العناصر الأساسية في تطوير المحركات عالية السرعة

مع التطور القوي لسوق مركبات الطاقة الجديدة العالمية، أظهرت سرعة قيادة المحركات نموًا مذهلاً. ومن 18000 دورة في الدقيقة منذ عدة سنوات إلى ما يتجاوز 20000 دورة في الدقيقة اليوم بشكل مريح، لا يمثل هذا اختراقًا رقميًا فحسب، بل يمثل أيضًا اختبارات صارمة لتصميم المحركات وتقنيات التصنيع. تتناول هذه المقالة عدة جوانب تطوير المحركات عالية السرعة.

 

01. اختيار الدوار رقم زوج القطب

في المحركات عالية السرعة، أصبح فقدان الحديد عاملاً حاسماً لا مفر منه، خاصة في نطاقات السرعة العالية. هناك علاقة وثيقة بين عدد أقطاب المحرك وفقدان الحديد، لأنه مع زيادة سرعة المحرك، يزداد أيضًا تردد تغيرات التدفق المغناطيسي في القلب، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في فقدان الحديد.

على سبيل المثال، في محرك يعمل بسرعة 20000 دورة في الدقيقة، يصل محرك ذو 6 أقطاب إلى تردد عمل قدره 1000 هرتز، بينما يزيد المحرك ذو 8 أقطاب هذا التردد إلى 1333 هرتز. وفقا لمعادلة حساب فقدان الحديد المذكورة أعلاه، فإن الزيادة في تردد التشغيل تؤدي مباشرة إلى زيادة فقدان الحديد.

في اتجاه تصميم المحركات عالية السرعة، يمكننا أن نرى انخفاضًا تدريجيًا في استخدام مجموعات فتحة القطب 8/48 وزيادة في استخدام مجموعات فتحة القطب 6/54.

ويكمن سبب هذا التحول في الاعتبارات المذكورة أعلاه لفقد الحديد. لتقليل فقدان الحديد أثناء التشغيل عالي السرعة، يميل المصممون إلى اختيار مجموعة فتحة القطب 6/54 لتحقيق أداء كهرومغناطيسي أفضل وكفاءة أعلى.

02. اختيار نظام التبريد

بالنسبة للمحركات ذات المغناطيس الدائم عالية السرعة، تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على أدائها. نظرًا لأن نقطة تشغيل المغناطيس الدائم تنجرف مع درجة الحرارة، فإن درجات الحرارة المرتفعة بشكل مفرط قد تؤدي إلى خطر إزالة مغنطة المغناطيس. علاوة على ذلك، فإن كثافة الطاقة العالية للمحركات الكهربائية في مركبات الطاقة الجديدة تحد من مساحة سطح التبريد، مما يجعل تصميم نظام التبريد أمرًا ضروريًا لضمان أداء مستقر للمحرك.

عند النظر في طرق التبريد أقترح استخدام نظام التبريد بالزيت للمحركات التي تزيد سرعتها عن 18000 دورة في الدقيقة. وذلك لأن مشكلات تسخين الدوار تصبح بارزة بشكل خاص عندما تتجاوز السرعات 16000 دورة في الدقيقة. في المحرك الذي يتم تبريده بالماء، يتم تبريد الجزء الثابت في المقام الأول، بينما في ظل السرعات العالية، يصبح تبديد حرارة الدوار بشكل فعال من خلال تبريد الماء أمرًا صعبًا.

فيما يتعلق بمراقبة درجة الحرارة، عادةً ما تتضمن تصميمات المحركات الحالية أجهزة استشعار لدرجة الحرارة داخل الجزء الثابت. في المحركات المبردة بالماء، نظرًا لهياكل قنوات التدفق المستقرة، يكون توزيع درجة الحرارة لملفات الجزء الثابت موحدًا نسبيًا ويتم التحكم فيه جيدًا. ومع ذلك، في المحركات المبردة بالزيت، تؤدي المرونة الأكبر في تصميم قنوات التدفق إلى اختلافات ملحوظة في درجة الحرارة بين اللفات مقارنة بالمحركات المبردة بالماء. لذلك، عند اختيار موقع المستشعر، من الضروري مراعاة المناطق التي ترتفع فيها درجة حرارة الملف بشكل أكبر لتقليل فرق درجة الحرارة بين درجة الحرارة المراقبة وأعلى نقطة ملف، مما يعكس بدقة الحالة الحرارية الفعلية للمحرك.

03. التحديات التكنولوجية للمحامل عالية السرعة

يعد نظام دعم الدوار مكونًا أساسيًا في تطوير المحركات عالية السرعة، حيث يكون اختيار تكنولوجيا المحامل أمرًا بالغ الأهمية بشكل خاص. حاليًا، يتم استخدام محامل الكرات ذات الأخدود العميق بشكل شائع في محامل المحركات.

في البيئات عالية السرعة، تواجه المحامل الكروية تحديات خطيرة مثل ارتفاع درجة الحرارة وخطر الجري. وذلك لأنه مع زيادة السرعة، يزداد أيضًا الاحتكاك وتوليد الحرارة داخل المحامل بشكل حاد، مما يؤدي إلى انخفاض أداء المحامل أو حتى فشلها. ولذلك، فإن تشحيم المحامل عالية السرعة أمر بالغ الأهمية.

بعد أن تتجاوز سرعات المحرك 18000 دورة في الدقيقة، هناك سبب مهم آخر للتوصية بتبريد الزيت وهو تشحيم المحامل. في المحركات المبردة بالماء، عادةً ما يتم استخدام محامل كروية ذاتية التشحيم للمحامل. ومع ذلك، أثناء التشغيل عالي السرعة، تواجه هذه المحامل تحديات مثل تسرب الشحوم والاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة بين الحلقات الداخلية والخارجية.

في المقابل، يمكن للمحامل الكروية من النوع المفتوح المستخدمة في أنظمة تبريد الزيت تبريد الحلقات الداخلية والخارجية للمحامل بشكل فعال، وتجنب مشكلات تسرب الشحوم والحصول على معامل احتكاك أقل. ومع ذلك، يجب الاهتمام بتصميم مسارات زيت التشحيم لضمان تبريد المحمل بشكل مناسب. في فتحة الكتف، تم دمج الهيكل البارز لضمان أن تكون سرعة تدفق زيت التبريد موحدة نسبيًا قبل وبعد الكتف.