يمثل تصميم المؤلف كلمة جديدة في تطوير المحركات الكهربائيةفي العقد الأول من القرن العشرين ، تم تشغيل 38٪ من جميع السيارات في الولايات المتحدة بالكهرباء - وانخفضت هذه النسبة إلى الصفر تقريبًا مع نمو هيمنة ICE في عشرينيات القرن العشرين. إن رغبة اليوم في توفير الطاقة وتقليل الانبعاثات الضارة قد بعثت حياة جديدة في السيارات الكهربائية ، لكن تكلفتها المرتفعة ومحدودية عدد الكيلومترات تعوق المبيعات.
ترتبط معظم محاولات حل هذه المشاكل بتحسين البطاريات. بالطبع ، يجب أن يظل تحسين أنظمة تخزين الطاقة ، سواء كانت بطاريات أو خلايا وقود ، جزءًا من أي استراتيجية لتحسين المركبات الكهربائية ، ولكن هناك إمكانية للتحسين في مكون أساسي آخر للسيارات: في المحرك. على مدى السنوات الأربع الماضية ، كنا نعمل على مفهوم جديد لمحرك الجر المستخدم في المركبات الكهربائية والشاحنات. تعمل أحدث تطوراتنا على تحسين الكفاءة بشكل كبير مقارنة بالموديلات التقليدية - بما يكفي لجعل السيارات الكهربائية أكثر عملية وبأسعار معقولة.
في العام الماضي ، أثبتنا أداء محركنا في الاختبارات المعملية الشاملة ، وعلى الرغم من أنه لا يزال بعيدًا عن وضعها في السيارة ، لدينا كل الأسباب للاعتقاد بأنها ستظهر نفسها هناك أيضًا. سيكون محركنا قادرًا على زيادة المسافة المقطوعة للمركبات الكهربائية الحديثة ، حتى لو لم نحرز أي تقدم في تكنولوجيا البطاريات.
لفهم تعقيد مهمتنا ، من الضروري تذكر أساسيات دائرة المحرك الكهربائي (EM). بالمقارنة مع ICE ، فإن EMs أبسط ؛ لديهم فقط عدد قليل من المكونات الهامة. تتطلب الميكانيكا السكن. يطلق عليه الجزء الثابت لأنه لا يتحرك. هناك حاجة إلى الدوار ، وعمود دوار وخلق عزم الدوران. لكي يعمل المحرك ، يجب أن يتفاعل الجزء الثابت والدوار باستخدام المغناطيسية ، مما يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.
تختلف المفاهيم الحركية بدقة في مجال الواجهات المغناطيسية. في محركات تجميع DC ، يتدفق التيار من خلال فرش تنزلق على طول مجموعة المجمع. يتدفق التيار خلال المجمع وينقل الطاقة إلى الملف الدوار. يتم طرد اللف بمغناطيس دائم أو مغناطيسات كهربائية ثابتة. تقوم الفرش ، التي تنزلق على طول المجمع ، بتغيير اتجاه التيار بشكل دوري ، ويطرد مغناطيس الدوار والجزء الثابت بعضها البعض مرارًا وتكرارًا ، ونتيجة لذلك يدور الدوار. وبعبارة أخرى ، يتم توفير الحركة الدورانية من خلال مجال مغناطيسي متغير ينتجه المجمع الذي يربط الملفات بالمصدر الحالي ويغير اتجاه التيار بشكل دوري عندما يدور الدوار. ومع ذلك ، فإن هذه التكنولوجيا تحد من عزم الدوران وتعاني من التآكل. لم تعد تستخدم في الجر EMs.
تستخدم السيارات الكهربائية الحديثة التيار المتردد من العاكس. هنا يتم إنشاء مجال مغناطيسي دوار في الجزء الثابت ، وليس في الدوار. هذا يسمح لنا بتبسيط دائرة الدوار ، والتي عادة ما تكون أكثر تعقيدًا من الجزء الثابت ، مما يسهل جميع المهام المرتبطة بتطور EM.
هناك نوعان من محركات التيار المتردد: غير متزامن ومتزامن. سنركز على المزامنة ، لأنها عادة ما تعمل بشكل أفضل وأكثر كفاءة.
يعمل نظام التبريد المتقدم على توصيل السوائل مباشرة من خلال الملف (على اليسار) وليس من خلال غطاء المحرك (على اليمين)المحركات المتزامنة هي أيضًا من نوعين. أكثر شعبية هي آلة متزامن المغناطيس الدائم (PMSM) ، والتي تستخدم مغناطيس دائم مدمج في الدوار. لجعله يدور ، يتم تنظيم مجال مغناطيسي دوار في الجزء الثابت. يتم الحصول على هذا المجال بسبب لف الجزء الثابت متصل بمصدر التيار المتردد. أثناء التشغيل ، يتم التقاط أقطاب المغناطيس الدائم للدوار بواسطة المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت ، مما يجعل الدوار يدور.
يمكن لمثل هذا المخطط ، المستخدم في شفروليه فولت وبولت ، في BMW i3 ، في نيسان ليف والعديد من السيارات الأخرى ، الوصول إلى ذروة الكفاءة بنسبة 97 ٪ في الذروة. عادة ما يتم تصنيع المغناطيس الدائم من الأتربة النادرة ؛ ومن الأمثلة البارزة مغناطيسات النيوديميوم القوية للغاية التي طورتها جنرال موتورز وسوميتومو عام 1982.
تستخدم المحركات الكهربائية المتزامنة ذات الأقطاب المتزامنة [الآلات المتزامنة بالقطب البارز ، SPSM)] مغناطيسًا كهربائيًا بدلاً من الثوابت داخل الدوار. البولنديون عبارة عن لفائف على شكل أنابيب موجهة للخارج ، مثل مكبس عجلة. يتم تشغيل هذه المغناطيسات الكهربائية في الدوار بواسطة مصدر تيار مباشر متصل بها من خلال حلقات الانزلاق. حلقات الاتصال ، على عكس المجمع ، لا تغير اتجاه التيار. القطبين الشمالي والجنوبي للدوار ساكنان ، والفرش لا تبلى بسرعة. كما هو الحال مع PMSM ، يدور الدوار بسبب دوران المجال المغناطيسي الثابت.
نظرًا للحاجة إلى تشغيل المغناطيسات الكهربائية الدوارة من خلال حلقات الانزلاق ، عادةً ما تكون هذه المحركات ذات كفاءة ذروة أقل قليلاً - في النطاق من 94 إلى 96 ٪. الميزة فوق PMSM هي قابلية تخصيص حقل الدوار ، مما يسمح للدوار بتوليد عزم دوران أكثر كفاءة بسرعات عالية. تزداد الكفاءة الإجمالية عند استخدامها لتسريع السيارة. المصنع الوحيد لهذه المحركات في السيارات المنتجة بكميات كبيرة هو رينو مع موديلات Zoe و Fluence و Kangoo.
يجب بناء السيارات الكهربائية ليس فقط بالمكونات الفعالة ، ولكن أيضًا بالمكونات الخفيفة. الطريقة الأكثر وضوحًا لتحسين نسبة القدرة إلى الوزن هي تقليل حجم المحرك. ومع ذلك ، فإن هذه الآلة ستنتج عزم دوران أقل لنفس سرعة الدوران. لذلك ، من أجل الحصول على المزيد من الطاقة ، من الضروري تدوير المحرك بسرعات أعلى. تعمل السيارات الكهربائية اليوم عند 12000 دورة في الدقيقة ؛ في الجيل القادم ، ستكون هناك محركات تعمل بسرعة 20000 دورة في الدقيقة ؛ العمل جار بالفعل على المحركات التي تعمل بسرعة 30،000 دورة في الدقيقة. المشكلة هي أنه كلما زادت السرعة ، زادت صعوبة صندوق التروس - سرعة المحرك أعلى بكثير من سرعة العجلات. يؤدي تعقيد علبة التروس إلى خسائر كبيرة في الطاقة.
العاصفة المثالية: في نسخة المؤلف (أعلاه) ، يتم دمج قوة Lorentz والتحريض المتحيز (الرمادي) في أقصى قوة إجمالية (زرقاء) تساوي 2. في المحرك التقليدي (أدناه) ، مجموع قوتين - قوى Lorentz والمقاومة المغناطيسية (الرمادي) تعطي القوة الكلية ( أزرق) ، يصل إلى ذروة 1.76 فقط ، بزاوية تشغيل الدوار 0.94 راد. الفرق في هذا المثال 14٪النهج الثاني لتحسين نسبة الطاقة إلى الوزن هو زيادة قوة المجال المغناطيسي ، مما يزيد من عزم الدوران. هذا هو معنى إضافة قلب حديدي إلى الملف - على الرغم من أن هذا يزيد من الوزن ، فإنه يعزز أيضًا كثافة التدفق المغناطيسي بمقدار مرتين من الحجم. لذلك ، تستخدم جميع الأجهزة الكهرومغناطيسية الحديثة تقريبًا نوى حديدية في الجزء الثابت والدوار.
ومع ذلك ، هناك ناقص. عندما تزداد شدة المجال إلى حد معين ، يفقد الحديد إمكانية زيادة كثافة التدفق. يمكن أن يتأثر هذا التشبع قليلاً بإضافة إضافات وتغيير عملية تصنيع الحديد ، ولكن المواد الأكثر كفاءة تقتصر على 1.5 فولت * ثانية / م
2 (فولت في الثانية لكل متر مربع ، أو تسلا ، تي). يمكن فقط لمواد الحديد الكوبالت المفرغة باهظة الثمن والنادرة الوصول إلى كثافة تدفق مغناطيسي تبلغ 2 طن أو أكثر.
وأخيرًا ، الطريقة القياسية الثالثة لزيادة عزم الدوران هي تضخيم المجال عن طريق تضخيم التيار المار عبر الملفات. مرة أخرى ، هناك قيود. قم بزيادة التيار ، وسيزيد فقدان المقاومة ، ستنخفض الكفاءة وستظهر الحرارة التي يمكن أن تتلف المحرك. بالنسبة للأسلاك ، يمكنك استخدام المعدن الذي يوصل تيارًا أفضل من النحاس. توجد أيضًا أسلاك فضية ، ولكن استخدامها في مثل هذا الجهاز سيكون مكلفًا بشكل غير معقول.
الطريقة العملية الوحيدة لزيادة التيار هي التحكم في الحرارة. تقوم حلول التبريد المتقدمة بتوصيل السوائل بجوار الملفات مباشرة ، وليس بعيدًا عنها ، خارج الجزء الثابت.
تساعد كل هذه الخطوات في تحسين نسبة الوزن إلى الطاقة. في سيارات السباق الكهربائية ، حيث لا يهم التكلفة ، يمكن أن تصل المحركات إلى 0.15 كجم لكل كيلووات ، وهو ما يعادل أفضل ICE من الفورمولا 1.
قمت أنا وطلابنا بتطوير وإنشاء مثل هذه المحركات الكهربائية عالية الأداء للسيارة التي
شاركت في صيغة الطالب منذ ثلاث سنوات. أنشأنا محركات في
مختبرنا في المعهد الكهروتقني لمعهد كارلسروه للتكنولوجيا. في كل عام ، أنشأ الفريق آلة جديدة بمحرك وعلبة تروس محسنة وإلكترونيات كهربائية محسنة. تحتوي السيارة على أربعة محركات ، واحد لكل عجلة. يبلغ قطر كل منها 8 سم فقط ، وطولها 12 سم ووزنها 4.1 كجم ، وتنتج 30 كيلووات على أساس مستمر و 50 كيلوواط في ذروتها. في عام 2016 ،
فاز فريقنا
ببطولة العالم .
لذلك يمكن فعل ذلك حقًا إذا لم تزعجك التكلفة. السؤال الرئيسي هو ما إذا كان من الممكن استخدام تقنيات تحسين الكفاءة في الإنتاج الضخم ، في آلة يمكنك شراؤها؟ لقد صنعنا مثل هذا المحرك ، لذا فإن الإجابة على السؤال هي نعم.
بدأنا بفكرة بسيطة. تعمل المحركات الكهربائية بشكل جيد في دور المحركات وفي دور المولدات ، على الرغم من أن هذا التناظر ليس ضروريًا بشكل خاص للسيارات الكهربائية. تحتاج السيارة إلى محرك يعمل بشكل أفضل كمحرك بدلاً من مولد - يستخدم الأخير فقط لشحن البطاريات أثناء الكبح التجديدي.
لفهم هذه الفكرة ، ضع في اعتبارك تشغيل محرك PMSM. في مثل هذا المحرك ، تخلق قوتان حركة. أولاً ، القوة الناشئة بسبب المغناطيس الدائم في الدوار. عندما يتدفق التيار عبر لفائف النحاس للجزء الثابت ، فإنها تخلق مجالًا مغناطيسيًا. بمرور الوقت ، يمر التيار من ملف إلى آخر ويتسبب في دوران المجال المغناطيسي. يجذب حقل الجزء الثابت الدوار المغناطيس الدائم للدوار ، ويبدأ الدوار في الحركة. يعتمد هذا المبدأ على قوة لورنتز ، التي تؤثر على حركة الجسيمات المشحونة في المجال المغناطيسي.
لكن EMs الحديثة تتلقى جزءًا من الطاقة من المقاومة المغناطيسية - القوة التي تجذب كتلة من الحديد إلى المغناطيس. يجذب حقل الجزء الثابت الدوار كلاً من المغناطيس الدائم والحديد الدوار. تعمل قوة Lorentz والمقاومة المغناطيسية جنبًا إلى جنب ، و - اعتمادًا على دائرة المحرك - متساوية تقريبًا. كلا القوتين تساوي صفر تقريبًا عند محاذاة المجالات المغناطيسية للعضو الساكن والجزء الثابت. مع زيادة الزاوية بينهما ، يولد المحرك طاقة ميكانيكية.
في المحرك المتزامن ، تعمل حقول الجزء الثابت والدوار معًا ، بدون التأخيرات الموجودة في الآلات غير المتزامنة. يكون مجال الجزء الثابت بزاوية معينة لحقل العضو الدوار ، والتي يمكن تعديلها أثناء التشغيل لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة. يمكن حساب الزاوية المثلى لإنشاء عزم الدوران عند تيار معين مسبقًا. ثم يعدل ، مع التغيرات الحالية ، إلى النظام الإلكتروني للطاقة الذي يعطي تيارًا متناوبًا إلى اللف الثابت.
ولكن هنا تكمن المشكلة: عندما يتحرك مجال الجزء الثابت بالنسبة إلى موضع الدوار ، فإن قوة Lorentz والمقاومة المغناطيسية تزيد أو تنقص. تزداد قوة لورنتز في الجيب ، وتصل إلى ذروة 90 درجة من النقطة المرجعية (من النقطة التي يتم عندها محاذاة حقول الجزء الثابت والدوار). تتغير قوة مقاومة الهوس بشكل دوري مرتين بسرعة ، لذلك تصل إلى ذروة عند 45 درجة.
نظرًا لأن القوى تبلغ ذروتها عند نقاط مختلفة ، فإن أقصى قوة محرك أقل من مجموع أجزائها. لنفترض ، بالنسبة لمحرك معين في لحظة معينة من العمل ، اتضح أن الزاوية المثلى لأقصى قوة إجمالية ستكون 54 درجة. في هذه الحالة ، ستكون هذه الذروة أقل بنسبة 14 ٪ من إجمالي القمم للقوتين. هذا هو أفضل حل وسط ممكن لهذا المخطط.
إذا تمكنا من إعادة تشكيل هذا المحرك بحيث تصل القوتان إلى الحد الأقصى عند نقطة واحدة في الدورة ، فستزداد قوة المحرك بنسبة 14 ٪ مجانًا. ستفقد فقط الكفاءة التشغيلية كمولد. لكننا ، كما هو موضح أدناه ، وجدنا طريقة لاستعادة هذه القدرة ، بحيث يستعيد المحرك الطاقة بشكل أفضل أثناء الكبح.
إن تطوير مجال محرك مستوي بشكل مثالي ليس مهمة سهلة. المشكلة هي مزيج من PMSM و SPSM في المخطط الهجين الجديد. والنتيجة هي محرك متزامن هجين مع محور تعويض للمقاومة المغناطيسية. في الواقع ، يستخدم هذا المحرك كلاً من الأسلاك والمغناطيس الدائم لإنشاء مجال مغناطيسي في الدوار.
حاول آخرون العمل في هذا الاتجاه ، ثم رفضوا هذه الفكرة - لكنهم أرادوا استخدام المغناطيس الدائم فقط لتضخيم المجال الكهرومغناطيسي. ابتكارنا هو استخدام المغناطيس فقط لإعطاء المجال شكلاً دقيقًا من أجل محاذاة القوتين - قوة لورنتز والمقاومة المغناطيسية.
كانت المشكلة الرئيسية في التطوير هي العثور على تصميم دوار يمكن أن يغير شكل الحقل ، بينما يظل قويًا بما يكفي للدوران بسرعات عالية دون كسر. يوجد في وسط دائرتنا هيكل دوار متعدد الطبقات يحمل لف النحاس على قلب حديد. قمنا بلصق مغناطيس دائم على أعمدة القلب ؛ المسامير الإضافية تمنعهم من الطيران. للحفاظ على كل شيء في مكانه ، استخدمنا دبابيس تيتانيوم قوية وخفيفة الوزن ، مرت عبر الأقطاب الكهرومغناطيسية للدوار ، مرسومة بواسطة صواميل إلى حلقات الفولاذ المقاوم للصدأ.
وجدنا أيضًا طريقة للتغلب على عيوب المحرك الأصلي ، مما يقلل من عزم الدوران أثناء تشغيل المولد. الآن يمكننا تغيير اتجاه المجال في الدوار بحيث يعمل التوليد أثناء الكبح التجديدي بكفاءة مثل وضع المحرك.
لقد حققنا ذلك عن طريق تغيير اتجاه التيار في لف الدوار أثناء التشغيل في وضع المولد. يعمل على النحو التالي. تخيل المظهر الأصلي للدوار. إذا مشيت على طول محيطه ، ستجد سلسلة معينة من القطبين الشمالي والجنوبي من المصادر الكهرومغناطيسية (E) والمغناطيسية الدائمة (P): NE ، NP ، SE ، SP. يتكرر هذا التسلسل عدة مرات حيث توجد أزواج القطب في المحرك. من خلال تغيير اتجاه التيار في اللف ، نغير اتجاه الأقطاب الكهرومغناطيسية ، وفقط ، ونتيجة لذلك ، يتحول التسلسل إلى SE ، NP ، NE ، SP.
بعد دراسة هذين التسلسلين ، سترى أن الثاني يشبه الأول ، يتراجع. هذا يعني أنه يمكن استخدام الدوار في وضع المحرك (التسلسل الأول) أو في وضع المولد (الثاني) ، عندما يعكس التيار في الدوار الاتجاه. وبالتالي ، فإن آلتنا تعمل بكفاءة أكبر من المحركات التقليدية ، سواء كمحرك أو كمولد. في نموذجنا الأولي ، لا يستغرق تغيير اتجاه التيار أكثر من 70 مللي ثانية ، وهو سريع بما يكفي للسيارات.
في العام الماضي ، قمنا ببناء محرك نموذج أولي على منضدة العمل وأخضعناه لاختبار صارم. النتائج واضحة: مع نفس إلكترونيات الطاقة ، ومعلمات الجزء الثابت والقيود الأخرى للمحرك التقليدي ، فإن الماكينة قادرة على تقديم عزم دوران أكثر بنسبة 6٪ تقريبًا وكفاءة أكبر بنسبة 2٪ في الذروة. في دورة القيادة ، تكون النتائج أفضل: فهي تتطلب طاقة أقل بنسبة 4.4٪. وهذا يعني أن السيارة التي تسير على شحنة واحدة تبلغ 100 كم كانت ستقطع 104.4 كم مع هذا المحرك. الكيلومترات الإضافية التي نحصل عليها تقريبًا مقابل لا شيء ، لأنه في مخططنا لا يوجد سوى عدد قليل من الأجزاء الإضافية ، أقل تكلفة بشكل ملحوظ من البطاريات الإضافية.
اتصلنا بالعديد من الشركات المصنعة للمعدات ، ووجدوا أن مفهومنا مثير للاهتمام ، على الرغم من أنه سيستمر وقت طويل قبل أن ترى أحد هذه المحركات غير المتماثلة في سيارة إنتاج. ولكن الظهور ، نتيجة لذلك ، سيصبح معيارًا جديدًا ، نظرًا لأن استخراج جميع الفوائد المحتملة من الطاقة التي لديك هو أولوية بالنسبة لكل من شركات صناعة السيارات ومجتمعنا بأكمله.