كيفية تحسين كفاءة المحرك؟
تتأثر كفاءة المحرك بفقدان طفيف في الطاقة، بما في ذلك فقد المقاومة، والفقد الميكانيكي الناتج عن الاحتكاك، وفقدان الطاقة المغناطيسية في القلب، وفقدان مختلف حسب نوع المادة المستخدمة. لزيادة كفاءة المحرك، يجب تقليل فقد الطاقة فيه. إليك بعض الطرق أو النصائح التي يمكن اتباعها لتحسين معامل كفاءة المحرك.
- وظيفة هيكل المحرك هي توفير الحماية الميكانيكية للملفات. وهو مسؤول أيضًا عن الواجهة المُثبّتة بالأرجل. يلعب هيكل المحرك دورًا حيويًا في أدائه الحراري، إذ ينقل الحرارة المتولدة داخل المحرك إلى سطحه حيث يُعزز الهواء الذي تُضخه المروحة تبديد الحرارة، مما يُقلل من فقدان الحرارة.
- نصيحة أساسية أخرى هي الحفاظ على مسافة دنيا بين أي جدارين بالقرب من الجزء الخلفي من غطاء المروحة للسماح بدخول الهواء. حافظ على نظافة المنطقة المحيطة بالمحرك، وافحص بانتظام أي انسدادات هوائية قد تؤثر على أداء نظام التبريد. لذلك، كلما كان المحرك أبرد، كلما طالت مدة عمله.
- الجزء الثابت هو المكون الرئيسي للمحرك، ويُسبب 60% من الخسائر. لتقليل هذه الخسائر، يجب الحفاظ على كتلة لفّ الجزء الثابت كبيرةً، لأن زيادة الكتلة تُقلل المقاومة. تحتوي المحركات عالية الكفاءة على 25% نحاس إضافي مقارنةً بالمحركات المصممة لنماذج الكفاءة القياسية.
- تُعتبر خسائر الدوار أيضًا مصدرًا ثانويًا للخسائر، ويعود ذلك أساسًا إلى درجة انزلاق المحرك. الانزلاق هو في الواقع الفرق بين سرعة المجال المغناطيسي (RPM) ودورة المحرك الفعلية في الدقيقة عند حمل معين. من بين هذه الخسائر، يتم الحصول على الانزلاق بطرح سرعة المحرك المحمل من سرعة المحرك غير المحمل وقسمتها على سرعة المحرك المحمل. لذلك، لتقليل هذه الخسائر، يجب تقليل الانزلاق، وذلك عن طريق زيادة موصلية الدوار. يجب استخدام النحاس بكميات كبيرة نظرًا لموصليته العالية. ولكن يجب صب النحاس في قوالب، حيث تم تطوير عملية صب النحاس في قوالب مؤخرًا.
- تنتج الخسائر المغناطيسية في القلب عن الهستيريسيس، و20% من إجمالي الخسائر ناتجة عن تيارات إيدي القلب والتشبع. باستخدام مواد عالية الجودة ومراقبة الجودة، يمكن تقليل الخسائر، وبالتالي تحسين الكفاءة.
- لتقليل آثار الهستيريسيس والتشبع، يُستخدم الفولاذ المحتوي على كمية صغيرة من السيليكون في التصفيح بدلاً من الفولاذ الكربوني منخفض التكلفة. بهذه الطريقة، يُمكن الحد من خسائر النواة. بتقليل سمك التصفيح وزيادة طوله، يُمكن تقليل كثافة التدفق وفقدان النواة.
- يمكن تقليل خسائر التيار الدوامي إلى حد كبير عن طريق ضمان العزل المناسب بين الألواح أو الصفائح المستخدمة.
- تعتمد فترة التزييت على السرعة المُصنّفة لتركيب المحرك، وحجم المحمل، ونوع الشحم، وارتفاع درجة الحرارة. لذلك، يُرجى توخي الحذر عند استخدام زيوت التشحيم. لا تخلط أنواعًا مختلفة من الشحوم، حتى لو كانت تستخدم نفس العناصر. استخدام أنواع أخرى من الشحوم في الاستخدام سيؤثر بشكل مباشر على أداء المحرك.
كيفية تقليل خسائر المحرك؟
منذ توزيع الخسارةالمحركيختلف فقدان الطاقة باختلاف حجم الطاقة وعدد الأقطاب. لتقليل الفاقد، يجب التركيز على اتخاذ تدابير لمكونات الفاقد الرئيسية لمختلف القوى والأقطاب. فيما يلي وصف موجز لبعض طرق تقليل الفاقد:
- زيادة المواد الفعالة وتقليل فقدان اللف وفقدان الحديد
وفقًا لمبدأ تشابه المحركات، عندما يظل الحمل الكهرومغناطيسي ثابتًا دون تغيير، فإن فقدان المحرك يتناسب تقريبًا مع مكعب حجمه الخطي، وتتناسب طاقة دخل المحرك تقريبًا مع القوة الرابعة للحجم الخطي. ومن هنا، يمكن تقريب العلاقة بين الكفاءة والاستخدام الفعال للمواد. للحصول على مساحة أكبر في ظروف حجم تركيب معينة، بحيث يمكن وضع مواد أكثر فعالية لتحسين كفاءة المحرك، يصبح حجم القطر الخارجي لثقب الجزء الثابت عاملًا مهمًا. ضمن نفس نطاق قاعدة الآلة، تتميز المحركات الأمريكية بقدرة إنتاجية أكبر من المحركات الأوروبية. لتسهيل تبديد الحرارة وتقليل ارتفاع درجة الحرارة، تستخدم المحركات الأمريكية عمومًا ثقوبًا للجزء الثابت بأقطار خارجية أكبر، بينما تستخدم المحركات الأوروبية ثقوبًا للجزء الثابت بأقطار خارجية أصغر نظرًا للحاجة إلى مشتقات هيكلية مثل المحركات المقاومة للانفجار، ولتقليل كمية النحاس المستخدمة في نهاية اللف وتكاليف الإنتاج.
- استخدم مواد مغناطيسية أفضل وتدابير عملية لتقليل فقدان الحديد
الخصائص المغناطيسية (النفاذية المغناطيسية وفقدان الحديد الوحدوي) للمادة الأساسية لها تأثير كبير على كفاءة المحرك وأدائه الآخر. في الوقت نفسه، فإن تكلفة المادة الأساسية هي الجزء الرئيسي من تكلفة المحرك. لذلك، فإن اختيار المواد المغناطيسية المناسبة هو مفتاح تصميم وتصنيع محركات عالية الكفاءة. في المحركات عالية الطاقة، يمثل فقدان الحديد نسبة كبيرة من إجمالي الخسارة، لذا فإن تقليل قيمة فقدان الوحدة للمادة الأساسية سيساعد في تقليل فقدان الحديد في المحرك. نظرًا لتصميم وتصنيع المحرك، فإن فقدان الحديد في المحرك يتجاوز بشكل كبير القيمة المحسوبة وفقًا لقيمة فقدان الحديد الوحدوي التي يوفرها مصنع الصلب، لذلك تزداد قيمة فقدان الحديد الوحدوي عمومًا بمقدار 1.5 إلى 2 مرة أثناء التصميم للنظر في الزيادة في فقدان الحديد.
يعود سبب زيادة فقدان الحديد بشكل رئيسي إلى أن قيمة فقدان الحديد في مصنع الصلب تُحسب باختبار عينة مادة الشريط وفقًا لطريقة دائرة إبشتاين المربعة، إلا أن المادة تتعرض لإجهاد كبير بعد التثقيب والقص والتصفيح، مما يزيد من فقدان الحديد. إضافةً إلى ذلك، تؤدي الفجوة الهوائية الناتجة عن وجود شق السن إلى مجال مغناطيسي توافقي للسن يُسبب فقدانًا بدون حمل على سطح القلب، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في فقدان الحديد بعد تصنيع المحرك. لذلك، بالإضافة إلى اختيار مواد مغناطيسية ذات فقدان حديد منخفض في الوحدة، من الضروري أيضًا التحكم في ضغط التصفيح واتخاذ الإجراءات العملية اللازمة لتقليل فقدان الحديد. نظرًا لعوامل السعر والعملية، لا تُستخدم صفائح الفولاذ السيليكوني عالي الجودة وصفائح الفولاذ السيليكوني التي يقل سمكها عن 0.5 مم بكثرة في إنتاج المحركات عالية الكفاءة. تُستخدم عادةً صفائح الفولاذ الكهربائي الخالية من السيليكون منخفض الكربون أو صفائح الفولاذ السيليكوني المدلفن على البارد منخفض السيليكون. استخدم بعض مصنعي المحركات الأوروبية الصغيرة صفائح فولاذ كهربائية خالية من السيليكون، بفقدان حديد وحدوي قدره 6.5 واط/كجم. في السنوات الأخيرة، أطلقت مصانع الصلب صفائح فولاذ كهربائية من نوع Polycor420 بفقدان حديد وحدوي متوسط قدره 4.0 واط/كجم، وهو أقل حتى من بعض صفائح الفولاذ منخفضة السيليكون. كما تتميز هذه المادة بنفاذية مغناطيسية أعلى.
في السنوات الأخيرة، طورت اليابان صفائح فولاذية مدلفنة على البارد منخفضة السيليكون بدرجة 50RMA350. تُضاف إلى تركيبتها كمية صغيرة من الألومنيوم والمعادن الأرضية النادرة، مما يحافظ على نفاذية مغناطيسية أعلى مع تقليل الخسائر. تبلغ قيمة خسارة الحديد الوحدوية فيها 3.12 واط/كجم. ومن المرجح أن توفر هذه العناصر أساسًا ماديًا أفضل لإنتاج وترويج محركات عالية الكفاءة.
- تقليل حجم المروحة لتقليل فقدان التهوية
بالنسبة للمحركات ذات القدرة الأكبر ثنائية ورباعية الأقطاب، يشكل احتكاك الرياح نسبة كبيرة. على سبيل المثال، يمكن أن يصل احتكاك الرياح لمحرك ثنائي القطب بقدرة 90 كيلو وات إلى حوالي 30% من إجمالي الخسارة. يتكون احتكاك الرياح بشكل أساسي من الطاقة التي تستهلكها المروحة. ونظرًا لأن فقدان الحرارة للمحركات عالية الكفاءة منخفض بشكل عام، يمكن تقليل حجم هواء التبريد، وبالتالي يمكن أيضًا تقليل طاقة التهوية. تتناسب طاقة التهوية تقريبًا مع القوة الرابعة إلى الخامسة لقطر المروحة. لذلك، إذا سُمح بارتفاع درجة الحرارة، فإن تقليل حجم المروحة يمكن أن يقلل بشكل فعال من احتكاك الرياح. بالإضافة إلى ذلك، فإن التصميم المعقول لهيكل التهوية مهم أيضًا لتحسين كفاءة التهوية وتقليل احتكاك الرياح. وقد أظهرت الاختبارات أنه يمكن تقليل احتكاك الرياح للجزء ثنائي القطب عالي القدرة من محرك عالي الكفاءة بنحو 30% مقارنةً بمحرك عادي. نظرًا لأن فقدان التهوية ينخفض بهامش كبير ولا يتطلب تكلفة إضافية كبيرة، فإن تغيير تصميم المروحة غالبًا ما يكون أحد التدابير الرئيسية المتخذة لهذا الجزء من المحركات عالية الكفاءة.
- تقليل الخسائر الضالة من خلال التصميم وتدابير العملية
الخسائر التشردية للمحركات غير المتزامنة هي في الغالب خسائر عالية التردد ناتجة عن التوافقيات عالية الرتبة للمجال المغناطيسي في قلبَي الجزء الثابت والدوار ولفائفهما. لتقليل الخسائر التشردية الناتجة عن الحمل، يمكن تقليل سعة كل توافقية طورية باستخدام ملف جيبي متصل على التوالي بمحور Y-Δ أو أي ملف آخر منخفض التوافقيات، مما يقلل من الخسارة التشردية. تُظهر التجارب أن استخدام اللفائف الجيبية يمكن أن يقلل الخسارة التشردية بأكثر من 30% في المتوسط.
- تحسين عملية الصب بالقالب لتقليل خسائر الدوار
من خلال التحكم في الضغط ودرجة الحرارة ومسار تفريغ الغاز أثناء صبّ دوار الألومنيوم، يمكن تقليل الغاز في قضبان الدوار، مما يُحسّن الموصلية ويقلل من فقدان الدوار للألمنيوم. في السنوات الأخيرة، نجحت الولايات المتحدة في تطوير معدات صبّ دوار النحاس والعمليات المُقابلة لها، وتُجري حاليًا إنتاجًا تجريبيًا على نطاق صغير. تُظهر الحسابات أنه في حال استبدال دوار نحاسي بدوار ألومنيوم، يُمكن تقليل فقدان الدوار بنسبة 38% تقريبًا.
- تطبيق تصميم تحسين الكمبيوتر لتقليل الخسائر وتحسين الكفاءة
بالإضافة إلى زيادة المواد وتحسين خصائصها وعملياتها، يُستخدم التصميم المُحسَّن حاسوبيًا لتحديد معايير مُختلفة بدقة في ظل قيود التكلفة والأداء، مما يُحقق أقصى قدر مُمكن من تحسين الكفاءة. يُمكن أن يُقلل استخدام التصميم المُحسَّن بشكل كبير من وقت تصميم المحرك ويُحسّن جودته.