محرك PMSM: الخيار الأمثل لقيادة السيارة الكهربائية بكفاءة

أنا. مقدمة

مع التركيز العالمي على الحياد الكربوني والتحديث السريع لصناعة السيارات الكهربائية، أصبح الطلب على محركات الدفع عالية الكفاءة والأداء صارمًا بشكل متزايد. باعتباره مكونًا أساسيًا يحدد نطاق السيارة الكهربائية وأداء الطاقة والموثوقية، أصبح محرك PMSM تدريجيًا هو التكوين السائد لمركبات الطاقة الجديدة، ليحل محل المحركات التقليدية في العديد من نماذج السوق الراقية والشاملة.

منذ السبعينيات، أدى تطوير المواد الأرضية النادرة ذات المغناطيس الدائم إلى تطوير محركات المغناطيس الدائم - بالاعتماد على المجال المغناطيسي المستقر الناتج عن المغناطيس الدائم،محرك pmsm لـ EVلقد كسرت اختناقات أداء المحركات التقليدية المثارة كهربائيًا، مما أظهر مزايا واضحة في توفير الطاقة، والتصغير، والتحكم الدقيق. ستحلل هذه المقالة بعمق الخصائص التقنية والمزايا الأساسية والقيمة العملية لمحركات PMSM، وتناقش آفاق تطويرها في مجال السيارات الكهربائية.

ثانيا. مقدمة لمحركات PMSM ودورها في المركبات الكهربائية

محرك PMSM هو محرك يعمل بالتيار المتردد يستخدم مغناطيس دائم لإنشاء المجال المغناطيسي للدوار، مما يحقق التشغيل المتزامن بين العضو الدوار والمجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت بدون حلقات انزلاق أو فرش أو ملفات إثارة للدوار. على عكس المحركات التقليدية، يتم توفير مجاله المغناطيسي بواسطة مواد مغناطيسية دائمة أرضية نادرة (مثل النيوديميوم والحديد والبورون Nd2Fe14B)، والتي لها خصائص مغناطيسية ممتازة مثل القوة القسرية العالية، والمغناطيسية المتبقية، ومنتجات الطاقة المغناطيسية.

في السيارات الكهربائية،محرك بي ام اس امتتولى شركة EV المهمة الأساسية المتمثلة في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، مما يؤثر بشكل مباشر على الاستجابة الديناميكية للمركبة، واستهلاك الطاقة، وتجربة القيادة.

مع نضج التحكم في ناقلات الأمراض، والتحكم المباشر في عزم الدوران، وتكنولوجيا الأجهزة الإلكترونية والطاقة، حلت محركات PMSM المشاكل التاريخية لبدء التشغيل الصعب والتحكم المعقد، وتستخدم على نطاق واسع في سيارات الركاب والمركبات التجارية والمركبات الخاصة بالطاقة الجديدة. بدءًا من السيارات الكهربائية عالية الأداء التي تسعى إلى التسارع السريع ووصولاً إلى السيارات العائلية التي تركز على المدى الطويل، يمكن تخصيص محركات PMSM وتعديلها لتلبية الاحتياجات المتنوعة لتحديد موضع المنتج.

من منظور تاريخ التطور، كان المحرك الأول في العالم عبارة عن محرك ذو مغناطيس دائم، ولكن تم استبداله ذات مرة بمحركات مثارة كهربائيًا بسبب الأداء المتخلف للمواد ذات المغناطيس الدائم. لم يكن الأمر كذلك حتى ظهور المواد الأرضية النادرة NdFeB في السبعينيات من القرن الماضي، حيث استعاد محرك PMSM حيويته وتحرك نحو اتجاه الطاقة العالية والكفاءة العالية والتصغير. واليوم، حققت الشركات الرائدة في الداخل والخارج اختراقات في تكنولوجيا PMSM ذات الطاقة الكبيرة، مما أرسى أساسًا متينًا لنشرها في صناعة السيارات الكهربائية.

ثالثا. مبدأ العمل والميزات التقنية لمحركات PMSM

3.1 مبدأ التفاعل بين المغناطيس الدائم والمجالات الكهرومغناطيسية

يعتمد مبدأ العمل الأساسي لمحرك PMSM على الحث الكهرومغناطيسي وتأثير الإثارة المتبادل بين المغناطيس الدائم والتيار المتردد. تم تجهيز الدوار بمغناطيس دائم من الأرض النادرة، والذي يولد مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا بعد المغنطة؛ يتم توصيل ملف الجزء الثابت بتيار متردد ثلاثي الطور لتشكيل مجال مغناطيسي دوار مع سرعة وسعة قابلة للتعديل.

تحت تأثير القوة الكهرومغناطيسية، يتم "تأمين" الدوار مع المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت ويعمل بشكل متزامن، مع سرعة دوران تساوي السرعة المتزامنة (بدون فقد الانزلاق)، مما يحسن بشكل أساسي من كفاءة تحويل الطاقة.

3.2 عملية تحويل الطاقة الفعالة

بالمقارنة مع المحركات التقليدية المثارة كهربائيًا، فإن محرك PMSM للمركبات الكهربائية يزيل فقدان الإثارة للملفات الدوارة والفقد الميكانيكي للفرش وحلقات الانزلاق، ويحتاج تيار الجزء الثابت فقط إلى توفير تيار عزم الدوران، وبالتالي يقلل بشكل كبير من فقدان النحاس وفقدان الحديد. في عملية تحويل الطاقة، يكون المجال المغناطيسي للمغناطيس الدائم مستقرًا وموثوقًا، ويتم التحكم في فقدان الطاقة عند مستوى منخفض - حتى في ظل الحمل الجزئي أو ظروف العمل منخفضة السرعة، ويمكنه الحفاظ على كفاءة عالية، وهو أمر بالغ الأهمية لتوسيع نطاق المركبات الكهربائية.

3.3 التحكم الدقيق في السرعة وعزم الدوران

يعتمد التحكم الدقيق لمحرك PMSM على خوارزميات التحكم المتقدمة وأجهزة الطاقة الإلكترونية عالية الأداء. يعمل التحكم في المتجهات (FOC) على حل مشكلة تنظيم سرعة محرك التيار المتردد من حيث المبدأ، مما يحقق تنظيمًا سلسًا للسرعة في نطاق واسع واستجابة سريعة لعزم الدوران؛ يعمل التحكم المباشر في عزم الدوران (DTC) على تبسيط هيكل التحكم، مع متانة قوية لتغيرات المعلمات والاستجابة الديناميكية السريعة.

بالنسبة للسيارات الكهربائية، يعني هذا أن المحرك يمكنه إنتاج عزم دوران كبير على الفور أثناء بدء التشغيل والتسارع، والحفاظ على التشغيل المستقر أثناء القيادة بسرعة عالية، مع تحقيق المطابقة الدقيقة بين السرعة وعزم الدوران وفقًا لظروف القيادة، وتحسين استهلاك الطاقة.

بالإضافة إلى ذلك، أدى تطبيق المعالجات عالية الأداء وأجهزة الطاقة الإلكترونية إلى تحسين دقة التحكم وسرعة الاستجابة لمحركات PMSM. يمكن لمحولات التردد العامة تحويل طاقة تردد الطاقة إلى طاقة تردد متغير، مما يحل مشكلة بدء تشغيل المحركات المتزامنة ويوفر ضمانًا تقنيًا موثوقًا لتطبيق محرك PMSM للمركبات الكهربائية.

رابعا. مزايا محركات PMSM للقيادة الفعالة في المركبات الكهربائية

4.1 تعزيز النطاق بكفاءة عالية

يمكن أن تصل كفاءة التحميل الكامل لمحرك PMSM إلى 94%-97%، وهو أعلى بنسبة 3-5 نقاط مئوية من المحركات التقليدية غير المتزامنة. والأهم من ذلك، أنه يمكنه الحفاظ على كفاءة عالية في ظل ظروف التحميل الجزئي، وهو ما يمثل معظم سيناريوهات القيادة اليومية للسيارات الكهربائية.

بالنسبة للمركبات الكهربائية ذات سعة البطارية المحدودة، تترجم كفاءة المحرك الأعلى مباشرة إلى مدى أطول - في ظل نفس تكوين البطارية، يمكن للمركبات المجهزة بمحرك PMSM للمركبات الكهربائية زيادة نطاقها بنسبة 10٪ -15٪، مما يخفف بشكل فعال من قلق المستخدمين من المدى.

4.2 تعزيز أداء الطاقة بكثافة عزم الدوران العالية

نظرًا للتخلص من ملفات إثارة الدوار واعتماد مغناطيسات أرضية نادرة عالية الأداء، فإن محرك PMSM يتميز بخصائص الهيكل المدمج، الحجم الصغير، والوزن الخفيف. تحت نفس الحجم والوزن، تكون كثافة عزم الدوران أعلى بنسبة 20%-30% من كثافة المحركات غير المتزامنة، والتي يمكن أن توفر خرج طاقة أقوى.

بالنسبة للسيارات الكهربائية، هذا يعني أنه يمكن ترتيب المحرك بشكل أكثر مرونة، وفي نفس الوقت، يمكنه إنتاج عزم دوران كبير بسرعة منخفضة، مما يحقق تسارعًا سريعًا وأداء تسلق قوي، مما يعزز متعة القيادة.

4.3 تلبية الاحتياجات المتنوعة مع نطاق تنظيم السرعة الواسع

بدعم من تكنولوجيا التحكم في ناقلات الأمراض وتقنية توسيع السرعة المغناطيسية الضعيفة، يتمتع محرك PMSM لـ EV بنطاق تنظيم واسع للسرعة - سرعة منخفضة، وعزم دوران كبير، وسرعة عالية، ويمكن تبديل الطاقة الثابتة d بسلاسة. وهذا يمكّن السيارات الكهربائية من التكيف مع ظروف القيادة المعقدة: يمكنها إنتاج عزم دوران كبير بشكل ثابت عند الانطلاق والتسلق، والحفاظ على الكفاءة العالية والثبات عند السير بسرعة عالية. خاصة بالنسبة لمحركات PMSM المدمجة، فهي تتمتع بقدرة ممتازة على توسيع السرعة المغناطيسية الضعيفة، والتي يمكنها توسيع نطاق العمل عالي السرعة بشكل أكبر وتلبية متطلبات السرعة المتنوعة للسيارات الكهربائية.

4.4 ضمان سلامة القيادة بموثوقية عالية

يعتمد محرك PMSM هيكلًا بدون فرش، مما يزيل مخاطر التآكل والفشل للفرش وحلقات الانزلاق، ويمكن أن يصل عمر الخدمة إلى أكثر من 15 عامًا (يطابق عمر خدمة المركبات الكهربائية). في الوقت نفسه، نظرًا لتبسيط الهيكل، يكون معدل الفشل أقل بكثير من معدل المحركات التقليدية.

في عملية التصميم، من خلال تحسين معامل قوس القطب، وعرض الفتحة، واعتماد الفتحات المنحرفة وغيرها من التدابير، يتم تقليل عزم الدوران المسنن، ويتم تقليل الاهتزاز والضوضاء أثناء تشغيل المحرك، ويتم تحسين راحة القيادة والسلامة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لتكنولوجيا الإدارة الحرارية الناضجة أن تمنع بشكل فعال إزالة المغناطيسية الدائمة للمغناطيس الناتج عن ارتفاع درجة الحرارة، مما يضمن التشغيل المستقر في ظل ظروف العمل القاسية.

V. حالات التطبيق العملي لمحركات PMSM في المركبات الكهربائية

على الصعيد العالمي، أصبح محرك PMSM للمركبات الكهربائية هو محرك الدفع المفضل لشركات صناعة السيارات السائدة. على سبيل المثال، يعتمد طراز Tesla 3/Y محركًا متزامنًا داخليًا بمغناطيس دائم، والذي يحقق التوازن بين الكفاءة العالية والأداء العالي - تصل كفاءة المحرك إلى 97% في ظل ظروف العمل المثالية، ويكون وقت التسارع من 0 إلى 100 كم/ساعة منخفضًا يصل إلى 3.3 ثانية. قامت شركة BYD، وهي شركة تصنيع سيارات محلية، بتطوير محرك ذو شفرات بشكل مستقل، والذي يستخدم على نطاق واسع في نماذج مثل Han وTang.

يستخدم مواد المغناطيس الدائم النيوديميوم والحديد والبورون ويحسن تصميم الدائرة المغناطيسية، مع كثافة عزم دوران تزيد عن 40 نيوتن متر/كجم وكفاءة قصوى تبلغ 98.5%.

في مجال المركبات التجارية، تم أيضًا تجهيز الحافلات الخفيفة الكهربائية من SAIC Maxus والشاحنات الكهربائية من Foton بمحركات PMSM مخصصة، والتي يمكنها التكيف مع ظروف العمل الخاصة ببدء التشغيل المتكرر والحمل الثقيل، كما أن استهلاك الطاقة لكل 100 كيلومتر أقل بنسبة 15% -20% من استهلاك المركبات المجهزة بمحركات غير متزامنة.

على المستوى الدولي، تستخدم BMW iX3 وMercedes-Benz EQC أيضًا محركات PMSM كعنصر الدفع الأساسي، حيث تعتمد على موثوقيتها وكفاءتها العالية لتعزيز القدرة التنافسية للمنتجات في السوق.

فيما يتعلق بالدعم الصناعي، حققت شركات السيارات الرائدة مثل Siemens وABB أيضًا اختراقات مهمة في محرك PMSM لتكنولوجيا السيارات الكهربائية. قامت شركة Siemens بتطوير محرك PMSM سداسي الطور بقدرة 1095 كيلووات في وقت مبكر من عام 1986، والذي يستخدم لدفع السفن، مع انخفاض الحجم بنسبة 60٪ تقريبًا مقارنة بمحركات التيار المستمر التقليدية. يتمتع محرك PMSM الخاص بشركة ABB لدفع السفن بقدرة قصوى تبلغ 38 ميجاوات، مما يضع أساسًا تقنيًا لتطبيق محركات PMSM في سيناريوهات الطاقة العالية.

في الصين، طورت شركة CRRC Zhuzhou مولدًا لطاقة الرياح بمغناطيس دائم عالي السرعة بقدرة 3 ميجاوات، وتم نقل تقنيتها إلى مجال السيارات الكهربائية، مما يعزز ترقية محركات PMSM المحلية.

سادسا. مقارنة محركات PMSM مع محركات القيادة الأخرى

6.1 المقارنة مع المحركات الحثية غير المتزامنة

تتمتع المحركات الحثية غير المتزامنة (IM) بمزايا التكلفة المنخفضة، والبنية البسيطة، والمتانة القوية، وكانت تستخدم على نطاق واسع في السيارات الكهربائية المبكرة. ومع ذلك، بالمقارنة مع محرك PMSM، فإن عيوبها واضحة: كفاءة التحميل الكامل هي فقط 90%-93%، وتنخفض الكفاءة بشكل ملحوظ تحت الحمل الجزئي؛ كثافة عزم الدوران منخفضة، مما يؤدي إلى زيادة الحجم والوزن؛ دقة تنظيم السرعة محدودة بالانزلاق، والاستجابة الديناميكية بطيئة.

بالنسبة للسيارات الكهربائية التي تسعى إلى تحقيق المدى والأداء، أصبح محرك PMSM للسيارات الكهربائية خيارًا أكثر مثالية، في حين يتم الاحتفاظ بالمحركات غير المتزامنة فقط في عدد صغير من النماذج منخفضة التكلفة أو المركبات الخاصة عالية الطاقة.

6.2 المقارنة مع محركات الممانعة المبدلة

تتمتع محركات التردد المبدلة (SRM) بمزايا البنية البسيطة والتكلفة المنخفضة وعدم وجود مخاطر إزالة المغناطيسية. ومع ذلك، فهي تعاني من عيوب واضحة مثل تموج عزم الدوران الكبير، والضوضاء العالية، والكفاءة المنخفضة، مما يحد من تطبيقها في سيارات الركاب. يتمتع محرك PMSM بسلاسة أفضل، وضوضاء أقل، وكفاءة أعلى، مما يمكنه تلبية متطلبات الراحة للسيارات الكهربائية بشكل أفضل.

بالإضافة إلى ذلك، فإن دقة التحكم والاستجابة الديناميكية لمحركات PMSM تتفوق بكثير على SRM، مما يجعلها أكثر ملاءمة للسيناريوهات ذات متطلبات أداء القيادة العالية. لذلك، يتم استخدام SRM فقط في عدد صغير من السيارات الكهربائية المنخفضة والمعدات الخاصة، بينما تهيمن محركات PMSM على سوق السيارات الكهربائية السائدة.

سابعا. اتجاهات التنمية وتحديات PMSM Motors

7.1 اتجاهات التنمية

سيركز التطوير المستقبلي لمحرك PMSM على اتجاهين: التكلفة المنخفضة والأداء العالي. فيما يتعلق بالتكلفة المنخفضة، فإن البحث وتطبيق المواد المغناطيسية الدائمة غير الأرضية النادرة ومواد المغناطيس الدائم المعاد تدويرها سوف يقلل من الاعتماد على النيوديميوم والحديد والبورون، كما أن تحسين عمليات التصميم والتصنيع سيؤدي إلى تقليل تكاليف الإنتاج.

فيما يتعلق بالأداء العالي، سيتطور محرك PMSM للسيارات نحو السرعة العالية وعزم الدوران الكبير والذكاء - من خلال اعتماد أجهزة الطاقة من كربيد السيليكون (SiC) وخوارزميات التحكم المتقدمة (مثل التحكم في الوضع المنزلق والتحكم التكيفي)، سيتم تحسين الكفاءة وسرعة الاستجابة بشكل أكبر، وسيتم تحقيق التكامل مع الأنظمة الذكية المثبتة على السيارة لتحقيق التكيف التكيفي وفقًا لعادات القيادة.

بالإضافة إلى ذلك، سيصبح الجمع بين تكنولوجيا المحاكاة وتكنولوجيا التصميم اتجاهًا رئيسيًا للتنمية. يمكن لبرنامج تحليل العناصر المحدودة أن يحسب بدقة معلمات المحرك مثل توزيع المجال المغناطيسي وعزم الدوران المسنن، ويمكن لطريقة الجمع بين الدائرة الميدانية أن توازن بين كفاءة الحساب والدقة، وتقصير دورة تطوير محركات PMSM. وفي الوقت نفسه، سيتم دمج محركات التيار المستمر بدون فرش ذات المغناطيس الدائم (BLDCM) بشكل أكبر مع تقنية PMSM، وسيتم تقديم استراتيجيات التحكم المتقدمة لتوسيع تطبيقاتها في الأجهزة المنزلية والمركبات الكهربائية الصغيرة.

7.2 التحديات الأساسية

على الرغم من المزايا الواضحة، لا يزال محرك PMSM يواجه العديد من التحديات في مجال السيارات الكهربائية. أولا، سعر المواد المغناطيسية الدائمة الأرضية النادرة متقلب، وتتأثر سلسلة التوريد بالسياسات والعوامل البيئية، مما يجلب مخاطر التكلفة على الشركات المصنعة. ثانيًا، لم يتم حل مشكلة إزالة المغناطيسية الدائمة للمغناطيس في الظروف القاسية بشكل كامل، مما يتطلب مزيدًا من التحسين للإدارة الحرارية وتصميم الدوائر المغناطيسية. ثالثًا، نظام التحكم معقد، وعتبة البحث والتطوير للتحكم بدون مستشعر وتكنولوجيا بدء التشغيل منخفضة السرعة مرتفعة، مما يحد من تعميم المؤسسات الصغيرة والمتوسطة الحجم.

بالإضافة إلى ذلك، فإن تكنولوجيا إعادة التدوير وإعادة الاستخدام للمواد المغناطيسية الدائمة لم تنضج بعد، مما يؤدي إلى الضغط البيئي للتخلص من محرك PMSM في نهاية العمر للمركبات الكهربائية. أصبح تحقيق التوازن بين الأداء والتكلفة وحماية البيئة والموثوقية قضية رئيسية للتنمية المستدامة لمحركات PMSM.

ثامنا. الاستنتاجات والآفاق

بفضل مزاياه المتمثلة في الكفاءة العالية، وكثافة عزم الدوران العالية، ونطاق تنظيم السرعة الواسع، والموثوقية العالية، أصبح محرك PMSM الخيار المثالي للقيادة الفعالة للسيارات الكهربائية، وسيحتل المركز الرئيسي في سوق محركات السيارات الكهربائية مع ترقية تكنولوجيا المواد الأرضية النادرة وتكنولوجيا التحكم. بالنسبة لمصنعي السيارات الكهربائية، فإن تحسين تصميم محرك PMSM للسيارات الكهربائية، وخفض التكاليف وتحسين الموثوقية سيكون بمثابة القدرة التنافسية الأساسية للاستيلاء على السوق؛ بالنسبة للمستهلكين، يمكن للمركبات المجهزة بمحركات PMSM أن توفر تجربة قيادة أفضل وتكاليف استخدام أقل.

نتطلع إلى المستقبل، مع اختراق المواد الأرضية غير النادرة والمغناطيس الدائم، وتكنولوجيا التحكم الذكي، وتكنولوجيا إعادة التدوير، سيتم حل الاختناقات الفنية لمحركات PMSM تدريجياً، وسيتم توسيع مجالات تطبيقها بشكل أكبر - من سيارات الركاب والمركبات التجارية إلى سفن الطاقة الجديدة والفضاء وغيرها من المجالات المتطورة. باعتباره المكون الأساسي لمركبات الطاقة الجديدة، سيستمر محرك PMSM في تعزيز التحول والارتقاء بصناعة السيارات العالمية، مما يساهم في تحقيق أهداف الحياد الكربوني.