمحركات السرعة المتغيرة، بما في ذلك مجموعة كاملة من مواد أشباه الموصلات ذات الفجوة الواسعة

• هندسة وتصميم مفاتيح أشباه الموصلات

• تحسين البرمجيات باستخدام المتحكمات الدقيقة.

 

وقد أظهرت النتائج ما يلي:

• تقدم تقنيات المحركات الجديدة أداء وكفاءة أعلى من محركات الحث الحالية، والتي يجب أن يكون المصممون ومحددو أنظمة المحركات على دراية بهذه التقنيات الجديدة للمحركات وانخفاض تكاليف العمر الافتراضي التي تقدمها.

• هناك إيجابيات وسلبيات لأنواع المحركات المختلفة.

• محركات التيار المستمر بدون فرش (BLDC)

تلغي هذه المحركات الحاجة إلى المبدل، وهو أمر شائع في المحركات التقليدية للتيار المستمر وقد يسبب مشاكل في التدفئة والصيانة. بدلا من ذلك، يستخدمون ملفات لف تكتشف إلكترونيا موقع الدوار أثناء التبديل. وهذا يعني أن وحدات BLDC تتمتع بكفاءة أعلى، وتحكم أكثر دقة، وسرعة استجابة أسرع. تستخدم محركات BLDC بشكل متزايد في التطبيقات السكنية والتجارية التي تتطلب فترات تشغيل طويلة، وكذلك في جر السيارات. تزداد شعبيتها في المركبات الكهربائية والطيران بسبب التقدم في أنظمة التحكم الإلكترونية.

 

• محركات التردد المتزامن (SynRM)

تستخدم هذه المحركات دوارا يدور بشكل متزامن مع المجال المغناطيسي للثابت. يصنع الدوار من مواد مغناطيسية حديدية، مما يقلل من التردد أثناء محاذاته مع الحقول المغناطيسية. نظرا لعدم وجود لفائف أو مغناطيسات دائمة في الدوار، تقل خسائر النواة المغناطيسية بشكل كبير، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة وزيادة الموثوقية مع صيانة أقل.

 

• محركات التردد المتزامن المغناطيسي الدائم (PMSynRM)

هذه المحركات هي نوع من محركات التردد المتزامن التي تستخدم مغناطيسات دائمة. تصنع هذه المغناطيسات من مواد أرضية نادرة، مما قد يزيد التكاليف ويثير مخاوف الاستدامة.

 

• محركات التردد المتحول (SRMs)

تزداد شعبية هذه الأنواع من المحركات بسبب تصميمها البسيط والمتين مقارنة بمحركات التيار المستمر، والمحركات المغناطيسية الدائمة، ومحركات الحث. في SRMs، يتم تزويد الستاتور بالطاقة، مما يجعل التصميم الميكانيكي أبسط. تستخدم عزم دوران التردد أثناء الدوران، يتم التحكم فيه بواسطة ترانزستورات تبديل الطاقة. تعد SRMs مناسبة جدا لتطبيقات السرعة المختلفة لأن دوارها لا يحتوي على لفات أو مغناطيسات دائمة، مما يؤدي إلى انخفاض القصور الذاتي.

تقنيات المحركات الكهربائية الناشئة عموما تكون أكثر كفاءة، وذات كثافة طاقة أعلى، وأكثر فعالية من حيث التكلفة مقارنة بمحركات الحث. 

ومع ذلك، فإن جميع تقنيات المحركات لها نقاط قوة وضعف تؤثر على اختيارات التكنولوجيا لتطبيقات مختلفة.

يوضح التقرير الخصائص الرئيسية لأداء تقنيات المحركات الرئيسية، وتفاصيل حول هذه المتغيرات، 

وكيف يمكن تطبيق كل تقنية من تقنيات المحرك الكهربائي.

• لتعزيز كفاءة المحركات الكهربائية، يمكن لمصنعي المحركات تقليل نوعين من فقدان الطاقة.

• خسائر بدون تحميل

خسائر بدون حمل هي خسائر طاقة في مكونات المحرك تحدث حتى بدون حمل. وتشمل:

▪ خسائر الحديد: الطاقة المستخدمة لإدارة التغيرات في المجال المغناطيسي في النواة. يمكن تقليل هذه النقاط باستخدام فولاذ عالي الجودة وتحسين تصميم النواة.

▪ خسائر الرياح والاحتكاك: ناجمة عن الاحتكاك مع الهواء والكرات المحملة. يمكن تقليل هذه النقاط باختيار محامل أفضل وتحسين قدرة التبريد.

• خسائر الأحمال

تتغير خسائر الحمل بناء على الحمل المطبق وتشمل:

▪ خسائر النحاس في العضو الثابت: الحرارة الناتجة في لفات النحاس في العضو الثابت، وتعرف أيضا بخسائر I2R. يمكن تقليل هذه الخسائر باستخدام فولاذ منخفض الفقد وتحسين شكل العضو الساكن لتعزيز الحقول المغناطيسية.

▪ خسائر العضو الدوار: ناتجة عن مقاومة التيار في الدوار وفقدان الحديد. يمكن تقليل هذه النقاط باستخدام قضبان وحلقات موصلة لتقليل مقاومة الدوار.

▪ خسائر الحمل العشوائية: ناتجة عن انحراف الستاتور والدوارة، بالإضافة إلى تدهور المواد المغناطيسية، بالإضافة إلى خسائر القص الناتجة عن تشغيل الدوارات. يمكن تقليل هذه المستويات باستخدام أنظمة التحكم الإلكترونية لمراقبة عدم المحاذاة وتسرب التدفق المغناطيسي.

• تعد أنظمة التحكم والقيادة اعتبارا مهما ويمكن أن تحقق توفيرا كبيرا في التكاليف والطاقة.

على سبيل المثال، يمكن لمحركات السرعة المتغيرة أن توفر وفورات كبيرة في الطاقة في الأنظمة ذات الحمل غير الثابت. عن طريق تقليل سرعة المحرك لمطابقة الحمل المطلوب بدقة، يتم تقليل الطلب على الطاقة. توفر محركات عالية الكفاءة باستخدام أشباه الموصلات من الجيل القادم مزيدا من توفير الطاقة. 

استخدام عدة مكونات فعالة للمحرك يمكن أن يحسن الكفاءة العامة.

 

 

• تصميم نظام المحرك الفعال يشمل جميع مكونات نظام المحرك.

على سبيل المثال، إضافة محرك أكثر كفاءة إلى نظام محرك غير فعال سيكون أقل فعالية من تحسين النظام بأكمله. لهذا السبب يجب النظر إلى أنظمة المحركات بشكل شامل. يجب فحص كل مكون بشكل نقدي، وتحديد الحجم والتحديد بشكل مناسب.