Evs تدفع الطلب على المحركات الحثية على شكل قفص السنجاب

تخيل "قلب" عالية الكفاءة ينبض بهدوء داخل سيارة كهربائية - واحدة التي توفر طاقة موثوقة دون هياكل فرشاة معقدة.محرك التيار المتردد المستخدم على نطاق واسع في كل من التطبيقات الصناعية والمركبات الكهربائيةلكن ما الذي يجعل هذا المحرك فريدًا، وما هي التحديات والفرص التي تواجهه؟

نظرة عامة

محرك القفص السناجب هو محرك التيار المتردد بدون فرشاة يتم تشغيله بواسطة الجهد والتيار الجانبي. بنيته البسيطة، وتكلفة منخفضة، وموثوقية عالية، واستدامة، والحد الأدنى من التموج العكسي،متطلبات صيانة منخفضة، وقدرتها على العمل في البيئات القاسية تجعلها مثالية للتطبيقات الصناعية وأنظمة الدفع الكهربائي.

تطبيقات المركبات الكهربائية

تم تنفيذ SCIMs في العديد من المركبات الكهربائية المتاحة تجارياً (BEVs) ، بما في ذلك سيارات الركاب والحافلات والشاحنات الخفيفة. تشمل الأمثلة البارزة Tesla S-2014.(تازاري زيرو)، مرسيدس-بنز B-فئة الكهرباء القيادة، ماهيندرا e2o، وتويوتا راف4 EV. بالإضافة إلى ذلك،النسخة الأولى من شاحنة نيوتن الكهربائية الخفيفة من شركة Smith Electric Vehicles والحافلة الكهربائية البطارية Optare Solo EV تستخدم أيضًا SCIMs ثلاثية المراحل.

مبدأ العمل والخصائص الهيكلية

كمحرك غير متزامن ، تعمل SCIM مع الفرق بين سرعة المجال المغناطيسي الدوار التي تولدها طيات الستاتور وسرعة الدوار.بنيتها البسيطة نسبياً تبسط عمليات التصميم والتصنيع مقارنةً بأنواع المحركات الأخرىعلى عكس محركات المغناطيس الدائم، تستخدم SCIMs مواد أكثر بأسعار معقولة. في حين أن SCIMs ثلاثية المراحل هي الأكثر شيوعا،محركات ذات أعداد مراحل أعلى قيد التطوير لتحسين كثافة الطاقة وتقليل موجة التموج والتيار لكل مرحلة.

يحتوي الدوار على قفص سنجاب من الألومنيوم المصبوب ، مع التيارات الدوارة التي تسببها المجال المغناطيسي الدوار للستاتور.التفاعل بين هذا المجال والحقل المغناطيسي لتيار الدوار يولد العزم الكهرومغناطيسييمكن تعزيز الكفاءة باستخدام النحاس بدلاً من الألومنيوم لعوارض الدوار وحلقات النهاية.

قيود الأداء وتدابير التحسين

تتمتع SCIMs بالعيوب المتأصلة بما في ذلك التحكم الصعب في السرعة المنخفضة ، ونسبة الطاقة المنخفضة تحت الأحمال الخفيفة ، وتيار البدء العالي ، وكفاءة منخفضة نسبيًا ، وسوء استخدام المحول.حتى في ظل ظروف عدم الحمل، يزيد تيار المغناطيسية من خسائر النحاس ومعدلات التحويل الإلكتروني. يمكن أن تحقق تقنيات التحكم المناسبة أقصى عزم تشغيل مع الحفاظ على تيار تشغيل منخفض.

لتطبيقات محركات المحور ، يمكن أن تستخدم SCIMs دوارات القفص الخارجي لزيادة قطر فجوة الهواء وعزم الدوران الخارجي. على وجه الخصوص ، فإن SCIMs لديها كثافة عزم الدوران والكفاءة أقل مقارنة بأشكال المحركات الأخرى ،جعلها أكثر ملاءمة لسيارات BEV من المركبات الهجينة أو المركبات الهجينة القابلة للتوصيل حيث توجد قيود مساحيةعادة ما تكون السرعة القصوى محدودة إلى 10،000 دورة في الدقيقة، على الرغم من أن تقنيات إضعاف المجال يمكن أن تمدد نطاق الطاقة الثابتة إلى 4 إلى 5 أضعاف السرعة الأساسية، وهو شرط حاسم للمركبات الكهربائية.

تقنيات التحكم

تستخدم حاليًا العديد من تقنيات التحكم في السرعة والدوران. أبسطها هو التحكم المقياسي ، الذي يضبط حجم الجهد والتردد ، على الرغم من أن أدائه المؤقت محدود.لتحسين الاستجابة العابرة، يتم تنفيذ التحكم الموجه إلى الميدان (FOC) والتحكم المباشر في عزم الدوران (DTC) ، في حين أن طرق التحكم بدون أجهزة استشعار (إزالة أجهزة استشعار السرعة / الموقف) تكتسب اهتمامًا.

محركات المغناطيس الدائم

تندرج المحركات بدون فرش المغناطيس الدائم إلى فئتين: DC بدون فرش (BLDC) و AC بدون فرش (محركات متزامنة المغناطيس الدائم أو PMSM). في حين يحتوي كلا المحركين على دوارات مغناطيس دائمة ،ترتيبات لف الدوائر تختلف. تستخدم محركات BLDC ملفات ترابيزية مع EMF خلفي ترابيزي ، عادة ما يتم تشغيلها بواسطة تيارات المرحلة المستطيلة.هذا يسمح أساليب التحكم البسيطة باستخدام ردود الفعل الموقف استشعار ست مرات لكل دوران.

تطورت PMSM من المحركات المزامنة الدوارة الجرح، واستبدال فرشاة / حلقة الزحف إثارة الملفات بمغناطيس دائمة.مع ملفوفات سينوسويدية تنتج ساحة إلكترونية خلفية سينوسويدية تعمل بالتيارات سينوسويديةهذه الاختلافات تؤثر بشكل كبير على سلوك المحرك وخوارزميات التحكم، مما يجعل PMSMs أكثر ملاءمة لأنظمة الجر EV.

تصميم محرك المغناطيس الدائم

في حين أن معظم PMSM تستخدم تصاميم التدفق الشعاعي ، فإن تكوينات التدفق المحوري توفر مزايا في نسبة عزم الدوران إلى الحصانة وكثافة الطاقة لبعض نطاقات الطاقة ، وخاصة في تطبيقات محركات المحور.مغناطيسات الأراضي النادرة تهيمن على أنظمة الدفع للسيارات الكهربائية بسبب الخصائص المغناطيسية المتفوقة، على الرغم من أن PMSMs عالية الكفاءة يمكن تصميمها مع درجات مغناطيسية أقل.

توفر PMSMs الأرض النادرة خصائص جذابة بما في ذلك كثافة الطاقة / عزم الدوران العالي ، والعمل بسرعة متزامنة ، وكفاءة عالية ، والتحكم الدقيق في عزم الدوران ، والعمل الخالي من الصيانة.تشمل القيود القدرة المحدودة على إضعاف المجال (وخاصة في PMSMs المثبتة على السطح)، مخاطر إزالة المغناطيسية من الصدمة الميكانيكية، درجات الحرارة العالية، أو تأثيرات الدائرة القصيرة، مما يجعل السلامة وتحمل الأخطاء مخاوف حاسمة.

محركات الردود المتحركة

محركات الرفض المبتدئة (SRM) هي آلات بدون فرشاة ذات هياكل بارزة مزدوجة ̇ كل من الدوار والستاتور لهما أقواس بارزة. يحتوي الستاتور على طيات مركزة مشابهة لمحركات التيار المباشر ،بينما الدوار ليس له ملفات ولا مغناطيساتيتم الحفاظ على حركة الدوار عن طريق تشغيل قطب الستاتور بشكل متسلسل عن طريق التحكم الإلكتروني.

توفر SRMs البساطة والتكلفة المنخفضة وسهولة التصنيع بسبب بنية الدوار غير المعقدة. توفر نطاقات سرعة طاقة ثابتة موسعة (حتى 7:1) مثالي للسيارات الكهربائية بدون عجلات مع القدرة على ارتفاع درجة الحرارة، انخفاض inertia الدوار، عالية عزم الدوران الابتدائي، وتسارع التسارع. ومع ذلك، فإن القيود الكامنة تشمل موجة عزم الدوران كبيرة، والاهتزاز، والضوضاء الصوتية، والتحكم المعقد بسبب عدم خطية عالية.,وانخفاض الكفاءة بسبب زيادة خسائر الحديد.

محركات التبديل

محركات التبديل السريع (FSM) هي آلات بدون فرشاة بارزة مزدوجة قيد التحقيق لتطبيقات الجر.تتضمن محركاتها كل من طيات الإثارة المتواصلة و طيات التيار المتردد (عادة ثلاثي المراحل)، مما يقلل من الاهتزازات / الضوضاء مقارنة مع SRMs. تبسيط الدوار يجعل FSMs قوية للعمل عالية السرعة.

تتضمن أنواع FSM نوعًا متحمسًا بالملف (WFFSM) ، ومغناطيس دائم (PMFSM) ، ونوعًا متحمسًا هجينًا (HEFSM). في حين أن PMFSMs تظهر نطاقًا محدودًا من سرعات الطاقة الثابتة ، فإن هذه النوعية من المغناطيس يمكن أن تتمكن من تحسين السرعة.تتفوق WFFSMs في هذا الصدد من خلال التحكم في التلف التيار المترددتتضمن خصائص FSM الجذابة البساطة الهيكلية، وكثافة تدفق الهواء العالية (التي تنتج كثافة عالية من الطاقة / عزم الدوران) ، والصلبة للبيئات القاسية.العيوب تشمل خسائر النحاس أعلى وتداعيات عزم دوران متأصلة.

المحركات المتزامنة المترددة

تعمل المحركات المتزامنة للاستقبال (SynRM) بالتزامن عبر طاقة التيار المتردد ثلاثية المراحل. وتقلل الدوارات المصفوفة التي لا تحتوي على موصلات أو مغناطيسات من خسائر الدوار.عزم الدوران يستمد فقط من عدم الرغبة المغناطيسية، والتي تتطلب نسبة عالية من الارتفاع (Ld / Lq) للأداء المثالي. تصاميم الدوار متعددة الحواجز تتحكم في التدفق المغناطيسي مع حجب تدفق محور التربيع.

تقدم SynRMs بساطة التصنيع ومتطلبات عامل الطاقة / عاكس التنافسية مقابل محركات التشغيل ، على الرغم من أنها تتخلف عن PMSMs في الكفاءة وكثافة الدوران.التصميم الدقيق لحاجز التدفق يمكن أن يخفف من مشاكل التموج العكسييقدم العديد من الشركات المصنعة الآن SynRMs من الدرجة الصناعية ، مع نماذج أوليّة حديثة تم تطويرها لتطبيقات EV.

المحركات المتزامنة المترددة بمساعدة المغناطيس الدائم

يخلق إدخال المغناطيسات في دوارات SynRM PMa-SynRM ‬مرشحين واعدين لدفع الكهرباء.هذه الآلات تضع مغناطيسات فيريت في حواجز تدفق الدوار لتعزيز نسبة الظهور. يقاوم قطبية المغناطيسات تدفق محور التربيع ، مما يقلل من Lq ويزيد من نسبة Ld / Lq لتعزيز عزم الدوران المتردد (الذي يهيمن على عزم الدوران المتماشى).

تجمع PMa-SynRMs بين مزايا محرك PM وReluctance: الكفاءة العالية والكثافة وعامل الطاقة ومدى السرعة.استخدام الفيريتات منخفضة التكلفة بدلاً من مغناطيسات الأرض النادرة يعالج مخاوف التكلفة / العرض مع الحد من مخاطر إزالة المغناطيسية وEMF الخلفيتصاميم الدوار تستخدم تجاويف متعددة الطبقات للفيريتات المضمنة، وتحسين الظهور المغناطيسي. على الرغم من أنها لم يتم تسويقها بعد في السيارات الكهربائية،تواصل جهود التطوير على نماذج PMa-SynRM القائمة على الفيريت.

مقارنة أداء المحرك

عند تقييم أنواع المحركات (SRMs و WFFSMs و PMFSMs و PMa-SynRMs و PMSMs و SCIMs) ، لا يوجد مرشح واحد يفوق بشكل واضح الآخرين في جميع المقاييس.الضوضاء/الاهتزاز، قابلية التصنيع، الصلبة، تحمل الأخطاء، نطاق الطاقة الثابتة، وتعقيد التحكم.هناك حاجة إلى تحليل شامل لتنسيق متطلبات التطبيق المحددة مع خصائص المحرك المثلى.