01 ما هو محرك التدفق المحوري؟

وفقًا لاتجاه مسار التدفق المغناطيسي، يُمكن تقسيم المحركات إلى محركات تدفق محورية وأخرى شعاعية. ورغم اختلاف اتجاهات التدفق المغناطيسي، إلا أن مبادئ عملها تتبع القوانين الأساسية للكهرومغناطيسية.

أي أن مُشغِّل المحرك يتحكم في شدة المجال المغناطيسي واتجاهه للملف (الدوار) بتغيير اتجاه وشدة التيار المار عبره. ولأن الأقطاب المغناطيسية للجزء الثابت ثابتة، فعندما يتغير اتجاه وشدة المجال المغناطيسي للدوار، يتفاعل المجال المغناطيسي لتوليد قوة لورنتز، مما يدفع الدوار إلى الدوران.

مخطط تخطيطي لاتجاه مسار التدفق المغناطيسي

تتوزع الأقطاب المغناطيسية للجزء الثابت في محرك التدفق المحوري على طول المحور. عادةً ما يكون الجزء الدوار أسطواني الشكل. يمر التدفق المغناطيسي عبر المحور المركزي للجزء الدوار. عندما يمر التيار عبر لفات الجزء الثابت، يمر المجال المغناطيسي المتولد عبر الجزء الدوار على طول المحور. ووفقًا لقانون قوة لورنتز، يُولّد هذا المجال المغناطيسي عزم دوران في الجزء الدوار، مما يدفعه إلى الدوران.

الفجوة الهوائية للمحرك المحوري التدفقي مستوية، والطول المحوري قصير، وهو على شكل قرص رقيق، لذلك يُطلق عليه أيضًا اسم محرك القرص.

مخطط تخطيطي لهياكل محركات التدفق المحوري والتدفق الشعاعي

يتميز الهيكل الطوبولوجي لمحركات التدفق المحورية بالمرونة، ويمكن دمجها وفقًا لسيناريوهات التطبيق الفعلية. ووفقًا لهيكل الدمج بين الجزء الثابت والدوار، يمكن تقسيم محركات التدفق المحورية إلى الهياكل الأربعة التالية:

هيكل الجزء الثابت/الدوار المفرد: 1 دوار + 1 ثابت، هيكل بسيط ومضغوط، ولكن قوة جذب مغناطيسية أحادية الجانب كبيرة، وحمل محمل كبير، واهتزاز وضوضاء كبيرة، وخطر احتكاك الجزء الثابت بالدوار، مما يقلل من عمر المحرك؛

هيكل مكون من جزء ثابت واحد/دوار مزدوج: 2 جزء ثابت خارجي + دوار داخلي واحد، كثافة طاقة عالية، أكثر ملاءمة لأنظمة الجر والفضاء الجوي وغيرها من المجالات؛

هيكل مزدوج الدوار/دوار واحد: 2 دوار خارجي + 1 دوار داخلي، مع تناسق جيد، وسحب مغناطيسي أحادي الجانب صغير نسبيًا، وأكثر ملاءمة لأنظمة توليد طاقة الرياح؛

هيكل مكون من عدة أجزاء ثابتة/ دوارات متعددة: أجزاء ثابتة متعددة + دوارات متعددة، مناسبة لسيناريوهات عزم الدوران الكبير، مثل أنظمة دفع السفن، وتوليد طاقة الرياح الكبيرة ومولدات الطاقة الكهرومائية.

02 مزايا وعيوب محركات التدفق المحوري

مزايا محركات التدفق المحوري

حجم صغير ووزن خفيف: يبلغ حجم وكتلة محركات التدفق المحورية 5 لترات و24 كجم على التوالي، بينما يبلغ حجم وكتلة محركات التدفق الشعاعي العادية للسيارات 10 لترات و50 كجم على التوالي. تتماشى محركات التدفق المحوري مع توجه السيارات خفيفة الوزن، وتتميز بهيكل مدمج وطول شعاعي أقصر وسهولة تركيب عالية.

كثافة عزم الدوران العالية وكثافة الطاقة: مساحة السطح المغناطيسية الفعالة لـ تقع محركات المغناطيس الدائم ذات التدفق المحوري على سطح دوار المحرك، وليس على القطر الخارجي، وبالتالي يمكنها عادةً توفير المزيد من عزم الدوران ضمن حجم معين، وبالتالي تحسين كثافة عزم الدوران وكثافة الطاقة.

كفاءة عالية: بفضل مسار التدفق الأحادي البعد الأقصر، تتميز محركات التدفق المحوري بكفاءة عالية جدًا، تتجاوز عادةً 96%، وهي تُضاهي أو تتفوق على أفضل محركات التدفق الشعاعي ثنائية الأبعاد المتوفرة في السوق. توفر محركات التدفق المحوري طاقةً تتراوح بين 15% و25% مقارنةً بالمحركات الشعاعية العادية في جميع مستويات الطاقة، ويمكنها الحفاظ على ذروة إنتاج الطاقة لفترة أطول.

هيكل محرك التدفق المحوري

انخفاض الضوضاء والاهتزاز: بسبب التوزيع المنتظم للمجال المغناطيسي، يولد محرك التدفق المحوري ضوضاء واهتزازًا منخفضين أثناء التشغيل، وهو مناسب بشكل خاص لسيناريوهات التطبيق ذات المتطلبات الصارمة بشأن الضوضاء والاهتزاز.

توفير الطاقة وتقليل انبعاثات الكربون: بفضل مزايا الحجم والوزن لمحرك التدفق المحوري، يُمكن تقليل استهلاك النحاس والحديد والمغناطيس الدائم والمواد الأخرى في عملية الإنتاج والتصنيع بنسبة 50% تقريبًا مقارنةً بمحركات المغناطيس الدائم الشعاعية. وباستخدام تقنية الجزء الثابت للوحة الدوائر المطبوعة بدون قلب، يُمكن تقليل استهلاك النحاس في المحرك المحوري إلى 34% من استهلاك المحرك الشعاعي.

في الوقت نفسه، يتميز بوزن ميت أقل وكفاءة أعلى. في التطبيقات العملية، يستهلك المحرك طاقة أقل وقدرة تشغيل أكبر، مما يُسهم في توفير الطاقة وتقليل انبعاثات الكربون.

حدود محركات التدفق المحوري

مشاكل التكلفة: تتطلب محركات التدفق المحوري مواد وعمليات تصنيع خاصة، لذا تكون تكلفة التصنيع أعلى عادةً من تكلفة محركات التدفق الشعاعي التقليدية. على سبيل المثال، سيؤدي استخدام طوبولوجيا بدون نير وتصميم خاص للجزء الثابت والدوار إلى زيادة التكاليف.

تعقيد التصميم والإنتاج: عادةً ما يكون تصميم وإنتاج محركات التدفق المحوري أكثر تعقيدًا. على سبيل المثال، يجب الحفاظ على اتساق الفجوة الهوائية بين الدوار والثابت. قد تُسبب القوة المحورية أثناء التشغيل شدًا شديدًا على عمود المحرك. كما أن عملية التصنيع والمعدات الميكانيكية ليست بنفس نضج المحركات الشعاعية، مما يحد من إمكانية الإنتاج بكميات كبيرة.

مقطع عرضي لمحرك التدفق المحوري

تحديات تبديد الحرارة: نظرًا لتواجد ملفات محرك التدفق المحوري عميقًا داخل الجزء الثابت وبين قرصي الدوار، فإن تبديد الحرارة يكون صعبًا للغاية. تحدث مشاكل ارتفاع درجة الحرارة عند تشغيل المحرك تحت حمل مرتفع، مما يؤثر على أدائه وعمره الافتراضي.