ما هي العوامل التي يمكن أن تؤدي إلى انخفاض كفاءة المحرك؟

المحركات هي مكونات الطاقة الأساسية لأنظمة السيارات الحديثة، وتؤثر كفاءتها بشكل مباشر على أداء السيارة، واستهلاك الطاقة، وعمر الخدمة. لمحركات السيارات- بما في ذلك محركات الجر للمركبات الكهربائية، ومحركات مجموعة نقل الحركة الهجينة، والمحركات المساعدة - تقلل الكفاءة المنخفضة من نطاق المركبات الكهربائية، وتزيد من استهلاك وقود المركبات الكهربائية الهجينة، وترفع تكاليف الصيانة على المدى الطويل بسبب التآكل المتسارع.

يأتي عدم كفاءة المحرك بشكل رئيسي من خمسة خسائر رئيسية: خسائر النحاس الثابت، وفقدان النحاس الدوار، وفقدان الطائش، وفقدان الحديد، والخسائر الميكانيكية. هذه الخسائر مترابطة في التشغيل، وفهم أسبابها أمر بالغ الأهمية لتحسين المحركات لتلبية معايير كفاءة الصناعة الصارمة. تحلل هذه المقالة كل نوع من أنواع الخسارة، وتأثيرات تطبيقات السيارات، والعوامل المساهمة الأساسية.

أنا. مقدمة

يتزايد الطلب على محركات السيارات عالية الكفاءة وسط التحول العالمي إلى الكهرباء والأنظمة الأكثر صرامة فيما يتعلق بالانبعاثات. تشير كفاءة المحرك إلى نسبة الطاقة الميكانيكية الناتجة إلى الطاقة الكهربائية المدخلة، مع تصنيف الطاقة المتبددة (الحرارة والضوضاء والاحتكاك) على أنها خسائر. على عكس المحركات الصناعية في البيئات المستقرة، تعمل محركات السيارات ديناميكيًا - بسرعات وأحمال ودرجات حرارة متفاوتة - مما يؤدي إلى تضخيم الخسائر ويستلزم تحسين الكفاءة المستهدفة.

تضر الكفاءة المنخفضة بشكل مباشر بأداء السيارة: يمكنها خفض نطاق السيارة الكهربائية بنسبة 5-15% وزيادة استهلاك وقود السيارة الكهربائية الهجينة بنسبة 3-8%. تعمل الحرارة المفرطة الناتجة عن الفقد على تسريع تآكل المكونات، وإتلاف اللفات والمحامل، وتحفيز الحماية الحرارية التي تحد من الإخراج. يساعد تحديد أسباب الخسارة الشركات المصنعة على تصميم محركات متينة وفعالة وفرق الصيانة على تنفيذ الإصلاحات المستهدفة.

ثانيا. خسائر النحاس الثابت

التأثير الأساسي

تعد خسائر النحاس الثابت، والمعروفة أيضًا باسم خسائر I²R، المصدر الرئيسي لعدم كفاءة المحرك، حيث تمثل 30-50% من إجمالي الخسائر في ظل ظروف التشغيل العادية وترتفع إلى 60% أثناء سيناريوهات الحمل العالي مثل القيادة الشاقة أو القطر الثقيل. تحدث هذه الخسائر عندما يتدفق التيار الكهربائي عبر ملفات الجزء الثابت، مما يولد الحرارة بسبب المقاومة الكامنة في الموصلات النحاسية، وفقًا لقانون جول (تتناسب الخسائر مع مربع التيار ومقاومة الملف). ولا يؤدي ارتفاع درجة الحرارة الناتج إلى تقليل كفاءة تحويل الطاقة فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى إتلاف العزل، في حين يؤثر خفض الناتج بشكل مباشر على تسارع السيارة وقدرة القطر.

أسباب محددة

1. مقاومة اللف: ترتبط مقاومة اللف بشكل مباشر بفقد النحاس عبر الصيغة R = ρL/A (المقاومة × الطول / مساحة المقطع العرضي). الأسلاك الرفيعة، أو أطوال الملفات الأطول، أو المواد النحاسية غير النقية، أو أكسدة الموصلات كلها تزيد من المقاومة. على سبيل المثال، يتمتع سلك نحاسي قطره 1 مم بمقاومة أعلى بأربع مرات من سلك 2 مم له نفس الطول، مما يضاعف فقدان النحاس لنفس التيار - وهي مشكلة حرجة في الأجهزة المدمجةمحرك كهربائي للسياراتحيث تحد قيود المساحة من حجم السلك.

2. كثافة التيار: كثافة التيار الأعلى (أمبير لكل وحدة مساحة سلكية) تزيد من خسائر النحاس بشكل كبير. تعمل محركات السيارات عالية الأداء مثل محركات الجر EV عادةً عند 20-30 أمبير/مم²، في حين أن التحميل الزائد يمكن أن يدفع هذا إلى 35+ أمبير/مم². تواجه محركات بدء التشغيل التقليدية كثافة تيار عابرة تزيد عن 50 أمبير/مم² أثناء بدء التشغيل على البارد، مما يزيد من مخاطر الخسارة ويضع ضغطًا أكبر على عزل الملفات.

3. عيوب اللف: تؤدي تقنيات اللف الضعيفة (المسافات غير المتساوية، والوصلات الفضفاضة) إلى إنشاء نقاط ساخنة وزيادة المقاومة، مما قد يؤدي إلى حدوث دوائر قصيرة مع مرور الوقت.

4. التدهور الحراري: درجات الحرارة المرتفعة تقلل من توصيل النحاس وتلف العزل، مما يزيد من المقاومة ويخلق دورة تضخيم الخسارة.

ثالثا. خسائر النحاس الدوار

التأثير الأساسي

إن خسائر النحاس في الجزء الدوار خاصة بمحركات السيارات الحثية، وهو خيار شائع لمجموعات نقل الحركة الهجينة، وتحدث بسبب التيارات الدوامة المستحثة في اللفات الدوارة والانزلاق بين المجال المغناطيسي للجزء الثابت والدوار. تمثل هذه الخسائر ما بين 10 إلى 20% من إجمالي الخسائر عند الحمل المقدر ويمكن أن ترتفع إلى 30% عند السرعات المنخفضة - وهو سيناريو متكرر في القيادة في المدينة مع توقفات وبدء تشغيل متكرر. يؤدي تسخين الدوار الناتج إلى تقليل خرج عزم الدوران بنسبة 5-8%، مما يضر بشكل مباشر بالاقتصاد في استهلاك الوقود للسيارات الكهربائية الهجينة ونطاق القيادة الهجين الإضافي.

أسباب محددة

1. الانزلاق: يشير الانزلاق إلى فرق السرعة بين المجال المغناطيسي للجزء الثابت وسرعة الدوار الفعلية. يؤدي الانزلاق العالي (3-8% تحت الأحمال الثقيلة أو التسارع السريع، مقارنة بـ 1-2% عند التحرك الثابت) إلى زيادة تيار الدوار وبالتالي فقد النحاس. على سبيل المثال، سيتعرض المحرك التعريفي بقدرة 20 كيلو وات الذي يعمل مع انزلاق بنسبة 5% عند 1000 دورة في الدقيقة لفقد النحاس الدوار بمقدار 2.5 مرة أعلى من عند التشغيل عند انزلاق بنسبة 1%، مما يجعل هذا مصدر قلق رئيسي لكفاءة القيادة في المناطق الحضرية.

2. مقاومة الدوار: الدوارات المصنوعة من الألومنيوم، المستخدمة على نطاق واسع في محركات السيارات الفعالة من حيث التكلفة مثل المولدات، تتمتع بمقاومة أعلى بنسبة 63% من الدوارات النحاسية، مما يؤدي إلى فقد نحاس أكبر بنسبة 20-30% لنفس التصميم. يؤدي التلوث الناتج عن ملح الطريق أو الرطوبة، بالإضافة إلى الوصلات الفضفاضة بين القضبان الدوارة والحلقات الطرفية، إلى زيادة المقاومة وزيادة الخسائر بمرور الوقت.

3. تيارات الجزء الثابت الدوار: تيارات الجزء الثابت عالية التردد (من VFDs) تحفز تيارات دوارة إضافية، مما يزيد من فقدان النحاس في المحركات الكهربائية الحديثة للسيارات.

رابعا. خسائر طائشة

التأثير الأساسي

تمثل الخسائر الطائشة، والتي تسمى أيضًا الخسائر المتنوعة، ما بين 5 إلى 15% من إجمالي الخسائر في ظل التشغيل العادي وما يصل إلى 20% في محركات السيارات عالية التردد مثل تلك التي تعمل بأنظمة 800 فولت EV. تحدث هذه الخسائر خارج الجزء الثابت الرئيسي ولفات الجزء المتحرك، ويصعب قياسها بشكل مباشر، وتظهر على شكل تداخل حراري وكهرومغناطيسي (EMI). يمكن أن تؤدي التداخلات الكهرومغناطيسية إلى تعطيل الأنظمة الإلكترونية للمركبة مثل أجهزة الاستشعار ونظام المعلومات والترفيه، في حين تعمل الحرارة الزائدة على تسريع تقادم العزل - مما يجعل الخسائر الطائشة أحد الاعتبارات الحاسمة لمحركات السيارات عالية السرعة.

أسباب محددة

1. تسرب المجالات المغناطيسية: لا يرتبط كل التدفق المغناطيسي الناتج عن الجزء الثابت بالدوار؛ بعض التسربات في إطار المحرك أو الدروع الطرفية أو المكونات المجاورة (المعروفة باسم محاثة التسرب). يؤدي تدفق التسرب هذا إلى إحداث تيارات إيدي في الأجزاء الموصلة، مما يولد الحرارة ويتسبب في خسائر طائشة. تشهد محركات السيارات المدمجة ذات الفجوات الهوائية الصغيرة (مثل محركات محور العجلة) خسائر طائشة أعلى بنسبة 30-40٪ بسبب قرب المكونات، والتي يخففها المصنعون من خلال دمج حواجز التدفق غير المغناطيسية في إطار المحرك.

2. التوافقيات: تعمل التوافقيات عالية التردد المولدة بواسطة VFD على تضخيم الخسائر الضالة بمقدار 2-3x. يؤدي الترشيح السيئ إلى تفاقم فقدان الكفاءة والتداخل الكهرومغناطيسي (EMI) في المحرك الكهربائي للسيارات الكهربائية.

3. عدم التماثل: يؤدي اختلال الجزء الثابت والدوار أو عيوب التصنيع إلى تشويه المجالات المغناطيسية، مما يزيد من الخسائر - والتي تتفاقم بسبب اهتزاز السيارة.

خامسا خسائر الحديد

التأثير الأساسي

تنبع خسائر الحديد، أو خسائر القلب، من التباطؤ المغناطيسي والتيارات الدوامة في قلب الجزء الثابت والدوار، وهو ما يمثل 10-25% من إجمالي الخسائر عند السرعة المقدرة وما يصل إلى 40% عند السرعات العالية (15000+ دورة في الدقيقة). تزداد هذه الخسائر مع مربع تردد التشغيل، مما يجعلها مصدر قلق كبير لمحركات السيارات ذات السرعات المتغيرة - محرك السيارة الكهربائية الذي يعمل بسرعة 10,000 دورة في الدقيقة سيكون لديه فقدان حديد أعلى بتسع مرات من 3,000 دورة في الدقيقة، مما يؤثر بشكل مباشر على كفاءة القيادة عالية السرعة ومداها.

أسباب محددة

1. خسائر التباطؤ: تنتج خسائر التباطؤ من المغنطة المتكررة وإزالة المغناطيسية للمادة الأساسية (عادةً الفولاذ السيليكوني) عندما يتناوب المجال المغناطيسي للجزء الثابت. يقلل فولاذ السيليكون عالي الجودة مع حلقة التباطؤ الضيقة من هذه الخسائر بنسبة 15-20% مقارنة بالمواد منخفضة الجودة. في محركات السيارات ذات المغناطيس الدائم، تؤثر كثافة تدفق المغناطيس أيضًا على خسائر التباطؤ، مما يتطلب مطابقة دقيقة للمواد أثناء التصميم.

2. خسائر التيار الدوامي: تتناسب مع سمك التصفيح ومربع التردد. تعمل الصفائح المعزولة الرقيقة على تقليل الخسائر بنسبة 60-70% في محرك السيارات الكهربائي الذي يعمل بنظام VFD.

3. التشبع المغناطيسي: يؤدي التدفق المفرط إلى تشويه الحقول، مما يزيد من الخسائر - وهو أمر بالغ الأهمية لمحركات السيارات ذات العزم العالي التي تتطلب تصميمًا أساسيًا دقيقًا.

سادسا. الخسائر الميكانيكية

التأثير الأساسي

تمثل الخسائر الميكانيكية، الناتجة عن الاحتكاك وانحراف الهواء (مقاومة الهواء)، ما بين 5 إلى 10% من إجمالي الخسائر عند السرعة المقدرة وما يصل إلى 25% عند السرعات العالية جدًا (20,000+ دورة في الدقيقة) لمحركات السيارات الكهربائية عالية الأداء. تكون هذه الخسائر ثابتة عند سرعة معينة وتصبح كبيرة أثناء القيادة لفترات طويلة على الطريق السريع. إنها تقلل من عزم الدوران الناتج بنسبة 3-5% وتؤثر بشكل مباشر على نطاق السيارة الكهربائية - كل انخفاض بنسبة 1% في الخسائر الميكانيكية يمكن أن يوسع نطاق القيادة بنسبة 0.5-1%، مما يجعلها هدفًا تحسينيًا رئيسيًا.

أسباب محددة

1. احتكاك المحامل: تساهم المحامل بنسبة 60-70% من إجمالي الخسائر الميكانيكية. يمكن أن يؤدي سوء التشحيم، أو مجاري المحامل البالية، أو عدم محاذاة العمود، أو التحميل المسبق الزائد إلى مضاعفة خسائر الاحتكاك. تتفوق شحوم البوليوريا الاصطناعية أو شحوم البولي فلورو بولي إيثر على الشحوم التقليدية القائمة على الليثيوم في نطاقات درجات حرارة السيارات (-40 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية)، مما يساعد على الحفاظ على احتكاك منخفض في المحركات الكهربائية للسيارات التي تعمل في ظل الظروف القاسية.

2. خسائر انحراف القذيفه بفعل الهواء: متناسبة مع مربع السرعة. يعمل التصميم الديناميكي الهوائي وتزييت رذاذ الزيت على تقليل الخسائر في محركات السيارات عالية السرعة.

3. احتكاك الختم: تزيد الأختام البالية من الاحتكاك وخطر التسربات، مما يؤدي إلى إتلاف المحرك الكهربائي التلقائي وتقليل الكفاءة.

سابعا. الاعتبارات الرئيسية للمحركات الكهربائية للسيارات ومحركات السيارات

يتطلب تحسين كفاءة المحرك الكهربائي التلقائي استهداف الظروف الخاصة بالسيارات. تشمل الاستراتيجيات الرئيسية للمصنعين وفرق الصيانة ما يلي:

1. اختيار المواد: استخدام النحاس الخالي من الأكسجين عالي التوصيل في اللفات يقلل من فقد النحاس بنسبة 20-30% مقارنة بالألمنيوم. يقلل الفولاذ السيليكوني منخفض الخسارة أو النوى المعدنية غير المتبلورة من خسائر الحديد، في حين تعمل المحامل الخزفية (ذات معامل احتكاك أقل من الفولاذ) والشحوم الاصطناعية على تقليل الخسائر الميكانيكية. تعتبر ترقيات المواد هذه ضرورية لمحركات السيارات عالية الكفاءة.

2. تحسين التصميم: سماكة الأسلاك المتعرجة واستخدام اللفات قصيرة المدى تقلل من المقاومة وكثافة التيار. يؤدي تقليل فجوات الهواء بين الجزء الثابت والدوار (إلى 0.3-0.5 مم للمحركات الدقيقة) إلى تقليل تدفق التسرب والخسائر الضالة. تعمل تصميمات الدوار الديناميكي الهوائي وأنظمة التبريد السائلة على تحسين الكفاءة من خلال تقليل خسائر الرياح وتبديد الحرارة الناتجة عن التشغيل عالي الحمل.

3. مراقبة الجودة: يؤدي التصنيع الدقيق وفحص المكونات إلى تقليل العيوب التي تزيد من الخسائر في محركات السيارات.

4. الصيانة: استبدال المحمل/الختم المنتظم، والتشحيم، وضبط VFD يحافظ على الكفاءة وعمر المحرك.

ثامنا. خاتمة

إن انخفاض كفاءة محركات السيارات هو نتيجة تراكمية للخسائر الكهربائية والميكانيكية، والتي تتضخم بسبب ظروف التشغيل الديناميكية القاسية لأنظمة السيارات. بالنسبة للمركبات الكهربائية، فإن الحد من الخسارة المستهدفة ليس مجرد ضرورة للأداء فحسب، بل هو أيضًا عامل تمكين رئيسي لنطاق أطول وتكاليف ملكية أقل.

إن فهم أسباب وتأثيرات كل نوع من أنواع الخسارة يمكّن الشركات المصنعة من تصميم محركات كهربائية للسيارات وفرق صيانة أكثر كفاءة لتنفيذ تدابير استباقية. ومع تقدم صناعة السيارات نحو التحول الكامل إلى الكهرباء، سيظل تحسين كفاءة المحرك محورًا محوريًا لتحقيق أهداف الاستدامة وتعزيز القدرة التنافسية للمركبات.