اختيار المحرك الكهربائي للمركبات التي تعمل تحت الماء: اعتبارات كفاءة التحميل الجزئي

من السهل أن ندرك سبب شهرة المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM) للاستخدام في المركبات تحت الماء (UVs). إنها مدمجة وفعالة مع كثافة طاقة عالية. الأهم من ذلك ، ربما ، أنها تسمح بالتشغيل الفعال عبر نطاق واسع من RPM وهو أمر مفيد للمركبات ذات ظروف التشغيل المتعددة. ومع ذلك ، نجد أن مطوري منتجات المركبات غالبًا ما يكونون غير متأكدين من "كفاءة" المحرك. تقدم هذه المقالة بعض التعليقات من منظور مصمم المروحة ، حيث يقوم بتطوير المكونات التي تضع الحمل على محرك الأشعة فوق البنفسجية.

يجب أن نبدأ أولاً بوصف "النظام" ، الذي يتكون من السيارة (التي تحدد متطلبات الدفع) ، والدافع (عادةً ما يكون المروحة المفتوحة أو الأنبوبية التي تخلق الدفع المطلوب) ، والمحرك (المحرك الرئيسي) وظيفته الوحيدة هي تدوير المروحة في دورة في الدقيقة الضرورية). إذا قمنا بلف النظام في وحدة مفاهيمية ، فإن فائدة النظام هي سرعة السيارة (أو الدفع ، في حالة تطبيق السحب) بينما تكلفة النظام هي "استهلاك الوقود". بالنسبة للأنظمة التي تعمل بمحركات الاحتراق الداخلي ، فإن التكلفة هي استهلاك زيت الوقود ، على سبيل المثال ، بوحدات اللترات في الساعة. يوفر مصنعو المحركات عادةً معلومات كافية حول استهلاك الوقود عبر عدد دورات المحرك في الدقيقة ونطاق الطاقة حتى نتمكن من التنبؤ باستخدام الوقود لأي تطبيق بشكل موثوق. غالبًا ما يُطلق على قطعة من هذا التوزيع "خريطة الوقود" ، ولكن دعني أجعلك تفكر فيها على أنها "خريطة كفاءة" للطاقة من إخراج إلى مدخل.

لسوء الحظ ، لدينا ظرف مختلف تمامًا عند استخدام محركات PMSM. يمكن أن ينشأ الارتباك لأن الفائدة المتولدة للمحرك والوقود المستخدم من قبل المحرك يشتركان في مصطلح "الطاقة" - أحدهما هو طاقة العمود الميكانيكي الناتج (التي تدفع الدافع) والآخر الطاقة الكهربائية المدخلة (دالة للجهد) والتيار الذي تم توفيره بواسطة وحدة التحكم). النسبة بين الاثنين هي "كفاءة المحرك". إن معرفة كفاءة المحرك الصحيحة في جميع الدورات في الدقيقة وعمليات التحميل أمر بالغ الأهمية لنجاح تصميم وتحليل النظام. بينما تسجل معظم اختبارات المطورين الطاقة الكهربائية ، نحتاج إلى معرفة قوة العمود لفهم الأداء العام للنظام.

بينما يشير منحنى المحرك المنشور من قبل الشركة المصنعة إلى حد عزم الدوران (وبالتالي الطاقة) عبر نطاق RPM ، فإنها تشير في كثير من الأحيان فقط إلى الكفاءة الميكانيكية والكهربائية عند نقطة تصميم واحدة أو عند حد عزم الدوران. على عكس ما هو متاح من موردي المحركات ، نادرًا ما يكون لدينا "خريطة كفاءة" طاقة ميكانيكية إلى كهربائية كاملة عبر النطاق المفيد لكل من RPM وتحميل طاقة العمود لـ PMSM. للحصول على هذه البيانات ، قام بعض عملائنا باختبار محركاتهم على مقاييس ديناميكية صغيرة لإنشاء خريطة كفاءة. ومع ذلك ، قد يكون هذا مكلفًا ويستغرق وقتًا طويلاً - ومن المحتمل أن يكون تمرينًا ضائعًا أثناء تصميم المرحلة المبكرة حيث يكون هناك سؤال حول ما إذا كان سيتم اختيار المحرك أم لا.
ما هي مصادر فقدان الكفاءة بالنسبة لل PMSM؟ التفسير عبارة عن مزيج معقد من المصطلحات مثل مقاومة اللف والاحتكاك الميكانيكي وحتى تأثيرات التدفق المغناطيسي. لذلك دعونا نبسطها قليلاً مع بعض التعميمات باستخدام مصطلحات عامة: قوة عمود الحمل الميكانيكي (PS) ، والكفاءة (EFF) ، و RPM ، وفقدان الطاقة (LOSS).

• يتم تعريف كفاءة المحرك على أنها EFF = PS / (PS + LOSS).

• لتبسيط الأمور ، يمكننا القول أن الخسائر من نوعين: تعتمد على تحميل الطاقة أو تعتمد على RPM.

• تميل الخسائر (ليس الكفاءة ، ولكن الخسائر) إلى أن تكون متناسبة أ) إلى عدد الدورات في الدقيقة و ب) إلى مربع الطاقة.

يتم عرض خريطة كفاءة تمثيلية عامة في المخططات أدناه لـ PMSM "عزم دوران ثابت ، قوة ثابتة". من ممارستنا دائمًا تحويل مخطط "قائم على عزم الدوران" إلى مخطط "قائم على الطاقة" ، حيث نشعر أن الطاقة هي طريقة أفضل لتوصيل توليد الطاقة ونقلها للمركبات والدوافع. يمثل الخط الأسود الصلب منحنى حد المحرك ، والخط المتقطع هو منحنى طلب الدفع العام ، والخطوط الملونة هي عينة من أشكال خريطة الكفاءة.

من هذه المؤامرة ، يمكننا أن نرى كيف يؤثر التشغيل عند التحميل الجزئي على كفاءة المحرك. هناك مجموعة واسعة من RPM التي تحافظ على كفاءة عالية ، حيث أن ما يقرب من نصف النطاق الأعلى من RPM يقع في حدود بضع في المائة من أقصى كفاءة للمحرك - طالما أن المحرك يولد 80٪ أو نحو ذلك من قوته المقدرة. من حيث تشغيل السيارة ، عند السرعة القصوى ، تكون الكفاءة القصوى هي 95٪. عند سرعة 75٪ ، يكون الطلب على الطاقة 40٪ -45٪ وتنخفض الكفاءة إلى 85٪ -90٪. عند سرعة 50٪ ، هناك حاجة إلى القليل من الطاقة ويمكن أن تنخفض كفاءة المحرك إلى أقل من 75٪.

(تذكر ، هذه أرقام عامة تُستخدم هنا لتمثيل مفهوم. ستختلف الكفاءات الفعلية من نموذج إلى آخر.)
لذا ، دعني أترك لك بعض الملاحظات الأساسية:

• الحد الأقصى من الكفاءة المحتملة لنظام PMSM يختلف باختلاف حجم المحرك - مع وجود محركات طاقة أكبر توفر إمكانية لتحقيق كفاءات أعلى. على سبيل المثال ، يمكن أن يكون لـ 20 كيلو واط PMSM كفاءات محرك قصوى تتجاوز 95٪ عند التحميل الكامل ، حيث يصل محرك أقل من 1 كيلو واط عادةً إلى 90٪ فقط.

• كما هو مذكور أعلاه ، بينما تختلف الكفاءة باختلاف عدد الدورات في الدقيقة ، يجب أن يكون هناك نطاق واسع إلى حد ما من RPM الذي يحافظ على كفاءة عالية لمعظم التطبيقات التي تتطلب حمولة كاملة أو شبه كاملة.

• يعتبر التحميل الجزئي للطاقة مشكلة كبيرة بالنسبة لمعظم التطبيقات ، حيث إن تشغيل محرك بطاقة منخفضة يمكن أن يؤدي إلى انخفاض كبير في كفاءة المحرك. على سبيل المثال ، يمكن أن تنخفض كفاءة المحرك إلى أقل من 70٪ لقوة المحور الجزئي.

تعد المحركات الكهربائية - خاصة PMSM - أحد محاور التركيز الهامة في أعمال التطوير الخاصة بنا لـ NavCad في عام 2020. نحن نعمل على تبسيط تعريف محركات الأقراص هذه في NavCad باستخدام الطاقة الكهربائية مثل "الوقود" وأشكال منحنى المحرك العام (مثل "ثابت- عزم الدوران ، القدرة الثابتة ") لتصميم المرحلة المبكرة. وبالطبع ، نحن متعمقون في نموذج تنبؤ لخرائط كفاءة التحميل الجزئي خارج التصميم!

اقرأ هذه القصة في إصدار مارس 2020 من Marine Technology Reporter: https://magazines.marinelink.com/nwm/MarineTechnology/202003/#page/20