كيفية تقييم قدرة محركات التدفق المحوري عالية السرعة على إضعاف المجال؟

في السنوات الأخيرة، محركات التدفق المحوري قوة جر متزايدة في مجتمع المحركات الكهربائية. اكتسبت ويعتبرها الكثيرون أحد الاتجاهات التمثيلية للجيل القادم من المحركات عالية الأداء، خاصة في التطبيقات التي يكون فيها الحجم والوزن أمرًا بالغ الأهمية - مثل المحركات الموجودة داخل العجلات، والطائرات بدون طيار، والسيارات الرياضية الكهربائية، والأنظمة الهجينة. يوفر هيكل التدفق المحوري مزايا فريدة في هذه السيناريوهات.

ومع ذلك، لتطبيق محركات التدفق المحوري حقًا في أنظمة القيادة الكهربائية عالية السرعة، لا مفر من تحدي تقني واحد:  هل قدرة إضعاف المجال عالية السرعة كافية؟ وكيف ينبغي تقييمه؟

أولاً، عليك أن تفهم: لماذا يعد 'إضعاف المجال' ضروريًا دائمًا عند السرعات العالية؟

من الخصائص الأساسية للمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSMs) أن المجال الكهرومغناطيسي الخلفي يزداد مع السرعة.

يمكن فهم EMF الخلفي ببساطة على أنه الجهد 'المولد' بواسطة المحرك نفسه أثناء دورانه. عندما ترتفع السرعة إلى نقطة معينة، فإن EMF الخلفي يقترب أو حتى يتجاوز الحد الأقصى للجهد الذي يمكن لوحدة التحكم توفيره - أي جهد ناقل التيار المستمر. عند هذه النقطة، لم يعد المحرك قادرًا على ضخ التيار أو زيادة السرعة؛ يتم حظره بشكل فعال بواسطة 'جدار الجهد'.

إذن ما الذي يمكن فعله؟

الطريقة هي:  تقليل ارتباط تدفق المحرك بشكل فعال، أي جعل المجال المغناطيسي 'أضعف' ، وبالتالي خفض EMF الخلفي وتحرير ارتفاع الجهد لسرعات أعلى. وهذا ما نطلق عليه عادة 'التحكم في إضعاف المجال'.

تشبيه:
تحتاج الدراجة العادية إلى نسبة تروس كبيرة لبدء التشغيل وعزم دوران مرتفع؛ إذا حافظت على هذه النسبة الكبيرة بسرعة عالية، فلن تتمكن ساقيك من مواكبة الإيقاع. إن التحكم في إضعاف المجال يشبه التحول إلى نسبة تروس أصغر عند السرعة العالية، مما يسمح لسرعة السيارة بمواصلة الزيادة بينما يظل إيقاع ساقك كما هو.

ثانيا. خصائص محركات التدفق المحوري في إضعاف المجال

محركات التدفق المحوري ليست تصميمًا ثابتًا واحدًا، بل هي فئة واسعة من الهياكل. السمة المشتركة بينها هي أن تدفق فجوة الهواء يتدفق في الاتجاه المحوري، بدلاً من أن يكون شعاعيًا كما هو الحال في محركات التدفق الشعاعي التقليدية.

يوفر هذا الهيكل مزايا مثل كثافة عزم الدوران العالية، وعامل الشكل المسطح، والطول المحوري القصير، ولكنه يقدم أيضًا بعض الخصائص ذات الصلة بقدرة إضعاف المجال.

أحد العوامل الأكثر تأثيرًا هو أن  العديد من محركات التدفق المحوري لها محاثة منخفضة نسبيًا.

ترتبط قدرة المحرك على إضعاف المجال ارتباطًا وثيقًا بنسبة محاثة المحور المباشر  Ld  إلى وصلة التدفق  Ψm . ببساطة، كلما زاد محاثة المحور المباشر وصغرت وصلة التدفق، أصبح إضعاف المجال أسهل من الناحية النظرية، وأصبحت قدرة التمديد عالية السرعة أقوى.

العديد من محركات التدفق المحوري، سعيًا لتحقيق كثافة عزم دوران عالية، لديها مسارات مغناطيسية قصيرة ولفائف نهاية قصيرة، مما يؤدي إلى محاثة منخفضة بشكل طبيعي. وبالتالي، يلزم وجود تيار أكبر لإضعاف المجال لإلغاء ارتباط التدفق، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في فقدان النحاس بسرعة عالية، وانخفاض في الكفاءة، وربما حتى قدرة غير كافية على إضعاف المجال.

لكن لاحظ:  ليست كل محركات التدفق المحوري تتمتع بأداء ضعيف في إضعاف المجال.
ذلك يعتمد على التصميم المحدد. على سبيل المثال، استخدام مغناطيس متعدد الطبقات، أو زيادة عدد زوج القطب، أو تحسين تكوينات الملفات، أو زيادة مساهمة عزم الدوران الممانعة، يمكن أن يؤدي جميعها إلى تحسين أداء إضعاف المجال.

ولذلك، عند التقييم، لا يمكن للمرء أن يقول ببساطة 'إن محركات التدفق المحوري دائمًا ما تكون ضعيفة المجال'؛ ويجب تقييمه على أساس كل حالة على حدة لكل تصميم محدد.

ثالثا. ما هي المؤشرات الرئيسية لتقييم القدرة على إضعاف المجال؟

في الممارسة الهندسية، يتضمن تقييم قدرة إضعاف المجال عالية السرعة لمحرك التدفق المحوري عادةً المعلمات والمنحنيات الأساسية التالية.

1. التيار المميز

يتم تعريف التيار المميز على النحو التالي:

 حيث  Ψm  هي وصلة تدفق المغناطيس الدائم، و  Ld  هي محاثة المحور المباشر.

إذا كان التيار المميز أقل من الحد الأقصى لتيار الإخراج لوحدة التحكم، فيمكن للمحرك نظريًا الدخول إلى منطقة 'إضعاف المجال اللانهائي'، مما يسمح بتمديد سرعة عالية جدًا.
إذا كان التيار المميز أكبر من الحد الأقصى للتيار، فهذا يعني أنه حتى استخدام كل التيار لإضعاف المجال غير كافٍ لإلغاء ارتباط التدفق، مما يحد من قدرة التمديد عالية السرعة.

التيار المميز هو المؤشر الأكثر بديهية لتقييم إمكانية إضعاف المجال.

2. دائرة حد الجهد ودائرة حد التيار

على المستوى المتجه الحالي، يكون تشغيل المحرك مقيدًا بدائرتين:

• دائرة الحد الحالي : يحددها الحد الأقصى لتيار الإخراج لوحدة التحكم؛

• دائرة حد الجهد : يتم تحديدها بواسطة جهد ناقل التيار المستمر والسرعة الحالية.

مع زيادة السرعة، تتقلص دائرة حد الجهد. يجب أن تقع نقطة تشغيل المحرك ضمن تقاطع هاتين الدائرتين.

لا يزال المحرك ذو القدرة القوية على إضعاف المجال يتمتع بمساحة تقاطع كافية بسرعة عالية لتوفير عزم دوران مفيد.
يرى المحرك ذو القدرة الضعيفة على إضعاف المجال أن دائرة حد الجهد تتقلص بسرعة كبيرة، مما يؤدي إلى ضغط نقطة التشغيل في منطقة صغيرة جدًا، وتنخفض قدرة الإخراج بشكل حاد.

3. عرض منطقة الطاقة الثابتة

في الهندسة، غالبًا ما تُستخدم 'منطقة الطاقة الثابتة' لتقييم قدرة التمديد عالية السرعة.
تشير منطقة الطاقة الثابتة الأوسع إلى أن المحرك يمكنه الحفاظ على إنتاج طاقة مرتفع نسبيًا بسرعات عالية، بدلاً من التعرض لانخفاض يشبه الهاوية في عزم الدوران.

إذا كان محرك التدفق المحوري مصممًا بشكل سيئ لإضعاف المجال، فإن منطقة الطاقة الثابتة الخاصة به ستكون ضيقة بشكل ملحوظ، وستنخفض الطاقة عند السرعة العالية بسرعة.

4. نسبة السرعة القصوى إلى السرعة المقدرة

وتسمى هذه النسبة أيضًا 'نسبة توسيع سرعة إضعاف المجال'.
بالنسبة لمحركات سيارات الركاب النموذجية، تكون نسبة التوسع من 3 إلى 4 مرات أو أكثر مرغوبة - على سبيل المثال، مصنفة عند 4000 دورة في الدقيقة والحد الأقصى عند 15000-18000 دورة في الدقيقة.
ما إذا كان محرك التدفق المحوري يمكنه تحقيق هذا المستوى يعتمد على التقييم المشترك للتحريض، وربط التدفق، ورقم زوج القطب، وقدرة جهد جهاز التحكم.

5. كفاءة عالية السرعة وارتفاع درجة الحرارة

إن إضعاف المجال لا يتعلق فقط 'بقدرته على الدوران'، ولكن أيضاً 'بمدى كفاءته عندما يحدث ذلك'.
فإذا كان تيار إضعاف المجال كبيراً للغاية، فإن فقدان النحاس يزداد بشكل كبير، مما يؤدي إلى ارتفاع شديد في درجة الحرارة بسرعة عالية، وهو ما قد يؤدي حتى إلى إزالة مغنطة المغناطيس الدائم بشكل لا رجعة فيه.

لذلك، عند تقييم قدرة إضعاف المجال، من الضروري أيضًا فحص كفاءة MAP عالية السرعة والأداء الحراري - وليس فقط أرقام السرعة.

رابعا. كيفية التقييم في الممارسة العملية؟ ثلاث طرق

النهج 1: المحاكاة الكهرومغناطيسية

أثناء مرحلة التصميم، يقوم المهندسون عادةً ببناء نموذج كهرومغناطيسي لمحرك التدفق المحوري باستخدام برنامج محاكاة العناصر المحدودة.

وبمسح السرعات المختلفة ومتجهات التيار يمكن الحصول على ما يلي:

• عودة الموجي EMF.

• محاثات المحور المباشر والمحور التربيعي  Ld , Lq;

• ربط التدفق  Ψm;

• المميزة الحالية  Ich;

• تقاطع القطع الناقص الحدي للجهد ودائرة الحد الحالية ؛

• منحنى سرعة عزم الدوران الأقصى النظري؛

• خريطة الكفاءة.

يمكن أن تعكس هذه البيانات بشكل شامل إمكانية إضعاف مجال المحرك.
ومع ذلك، للحصول على نتائج محاكاة دقيقة، يجب أن يمثل النموذج بأمانة تدفق التسرب في نهاية التدفق المحوري، ومسارات الدوائر المغناطيسية ثلاثية الأبعاد، وخصائص التشبع. ونتيجة لذلك، تعتمد محاكاة محركات التدفق المحوري بشكل أكبر على تحليل العناصر المحدودة ثلاثي الأبعاد مقارنة بالمحركات الشعاعية التقليدية.

النهج 2: اختبار مقاعد البدلاء

المحاكاة نظرية فقط؛ في نهاية المطاف، قياسات مقاعد البدلاء مطلوبة.

تتضمن اختبارات البدلاء عادةً ما يلي:

• قياس معامل EMF الخلفي؛

•  قياس الحث في درجات حرارة مختلفة.

• ذروة منحنى السرعة الخارجية المميزة لعزم الدوران؛

• قدرة إخراج الطاقة المقدرة المستمرة؛

• وقت التشغيل المستدام بأقصى سرعة؛

• ارتفاع الكفاءة ودرجة الحرارة في منطقة ضعف المجال عالية السرعة؛

• اختبار تدهور الأداء بعد إزالة المغناطيسية.

والأكثر أهمية هو  ارتفاع درجة الحرارة في منطقة إضعاف المجال عالية السرعة  وقدرة  التشغيل المستمر. .
يمكن للعديد من نماذج التدفق المحوري أن تصل إلى سرعات عالية جدًا في اختبارات الذروة قصيرة المدة، ولكن إذا ارتفعت درجة حرارتها وتقلصت بعد بضع دقائق من التشغيل المستمر، فلا يمكن اعتبارها تتمتع بقدرة إضعاف المجال المؤهلة حقًا.

النهج 3: تقييم مطابقة استراتيجية التحكم

لا تعتمد قدرة إضعاف المجال على المحرك نفسه فحسب، بل تعتمد أيضًا على وحدة التحكم وخوارزميات التحكم.

تشمل استراتيجيات التحكم الشائعة ما يلي:

• MTPA (الحد الأقصى لعزم الدوران لكل أمبير)؛

• التحكم في إضعاف المجال؛

• MTPV (الحد الأقصى لعزم الدوران لكل جهد)؛

• تغذية الجهد وفصل التيار في إضعاف المجال العميق.

يجب أن يدرس التقييم ما إذا كانت استراتيجية التحكم يمكنها استغلال حدود الجهد والتيار لمحرك التدفق المحوري بشكل كامل.
إذا كان لدى الجسم الحركي إمكانات جيدة لإضعاف المجال ولكن خوارزمية التحكم غير كافية، فقد تحدث مشكلات مثل الارتعاش أو فقدان التحكم أو الكفاءة المنخفضة بشكل مفرط عند السرعات العالية.

V. ما هي تحسينات التصميم التي يمكن أن تعزز قدرة إضعاف المجال عالية السرعة لمحركات التدفق المحوري؟

إذا كشف التقييم عن عدم كفاية القدرة على إضعاف المجال، فإن اتجاهات التحسين الشائعة تشمل ما يلي:

1. تحسين محاثة المحور المباشر

يمكن أن تؤدي زيادة محاثة المحور المباشر بشكل مناسب إلى خفض التيار المميز وتعزيز القدرة على إضعاف المجال.
يمكن تحقيق ذلك عن طريق زيادة عدد زوج القطب، وضبط هندسة الفتحة، وتحسين تخطيط اللف، وزيادة عرض الجسر المغناطيسي، وما إلى ذلك.

ومع ذلك، فإن زيادة محاثة المحور المباشر غالبًا ما تتعارض مع كثافة عزم الدوران، لذلك يلزم التحسين متعدد الأهداف.

2. تقليل ارتباط التدفق بشكل معتدل

إن استخدام مغناطيسات ذات بقاء أقل قليلاً ولكن تحمل درجة حرارة أعلى، أو تقليل سمك المغناطيس، يمكن أن يؤدي إلى خفض المجال الكهرومغناطيسي والتيار المميز.
وتتمثل المقايضة في تقليل عزم الدوران عند السرعة المنخفضة، والذي يجب مقارنته بمتطلبات النظام الشاملة.

3. زيادة مساهمة عزم الدوران الممانعة

من خلال زيادة نسبة البروز (الفرق بين محاثات التربيع والمحور المباشر)، يمكن لعزم الممانعة أن يتحمل حصة أكبر من الخرج، مما يقلل الاعتماد على وصلة تدفق المغناطيس الدائم.
بهذه الطريقة، عند ضعف المجال عالي السرعة، تشغل وصلة التدفق مساحة أقل للجهد، مما يجعل تمديد السرعة أسهل.

4. اعتماد الإثارة الهجينة أو التدفق المتغير

وهذا نهج أكثر تقدما.
إن دمج ملفات المجال أو مغناطيسات التدفق المتغير في بنية التدفق المحوري يسمح بالتخفيض النشط لتدفق فجوة الهواء بسرعة عالية، مما يحول 'إضعاف المجال السلبي' إلى 'إضعاف المجال النشط'.

يمكن لهذا التصميم أن يحسن بشكل كبير كفاءة السرعة العالية وعرض منطقة الطاقة الثابتة، ولكنه يزيد من التعقيد الهيكلي والتكلفة.

5. تحسين الاستفادة من الجهد الناقل DC

إذا كان المحرك نفسه يتمتع بقدرة متواضعة على إضعاف المجال، فمن الممكن أيضًا دفع 'جدار الجهد' إلى الخلف عن طريق رفع مستوى جهد وحدة التحكم، واستخدام محولات SiC، وتحسين استراتيجيات التعديل، وما إلى ذلك، لتوفير جهد أكثر فعالية من نفس جهد الناقل.

وهذا يترك مساحة أكبر لإضعاف المجال.

سادسا. المفاهيم الخاطئة الشائعة

عند تقييم قدرة محركات التدفق المحوري عالية السرعة على إضعاف المجال، تجدر الإشارة إلى العديد من المفاهيم الخاطئة.

المفهوم الخاطئ 1: النظر فقط إلى السرعة القصوى.

لا تعني السرعة القصوى العالية بالضرورة قدرة قوية على إضعاف المجال - فقد تكون مجرد انفجار سريع قصير المدى دون خرج طاقة مفيد مستدام.

المفهوم الخاطئ 2: الاعتقاد بأن محركات التدفق المحوري تعاني دائمًا من إضعاف المجال الضعيف.

كما ذكرنا سابقًا، يعد التدفق المحوري مفهومًا طوبولوجيًا، ويختلف أداء إضعاف المجال المحدد بشكل كبير. يمكن لبعض محركات التدفق المحوري عالية الأداء أن تتفوق في الأداء على محركات التدفق الشعاعي المماثلة في قدرة إضعاف المجال.

المفهوم الخاطئ 3: تجاهل تأثيرات درجة الحرارة.

يختلف كل من وصلة تدفق المغناطيس الدائم ومقاومة اللف باختلاف درجة الحرارة. عند درجات الحرارة المرتفعة، يتناقص ارتباط التدفق، مما يغير متطلبات التيار التي تضعف المجال. يجب أن يستخدم التقييم معلمات الحالة الساخنة، وليس فقط بيانات الحالة الباردة.

المفهوم الخاطئ 4: التعامل مع السرعة القصوى للمحاكاة على أنها سرعة فعلية قابلة للاستخدام.

غالبًا ما يتم تشغيل عمليات المحاكاة في ظل ظروف الجهد والتيار ودرجة الحرارة المثالية. في اختبار مقاعد البدلاء الفعلي، ستحد اللاخطية في وحدة التحكم والحماية الحرارية من منطقة إضعاف المجال العملي.

سابعا. خاتمة

إن قدرة إضعاف المجال عالية السرعة لمحرك التدفق المحوري هي في جوهرها مشكلة هندسية على مستوى النظام.

لا يعتمد الأمر على التصميم الكهرومغناطيسي لجسم المحرك فحسب، بل يعتمد أيضًا على استراتيجية التحكم وقدرة العاكس والإدارة الحرارية.
لا ينبغي أن يعتمد التقييم على معيار واحد أو اثنين فقط؛ بدلاً من ذلك، فإنه يتطلب حكمًا شاملاً يعتمد على التيار المميز، ودوائر الحد من الجهد/التيار، وعرض منطقة الطاقة الثابتة، والكفاءة عالية السرعة، وارتفاع درجة الحرارة، وقدرة التشغيل المستمر.

بالنسبة للمهندسين الذين يهدفون حقًا إلى دفع محركات التدفق المحوري إلى تطبيقات المحركات الكهربائية عالية السرعة،  فإن القدرة على إضعاف المجال ليست مسألة 'ما إذا كانت موجودة أم لا'، بل 'ما إذا كان المحرك يمكنه زيادة السرعة بشكل مستدام وفعال'.

في المستقبل، مع التقدم في المواد الجديدة، والطوبولوجيا الجديدة، وتقنيات تحسين الفيزياء المتعددة، سيستمر أداء محركات التدفق المحوري في منطقة إضعاف المجال عالية السرعة في التحسن.
وسيصبح التقييم الدقيق والمنهجي لقدرتها على إضعاف المجال على نحو متزايد رابطًا حاسمًا في تطوير المحركات الكهربائية.