لخّصلي

مراجعة محركات المحركات الكهربائية للتطبيقات في السيارات الكهربائية والهجينة
أولا: مقدمة

تلعب الآلات الكهربائية دورًا لا غنى عنه في الصناعة الحديثة. في الوقت الحاضر، تعد حماية البيئة والحفاظ على الطاقة من بين الاهتمامات الرئيسية في عالمنا. ونظرًا لبعض الميزات البارزة مثل الانبعاثات الصفرية أو المنخفضة وكفاءة الطاقة العالية، تكتسب السيارات الكهربائية (EV) جهودًا بحثية متزايدة وتزدهر بشكل كبير في سوق السيارات العالمي. وكما هو مبين في الشكل 1، فإن المبيعات السنوية للمركبات الكهربائية القابلة للشحن (PEV) في جميع أنحاء العالم تنمو بشكل ملحوظ من 50,000 في عام 2011 إلى أكثر من 550,000 في عام 2015 [1]. داخل الولايات المتحدة، تعد كاليفورنيا أكبر سوق محلي في الولايات المتحدة بنسبة 52% من إجمالي مبيعات السيارات الكهربائية القابلة للشحن (كما هو موضح في الجدول الأول. وفقًا للتوقعات الواردة في [1]، مع معدل نمو سنوي يبلغ 8.6%، ستصل مبيعات السيارات الكهربائية في عام 2026 إلى 263,000،000 وستصل المبيعات التراكمية إلى أكثر من 2.5 مليون سيارة.
بشكل عام، هناك ثلاثة أنواع رئيسية من المركبات الكهربائية:
المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات (BEV) والمركبات الكهربائية الهجينة (HEV) والمركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود (FCEV)
[2]. يلخص الجدول التالي خصائص هذه المركبات. II. مقارنة بالمركبات التقليدية التي تعمل بمحرك كهربائي (ICE)، فإن المحركات الكهربائية هي الأجزاء الأساسية في نظام الدفع مع البطاريات والمكثفات الفائقة وخلايا الوقود التي تعمل كمصدر للطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يتم دمج الكثير من المكونات الكهربائية في السيارات الكهربائية مثل محولات الطاقة والآلات الكهربائية ووحدات التحكم الدقيقة وأجهزة الاستشعار. تشمل التحديات الرئيسية في نظام الدفع المتطور هذا تصميم مكونات مجموعة نقل الحركة، وتخزين الطاقة وإدارة الطاقة، ونظرية التحكم الهجين وتحسين التحكم، واختيار طوبولوجيا الآلات الكهربائية المثلى.
تقدم هذه الورقة مراجعة لمحركات المحركات الكهربائية للتطبيقات في السيارات الكهربائية والهجينة. يعرض القسم الثاني مقدمة عن التكوينات النموذجية للمركبات الكهربائية/السيارات الكهربائية الهجينة وخصائص النظام. أما القسم الثالث إلى القسم السابع فيحلل ويقارن بين خمسة أنواع رئيسية من محركات المحركات، وهي محركات التيار المستمر، ومحركات المحركات الحثية، ومحركات المحركات المغناطيسية الدائمة، ومحركات المحركات ذات التردد المتغير، ومحركات المحركات ذات التردد المتزامن. يقدم القسم الثامن الملاحظات الختامية للورقة البحثية ويناقش الاتجاه المستقبلي للمركبات الكهربائية وتصميم الآلات الكهربائية.
ثانيا: تكوينات وخصائص النظام للمركبات الكهربائية والهجينة
يظهر مخطط النظام النموذجي للمركبات الكهربائية في الشكل 2 [3]. وهو يتألف من ثلاثة أنظمة فرعية - مصدر الطاقة، والدفع الكهربائي، والمساعد. تقوم وحدة التحكم الإلكترونية بتشغيل وإيقاف تشغيل أجهزة الطاقة في محول الطاقة اعتمادًا على التحكم من مكابح السيارة ودواسة الوقود. وتتمثل وظيفته الرئيسية في تنظيم تدفق الطاقة بين المحرك الكهربائي ومصدر الطاقة. لاحظ أن البطارية أو خلية الوقود هي مصدر الطاقة الوحيد لتزويد الطاقة للمعدات الكهربائية في السيارة مثل الإضاءة وأجهزة الصوت. كما أنها توفر الطاقة اللازمة لقيادة السيارة بواسطة المحرك الكهربائي.
تختلف السيارات الهجينة الكهربائية عن السيارات الكهربائية، حيث تشتمل السيارات الهجينة الكهربائية على محرك كهربائي ومحرك احتراق داخلي (ICE) كمصادر للطاقة. بشكل عام، يتم تصنيف أربعة أنواع من المركبات الهجينة الكهربائية الهجينة، وهي الهجين المتسلسل، والهجين المتوازي، والهجين المتسلسل المتوازي، والهجين المتسلسل المتوازي، والهجين المركب، كما هو موضح في الشكل 3. الهجين المتسلسل هو أبسط أنواع المركبات الهجينة المتسلسلة، وتأتي قوتها الدافعة الوحيدة من المحرك الكهربائي. وهي في الأساس سيارة كهربائية بمساعدة الاحتباس الحراري لأن الاحتباس الحراري يزوّد الطاقة مباشرة إلى المولّد، الذي يقوم إما بتشغيل المحرك أو شحن البطارية. وعلى عكس السيارة الهجينة المتسلسلة، فإن كلاً من ICE والمحرك الكهربائي يدفعان عجلات السيارة في السيارة الهجينة المتوازية. وهي بطبيعتها سيارة كهربائية هجينة متسلسلة بمساعدة الكهرباء. ويتمتع بالعديد من المزايا مثل تقليل عدد أجهزة الدفع وأحجام أصغر من المحرك والشاحن الداخلي الاحتياطي المطلوب لتحقيق الأداء المطلوب. في الهجين المتسلسل والمتوازي، فهو يجمع بين ميزات كل من التكوينات المتسلسلة والمتوازية بسبب إضافة رابط ميكانيكي إضافي بين أجهزة ICE وأجهزة النقل. ومن ثم فهي ذات هيكل أكثر تعقيداً وتكلفة أعلى. بالنسبة للهجين المعقد، فهو يشبه إلى حد كبير النوع الهجين المتسلسل والمتوازي، ولكن الفرق الرئيسي يكمن في تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه للمحرك الكهربائي في هذه الطوبولوجيا وتدفق الطاقة أحادي الاتجاه للمحرك الكهربائي في الهجين المتسلسل والمتوازي. تسمح هذه الميزة بأنماط تشغيل متنوعة، خاصةً وضع التشغيل الفريد متعدد الدفع من خلال العمل المشترك بين المحرك الكهربائي المتسلسل والمحركين. ولكن، كما هو الحال في الهجين المتوازي المتسلسل، فإنه يعاني أيضاً من تعقيد وتكلفة أعلى.
بشكل عام، هناك ثلاثة جوانب رئيسية في تشغيل المركبة: 1) التسارع الأولي؛ 2) الإبحار بالسرعة القصوى للمركبة؛ و3) الإبحار بالسرعة المقدرة للمركبة. يتم تحديد قيود التصميم الأساسية بشكل عام من خلال هذه الشروط الثلاثة لمجموعة نقل الحركة الكهربائية والسيارات الكهربائية الهجينة. وبمجرد استيفاء هذه القيود، عادةً ما يعمل نظام الدفع بشكل مناسب في أنظمة التشغيل المحتملة الأخرى. في الحالة الفعلية، من الضروري إجراء المزيد من التعديلات على قيود التصميم الأساسية هذه. وينصب التركيز في التصميم على تلبية جميع هذه القيود مع تقليل قوة المحرك [7].
يوضح الشكل 4 خصائص سرعة عزم الدوران والطاقة للمحرك الكهربائي في التطبيقات الصناعية. يمكن التعبير عن القدرة المقدرة للمحرك Pm بالمعادلة التالية:
Pm=m/(2t_f )(〖v_rm〗^2+〖v_rv〗^2)
حيث m هو كتلة المركبة، v_rm هو السرعة الكهربائية المعدلة بمحركات. الـ v_rv هو سرعة المركبة. t_f هو الوقت اللازم لزيادة سرعة المركبة من 0 إلى v_vrv. يمكن العثور على شرط الحد الأدنى من القدرة المحركة عن طريق التمييز بين Pm فيما يتعلق v_rm وتحديده إلى 0، مما يؤدي إلى ما يلي:

v_rm=0

وهذا الشرط يحدد الحد النظري للحد الأدنى من القوة المحركة. وفي هذه الحالة، يعمل المحرك الكهربائي بالكامل في منطقة الطاقة الثابتة. وبالتالي، إذا كان المحرك يتسارع من 0 إلى v_rv فيt_f ثوان في منطقة الطاقة الثابتة وحدها، يتم تحقيق الحد الأدنى من الطاقة. ومع ذلك، إذا كان المحرك يعمل بالكامل في منطقة العزم الثابت خلال هذه الفترة، ثم v_rm=v_rv. وفي هذه الحالة، تكون القدرة المحركة المطلوبة ضعف القوة المحركة المطلوبة في الحالة السابقة. ومن المؤكد أن التشغيل الكامل في منطقة الطاقة الثابتة لا يمكن تحقيقه بأي حال من الأحوال في التطبيق الفعلي. غير أن أهمية هذه المناقشة النظرية واضحة: فهي تكشف عن إمكانية تخفيض القوة المحركة المطلوبة عن طريق توسيع منطقة القوة الثابتة.

تظهر بنية الطاقة في العديد من السيارات الكهربائية والسيارات الكهربائية الهجينة الحالية في الشكل 5. يقدم الجدول الأول بعض الأمثلة على الآلات الكهربائية المعتمدة في صناعة السيارات. كما ذُكر أعلاه، فإن نظام الدفع الكهربائي هو قلب السيارات الكهربائية والسيارات الكهربائية الهجينة، في حين أن محركات المحركات، التي تتكون من محرك كهربائي ومحولات الطاقة ووحدة التحكم الإلكترونية، هي الجزء الأساسي من هذا النظام. وتتضمن بعض المتطلبات الرئيسية لمحرك المحرك الكهربائي القدرة الفورية العالية، وعزم الدوران الأولي العالي للتسارع والقدرة العالية للقيادة، والاستجابة السريعة لعزم الدوران، وكثافة القدرة العالية، وعزم الدوران الثابت ومناطق القدرة الثابتة الواسعة، والكفاءة العالية على نطاق السرعة الواسع، والموثوقية العالية والتكلفة المعقولة. في الأقسام التالية من الورقة البحثية، يتم تقديم وتحليل خمسة أنواع من المحركات الكهربائية لتطبيقات المركبات الكهربائية/السيارات الكهربائية الهجينة وهي محركات التيار المستمر، والمحركات الحثية، والمحركات بدون فرشات، ومحركات التردد التبادلي (SRM)، ومحركات التردد المتزامن (SynRM).

ثالثا: محركات التيار المستمر
تُعتبر محركات التيار المستمر خيارات لتطبيقات المركبات الكهربائية/المركبات الكهربائية الهجينة نظرًا لقدرتها على تحقيق عزم دوران عالٍ بسرعة منخفضة. وتتناسب خصائص سرعة عزم الدوران الخاصة بها مع متطلبات الجر [4-5]. كما أن التحكم في السرعة بسيط نسبياً، من خلال تغيير الجهد الطرفي. يوضح الشكل 7 النموذج الأساسي لمحرك التيار المستمر.
استنادًا إلى الطوبولوجيا المختلفة، يمكن تصنيف محركات التيار المستمر إلى ثلاثة أنواع:
الماكينة المثارة على التوالي،
والمثارة بالتحويلة،
والمثارة بشكل منفصل.
يحتوي كل من محرك التيار المستمر التحويلة والمتسلسلة على مصدر جهد واحد فقط وبالتالي فإن التحكم في التدفق وعزم الدوران يكون في وقت واحد. من ناحية أخرى، فإن محركات التيار المستمر المثارة بشكل منفصل قادرة في جوهرها على تشغيل ضعف المجال حيث يتم فصل عناصر التحكم في عزم الدوران والتدفق. ونتيجة لذلك، يمكن تحقيق نطاق الطاقة الثابت الممتد. من ناحية أخرى، تعاني محركات التيار المستمر أيضًا من عدة عيوب مثل البعد الضخم والكفاءة المنخفضة والسرعة القصوى المنخفضة والموثوقية المنخفضة والطلب العالي على الصيانة، خاصة بالنسبة للمحركات ذات المبدلات الميكانيكية والفرش. نظرًا لهذه العيوب، يتم استخدام محرك التيار المستمر بدون فرش بشكل عام مع تحسين الكفاءة وتقليل الحجم، كما هو موضح في الشكل 8. بالمقارنة مع محرك التيار المستمر المصقول التقليدي، لا تحتوي محركات BLDC على فرش. يتم إجراء عملية التبديل كهربائيًا بواسطة محرك إلكتروني لإثارة لفات الجزء الثابت. على الرغم من العيوب المذكورة أعلاه، فإن محركات التيار المستمر مفضلة في ظروف الطاقة المنخفضة، وهي أكثر من البدائل في صناعة السيارات خاصة في تطبيقات HEV.
رابعا: المحركات الحثية
المحركات الحثية هي الآلات الكهربائية الأكثر استخدامًا. وحتى من دون محولات التيار المستمر- التيار المتردد، يمكن أن تعمل مباشرة من مصدر جهد التيار المتردد (AC). وقد تم استخدامها على نطاق واسع للتطبيقات ذات السرعة الثابتة. تُعتبر محركات المحركات ذات المحركات ذات الصمامات المترددة من أكثر المحركات كفاءة كنظام دفع كهربائي للمركبات الكهربائية والمركبات الكهربائية الهجينة بسبب بنيتها القوية وموثوقيتها وصلابتها وانخفاض الحاجة إلى الصيانة وانخفاض تكلفتها وقدرتها الممتازة على تحقيق عزم دوران ممتاز. كما أن محركات الدفع الفورية هي أيضًا التقنية الأكثر نضجًا بين جميع أنواع محركات الدفع الكهربائي [8]. بدون مبدل وفرشاة، تكون محركات النقل الفوري خالية من احتكاك الفرشاة، وبالتالي يتم زيادة الحد الأقصى للسرعة القصوى. ونتيجة لذلك، يمكن توسيع نطاق سرعة الطاقة الثابتة. من خلال تغيير تردد الجهد المثارة، يتم تحقيق تباين سرعة محرك IM. من أجل الحصول على ضوابط مستقلة لعزم الدوران وتدفق المجال، يمكن اعتماد التحكم في اتجاه المجال (FOC)، وهو ما يشبه حالة آلة التيار المستمر المثارة بشكل منفصل. يوضح الشكل 9 الخصائص النموذجية لمحركات محركات IM. يمكن ملاحظة أنه في منطقة السرعة العالية، وبسبب وجود تيار كهرومغناطيسي خلفي كبير، ينخفض تيار الجزء الثابت وبالتالي يتناسب عزم الدوران عكسيًا مع مربع سرعة المحرك. بالنسبة للسرعة الحرجة للمحرك التقليدي تكون السرعة الحرجة حوالي ضعف السرعة الأساسية. وأي محاولة أخرى لتشغيل المحرك فوق هذه السرعة بأقصى تيار سيؤدي إلى توقف المحرك عن العمل.
وبشكل عام، تعاني محركات النقل الفوري من عدة عيوب مثل الفقد العالي للنحاس، والكفاءة المنخفضة، وعامل القدرة المنخفض، ونطاق القدرة الثابتة المحدود. عادة ما تكون تكلفة وحدة التحكم في محرك IM أعلى من تكلفة محرك التيار المستمر. يمكن تحقيق نطاق السرعة الممتد عن طريق إضعاف التدفق. هناك نوع جديد من محركات IM مع هذه الميزة هي المحركات الحثية ذات التغذية المزدوجة التي يتم التحكم فيها بالمتجهات (DFIM) [9-10]، والتي يمكن أن تحقق نطاق إضعاف المجال من 3-5 أضعاف السرعة الأساسية. على الرغم من أن هذه التقنية قد توسع نطاق تشغيل الطاقة الثابتة لمحركات IM، إلا أن عزم الانهيار (الحد الأقصى لعزم الدوران المطلوب) يزداد وبالتالي ينتج عنه مشكلة الإفراط في حجم المحرك.

خامسا : محركات المحركات المغناطيسية الدائمة بدون فرش
المحركات PM قادرة على الاستفادة من كل من عزم التردد وعزم الدوران المغناطيسي لتحسين كفاءتها وكثافة عزم الدوران. في هذه المحركات، تتم إضافة كمية معينة من المغناطيس إلى دوار الآلة. وعادةً ما يكون أداء محركات المحركات المغناطيسية الدائمة بدون فرش أفضل مقارنةً بمحركات الدفع المغناطيسي الدائم كمرشحة لنظام الدفع الكهربائي. تشمل مزاياها الرئيسية ما يلي: 1) انخفاض الوزن والحجم الإجمالي لطاقة خرج معينة (كثافة طاقة عالية) بسبب المجال المغناطيسي عالي الطاقة من PM؛ 2) كفاءة أعلى بطبيعتها بسبب عدم وجود لفات الدوار (وبالتالي فقدان النحاس المصاحب)؛ 3) تبديد الحرارة بكفاءة أكبر نظرًا لأنها تتولد بشكل أساسي من الجزء الثابت؛ 4) موثوقية عالية بسبب مناعتها ضد مشكلة ارتفاع درجة الحرارة أو التلف الميكانيكي بسبب الإثارة PM. وبالنظر إلى المزايا المذكورة أعلاه، فإن المحركات الجزيئية هي الخيار المفضل لمعظم مصنعي السيارات الكهربائية الهجينة والمركبات الكهربائية.
ومع ذلك، فإن هذا النوع من المحركات له نطاق طاقة ثابت قصير نسبيًا بسبب قدرتها المحدودة على إضعاف المجال، والتي تنتج بشكل أساسي عن وجود تدفق مجال قوي ناتج عن المحرك PM، كما هو موضح في الشكل 11 (أ). وتتمثل إحدى الطرق الممكنة لزيادة نطاق السرعة القصوى وتحسين الكفاءة في التحكم في زاوية توصيل محول الطاقة عند أعلى من السرعة الأساسية (الشكل 11 (ب)). ومع ذلك، في نطاق السرعة العالية جدًا، قد تنخفض الكفاءة بشكل كبير بسبب حقيقة أن المحول المغناطيسي قد يعاني من إزالة المغناطيسية الناجمة عن وجود قوة كهرومغناطيسية خلفية كبيرة واحتمال حدوث عطل.
تتوفر تشكيلات مختلفة من محركات المحركات بدون فرش PM تجارياً. واستنادًا إلى وضع المغناطيس الجزيئي، يمكن تصنيفها إلى نوعين: محركات مثبتة بمغناطيس سطحي (SPM) ومحركات مثبتة بمغناطيس داخلي (IPM). عادةً ما تنتج تصميمات المغناطيس السطحي عزم الدوران المغناطيسي فقط (هيكل دوار دائري) وتتطلب مغناطيسًا أقل، بينما ينتج تصميم محرك المغناطيس الداخلي كلاً من التردد وعزم الدوران المغناطيسي مع الحصول على كثافة تدفق أعلى لفجوة الهواء. النوع المعدل هو المحرك الهجين PM، حيث يتم استخدام كل من PM ولف المجال لإنتاج المجال المغناطيسي للفجوة الهوائية. وقد يشمل أيضًا المحرك الذي تتميز طوبولوجيته بميزات كل من محرك PM ومحرك التردد. ومثال على هذا المحرك هو محرك التردد الدائم (PRM) الذي طورته شركة TOSHIBA لمحركات HEV والمركبات الكهربائية [11]، والذي يظهر في الشكل 13.
في هذا التصميم، من خلال تغيير موضع المغناطيس وتصميم الدائرة المغناطيسية، يستخدم المحرك جزءًا أكبر من عزم التردد. وتكمن فوائد زيادة عزم التردد في تقليل الكميات المطلوبة من عزم التردد PM وتقليل القوة الكهرومغناطيسية الخلفية EMF. ومن ثم، يمكن للمحرك تحقيق نطاق سرعة متغير كبير يزيد عن 1:5، وتيار إضعاف تدفق أصغر وكفاءة أعلى في منطقة التشغيل عالي السرعة. وهناك نموذج محسّن قيد التطوير بجانب محرك PRM يسمى ”محرك الذاكرة“ كما هو موضح في الشكل 14. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذا المحرك في التحكم التكيفي في القوة المحركة المغناطيسية للمحرك PM استجابةً للتغيرات في الحمل وسرعة المحرك. بالمقارنة مع محرك IPM، فإنه يحتوي على نوعين من المغناطيس: مغناطيس ممغنط ثابت ومغناطيس متغير المغنطة.
يُمغنط المغناطيس المتغيِّر عن طريق زيادة تيار المحور d كما هو موضَّح في الشكل 15. يكون المجال المغناطيسي، الذي ينشأ من تيار المحور d المتدفق في ملف المحرك، في اتجاه تغيير مغنطة المغناطيس المتغير المشار إليه بالأسهم السوداء في الشكل 14.
إذا زاد تيار المحور d في الاتجاه السالب، فسيكون هناك انعكاس في قطبية المغناطيس المتغيِّر كما هو موضَّح بالأسهم السوداء الداكنة في الشكل 14. في هذه الحالة، ينخفض التدفق الكلي للمجال المشترك بشكل ملحوظ. من ناحية أخرى، إذا زاد التيار الموجب للمحور d، يحدث مرة أخرى انعكاس في قطبية المغناطيس المتغير الممغنط في اتجاه المغنطة الأولي. يوضح الشكل 16 مقارنة خريطة الكفاءة بين محرك IPM التقليدي ومحرك الذاكرة. نظرًا لأن محرك الذاكرة قادر على التحكم في القوة الدافعة المغناطيسية للمحرك المغناطيسي للمحرك المغناطيسي مع تغير سرعة المحرك، وبالتالي يمكن تقليل تيار إضعاف التدفق إلى الحد الأدنى بشكل فعال، مما يقلل بدوره من فقدان النحاس وفقدان الحديد في نطاق سرعة واسع. تشمل بعض التحديات الرئيسية في مجال البحث والتطوير للمحركات PM تطوير مغناطيسات مترابطة ذات كثافة طاقة عالية مع قدرة تحمل عالية لدرجات الحرارة، بالإضافة إلى تصميمات المحركات ذات عزم دوران متزايد للتردد، والإدارة الحرارية، وتصنيف درجة حرارة العزل الكهربائي [4].
سادسًا: محركات التردد التبادلي
في السنوات الأخيرة، اكتسبت محركات التردد التبادلي (SRM) اهتمامًا كبيرًا من الأوساط الأكاديمية والصناعية لإمكانياتها في تطبيقات السيارات الكهربائية/المركبات الكهربائية. وهي مشتقة في الأصل من محركات التردد المتغير ذات المكدس الواحد. ويتمتع هذا النوع من المحركات بالعديد من المزايا البارزة بما في ذلك البناء البسيط والمتين، والتحمّل العالي للأعطال، وتكلفة التصنيع المنخفضة، وخصائص عزم الدوران والسرعة الرائعة، كما هو موضح في الشكل 17. يتمتع محرك SRM بقدرة تشغيل عالية السرعة للغاية مع نطاق طاقة ثابت واسع. كما أنه يتمتع بعزم دوران عالٍ عند بدء التشغيل ونسبة عالية من عزم الدوران إلى القصور الذاتي [12]. هيكل الدوّار هو أبسط أنواع المحركات مقارنةً بمحركات التيار المستمر والمحركات ذات الحركة المترددة والمحركات الجزيئية مع عدم وجود لفات دوّارة أو مغناطيسات أو مبدلات أو فرش. ومن المزايا الإضافية لهذا الهيكل هو التبريد الخارجي البسيط للمحرك، مما يجعل المحرك الدوار قادرًا على العمل في الظروف المحيطة القاسية (مثل درجات الحرارة العالية).
في الثمانينيات والتسعينيات من القرن الماضي، اقترحت الأعمال البحثية عمومًا استخدام تركيبات SRM مثل 4 مراحل 8/6 أقطاب، و3 مراحل 6/4 أقطاب، و3 مراحل 12/8 أقطاب. والغرض الرئيسي من ذلك هو إتاحة مساحة فتحة كافية للملف من أجل خفض كثافة التيار. ومع ذلك، فقد كشفت الأعمال الحديثة أن وجود عدد كبير من أقطاب الجزء الثابت/الدوار يميل إلى أن يكون الأمثل لتطبيقات السيارات الكهربائية والسيارات الكهربائية الهجينة، مثل 18 قطبًا للجزء الثابت في [13]. تم اقتراح تصميم آخر لمحرك محرك SRM منافس لمحرك IPMSM بقدرة 60 كيلوواط في الجيل الثالث من المركبات الكهربائية الهجينة في [14]، والذي يحتوي على 18/12 قطبًا. تتضمن بعض الفوائد الرئيسية لمثل هذا التكوين عزم دوران أعلى مولدًا وموثوقية أعلى وتحملاً أفضل للأعطال. في [15]، تمت دراسة وتجربة ثلاثة محولات مختلفة متعددة الأطوار ذات دوّار خارجي لتطبيق المركبات الكهربائية داخل العجلات. يوصى باستخدام التكوين رباعي المراحل مع مراعاة كثافة عزم الدوران وتكلفة المحول وتعقيد التحكم. ومن الطوبولوجيا المحسّنة الأخرى لآلة الممانعة المحسّنة ما يسمى بآلة الممانعة المبدلة المزدوجة (DSSRM)، والتي تظهر في الشكل 19 [16]. تقليديًا، يتم إنتاج غالبية القوة في الاتجاه الشعاعي الذي لا يساهم في دوران محرك SRM. الميزة الرئيسية لهذا التصميم هي موازنة القوى الشعاعية وتحسين القوى الحركية، مما يؤدي إلى كفاءة تحويل الطاقة الكهروميكانيكية العالية. وبالتالي، يتم تحقيق كثافة طاقة أعلى ونسبة مئوية أعلى لقوى الحركة.
من ناحية أخرى، هناك العديد من العيوب الرئيسية لمحركات SRM بما في ذلك تموج عزم الدوران العالي، والضوضاء الصوتية العالية، وتصميم وحدة التحكم المعقدة بسبب اعتماد ملف الحث على كل من موضع الدوار وتيار الإثارة. في الواقع، تُعد خصائص الضوضاء والاهتزاز والخشونة (NVH) للمركبة من بين معايير القبول الرئيسية من حيث الأداء العام [17]. بالمقارنة مع ICE، تنتج الماكينة الكهربائية مثل محرك SRM مستويات ضغط صوت أقل بكثير ولكنها تحتوي على نغمات نقية عالية التردد (حتى 12 كيلوهرتز)، والتي يمكن أن يدركها المستخدمون بشكل غير مريح. قد تكون هذه المشكلة هي العيب الرئيسي في محركات SRM للتنفيذ على نطاق واسع في صناعة السيارات. هناك مشكلة أخرى مهمة في محرك SRM التقليدي وهي أنه لا يمكن تشغيله بعاكس طاقة تقليدي ثلاثي الأطوار [5]. ومع ذلك، فإن العاكس لمحرك SRM ثلاثي الأطوار يتطلب عادةً ثلاثة صمامات ثنائية وثلاثة عناصر تبديل (مثل عاكس الجسر H-bridge)، كما هو الحال مع عاكس الطاقة التقليدي ثلاثي الأطوار.

سابعاً: المحركات ذات التردد المتزامن
محرك التردد المتزامن (SynRM) هو نوع جديد من الآلات المتزامنة، والذي يجمع بين مزايا كل من محركات IM ومحركات PM. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذا المحرك في أنه يدمج متانة محركات التردد المتزامن مع حجم وكفاءة وسرعة تشغيل متزامنة مماثلة للمحركات الجزيئية [18]. يحتوي الجزء الثابت من محرك SynRM على لفات موزعة مثل المحركات ذات الحركة المترددة والمحركات الجزيئية. تم تصميم الدوار بحيث يتم تحقيق أصغر تردد ممكن وأعلى تردد في الاتجاهين المتعامدين. بالإضافة إلى ذلك، يكون المحرك متحملاً للأعطال مثل محركات IM بسبب عدم وجود تدفق في الدوار دون تنشيط اللفات الثابتة. تتشابه استراتيجية التحكم مع استراتيجية المحركات PM بسبب تطابق هيكل الجزء الثابت.
عادةً ما يكون عامل القدرة الضعيف هو العيب الرئيسي لمحركات SynRM. ونتيجة لهذه الحقيقة، من المحتمل أن يزداد حجم المحرك المطلوب. ويتطلب تحقيق عامل القدرة المرتفع ارتفاع نسبة الملوحة في هذه الآلة. ويمكن تلبية هذا المطلب من خلال هيكل الدوار المصفح محورياً وعرضياً. يظهر الدوّار المصفح محوريًا في الشكل 20 (أ) الذي يحتوي على محاثة المحور المباشر العالية Ld ومحاثة المحور التربيعي المنخفضة Lq. ونتيجة لذلك، تكون نسبة الحث عالية، ويتم الحصول على عامل قدرة أفضل. تم بالفعل اقتراح بعض التصميمات الجديدة لمحركات SynRM لتطبيقات HEV في [19-21].
من أجل تحقيق عامل قدرة أعلى، يمكن إضافة كمية صغيرة من PMs إلى دوّار SynRM، كما هو موضح في الشكل 20 (ب). هذا الهيكل مشابه لآلة IPM ولكن مع استخدام أقل من PM وربط تدفق PM أصغر. قد يؤدي هذا التصميم إلى تحسين الكفاءة دون إدخال EMF خلفي كبير وتغيير تصميم الجزء الثابت. وعلاوة على ذلك، فإن هذا المحرك خالٍ من ارتفاع درجة الحرارة المحيطة وإزالة المغناطيسية بسبب التحميل الزائد، وهي أمور شائعة جدًا في محركات IPM. من خلال الاختيار الحكيم للكمية المناسبة من PM وتحسين الكفاءة، يمكن أن يقترب أداء آلة SynRM بمساعدة PM من أداء آلة IPM.

ثامناً: الخاتمة والاتجاه المستقبلي لمحركات المحركات الكهربائية لتطبيقات المحركات الكهربائية لتطبيقات الطاقة الشمسية/الكهربائية
السيارات الكهربائية هي مستقبل صناعة السيارات ذات الانبعاثات المنخفضة أو المنعدمة وكفاءة الطاقة العالية. وبصرف النظر عن المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات، فإن المركبات الكهربائية التي تعمل بالطاقة الشمسية والرياح هي أيضًا من بين المجالات البحثية الشائعة اليوم التي تتناول تطبيق أنظمة الطاقة المتجددة في المركبات الكهربائية/المركبات الكهربائية الهجينة [22]. في هذه الورقة البحثية، تم تقديم خصائص التكوينات الأساسية للمركبات الكهربائية الهجينة والمركبات الكهربائية. وعلاوة على ذلك، تمت مناقشة عدة أنواع من محركات المحركات مثل محركات IM وPM وSRM وSynRM، والتي تنطبق على تصميم المركبات الكهربائية.
كما هو مقترح في [5]، هناك اقتراح للبدائل والأعمال المستقبلية في تطوير المركبات الكهربائية الهجينة والمركبات الكهربائية يتمثل في تكريس الجهود في المجالات الثلاثة التالية

• إيجاد مواد مغناطيسية جديدة لتصاميم المحركات PM,


• تطوير وإنتاج محركات PM مع مغناطيسات الطاقة المتجددة,


• تصميم محرك جديد يستخدم مغناطيسات غير مغناطيسية أو بدون مغناطيسات.
  بالنسبة للمجال الأول، قد ينتج عن تطوير مواد المغناطيس PM من خلال البحث عن مركبات بين معدنية جديدة أنواع جديدة من المغناطيسات، والتي يمكن أن تقلل من تكلفة مغناطيسات الـ RE PM الحالية من خلال تقليل تكلفة المعالجة ومحتويات الـ RE الثقيلة. إذا توفر مثل هذا المغناطيس الجديد، فإن التكلفة الإجمالية للمحرك PM يمكن أن تكون أقل تكلفة وبالتالي فإن المجال الثاني هو الأفضل. على الرغم من أن IPMSM هي الآلة الأكثر شيوعًا في الاستخدام، إلا أن الباحثين والمصنعين مهتمون أكثر بالمجال الثالث، أي تطوير محركات ذات استخدام مغناطيس أقل بكثير بسبب التكلفة العالية الحالية للمواد المغناطيسية مثل النيوديميوم والحديد والبورون الملبد (NdFeB) (التكلفة العادية لـ NdFeB تزيد عن 150 دولارًا أمريكيًا / كجم) والنضوب السريع لموارد المغناطيس الأرضية النادرة [23]. إن كثافة الطاقة والكفاءة هما القضيتان الرئيسيتان بالنسبة للآلة الخالية من المغناطيس والمخفضة المغناطيس. وقد تم تكريس الكثير من الجهود للبحث وإنتاج المحركات الحثية وآلات SRM في السنوات الأخيرة وتم تحسين أدائها إلى حد كبير. أما الآلات الأخرى مثل محركات SynRM، والآلة المتزامنة ذات التدفق المتزامن بتبديل التدفق الميداني (FEFSSM) وآلات التردد متعدد الأطوار BLDC (MRM) فلا تزال في مرحلة البحث المبكر ولم تظهر بعد في الإنتاج الصناعي.