تحليل مزايا المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم في المركبات الكهربائية

أنا. مقدمة

على خلفية الحفاظ على الطاقة العالمية وخفض الانبعاثات، تعمل صناعة السيارات على تسريع عملية الترقية نحو كفاءة أعلى وكثافة طاقة أعلى، حيث أصبحت محركات التردد المتغير (VFD) هي التكوين السائد في السيارات الكهربائية والمحركات الصناعية.

من بين العديد من أنواع المحركات،محرك كهربائي متزامن ذو مغناطيس دائمبرزت (PMSM) كمنافس أساسي للمحركات الحثية التقليدية (IM) بسبب أدائها المتميز. ومن ثم يطرح سؤال حاسم: هل يمكن لـ PMSM، بما في ذلك المحرك الكهربائي المتزامن ذو المغناطيس الدائم، تعطيل واستبدال IM تمامًا ليصبح حل القيادة المهيمن؟

سوف تستكشف هذه المقالة هذا الجدل من خلال مقارنة المزايا والعيوب، وتحليل جدوى الاستبدال، ودراسة الاختلافات في التكيف في سيناريوهات VFD، بهدف توضيح حدود التطبيق الأمثل لكلا المحركين.

ثانيا. الفهم الأساسي للمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم

المحرك الكهربائي المتزامن مع المغناطيس الدائم هو نوع من محركات التيار المتردد التي تعتمد على المغناطيس الدائم لإنشاء المجال المغناطيسي للدوار، مما يتيح التشغيل المتزامن بين الدوار والمجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت دون فقد الانزلاق. تجدر الإشارة إلى أن المحرك الكهربائي ذو المغناطيس الدائم المتزامن AC يتوافق بشكل أساسي مع PMSM في المبادئ الأساسية وسيناريوهات التطبيق، ويختلف قليلاً فقط في التعبير المصطلحي في مجالات صناعية محددة.

من حيث التصنيف، تنقسم PMSM بشكل أساسي إلى أنواع مثبتة على السطح (SPMSM) وأنواع مثبتة داخليًا (IPMSM) استنادًا إلى موضع المغناطيس الدائم؛ حسب المادة، يمكن تصنيفها إلى مغناطيس دائم للأتربة النادرة (النيوديميوم والحديد والبورون والسماريوم والكوبالت) وأنواع المغناطيس الدائم للأتربة غير النادرة. ومن بين هذه العناصر، يُستخدم نظام PMSM الأرضي النادر المثبت داخليًا على نطاق واسع في السيارات الكهربائية نظرًا لكثافة الطاقة الممتازة وأداء تنظيم السرعة.

ثالثا. مقارنة المزايا والعيوب بين PMSM والمحركات السائدة

3.1 محرك متزامن بمغناطيس دائم (PMSM)

المزايا: تتميز PMSM بكفاءة ملحوظة، مع كفاءة تحميل كاملة تتراوح من 94% إلى 97%، وتحافظ على كفاءة عالية حتى في ظل التحميل الجزئي أو ظروف السرعة المنخفضة، وذلك بفضل التخلص من فقدان النحاس الدوار وفقدان الانزلاق. كما أنها تتميز بقدرة عالية وكثافة عزم الدوران - حيث يسمح هيكلها الدوار المبسط والقصور الذاتي الصغير بحجم أكثر إحكاما ووزن أخف بنفس القوة، مما يتوافق تمامًا مع الطلب الخفيف للسيارات الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يعرض أداء ممتاز ذو سرعة منخفضة وعزم دوران كبير، وعامل طاقة عالي، وتشغيل مستقر تحت VFD، مع انخفاض لطيف في الكفاءة أثناء تحويل التردد.

العيوب: أكبر عنق الزجاجة في PMSM يكمن في مخاطر التكلفة والموارد. تمثل المغناطيسات الأرضية النادرة نسبة كبيرة من تكلفتها، كما أن أسعارها شديدة التقلب، وتعتمد بشكل كبير على سلسلة توريد الأتربة النادرة. من الناحية الفنية، يتطلب الأمر اكتشاف أو تقدير موضع الدوار، مما يجعل نظام التحكم أكثر تعقيدًا، خاصة بالنسبة لبدء التشغيل بدون مستشعر والتحكم في السرعة المنخفضة. علاوة على ذلك، قد تؤدي درجات الحرارة المرتفعة والأحمال الثقيلة إلى إزالة المغناطيسية الدائمة للمغناطيس، مما يتطلب إدارة حرارية صارمة، كما تواجه صيانتها وإعادة تدويرها أيضًا تحديات فنية واقتصادية.

3.2 المحرك التعريفي (IM)

المزايا: تتمتع IM ببنية ناضجة وعملية تصنيع بسيطة، مما يؤدي إلى انخفاض الاستثمار الأولي ومصادر المواد الواسعة. ويمكن تشغيله مباشرة عبر الإنترنت، مما يدل على متانة قوية في تحمل التأثيرات والبيئات القاسية مثل الغبار ودرجات الحرارة المرتفعة. مع هيكل دوار على شكل قفص سنجابي، من السهل صيانته، ولديه قطع غيار متاحة بسهولة، ولا يعتمد على مواد أرضية نادرة، مما يضمن سلاسل التوريد المستقرة.

العيوب: تتمتع IM بكفاءة أقل، مع كفاءة التحميل الكامل بنسبة 90%-93% فقط، وتنخفض كفاءتها بشكل ملحوظ في ظل التحميل الجزئي أو ظروف VFD منخفضة السرعة. كما أن لديها كثافة طاقة غير كافية، كونها أكبر وأثقل من PMSM بنفس القوة، كما أن دقة تنظيم السرعة الخاصة بها محدودة بالانزلاق، مما يجعلها أقل شأنا من PMSM في سيناريوهات التحكم في السرعة عالية الدقة.

3.3 مقارنة مختصرة مع محركات الممانعة المبدلة (SRM)

تتمتع إدارة SRM بمزايا البنية البسيطة والتكلفة المنخفضة، دون التعرض لخطر إزالة المغناطيسية الدائمة للمغناطيس. ومع ذلك، فهي تعاني من ضوضاء كبيرة وتموج عزم الدوران، مع كفاءة وأداء تحكم أقل مقارنةً بـ PMSM. في التطبيقات العملية، تعد إدارة الطاقة الشمسية (SRM) مناسبة للسيناريوهات التقريبية منخفضة التكلفة، في حين يهيمن نظام PMSM على المجالات عالية الأداء مثل السيارات الكهربائية، مما يشكل علاقة تكاملية.

رابعا. تحليل جدوى PMSM لتحل محل IM

العوامل الدافعة: أدى تشديد سياسات توفير الطاقة في جميع أنحاء العالم (مثل معايير كفاءة IE3/IE4) إلى إجبار صناعة السيارات على اعتماد حلول ذات كفاءة أعلى. يؤدي تعميم VFD إلى زيادة مزايا أداء PMSM، كما أن الطلب المتزايد على كثافة الطاقة العالية وخفيفة الوزن في المركبات الكهربائية يوفر منصة تطبيق واسعة لـ PMSM. بالإضافة إلى ذلك، وبالنظر إلى تكلفة دورة الحياة بأكملها، يمكن لفوائد توفير الطاقة الخاصة بشركة PMSM أن تعوض علاوة الاستثمار الأولية في سيناريوهات الاستهلاك العالي للطاقة.

الاختناقات المقيدة: التقلبات في أسعار الأتربة النادرة تجعل تكلفة PMSM أعلى من تكلفة IM. إن المخزون الضخم من IM الموجود في السوق، مع نظام الصيانة الناضج الخاص بها، يعمل على تمديد دورة الاستبدال. تتمتع PMSM أيضًا بقدرة ضعيفة على التكيف مع ظروف العمل القاسية وعتبات تقنية عالية في التحكم والإدارة الحرارية، مما يحد من انتشارها في بعض المجالات.

اتجاه الاستبدال: في السنوات الخمس إلى العشر القادمة، سيركز استبدال IM بـ PMSM بشكل أساسي على الأسواق الإضافية. سوف يهيمن PMSM على سيناريوهات عالية الكفاءة مثل السيارات الكهربائية، وأدوات الآلات عالية الدقة، ومضخات تحويل التردد، في حين ستبقى IM في مجالات ظروف العمل الصعبة والحساسة من حيث التكلفة. سيتم تشكيل نمط من التعايش طويل المدى يعتمد على التكيف مع سيناريوهات محددة.

V. اختلافات التكيف في سيناريوهات محرك التردد المتغير (VFD).

التحكم والقيادة: يتطلب المحرك الكهربائي المتزامن ذو المغناطيس الدائم تحكمًا متجهًا أو تحكمًا ميدانيًا (FOC)، بالاعتماد على تقنية الكشف عن موضع الدوار أو تقديره، مما يزيد من تعقيد التحكم والتكلفة. في المقابل، يمكن للIM أن يعتمد تحكمًا أبسط في ناقل الحركة أو التحكم المباشر في عزم الدوران (DTC)، دون الحاجة إلى موضع متزامن دقيق، مما يجعله أكثر ملاءمة للسيناريوهات منخفضة التكلفة.

الإدارة الحرارية والموثوقية: يتمتع PMSM بكثافة طاقة عالية وكثافة حرارية، ويعد تصميم نظام التبريد الخاص به أمرًا بالغ الأهمية - فقد يؤدي التبريد غير الكافي إلى إزالة المغناطيسية الدائمة للمغناطيس. يتمتع نظام IM بتوزيع حرارة أكثر اعتدالًا وهامش هيكلي أكبر، مع متطلبات فضفاضة نسبيًا لأنظمة التبريد ومتانة أقوى في الظروف القاسية.

بدء التشغيل والصيانة: يمكن بدء تشغيل IM مباشرة عبر الإنترنت، مع خبرة صيانة ناضجة وتكاليف إصلاح منخفضة. المحرك كهربائي متزامن ذو مغناطيس دائم يعمل بالتيار المتردديعمل بشكل جيد عند بدء تشغيل تحويل التردد، مما يوفر عزمًا كبيرًا، ولكنه يتطلب الحماية ضد إزالة المغناطيسية وتراكم الحرارة أثناء بدء التشغيل والإيقاف المتكرر، مع ارتفاع تكاليف الصيانة والمتطلبات الفنية.

سادسا. اقتراحات الاختيار الهندسي والتدابير المضادة

مبدأ الاختيار: جوهر اختيار المحرك يكمن في التقييم الشامل على أساس تكلفة دورة الحياة بأكملها (الاستثمار الأولي + استهلاك الطاقة + الصيانة + فقدان وقت التوقف عن العمل) وظروف العمل، ورفض مفهوم "مقاس واحد يناسب الجميع" الذي يعتبر PMSM متفوقًا عالميًا.

التكيف مع السيناريو: يفضل استخدام PMSM في سيناريوهات الطاقة العالية والتحويل العالي التردد والسيناريوهات خفيفة الوزن مثل السيارات الكهربائية والتحولات الموفرة للطاقة على نطاق واسع. يعد IM أكثر ملاءمة لظروف العمل الصعبة والحساسة للتكلفة وسيناريوهات القيادة ذات السرعة الثابتة مثل المضخات التقليدية والمراوح وأحزمة النقل.
الاستجابة للمخاطر: انتبه جيدًا للاختراقات التكنولوجية في المغناطيس الدائم غير الأرضي النادر وإعادة تدوير المغناطيس الدائم للتعامل مع مخاطر سلسلة التوريد. اعتماد إستراتيجية "الترويج التجريبي" - قم أولاً باستبدال الأحمال ذات الاستهلاك العالي للطاقة والأحمال ذات القيمة العالية بـ PMSM، وجمع بيانات التشغيل وتعليقات الصيانة، ثم قم بتوسيع نطاق التطبيق.

سابعا. اتجاهات التنمية المستقبلية وتحديات PMSM

اتجاهات التنمية: سيركز مستقبل PMSM على أبحاث المواد المغناطيسية الدائمة غير الأرضية النادرة لتقليل الاعتماد على العناصر الأرضية النادرة. كما ستكون تكنولوجيا التحكم بدون مستشعر منخفضة التكلفة، والتصميم المتكامل خفيف الوزن، وتكنولوجيا إعادة تدوير المغناطيس الدائم الفعالة، من الاتجاهات البحثية الرئيسية، مما يزيد من تحسين أداء التكلفة وملاءمتها للبيئة.
التحديات الأساسية: يظل استقرار واستدامة سلسلة توريد الأتربة النادرة هو العائق الرئيسي. يعد تقليل تكلفة المغناطيس الدائم وأنظمة التحكم عالية الدقة، وتحسين موثوقية PMSM في ظل ظروف العمل القاسية أيضًا من المشكلات الملحة التي يجب حلها.

ثامنا. خاتمة

يتمتع المحرك الكهربائي المتزامن مع المغناطيس الدائم، بما في ذلك المحرك الكهربائي المتزامن مع المغناطيس الدائم، بمزايا كبيرة في الكفاءة، وكثافة الطاقة، وأداء تنظيم السرعة، مما يجعله مكونًا أساسيًا لا يمكن استبداله في المجالات عالية الأداء مثل السيارات الكهربائية. وسوف تستمر في الضغط على حصة السوق المتزايدة من IM، ولكن الاستبدال العالمي الكامل غير واقعي بسبب التكلفة وسلسلة التوريد وقيود التكيف مع ظروف العمل.

في المستقبل، سيشكل سوق السيارات نمطًا من "التكيف الأمثل لكل سيناريو". سوف تحتل PMSM مكانة متزايدة الأهمية في مشاريع البناء الجديدة والتحول الموفرة للطاقة، في حين أن IM سوف تتعايش لفترة طويلة في مجالات محددة. بالنسبة للمهندسين والشركات، سيكون الاختيار العقلاني على أساس الاحتياجات الفعلية، واستيعاب الاختراقات التكنولوجية في المواد المغناطيسية الدائمة وأنظمة التحكم هو المفتاح لاغتنام الفرص في تطوير صناعة السيارات.