النقاط الرئيسية لاختيار الدوار لمحرك التدفق المحوري في ظل ظروف تشغيل مختلفة - المحركات المحورية، والمفاصل الروبوتية، ودفع الطائرات بدون طيار

مقدمة: التحول النموذجي من 'الأسطوانة' إلى 'القرص'

عندما يفكر الناس في المحركات الكهربائية، فإن معظمهم يتصورون أسطوانة طويلة حيث يحيط الجزء الثابت بالدوار وينتشر المجال المغناطيسي بشكل شعاعي. ومع ذلك، فإن المحرك الذي يتحدى هذا الشكل التقليدي يقود ثورة تكنولوجية جديدة - محرك التدفق المحوري . فهو يضغط الجزء الثابت والعضو الدوار في قرص مسطح تقريبًا، مضغوط مثل كعكة الساندويتش.

ويكمن جوهر هذه الثورة المسطحة في حدوث تغيير جوهري في اتجاه المسار المغناطيسي. في محرك التدفق الشعاعي التقليدي، يشع المجال المغناطيسي إلى الخارج من المحور؛ في محرك التدفق المحوري، يعمل المجال المغناطيسي بالتوازي مع المحور، حيث يواجه الجزء الثابت والدوار بعضهما البعض في ترتيب القرص. يجلب هذا التحول مزايا أداء مذهلة:  مع نفس استخدام المواد، يتناسب عزم محرك التدفق المحوري مع مكعب قطر الدوار (بينما بالنسبة للمحرك الشعاعي التقليدي فهو فقط مربع القطر)، مما يحقق زيادة في كثافة عزم الدوران بمقدار 2-3 مرات وكفاءة تتجاوز 96٪.  وفي الوقت نفسه، يبلغ طوله المحوري 1/3 إلى 1/2 فقط من طول المحرك التقليدي، مع تقليل الحجم بأكثر من 50% وانخفاض الوزن بحوالي 40%-50% تحت نفس القوة.

إن مفتاح تحقيق كثافة الطاقة العالية وكثافة عزم الدوران في محركات التدفق المحوري يكمن في التصميم المبتكر لهيكل الدوار. تفرض سيناريوهات التطبيق المختلفة متطلبات أداء مميزة، وغالبًا ما يحدد اختيار هيكل الدائرة المغناطيسية للدوار، ومواد المغناطيس الدائم، والطوبولوجيا بشكل مباشر ما إذا كان المحرك يمكنه تحقيق مزاياه بالكامل. تبدأ هذه المقالة بثلاثة سيناريوهات تطبيقية نموذجية - المحركات المحورية، ومفاصل الروبوت، ودفع الطائرات بدون طيار - وتحلل بشكل منهجي النقاط الأساسية لاختيار الدوار.

1. المحركات المحورية: المفاضلة بين كثافة عزم الدوران ونطاق السرعة الواسع

يتم تركيب محركات المحور داخل حافة العجلة، حيث تكون المساحة محدودة للغاية - وهذا هو قيد التصميم الأساسي. يجب أن توفر في نفس الوقت كثافة عزم دوران عالية (للبدء والتسلق)، ونطاق واسع من السرعة (من الزحف منخفض السرعة إلى الإبحار عالي السرعة)، وقدرة جيدة على تبديد الحرارة.

فيما يتعلق باختيار هيكل الدوار، تستخدم المحركات المحورية عادة  الأنواع المثبتة على السطح والأنواع (الداخلية) ، ولكل منها أولويات تصميم مختلفة. يتم توصيل المغناطيس الدائم المثبت على السطح مباشرة بسطح قلب الدوار، مما يوفر بنية بسيطة وكثافة تدفق عالية لفجوة الهواء وملاءمة للتطبيقات التي تسعى إلى الحصول على كثافة طاقة قصوى. ومع ذلك، فإن الدوران عالي السرعة للدوار ذو القطر الكبير يولد قوة طرد مركزية هائلة، مما يتطلب جلبة احتجاز لتأمين المغناطيسات المثبتة على السطح. وهذا يتطلب مواد غير مغناطيسية عالية القوة، كما أن الغلاف نفسه يزيد من فجوة الهواء، وبالتالي يقلل الإخراج.

يتم تضمين المغناطيس الدائم من النوع (الداخلي) داخل الدوار. من خلال تركيز التدفق، فإنها تحسن بشكل كبير كثافة عزم الدوران والقدرة على تمديد سرعة إضعاف التدفق. على سبيل المثال، يستخدم المحرك المحوري من النوع STAF-PMSM المصمم من قبل جامعة Jiangsu هيكلًا مزدوج الدوار لزيادة منطقة إثارة فجوة الهواء، مما يحقق إثارة تركيز التدفق. إنه يوفر عزم دوران أقصى يبلغ 280 نيوتن متر وقوة قصوى تبلغ 15 كيلووات، مما يجعله مناسبًا لمركبات الطاقة الجديدة الموزعة ذات الدفع بالعجلات. علاوة على ذلك، يحمي الهيكل الداخلي المغناطيس الدائم بشكل فعال من التعرض المباشر لدرجة الحرارة العالية والتأثير الميكانيكي، مما يتغلب على خطر انفصال المغناطيس الذي تواجهه الأنواع المثبتة على السطح عند السرعات العالية.

تعد الإدارة الحرارية تحديًا أساسيًا آخر للمحركات المحورية. في ظل التشغيل عالي الطاقة، تتركز الخسائر الكهرومغناطيسية وتكون ظروف التبريد سيئة. وهذا يتطلب نمذجة حرارية دقيقة تعتمد على تحليل الخسارة لتحقيق التبريد الفعال. حاليًا، يعمل محرك التدفق المحوري أحادي الدوار (AFIR) ثنائي الجزء الثابت على تحسين كثافة الطاقة عن طريق زيادة التحميل الكهربائي باستخدام عضوين ساكنين، بينما يعمل محرك التدفق المحوري بدون نير (YASA) على التخلص من نير الجزء الثابت لتقليل فقدان الحديد، وخفض الحمل الحراري مع تحسين الكفاءة وكثافة عزم الدوران.

بشكل عام، يجب أن يوازن اختيار الدوار للمحركات المحورية بين  كثافة عزم الدوران وإمكانية تمديد السرعة والموثوقية . بالنسبة لمتطلبات عزم الدوران العالي السرعة المنخفضة، يفضل استخدام الهياكل المثبتة على السطح أو من النوع المتحدث، ولكن إذا كانت هناك حاجة إلى نطاق واسع من السرعة، فإن النوع المتحدث يكون أكثر ملاءمة بسبب تركيز التدفق وقدرته على إضعاف التدفق.

2. مفاصل الروبوت: المتطلبات المزدوجة للقصور الذاتي المنخفض والتحكم الدقيق

تتطلب مفاصل الروبوت خصائص مختلفة بشكل واضح عن المحركات المحورية. في المفاصل الكبيرة مثل الوركين والخصور والساقين، يعد إنتاج عزم الدوران العالي والوزن الخفيف من المتطلبات الأساسية - مقارنة بالمحركات الشعاعية التقليدية، يمكن لمحركات التدفق المحوري في هذه السيناريوهات تقليل شغل المساحة بنسبة 30% إلى 60% والوزن بأكثر من 30%، مع وصول بعض التصميمات إلى 60%-70%. في المفاصل الصغيرة مثل الرسغين والأصابع، تصبح الدقة والقصور الذاتي المنخفض من الأولويات القصوى.

تعد نسبة عزم الدوران إلى القصور الذاتي  معلمة تصميم رئيسية لمحركات الروبوت المشتركة. تظهر الأبحاث أن عزم دوران محرك التدفق المحوري يتناسب مع مكعب قطر الدوار، مما يعني أنه يمكن تحقيق خرج عزم دوران عالي للغاية وسرعة منخفضة في المساحة المدمجة لمفصل مسطح، في حين يمكن دمج هيكل القرص الرقيق مباشرة في المفصل وتبسيط تبديد الحرارة.

بالنسبة لاختيار الدوار، تعطي وصلات الروبوت الأولوية للهياكل المثبتة على السطح أو مصفوفات هالباخ. يتيح الهيكل المثبت على السطح، مع انخفاض فقدان الدوار ولحظة القصور الذاتي المنخفضة،  استجابة ديناميكية أسرع  - يمكن تقليل وقت استجابة التسارع من 15 مللي ثانية إلى 5-8 مللي ثانية، وهو أمر بالغ الأهمية لحركات الروبوت التي تتطلب بدء/توقف سريع وتحديد المواقع بدقة. تعمل مصفوفة هالباخ، من خلال نمط اتجاه مغنطة محدد، على تعزيز المجال المغناطيسي على جانب واحد بينما تلغيه تقريبًا على الجانب الآخر، مما يسمح بإزالة قلب الدوار وتقليل القصور الذاتي للدوار وخسائره.

يتطلب تصميم الدائرة المغناطيسية واختيار المواد ذات المغناطيس الدائم أيضًا تحكمًا دقيقًا. تستخدم محركات التدفق المحوري تخطيطًا مغناطيسيًا حلقيًا، مما يؤدي إلى تقصير طول المسار المغناطيسي وزيادة كثافة عزم الدوران مقارنة بالتخطيط الشعاعي لمحركات التدفق الشعاعي التقليدية. أيضًا، نظرًا لأن مفاصل الروبوت غالبًا ما تشتمل على مخفضات أو حتى مخططات الدفع شبه المباشر (QDD)، فإن هناك حاجة إلى قوة قسرية أعلى وثبات حراري. عندما تسمح التكلفة، يمكن لدرجات الضغط العالي التي تحتوي على أتربة نادرة ثقيلة مثل الديسبروسيوم والتيربيوم أن تمنع بشكل فعال إزالة المغناطيسية من المجالات المغناطيسية العكسية أثناء التشغيل.

بالنسبة للمفاصل المصغرة في نطاق 16-18 ملم، تظهر محركات التدفق المحوري من نوع ثنائي الفينيل متعدد الكلور مزايا فريدة. باستخدام النقش بدلاً من اللفات النحاسية التقليدية، فإنها توفر اتساقًا عاليًا في التصنيع، وفقدانًا منخفضًا للحديد، وخفيفة الوزن للغاية.

3. دفع الطائرات بدون طيار: التحديات القصوى لكثافة الطاقة ومقاومة إزالة المغناطيسية الحرارية

تواجه أنظمة الدفع بالطائرات بدون طيار تناقضًا أساسيًا:  فكل جرام إضافي من الوزن يقلل من زمن الرحلة، وكل درجة ارتفاع في درجة الحرارة تقلل من الطاقة . تشير البيانات إلى أنه بالنسبة لمحرك التدفق المحوري الذي تزيد نسبة الدفع إلى الوزن فيه عن 25:1، فإن تقليل الكتلة بمقدار 1 كجم يمكن أن يزيد المدى بحوالي 10 كم. ولذلك، فإن الوزن الخفيف وكثافة الطاقة العالية هما معايير التصميم الأساسية لمحركات دفع الطائرات بدون طيار.

من حيث كثافة الطاقة، تظهر محركات التدفق المحوري مزايا هائلة في دفع الطائرات بدون طيار. يمكن أن تصل كثافة الطاقة الحجمية إلى  14.9 كيلو واط/كجم ، وهو ما يتجاوز بكثير كثافة المحركات الشعاعية التقليدية. تتراوح كثافة الطاقة المقاسة من  5.8 إلى 21 كيلو واط/كجم ، مع كثافة عزم الدوران من  15 إلى 25 نيوتن متر/كجم . يحقق أحدث نظام دفع بالتدفق المحوري من سلسلة 'Yufeng' T كثافة طاقة مستمرة تبلغ 10 نيوتن متر/كجم وكثافة عزم دوران قصوى تبلغ 20 نيوتن متر/كجم، مما يجعله مناسبًا تمامًا للدفع المباشر في الطائرات المتقدمة مثل eVTOL المأهولة والطائرات بدون طيار ذات الأجنحة المركبة.

وبعيدًا عن كثافة الطاقة، تواجه محركات دفع الطائرات بدون طيار أيضًا خطر إزالة المغناطيسية في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة. أثناء الطيران، تعمل المحركات بقدرة عالية لفترات طويلة، مما يسبب ارتفاعًا سريعًا في درجة حرارة الملفات والمغناطيس الدائم. إذا تم إجراء المهام في حرارة الصيف أو المناطق الصحراوية، فإن الجمع بين درجة الحرارة المحيطة والتسخين الذاتي يخلق تحديات شديدة في إزالة المغناطيسية للمغناطيس الدائم.

يؤثر اختيار المواد المغناطيسية الدائمة بشكل مباشر على موثوقية درجات الحرارة العالية لمحركات الطائرات بدون طيار.  من بين مواد المغناطيس الدائم الشائعة، يوفر النيوديميوم والحديد والبورون (NdFeB) أعلى أداء مغناطيسي، ولكن الدرجات القياسية (سلسلة N) لها درجة حرارة تشغيل قصوى تبلغ 80-100 درجة مئوية فقط، وقد يحدث فقدان مغناطيسي لا رجعة فيه فوق 200 درجة مئوية. يمكن لدرجات NdFeB عالية الإكراه (سلسلة SH، UH، EH، AH) أن تعمل حتى 150-240 درجة مئوية، لكن ثباتها في درجات الحرارة العالية لا يزال أقل شأنا من كوبالت السماريوم (SmCo). يمكن لمغناطيس SmCo أن يعمل بثبات فوق  300 درجة مئوية ، مع درجة حرارة كوري تتجاوز 720 درجة مئوية، وتختلف خواصها المغناطيسية فقط 1/4-1/3 بقدر ندفيب مع درجة الحرارة. العيوب هي منتج طاقة مغناطيسي أقل قليلاً وتكلفة أعلى. بالنسبة للطائرات الاستهلاكية بدون طيار، يعتبر NdFeB عالي الأداء كافيًا لمعظم الاحتياجات؛ ولكن بالنسبة للطائرات بدون طيار الصناعية والطائرات الكهربائية المأهولة في ظل درجات حرارة عالية وظروف طاقة عالية، فإن SmCo - على الرغم من تكلفته - يعد خيارًا ضروريًا للموثوقية.

4. نظرة عامة سريعة على أنواع الدوارات: مقارنة بين المثبتة على السطح والداخلية

بناءً على التحليل أعلاه، يتم تلخيص أنواع هيكل الدوار الرئيسية لمحركات التدفق المحوري في الجدول التالي:

5. SDM: محرك رئيسي لدوارات محرك التدفق المحوري المثبتة على السطح

بعد تحليل نقاط اختيار الدوار الرئيسية للسيناريوهات الثلاثة الرئيسية، وصلنا إلى عنصر أساسي -  القدرة الهندسية للمغناطيس الدائم عالي الأداء وهياكل الدوار المثبتة على السطح . وهذا هو بالضبط المكان الذي تكمن فيه المزايا التقنية لـ SDM.

SDM هي مؤسسة وطنية ذات تقنية عالية تركز على المغناطيس والحلول المغناطيسية، مع 16 عامًا من الخبرة في إنتاج المغناطيس الاحترافي. وتتمتع الشركة بتعاون استراتيجي مع شركة China Aluminium، وهي أكبر مؤسسة لتعدين الأتربة النادرة في الصين، مما يضمن إمدادًا مستقرًا وآمنًا للمواد الخام الأرضية النادرة. وفي الوقت نفسه، تجري SDM بحثًا تعاونيًا متعمقًا مع  الأكاديمية الصينية للعلوم  وتعمل مع العملاء على تحليل العناصر المحدودة (FEA)، مما يوفر دعمًا دقيقًا للمحاكاة منذ بداية تصميم الدوائر المغناطيسية، وبالتالي تقصير دورات التطوير وتقليل تكاليف التجربة والخطأ.

في مجال دوارات محرك التدفق المحوري المثبتة على السطح، توفر SDM مزايا التصنيع والتصميم المنهجي:

أولاً، نظام إنتاج كامل بشهادات عالية المستوى.  تحمل الشركة IATF 16949 (نظام إدارة جودة السيارات)، وحافظت على سجل خالي من العيوب (0 جزء في المليون) كمورد من المستوى الثاني لشركة جنرال موتورز منذ عام 2010، كما أنها تمتلك شهادات ISO 9001 وISO 14001 وISO 45001 والبصمة الكربونية وBSCI. تتوافق منتجاتها مع متطلبات اختبار RoHS وREACH وSGS. وهذا يعني أن كل دفعة من المغناطيس الدائم تخضع لمراقبة صارمة للجودة، بدءًا من إمكانية تتبع المواد الخام وحتى شحن المنتج النهائي.

ثانيًا، تقنية المعالجة المتكاملة الناضجة للهياكل الدوارة المثبتة على السطح.  في محرك التدفق المحوري، يجب أن يحل القرص الدوار ذو المغناطيس الدائم المثبت على السطح ثلاث صعوبات هندسية رئيسية في وقت واحد:  تثبيت المغناطيس عالي القوة، والاستقرار في ظل التشغيل عالي السرعة، وقابلية التصنيع/التجميع . يوفر SDM خيارات متنوعة للمواد المغناطيسية، بما في ذلك درجات NdFeB عالية الإكراه وسلسلة SmCo. إنها تستخدم مجموعة من ألواح الضغط/إطارات التثبيت المصنوعة من البوليمر منخفضة الفقد وعالية القوة، والمكواة الخلفية للدوار، وأغطية الاحتفاظ بألياف الكربون لضمان تحديد موضع المغناطيس بشكل موثوق في ظل التشغيل عالي السرعة، مع تقليل خسائر التيار الدوامي للدوار. لقد أثبت هذا الحل مزاياه الشاملة المتمثلة في انخفاض فقدان الدوار، والقوة الهيكلية العالية، وقابلية المعالجة الجيدة للتجميع.

ثالثًا، فريق فني رفيع المستوى يدعم التخصيص المتطور. ويضم  الفريق الفني، الذي أنشأه  خبراء في المواد المغناطيسية من الأكاديمية الصينية للعلوم ، 2 دكتوراه، و5 حاملين لدرجة الماجستير، و8 من كبار المهندسين، وأكثر من 80 موظفًا هندسيًا وفنيًا. أنشأت الشركة مركزًا محليًا للبحث والتطوير ومحطة عمل ما بعد الدكتوراه. وبالتالي، لا يمكن لـ SDM إنتاج مغناطيسات تقليدية فحسب، بل يمكنها أيضًا توفير حلول تقنية كاملة العملية لمتطلبات الدوائر المغناطيسية الفعلية في ظل ظروف عمل مختلفة (محركات المحور، ومفاصل الروبوت، ودفع الطائرات بدون طيار)، بما في ذلك اختيار درجة المغناطيس (درجات NdFeB N/M/UH عالية الإكراه، وسلسلة SmCo5 / Sm-Co-₇)، وحساب هامش درجة حرارة إزالة المغناطيسية، ومحاكاة العناصر المحدودة.

رابعا، التعاون بين الصناعة والجامعة والبحث ومجموعة واسعة من المنتجات.  تحتفظ SDM بعلاقات تعاون مع معهد نينغبو لتكنولوجيا وهندسة المواد (CAS) وجامعة جنوب غرب جياوتونغ، لتتبع التقدم في المواد المغناطيسية بشكل مستمر. تغطي مجموعة منتجاتها الأجزاء الساكنة والدوارات للمحركات الصغيرة، ومحركات ماجليف، وأجهزة الاستشعار، والمحللات، والعوازل الضوئية، والمغناطيس الدائم والمكونات المغناطيسية الناعمة، مما يوفر دعمًا شاملاً للمواد المغناطيسية لتصميمات المحركات عبر مختلف الصناعات.

خاتمة

بفضل هيكله المسطح وكثافة الطاقة التحويلية، يعيد محرك التدفق المحوري تعريف بنية الطاقة للسيارات الكهربائية والروبوتات البشرية والطائرات على ارتفاعات منخفضة. في هذا السباق التكنولوجي الذي يتمحور حول 'كثافة عزم الدوران' و'الوزن الخفيف'، يحدد تصميم هيكل الدوار وجودة المواد المغناطيسية الدائمة الحد الأدنى، في حين أن الهيكل المثبت على السطح - بتصميمه  البسيط، واستجابته الديناميكية السريعة، وكثافة عزم الدوران العالية  - يحتل موقعًا لا يمكن استبداله في مفاصل الروبوت، ومحركات الأقراص المحورية منخفضة السرعة وعزم الدوران العالي، وغيرها من التطبيقات التي تتطلب كفاءة عالية وقصورًا ذاتيًا منخفضًا.

من التحسين الدقيق لطوبولوجيا الدائرة المغناطيسية إلى تصميم الاستقرار في درجات الحرارة العالية للمواد المغناطيسية الدائمة، فقط من خلال إتقان السلسلة الكاملة لتكنولوجيا المواد الأساسية وعمليات تصنيع الدوار يمكن إنشاء خندق حقيقي في المنافسة الشرسة في السوق. توفر SDM، بأوراق اعتمادها كمؤسسة وطنية للتكنولوجيا الفائقة، و16 عامًا من الخبرة المتراكمة في مجال المغناطيس الدائم، والدعم الفني من فريق الخبراء المبني من CAS، ونظام إدارة الجودة المنهجي، أساسًا متينًا للموثوقية العالية والأداء العالي لدوارات محرك التدفق المحوري المثبتة على السطح. سواء أكان الأمر يتعلق بالتحدي واسع النطاق للمحركات المحورية، أو متطلبات التحكم الدقيق في القصور الذاتي المنخفض لمفاصل الروبوت، أو المتطلبات القصوى لكثافة الطاقة ومقاومة إزالة المغناطيسية في دفع الطائرات بدون طيار، فإن SDM يقدم حلولًا هندسية كاملة العمليات بدءًا من المواد وحتى المحاكاة - على وجه التحديد القوة الدافعة التي لا غنى عنها والتي تنقل محركات التدفق المحوري من المختبر إلى التطبيقات واسعة النطاق.