تصميم متعدد الأهداف لنظام تبريد بالرش النفطي لمحرك ذو لفائف hairpin اعتمادًا على تحسين أسراب الجسيمات‑الاسترجاع العكسي‑خوارزمية الترتيب غير المهيمن الجينية III

لماذا الحفاظ على برودة المحركات الكهربائية مهم

مع ازدياد قوة وحجم السيارات الكهربائية، تخضع المحركات التي تشغلها لضغوط أكبر من أي وقت مضى. داخل هذه المحركات، يمكن أن تسخن لفائف النحاس المجمعة بإحكام إلى حد يفقدون فيه قوتهم المغناطيسية بشكل دائم، مما يقصر عمر المحرك ويهدر الطاقة. تدرس هذه الدراسة طريقة متقدمة لغمر تلك اللفائف بزيت التبريد ثم تستخدم خوارزميات حاسوبية ذكية لإعادة تصميم الحلقة الرشاشية الصغيرة التي توزع الزيت، مما يجعل المحرك أبرد وأسهل في التشغيل.

كيف يحمي «مطر الزيت» المحركات العاملة بشدة

غالبًا ما تستخدم محركات الجر الحديثة ما يسمى بلفائف hairpin—قضبان نحاسية صلبة منحوتة على شكل حرف U ومكدسة بكثافة حول الدوار. هذه الحزم المركزة ممتازة للطاقة، لكنها أيضًا أكثر أجزاء المحرك سخونة. أحد الحلول الواعدة هو نظام تبريد بالرش النفطي: حلقة مجوفة حول اللفائف تطلق عدة نفاثات زيت تصطدم بالنحاس الساخن، وتنتشر إلى فيلم رقيق، وتحمل الحرارة بعيدًا قبل أن يعود الزيت إلى دائرة التبريد. يركز البحث على محرك كهربائي بقوة 230 كيلووات يستخدم بالفعل مثل هذه الحلقة الرشاشية، لكن التصميم الأصلي ترك اللفائف ساخنة جدًا والزيت تحت ضغط داخلي مرتفع نسبيًا، مما يجهد نظام التبريد.

اختبار طرق رش الزيت المختلفة

سأل الباحثون أولًا سؤالًا أساسيًا: أي شكل فوهة يبرد أفضل؟ قارنوا بين ثلاثة أنواع فوهات تجارية—رش مسطح، مخروط كامل، ومروحي—من خلال محاكاة كيفية تبليل كل منها لحزمة لفائف واقعية وغير مبسطة. باستخدام حسابات مفصلة لتدفق السوائل والحرارة، أنتجوا خرائط حرارة تُظهر أين تبقى اللفائف حارة أو باردة. كانت فوهة الرش المسطح تميل إلى ترطيب وسط اللفائف فقط، مما يترك الموصلات المجاورة أكثر سخونة. قدمت الفوهة المروحية أداءً أفضل إلى حد ما، لكنها لا تزال تخلق قفزات حرارية حادة بين اللفائف المتجاورة. أما الفوهة مخروط كامل، فبدلاً من ذلك نشرت الزيت بصورة أكثر انتظامًا على السطح، منتجة مجالًا حراريًا أكثر سلاسة وأدنى درجة حرارة قصوى—حوالي 22% أقل مقارنة بالرش المسطح و5% أقل مقارنة بالفوهة المروحية. لذلك اختيرت هذه الفوهة كنقطة انطلاق لإعادة التصميم.

استكشاف فضاء التصميم بتجارب افتراضية

بعد ذلك، تحولت الفريق إلى هندسة الحلقة الرشاشية نفسها. حددوا ستة أبعاد رئيسية، بما في ذلك القطران الكبير والصغير لكل فوهة، وزاوية الرش، وكيفية تدوير الفوهات حول الحلقة، وعدد الفوهات المستخدمة، والطول المحوري للحلقة. بدلًا من تجربة كل تركيبة ممكنة، استخدموا تصميمًا متعامدًا—مجموعة منظمة من 25 متغيرًا مختارًا بعناية—لاستكشاف كيفية تأثير هذه العوامل على هدفين بكفاءة: درجة الحرارة العظمى لللفائف والضغط الداخلي الأقصى للزيت. لكل متغير، قدمت محاكيات ديناميكا السوائل المتقدمة (CFD) درجات الحرارة والضغوط. وكشفت تحليل الحساسية أن أحد المعاملات، وهو القطر الصغير للفوهة، له التأثير الأقوى بكثير على كل من التبريد والضغط، بينما لعبت الأبعاد الأخرى أدوارًا مساعدة مهمة.

إتاحة الخوارزميات لضبط التفاصيل الدقيقة

للارتقاء إلى ما بعد هذه التصاميم الـ25 التجريبية، درب المؤلفون شبكة عصبية لتعلّم العلاقة بين هندسة الحلقة وأداء التبريد، مستخدمين نتائج المحاكاة كمجموعة تدريب. ثم وضعوا هذه الشبكة داخل مخطط تحسين هجين يجمع بين تحسين أسراب الجسيمات وخوارزمية جينية متعددة الأهداف حديثة. ببساطة، تتجول «جسيمات» و«نسل» افتراضيون عبر فضاء التصميم، مقترحين آلاف أشكال حلقات الرش الجديدة. تتنبأ الشبكة العصبية بسرعة بدرجة الحرارة والضغط لكل مرشح، وتحتفظ الخوارزمية فقط بتلك التي توازن بين الهدفين جيدًا، مكونة ما يسميه المهندسون واجهة باريتو. من هذه الواجهة، اختار الفريق تصميمًا واحدًا حيث أصبحت الفوهات أصغر قليلًا لكن أكثر عددًا، وتم تعديل طول الحلقة وزاوية الرش بدقة لإنتاج تغطية زيتية قوية ومتساوية دون رفع الضغط الداخلي إلى مستوى مرتفع جدًا.

ما الذي يقدمه التصميم المحسّن

أخيرًا، تمت إعادة فحص التصميم المختار مرة أخرى بمحاكيات CFD كاملة. اتفقت درجات الحرارة والضغوط القصوى المتوقعة والمحاكاة تقريبًا ضمن نحو 2%، مما يدل على أن الخوارزمية المتكاملة كانت دقيقة للغاية. بالمقارنة مع الحلقة الرشاشية الأصلية، قلل النسخة المحسنة من درجة الحرارة القصوى لللفائف بنسبة 8.5% وخفضت ضغط الزيت الداخلي الأقصى بنسبة 25.6%. بالنسبة لمحرك مركبة كهربائية، يعني ذلك نحاسًا أبرد، مخاطر أقل لتلف المجال المغناطيسي، وحملًا أخف على مضخة الزيت، كل ذلك دون تغيير تخطيط المحرك الأساسي. يبرهن العمل كيف أن الجمع بين محاكاة تدفق واقعية وخوارزميات بحث ذكية يمكن أن يضغط أداءً أكبر من الأجهزة الحالية، ممهداً الطريق نحو محركات جر عالية القدرة أبرد وأكثر كفاءة وأكثر متانة.

الاستشهاد: Liu, Y., Xu, P., Chen, S. et al. Multi-objective optimization design of oil spray cooling system for hairpin motor based on particle swarm optimization-backpropagation-non-dominated sorting genetic algorithm III. Sci Rep 16, 11593 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42028-7

الكلمات المفتاحية: تبريد المحركات الكهربائية, تبريد بالرش النفطي, لفائف hairpin, تحسين متعدد الأهداف, المركبات الكهربائية