محرك تحريضي متغير الحركة مُدار حسب الأداء باستخدام محول متسلسل متعدد المنافذ ومخطط تحكم مباشر متقدم لعزم الدوران

لماذا تهم المحركات الكهربائية الأكثر سلاسة

مع تزايد شيوع المركبات الكهربائية، يتوقع السائقون أن تكون هذه المركبات ليست نظيفة وفعالة فحسب، بل أيضًا هادئة، سلسة وموثوقة. أحد أنواع المحركات الواعدة لمركبات المستقبل هو محرك التحريضي متغير الحركة، الذي يتميز بالمتانة والتكلفة المنخفضة وخلوه من مغناطيسات الموارد النادرة. ومع ذلك، قد تعاني هذه المحركات من عزم قفزي واهتزاز إضافي، ما يقلل راحة الرحلة ويجهد الأجزاء الميكانيكية. تعرض هذه الورقة طريقة جديدة لتغذية والتحكم في مثل هذه المحركات بحيث تعمل بسلاسة أكبر، وتقلل هدر الطاقة، وتتناسب بشكل أفضل مع مهام الجر المتطلبة في السيارات.

نوع مختلف من المحركات الكهربائية

تركز الدراسة على محركات التحريضي متغير الحركة، التي تبدو مختلفة كثيرًا داخليًا عن الآلات المألوفة التي تعتمد على المغناطيس الدائم. بدلاً من استخدام مغناطيسات على الدوار، تعتمد هذه المحركات على ميل الدوار للتحرك نحو مناطق تكون فيها المسارات المغناطيسية أسهل — أي مناطق ذات حث أعلى. عن طريق تبديل التيار تشغيلًا وإيقافًا عبر عدة ملفات ثابتة بالتتابع، يسحب المتحكم الدوار ويولد العزم. هذا التصميم قوي وبسيط ورخيص التصنيع، ويتجنب الاعتماد على مواد نادرة. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي التبديل السريع وتشابك خواص المغنطة غير الخطية للمحرك إلى تذبذبات كبيرة في العزم والتيار، مسببة ضجيجًا واهتزازًا وتآكلًا إضافيًا في المركبات الكهربائية.

جسر طاقة مختلف للمحرك

لكي يكبحوا هذه المشاكل، أعاد الباحثون تصميم مرحلة القدرة الإلكترونية التي تربط البطارية بالمحرك. بدلًا من المحول ثنائي المستوى التقليدي، الذي يطبق فجأة إما الجهد الكامل أو الصفر على كل طور، يقترحون محولًا متسلسلاً متعدد المنافذ مكوَّنًا من وحدات فرعية مكدسة لكل طور. الآن يمكن لكل طور أن يرى عدة مستويات جهد وسيطة، وليس فقط تشغيلًا أو إيقافًا. تعمل هذه المقاربة متعددة المستويات على تنعيم شكل موجة الجهد، وتخفيف الإجهاد الكهربائي على المفاتيح والعزل، وتقليل التوافقيات غير المرغوب فيها في التيار. كما أن البنية المعيارية أسهل للتوسع وأكثر تحملاً للأعطال، وهو أمر مهم لأنظمة الجر الحرجة للسلامة.

تحكم ذكي في العزم في الزمن الحقيقي

يُقرَن هذا العتاد بمخطط تحكم مباشر معزز في العزم يعمل كمرشد مرور سريع لمفاتيح الطاقة. بدلاً من تشكيل التيارات ببطء عبر حلقات تغذية راجعة تقليدية، يقدّر التحكم المباشر في العزم التدفق المغناطيسي والعزم في الزمن الحقيقي ويختار من مجموعة أنماط جهد بناءً على الاتجاه وشدة التغير المطلوبة في العزم. في هذا العمل، يصمم المؤلفون نماذج رياضية مفصلة لسلوك المحرك غير الخطي وينظمون أنماط الجهد الممكنة إلى ثمانية قطاعات وثمانية ناقلات. ثم تختار جدولية تبديل مخصصة أفضل نمط من المحول متعدد المستويات في كل لحظة، محافظة على العزم والتدفق داخل نطاقات ضيقة مع تقليل التبديل غير الضروري.

من النموذج الحاسوبي إلى منصة الاختبار الحقيقية

يُثبت الفريق منهجهم على مرحلتين. أولًا، يبنون محاكاة مفصلة لمحرك تحريضي متغير الحركة بأربع أطوار، 8/6، يعمل بالمحول ومخطط التحكم الجديد في MATLAB/Simulink. يفحصون السرعة والعزم والتيارات الطورية أثناء التشغيل المستقر والتغيرات السريعة في السرعة، ويقارنون النتائج مع محول تقليدي. ثم ينشئون إعدادًا مختبريًا بقدرة 2.2 كيلوواط باستخدام وحدات طاقة صناعية وأجهزة استشعار ومشفر وضع (encoder). تشمل التجارب سيرًا مستقرًا عند 1000 دورة في الدقيقة، وتغيرات خطوية بين 400 و1400 و2400 دورة في الدقيقة، بالإضافة إلى التسارع والكبح واضطرابات الحمولة. عبر هذه الاختبارات، يحافظ المحرك الجديد على السرعة بدقة بينما ينتج أشكال موجية للتيار أنظف بشكل ملحوظ وعزمًا أكثر سلاسة.

ماذا تعني التحسينات على الطريق

كمّيًا، يقلل المحول المقترح ومخطط التحكم من تذبذب العزم بما يصل إلى نحو 41.5 بالمئة مقارنة بالتصميم التقليدي، مما يخفض قيم التذبذب إلى نحو 16–25 بالمئة اعتمادًا على السرعة والحمولة. وفي الوقت نفسه، يُظهر النظام استجابة أسرع لتغيرات طلب السائق، وتجاوزًا محدودًا عند ضبط السرعات، وكفاءة أفضل قليلاً، كل ذلك أثناء العمل عند تردد تبديل ثابت وقابل للتنبؤ. بمصطلحات يومية، يعني هذا أن مركبة كهربائية تستخدم مثل هذا النظام قد تتسارع وتتباطأ بسلاسة أكبر، وتولد ضجيجًا واهتزازًا أقل، وتضع إجهادًا أقل على مكوناتها. وعلى الرغم من أن العتاد الجديد أكثر تعقيدًا وتكلفة من المحولات القياسية، يجادل المؤلفون بأن مزيجه من المتانة والسلاسة ودقة التحكم يجعله مرشحًا قويًا لأنظمة الجر الكهربائية عالية الأداء في المستقبل.

الاستشهاد: Deepak, M., Santhakumar, K., Sathiyasekar, K. et al. Performance-driven switched reluctance motor drive using multiport cascaded converter and advanced direct torque control scheme. Sci Rep 16, 12211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45141-9

الكلمات المفتاحية: محرك تحريضي متغير الحركة, محركات المركبات الكهربائية, تقليل تذبذب العزم, محول طاقة متعدد المستويات, التحكم المباشر في العزم