آلة دوّارة هجينة متزامنة ذات طورين وثابتين مزدوجين لتطبيقات السرعات المتغيرة

لماذا يهم محرك الغسالة

مخبّأ داخل كل غسالة أوتوماتيكية هناك محرك كهربائي يجب أن يحرك الملابس الثقيلة والمبتلة بلطف بسرعات منخفضة ثم يدور الحوض بسرعة عالية لعصر الماء. إنجاز كلا المهمتين بكفاءة وهدوء وتكلفة منخفضة أصعب مما يبدو. تصف هذه الورقة نوعًا جديدًا من المحركات يمكنه التبديل بين شخصية قوية «للغسيل» وشخصية سريعة موفِّرة للطاقة «للعصر» داخل تصميم واحد مدمج، ما يعد بتخفيض فواتير الطاقة وتقليل الاعتماد على مواد نادرة ومكلفة.

مهمتان مختلفتان جداً في آلة واحدة

تمر الغسالات بمرحلتين رئيسيتين. أثناء دورة الغسيل، يدور الحوض ببطء لكن يجب أن يوفر عزمًا كبيرًا لتحريك الملابس المشبعة بالماء. أثناء دورة العصر، يدور الحوض بسرعة عالية جدًا، لكنه يحتاج إلى عزم أقل وكفاءة عالية لتجنب هدر الكهرباء والارتفاع في درجة الحرارة. اليوم، تختار الشركات المصنعة عادةً بين المحركات الحثية التقليدية الرخيصة لكنها غير كفؤة، والمحركات ذات المغناطيس الدائم الكفؤة لكنها تعتمد على مغناطيسات نادرة وغالية وقد تواجه صعوبة عند السرعات المنخفضة جدًا. يهدف التصميم الجديد إلى جمع أفضل ما في العالميْن مع سهولة صيانة أقل واعتماد أقل على المواد النادرة.

محرك واحد، غلافان ثابتان، ودوار ذكي

تستخدم الآلة المقترحة تخطيطًا غير معتاد: غلافان ثابتان يحيطان بحلقة وسطى دوارة واحدة. يعمل الغلاف الخارجي بأسلوب «مسنن» ينتج عزمًا عاليًا طبيعيًا عند السرعات المنخفضة، وهو مثالي لدورة الغسيل. ويعمل الغلاف الداخلي كمحرك متزامن عالي الكفاءة تقوده مغناطيسات دائمة على الوجه الداخلي للدوار، وهو مناسب لدورة العصر السريعة. يحمل الدوار كلًا من مجموعة من الأسنان الدقيقة للتفاعل الخارجي ونمط مغناطيسي أبسط للتفاعل الداخلي، بحيث يخدم الجزء الدوار نفسه كلا الوضعين دون تغيير في الهاردوير.

قوّة بدون فرش وبدون أجزاء تآكل إضافية

تحتاج الآلات التقليدية ذات الدوار الملفوف إلى موصلات كهربائية منزلقة، تُسمى الفرش وحلقات الانزلاق، لتغذية التيار إلى ملفات على الدوار. هذه الأجزاء تتآكل وتحدث شررًا وتتطلب صيانة. في هذا التصميم، يستضيف الغلاف الخارجي لفتين مختلفتين: لفة ثلاثية الطور أساسية تنتج عزم الدوران، ولفة مساعدة أصغر تخلق نمطًا مغناطيسيًا ذي تردد منخفض خاص. مع دوران الدوار عبر هذا النمط، تلتقط لفافة مخصصة على الدوار تيارًا متناوبًا يُحوَّل فورًا إلى تيار مستمر عبر مقوِّم صغير مركب على الدوار نفسه. ثم يغذي ذلك التيار المستمر لفة مجال الدوار الرئيسية، كل ذلك دون أي اتصال كهربائي مادي. فعليًا، تُشحن مغناطيسية الدوار لاسلكيًا أثناء تشغيل الآلة.

تكييف المحرك لدورتي الغسيل والعصر

يحاكي المؤلفون سلوك المحرك في كلا الوضعين باستخدام نماذج حاسوبية مفصّلة. في وضع الغسيل منخفض السرعة، ينتج القسم الخارجي على طراز فيرنيير نحو 20 نيوتن-متر من العزم بعد التحسين، أي أكثر من ضعف تصميم مرجعي حديث، بكفاءة تقارب 77٪. في البداية كان العزم متقطّعًا إلى حد ما، لكن الفريق خفّض هذا «تموج العزم» بسوّق طفيف لأسنان الدوار، مع التضحية بكمية صغيرة فقط من العزم المتوسط. في وضع العصر عالي السرعة عند 1200 دورة في الدقيقة، يُفعّل فقط قسم المغناطيس الدائم الداخلي. هنا يقدّم المحرك حوالي 5.9 نيوتن-متر من العزم مع دوران ناعم جداً وكفاءة ملحوظة تقارب 95٪، أعلى بكثير من آلات فيرنيير فقط في سرعات مماثلة.

ما معنى هذا للأجهزة المنزلية

بدمج نمطين تشغيليين في هيكل مشترك واحد، يمكن لهذا المحرك ذو الطورين والثابتين المزدوجين أن يتصرّف كقوّة عمل بطيئة وقوية أثناء الغسيل وكعدّاء رشيق عالي السرعة أثناء العصر. يستخدم كمية نسبية قليلة من مادة المغناطيس الدائم، ويتجنب الفرش وحلقات الانزلاق، ومع ذلك يلبي متطلبات العزم والكفاءة الصارمة للغسالات الحديثة. بالنسبة للمستخدمين اليوميين، قد يترجم ذلك إلى تشغيل أكثر هدوءًا، واستهلاك طاقة أقل، وأجهزة أكثر متانة، بينما تكسب الشركات المصنعة مرونة للالتزام بمعايير كفاءة صارمة دون الاعتماد الكبير على المواد المغناطيسية النادرة.

الاستشهاد: Ali, S., Ali, Q., Munir, H.M. et al. A dual-mode dual-stator hybrid rotor synchronous and vernier machine for variable speed applications. Sci Rep 16, 10315 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40821-y

الكلمات المفتاحية: محرك غسالة, محرك ذو سرعة متغيرة, دوار بدون فراشي, آلة فيرنيير, أجهزة موفرة للطاقة