Optimal Design and Finite Element Analysis of an Efficiency BPMDC Motor for EV Propulsion with Reduced Material Cost and Power Losses Using ANSYS Electronics

أصبحت المركبات الكهربائية مشهداً مألوفاً على الطرقات حول العالم، ومع ذلك يظل قلب كل سيارة كهربائية عبارة عن آلة معقدة: المحرك الكهربائي. ولتحريك مركبة ما، يجب أن تقوم هذه المحركات بتحويل الكهرباء إلى حركة بأقل قدر ممكن من الهدر. وعندما تُهدر الطاقة، فإنها عادة ما تتحول إلى حرارة أو تُفقد من خلال الاحتكاك، مما يقصر من مدى القيادة ويزيد من تكلفة المركبة. وقد برز نوع محدد من المحركات، يُعرف باسم محرك التيار المستمر ذو المغناطيس الدائم غير المزود بفرش (brushless permanent magnet DC motor)، كمرشح قوي لهذه المهمة لأنه مدمج وقوي وفعال. ومع ذلك، فإن بناء مثل هذا المحرك لا يقتصر فقط على جعله يدور؛ بل يتطلب توازناً دقيقاً بين المواد. فالمغانط الموجودة داخل الدوار (rotor)، والصلب في القلب، والنحاس في الملفات، جميعها تمتلك تكاليف وخصائص أداء مختلفة. فإذا كانت المواد باهظة الثمن للغاية، ستصبح السيارة غير مقدورة التكلفة؛ وإذا كانت ضعيفة للغاية، فسيهدر المحرك الطاقة. ويتمثل التحدي الذي يواجه المهندسين في إيجاد المزيج المثالي الذي يقدم أداءً عالياً دون تجاوز الميزانية المحددة.

في دراسة حديثة، شرع فريق من الباحثين في حل عملية التوازن هذه لمحرك مصمم خصيصاً لدفع المركبات الكهربائية. ركزوا على محرك بقدرة 2.08 كيلوواط، وهو حجم مناسب للمركبات الصغيرة أو تطبيقات دفع محددة، واستخدموا عمليات محاكاة حاسوبية متقدمة لاختبار أفكارهم. وبدلاً من بناء نماذج أولية مادية، والتي يمكن أن تكون بطيئة ومكلفة، استخدموا مجموعة برمجيات قوية تسمى ANSYS Electronics. سمحت لهم هذه الأداة بإنشاء نموذج رقمي مفصل للمحرك ومراقبة كيفية تفاعل الكهرباء والمجالات المغناطيسية بداخله. صمم الباحثون المحرك ليعمل بجهد 220 فولت وبسرعة 1500 دورة في الدقيقة. واختاروا بعناية الصلب لقلب الجزء الثابت (stator) والجزء الدوار (rotor)، ورتبوا ملفات النحاس في نمط محدد لضمان توزيع القوى المغناطيسية بشكل متساوٍ. كان الهدف هو معرف من خلال رؤية كيف ستغير الاختيارات المختلفة للمغانط الدائمة — وهي القطع التي توفر المجال المغناطيسي الثابت داخل المحرك — من كفاءة المحرك وكمية الطاقة التي يهدرها.

لإيجاد الحل الأمثل، لم يكتفِ الفريق باختبار نوع واحد من المغانط، بل أنشأوا ست نسخ مختلفة من المحرك، يستخدم كل منها درجة مختلفة من مادة المغناطيس الدائم. ثم أجروا نفس عملية المحاكاة على النسخ الست لمعرفة أي منها كان الأفضل أداءً تحت نفس الظروف. قام الحاسوب بحساب كل التفاصيل، بدءاً من كمية الحرارة التي تولدها الأسلاك النحاسية وصولاً إلى مقدار الطاقة المفقودة نتيجة احتكاك أجزاء المحرك بالهواء. كانت النتائج واضة: ليست كل المغانط متساوية في الجودة. فقد تفوق مغناطيس محدد، تم تحديده في الدراسة باسم XG196/96، على الآخرين. سمح هذا التكوين المعين للمحرك بالوصول إلى كفاءة قدرها 87.56 بالمائة، وهي الأعلى بين المجموعة. وفي المقابل، حقق أقل تكوين مغناطيسي كفاءة حوالي 85.2 بالمائة. قد يبدو الفرق ضئيلاً، ولكن في عالم المركبات الكهربائية، تترجم حتى أجزاء من المائة في الكفاءة إلى أميال أكثر يتم قطعها بنفس شحنة البطارية.

كما فككت الدراسة بالتفصيل أين تذهب الطاقة وأين يتم فقدانها. فمع المغناطيس الأفضل أداءً، أظهر المحرك انخفاضاً في الخسائر في جميع الجوانب. فقد فقدت الملفات النحاسية، التي تحمل التيار الكهربائي، حوالي 203.7 واط من الطاقة على شكل حرارة. وفقد القلب الحديدي 14.77 واط. وحتى المكونات الإلكترونية التي تقوم بتشغيل وإيقاف التيار، مثل الترانزستورات والديودات، ساهمت في إجمالي الفقد، لكن الفريق تمكن من تحديد هذه الكميات بدقة. أما خسائر الاحتكاك ومقاومة الهواء (windage losses)، وهي تكاليف الطاقة الناتجة عن دوران المحرك عبر الهواء والمقاومة الميكانيكية لأجزائه المتحركة، فقد ظلت منخفضة جداً عند 12 واط فقط. ومن خلال مقارنة هذه الأرقام عبر التصاميم الستة، استطاع الباحثون رؤية أن اختيار المغناطيس يؤثر مباشرة على التيار المتدفق عبر المحرك، والذي بدوره يحدد مقدار الطاقة المهدورة. لقد تطلب مغناطيس XG196/96 تياراً أقل للقيام بنفس القدر من العمل، وهذا هو السبب في أنه ولد حرارة أقل وهدر طاقة أقل.

وبعيداً عن مجرد الكفاءة، بحث الباحثون أيضاً في مدى سلاسة تشغيل المحرك. ثمة مشكلة شائعة في المحركات الكهربائية وهي "التكتل" (cogging)، وهو شعور بالتعثر يحدث عندما تتعارض الأسنان المغناطيسية للدوار مع الجزء الثابت. يمكن أن يسبب هذا اهتزازاً وضوضاءً، وهو أمر غير مستحب للسائق. وأظهرت عمليات المحاكاة أن التصميم المختار أنتج عزماً دورانياً سلساً للغاية، مما يعني أن قوة الدوران كانت ثابتة ومتسقة. كان المجال المغناطيسي داخل المحرك موزعاً بشكل متساوٍ، وكانت الإشارات الكهربائية التي تدفع المحرك نظيفة ومتماثلة. كما تحقق الفريق من قدرة المحرك على البدء في الحركة من وضع السكون، وهي لحظة حرجة لأي مركبة. وأشارت المحاكاة إلى أن المحرك يمكنه إنتاج عزم دوران بدء يقارب أربعة أضعاف عزم الدوران التشغيلي العادي، مما يشير إلى أنه سيتسارع بقوة عند الحاجة.

إن العمل المقدم في هذه الورقة هو دراسة محاكاة، مما يعني أن النتائج تأتي من نموذج حاسوبي متطور وليس من آلة مادية على منصة اختبار. ومع ذلك، فإن مستوى التفاصيل في النمذجة مرتفع، حيث يأخذ في الاعتبار الخصائص المحددة للصلب، والشكل الدقيق للمغانط، وسلوك التيارات الكهربائية. لم يدّع الباحثون أنهم صنعوا سيارة جديدة أو محركاً جديداً جاهزاً لعرضه في صالات العرض، بل قدموا مخططاً دقيقاً ومنهجاً مُثبتاً لاختيار المواد. لقد أثبتوا أنه من خلال الاختيار الدقيق للمغناطيس المناسب، من الممكن تصميم محرك يتسم بالكفاءة العالية والتكلفة المنخفضة في آن واحد. وبالنسبة لمستقبل النقل الكهربائي، حيث لكل واط من الطاقة أهميته، فإن هذا النوع من الهندسة الدقيقة يعد أمراً ضرورياً. وتخلص الدراسة إلى أن المغناطيس XG196/96 يوفر أفضل توازن بين الأداء والتكلفة، مما يوفر أساساً متيناً للجيل القادم من محركات المركبات الكهربائية.