تكتسب السيارات الكهربائية شعبية كبيرة ، لكن المهندسين الكهربائيين وغيرهم من المهنيين المسؤولين عن تصميمها يعلمون أن هناك مجالًا للتحسين. تركز إحدى الجهود المستمرة حول إنشاء خيارات محركات EV خالية من المغناطيس. يمكن للنجاح في هذا الهدف معالجة بعض مشكلات التوريد المعروفة. يمكن أن يبدأ مثل هذا العمل في سن مبكرة أيضًا: روبرت سانسوني يبلغ من العمر 17 عامًا وقد فاز مؤخرًا بجائزة مرموقة لنموذج EV الأولي الخالي من المغناطيس.
حصل على الجائزة الأولى في معرض Regeneron الدولي للعلوم والهندسة (ISEF) لعام 2022 ، وهي جائزة قدرها 75000 دولار لطالب المدرسة الثانوية الذي يأمل في الالتحاق بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في نهاية المطاف. لم يكن Sansone ينوي في الأصل الدخول إلى ISEF بمشروعه. ومع ذلك ، كانت المشاركة منطقية لأنه أصبح أكثر انشغالًا في هذا الجهد. وإليك نظرة فاحصة على إنجازاته وسبب أهميتها بالنسبة لمستقبل السيارات الكهربائية.
صنع محرك EV خالي من المغناطيس بدون معادن أرضية نادرة
تحتوي معظم محركات السيارات الكهربائية اليوم على مغناطيس ، مما يعني أنها تتطلب معادن أرضية نادرة. تمتلك الصين أكثر احتياطيات معادن الأرض ندرة ، مما يسمح لها بالسيطرة على سلسلة التوريد. بالإضافة إلى ذلك ، إذا كان بإمكان مُصنِّع المركبات الكهربائية الحصول على ما يكفي من معادن الأرض النادرة للمحركات ، فسيتعين عليهم دفع عدة مرات للحصول على تلك المواد مقارنة بمعدلات المعادن المتاحة بسهولة أكبر.
بدأ اهتمام Sansone بالمحركات الكهربائية قبل وقت طويل من بدء محاولة نموذج EV الخالي من المغناطيس. ومع ذلك ، فقد صادف مقطع فيديو عبر الإنترنت قبل عامين قام بتثقيفه حول مشكلات الإمداد بمحركات EV التي تحتوي على مغناطيسات اليوم. في تلك المرحلة ، بدأ في استكشاف حلول أكثر استدامة.
ركز على محرك التردد المتزامن ، والذي لا يستخدم معادن أرضية نادرة. ومع ذلك ، عادةً ما يستخدم الناس هذه المحركات في المضخات والمراوح لأنهم يفتقرون إلى الطاقة اللازمة للسيارات الكهربائية.
العمل بالمجالات المغناطيسية
تحتوي المحركات الكهربائية التقليدية على مكون محرك خارجي ثابت يسمى الجزء الثابت. يحتوي الجزء الثابت على ملفات سلكية تنتج مجالات كهرومغناطيسية دوارة تدور حول دوار. تحتوي المحركات ذات المغناطيس الدائم على مغناطيس على حافة الدوار. تنجذب الحقول المغناطيسية الناتجة إلى القطبين المعاكسين لحقل الغزل. هذا التجاذب هو الذي يجعل الدوار يدور.
تستخدم محركات التردد المتزامن دوارًا فولاذيًا به فجوات هوائية بدلاً من المغناطيس. يتم محاذاة الجزء المتحرك مع المجال المغناطيسي الدوار وتنتج هذه الحركة عزم الدوران. ومع ذلك ، فإن مقدار عزم الدوران الناتج يعتمد على نسبة الملوحة للمواد المعنية.
تمثل نسبة الملوحة الفرق في المغناطيسية. في حالة محرك ممانعة متزامن ، تتعلق نسبة الملوحة بالدوار الفولاذي والفجوات الهوائية غير المغناطيسية. يرتفع عزم الدوران مع نسبة ملوحة أكبر.
كان Sansone يأمل في إدخال مجال مغناطيسي آخر في محرك EV الخالي من المغناطيس. لقد وضع نصب عينيه الحصول على براءة اختراع للتصميم ، لذلك لا يمكنه إعطاء تفاصيل. بدأ المهندس الشاب العمل ولكنه واجه قيودًا بسبب قلة الموارد ، لذلك استخدم طابعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء نماذج مصغرة لكل محاولة محرك.
التصميم مع وضع الأداء في الاعتبار
بعد صنع الإصدار الخامس عشر ، كان لدى Sansone نموذج أولي EV خالي من المغناطيس لاختباره. أظهرت النتائج أن عمله الشاق يؤتي ثماره. قام Sansone أولاً بتقييم كيفية أدائه ثم أعاد تكوينه للعمل كمحرك ممنوع متزامن قياسي للمقارنة.
عند التشغيل بسرعة 300 دورة في الدقيقة (RPM) ، يتمتع تصميم Sansone بعزم دوران أكبر بنسبة 39٪ وزيادة في الكفاءة بنسبة 31٪. بالإضافة إلى ذلك ، ارتفعت الكفاءة بنسبة تصل إلى 37٪ أفضل من المحرك القياسي عند 750 دورة في الدقيقة. أدرك Sansone أيضًا أنه لا يمكنه إجراء الاختبارات على دورات أعلى في الدقيقة. مثل هذه المحاولات جعلت الأجزاء البلاستيكية للمحرك تذوب.
ومع ذلك ، أثبت Sansone صحة تلك التجارب من خلال إنشاء تجربة ثانية. لقد ألغى المتغيرات لإظهار أن نسبة الملوحة الأكبر في التصميم الرائد تسببت في تحسينات في الكفاءة وعزم الدوران لنموذج EV الخالي من المغناطيس.
رؤية التقدم من خلال تحسينات أخرى على المركبات الكهربائية
تحتوي المركبات الكهربائية على العديد من الأجزاء المختارة بعناية والتي تتحد لزيادة الأداء. على سبيل المثال ، تعمل القضبان كمسارات منخفضة الحث لنقل الطاقة والتي ترسل الطاقة من منافذ الشحن إلى بطاريات السيارات الكهربائية. إنها توفر البنية خفيفة الوزن والقوة اللازمة لزيادة نطاق السيارة الكهربائية.
سهّل الناس أيضًا شحن المركبات الكهربائية ، مثل تثبيت نقاط الطاقة في الطرق البرية أو داخل أكشاك الهاتف السابقة. تعد زيادة إمكانية الوصول إلى الشحن عاملاً حاسمًا من شأنه أن يقلل من القلق بشأن النطاق الذي غالبًا ما يتسبب في رفض المستهلكين احتمال شراء المركبات الكهربائية.
ومع ذلك ، من الجانب الهندسي للأشياء ، يهتم الناس في المقام الأول بكيفية صنع سيارات متفوقة تدريجيًا ذات أداء أفضل ، أو لديها ممارسات إنتاج أكثر استدامة أو تناسب الخصائص الأخرى التي قد يفهمها المستهلكون مع التوجيه. ومع ذلك ، يميل هؤلاء المستخدمون إلى رؤية ثمار تلك الجهود.
خذ بعين الاعتبار سيارة Mercedes-Benz Vision EQXX ، التي قطعت ما يقرب من 750 ميلاً في شحنة واحدة في اختبارات الطريق. السيارة ، التي تتميز بمحرك كهربائي واحد ذو تدفق شعاعي ، هي مجرد مشروع بحث وتطوير. ومع ذلك ، سيستخدم المهندسون ما تعلموه منها لتحسين السيارات المدمجة في المستقبل.
تجاوز النموذج الأولي للمركبات الكهربائية الخالية من المغناطيس
لقد كان ، في الواقع ، الجهد الخامس عشر الذي أحدث فرقًا كبيرًا في محرك EV الخالي من المغناطيس من Sansone. ومع ذلك ، لا يزال يجتهد في عمل نسخ أخرى. تتمثل إحدى الأولويات في إنشاء البعض بدون بلاستيك. يمكن لـ Sansone بعد ذلك الحصول على مزيد من الوضوح حول مدى نجاح هؤلاء في العمل عند عدد دورات أعلى في الدقيقة.
ومع ذلك ، فهو ليس الوحيد الذي يعمل بإمكانيات خالية من المغناطيس. أحد الأمثلة على المستوى الصناعي جاء من محرك الجر في محلة – أظهرت الاختبارات الداخلية أنه وصل إلى كفاءة تجاوزت 96 ٪. يعتمد هذا التصميم على نقل الطاقة الحثي اللاسلكي ويتضمن جهاز إرسال لتوجيه الطاقة عبر المحرك. غالبًا ما يفضل المهندسون المحركات الحثية بسبب مكوناتها الخالية من التلامس. ثم يجب أن تتمتع الأجزاء بعمر أطول.
في مكان آخر ، استخدمت BMW محرك EV خالي من المغناطيس في iX M60. منتج الجيل الخامس عبارة عن محرك متزامن ثلاثي الأطوار يعمل بالتيار المتردد يحصل على الطاقة لملفات الدوار مع المبدل والفرش. يضع المهندسون أيضًا وحدات الفرشاة داخل مقصورات مغلقة ومختومة ، مما يلغي إمكانية التلوث المرتبط بالغبار الذي يؤثر على الجزء الثابت أو الأسلاك الدوارة.
يُظهر النموذج الأولي للمركبة الكهربائية الخالية من المغناطيس ما هو ممكن
على الرغم من أن Sansone يتسم بالسرية بشكل مفهوم حول بعض الأعمال الداخلية لمحرك EV الخالي من المغناطيس ، إلا أن النتائج مثيرة للإعجاب لا يمكن إنكارها. ستكون مهمة لتشجيع المهندسين الحاليين والمستقبليين على التفكير فيما وراء الخيارات الحالية وتصميم خيارات نموذج أولي آخر للسيارات الكهربائية الخالية من المغناطيس مع وضع الاستدامة في الاعتبار.
عندما تحتوي تصميمات المحركات على عدد قليل من معادن الأرض النادرة أو لا تحتوي على أي منها ، يمكن للمصنعين تجنب العديد من صعوبات سلسلة التوريد التي تعطل أوامر ملء الطلبات في الوقت المحدد. ثم يستفيد كل من صانعي السيارات والموردين والعملاء وتصبح الصناعة ككل أقوى.
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
