كيف يمكن الاختيار بين المحركات ذات المغناطيس الدائم السطحي والمحركات ذات المغناطيس الدائم الداخلي؟

30 يونيو 2026

يمكن للسيارة الكهربائية الحفاظ على عزم دوران عالٍ عند السرعات المنخفضة بفضل وجود المغناطيسات داخل الدوار. وتُعد المحركات ذات المغناطيسات الدائمة الداخلية (IPM) التكنولوجيا الأساسية التي تعتمد عليها السيارات الكهربائية الحديثة وأنظمة الدفع الصناعية عالية الأداء.

في عصر المركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة، تحظى تقنية IPM باهتمام متزايد من قِبل مهندسي تصميم المحركات والمتخصصين في شراء أنظمة دفع المركبات الكهربائية. وفيما يلي شرح لمبدأ عمل تقنية IPM، والفرق الرئيسي بينها وبين المحرك ذي المغناطيس الدائم المثبت على السطح (SPM).

يُعد الاختيار بين تصميم IPM وتصميم SPM أحد أهم القرارات في تصميم المركبات الكهربائية، حيث إن الاختلاف في موضع المغناطيس يحدد عزم دوران المحرك، ومنحنى الكفاءة، وموثوقية الأداء عند السرعات العالية.

أساسات المحركات ذات المغناطيس الدائم: دور المغناطيس المصنوع من العناصر الأرضية النادرة

يُعد المحرك ذو المغناطيس الدائم (PM)، باعتباره أحد أنواع محركات التيار المتردد، محركًا يولد مجالًا مغناطيسيًّا بواسطة مغناطيس مدمج أو مُثبَّت على سطح الدوار. وفيما يتعلق بالمركبات الكهربائية، يُستخدم المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM) على نطاق واسع نظرًا لكثافة عزم الدوران العالية وكفاءته العالية، مما يجعله أحد أكثر أنواع محركات الدفع شيوعًا.

تُزوَّد المحركات عمومًا بمغناطيس نيوديميوم (NdFeB)، والذي يُعرف في الصناعة بالمغناطيس فائق القوة. ويتمتع مغناطيس النيوديميوم بالقدرة على توفير قوة مغناطيسية كبيرة حتى مع صغر حجمه، وذلك لأن المجال المغناطيسي يتركز بقوة عالية لكل وحدة مساحة.

نظرًا للكفاءة العالية وكثافة التدفق المغناطيسي العالية، فإن استخدام المغناطيسات الدائمة يمكن أن يقلل حجم المحرك إلى ثلث حجم النماذج التقليدية فقط مع الحفاظ على نفس مستوى الأداء. وهو ما يتيح تصميم سيارات كهربائية خفيفة الوزن، ويقلل من إجمالي استهلاك الطاقة للسيارة بفضل الكفاءة العالية. علاوة على ذلك، يمكن أن يصل العمر المغناطيسي للمغناطيسات المصنوعة من العناصر الأرضية النادرة إلى حوالي 400 عام، مما يضمن عمل المحرك بأداء مستقر طوال عمره التشغيلي بأكمله.

بالإضافة إلى مغناطيس النيوديميوم، يُستخدم مغناطيس السماريوم والكوبالت (SmCo) أيضًا في بعض التطبيقات التي تتطلب درجات حرارة عالية. وتكون قوته المغناطيسية أضعف قليلاً من قوة مغناطيس النيوديميوم، لكنه مناسب للتطبيقات التي تتجاوز درجات حرارة التشغيل فيها 150 درجة مئوية بشكل متكرر، وذلك بفضل مقاومته لدرجات الحرارة العالية. ونظرًا لتقلب درجات الحرارة في بيئة تشغيل محركات دفع السيارات الكهربائية، يجب مراعاة القوة المغناطيسية والأداء الحراري عند اختيار المغناطيس.

IPM و SPM: يتحددان حسب موضع المغناطيس

هناك نوعان من المحركات ذات المغناطيس الدائم، وهما IPM وSPM. وكلاهما يولّد تدفقًا مغناطيسيًّا من خلال المغناطيسات الدائمة، لكن موقع المغناطيس يختلف بينهما. في محركات IPM، يتم تضمين المغناطيسات داخل الدوار، بينما في محركات SPM، يتم تثبيت المغناطيسات مباشرةً على سطح الدوار. ويؤدي هذا الاختلاف الهيكلي إلى تغيير خصائص الأداء واستراتيجيات التحكم ومجالات تطبيق هذين النوعين من المحركات، وهو ما يُعد أحد أكثر تصنيفات تصميم المحركات الكهربائية تميزًا.

يُعد هيكل الدوار في محركات SPM بسيطًا نسبيًا من الناحية التصنيعية. حيث يتم تثبيت المغناطيس مباشرةً على السطح الخارجي للدوار، مع استخدام أكمام من ألياف الكربون أو الفولاذ المقاوم للصدأ للحماية في بعض التصميمات، مما يمنع انفصال المغناطيس بسبب قوة الطرد المركزي أثناء الدوران عالي السرعة. أما عملية تصنيع الدوار في محركات IPM فهي أكثر تعقيدًا. فمن الضروري تصنيع فتحات للمغناطيس داخل القلب، حيث يمكن أن يتأثر أداء المحرك بموضع المغناطيسات المدمجة ودقة زاويتها، وهو أحد أسباب ارتفاع تكلفة التصنيع.

كما تختلف أشكال تصميمي المغناطيسين عن بعضهما. يستخدم SPM في الغالب مغناطيسات حلقية أو قوسية، بينما تُستخدم في IPM مغناطيسات مستطيلة أو مكعبة الشكل مزودة بشقوق مُشكَّلة آليًّا. إلى جانب ذلك، هناك دراسات تُظهر أن IPM لا يتطلب سوى 66.7% من مادة المغناطيس المستخدمة في SPM، مما يوفر ميزة من حيث التكلفة في ظل ارتفاع أسعار العناصر الأرضية النادرة.

التحول الذي أحدثته السيارات الهجينة والكهربائية

يُعد الأداء عالي السرعة أكبر ميزة لمحركات IPM، وهو أمر مهم في مجال تطبيقات المركبات. من ناحية أخرى، يتخذ منحنى الطاقة-السرعة لمحركات SPM شكلاً زائديًّا، مما يعني أنه يزداد تدريجيًّا حتى يصل إلى مستوى ثابت من الطاقة عبر نطاق ضيق من السرعات، ثم ينخفض بعد ذلك. كان محرك SPM هو السائد في سوق المحركات ذات المغناطيس الدائم في السابق، لكن الوضع تغير مؤخرًا. فقد ازداد الطلب على محركات IPM بسبب انتشار المركبات الهجينة والكهربائية. يستطيع محرك IPM الحفاظ على خرج طاقة ثابت عبر نطاق سرعة واسع، ولذلك فهو مناسب لتطبيقات مثل محركات الجر والمحركات المساعدة.

تتجلى مزايا محرك IPM بشكل أوضح في تطبيقات المركبات، حيث يوفر تحكماً أفضل في حالة مغنطة الدائرة المغناطيسية، مما ينتج عنه نطاق أوسع وإنتاج عزم دوران ثابت. وبالتالي، يمكن التحكم في الأداء التشغيلي للمحركات الكهربائية من خلال تغيير التيار، وهي تقنية أساسية في أنظمة دفع المركبات الكهربائية الحديثة.

من المتوقع أن يزداد الطلب في السوق على محركات IPM خلال العقد المقبل مع ارتفاع معدل انتشار السيارات الكهربائية على الصعيد العالمي. فجميع منصات الجيل القادم من السيارات الكهربائية لدى العلامات التجارية الكبرى في قطاع السيارات تقريبًا تستخدم محركات IPM كمحركات دفع رئيسية، ومن المتوقع أن يؤدي هذا الاتجاه إلى تعزيز المكانة المهيمنة لمحركات IPM في قطاع محركات الدفع.

الخصائص الهيكلية لـ SPM

يتم تثبيت المغناطيسات على سطح الدوار، حيث تكون القوة الميكانيكية منخفضة نسبيًا. ويحد هذا التصميم من السرعة الميكانيكية القصوى الآمنة لتشغيل المحرك. علاوة على ذلك، فإن قيمة الحث المقاسة عند طرف الدوار تكون ثابتة بغض النظر عن موضع الدوار، مما يجعل توليد عزم الدوران بواسطة المحرك المغناطيسي الدوار (SPM) يعتمد بشكل أساسي على آلية واحدة هي عزم الدوران المغناطيسي.

على الرغم من هذه القيود في الأداء، فقد استُخدمت مادة SPM على نطاق واسع في التطبيقات التي لا تتطلب قوة ميكانيكية عالية، مثل الأجهزة المنزلية ومضخات المياه منخفضة السرعة، وذلك بسبب بساطة تصنيعها وتكلفتها المنخفضة.

المزايا الهيكلية لنظام إدارة الآفات المتكاملة (IPM)

يؤدي تصميم محركات IPM التي يتم فيها دمج المغناطيسات داخل الدوار إلى تحسين الأداء الميكانيكي، وبالتالي فهي مناسبة للتطبيقات عالية السرعة. وتتميز هذه المحركات بنسبة حث Lq/Ld عالية نسبيًا، وهي مؤشر رئيسي لقياس الفرق في المقاومة المغناطيسية على طول محاور الدوار المختلفة.

يمكن لمحرك IPM توليد عزم الدوران من خلال آليتي العزم المغناطيسي وعزم المقاومة المغناطيسية بفضل هيكله، مما يتيح له التكيف مع الاحتياجات المختلفة للسيارات الكهربائية. وبذلك يمكن الحفاظ على مستوى مثالي من عزم الدوران، بدءًا من القيادة بسرعات منخفضة داخل المدينة وصولاً إلى السرعات العالية على الطرق السريعة.

عادةً ما يتم اعتماد استراتيجية التحكم القائمة على «العزم الأقصى لكل أمبير» (MTPA) للاستفادة الكاملة من مزايا العزم المزدوج التي يتميز بها نظام IPM. وينبغي الحفاظ على التوازن بين مصدري العزم المغناطيسي وعزم المقاومة من خلال التعديل الديناميكي لمتجه التيار، وذلك لتحقيق الكفاءة المثلى في الخرج. ولذلك، فإن خوارزميات التحكم الخاصة بـ IPM، التي تتطلب مستشعرات أكثر دقة وقدرة حاسوبية أعلى، تكون أكثر تعقيدًا من تلك الخاصة بـ SPM.

الاتجاهات المستقبلية لإدارة الآفات المتكاملة (IPM) وإدارة الآفات الاستراتيجية (SPM)

يُعد IPM الخيار المفضل للتطبيقات عالية السرعة مثل محركات الجر، حيث يمكنه توفير عزم دوران مماثل باستخدام كمية أقل من المواد المغناطيسية. وبالإضافة إلى عزم الدوران المغناطيسي، يُستخدم أيضًا عزم الدوران المقاوم في IPM لتوليد عزم دوران عالي. كما تُطبق تقنية التحكم المتجه في IPM للتكيف مع التغيرات المختلفة في الطلب أثناء تشغيل المحركات عالية السرعة.

عند مقارنة منحنيات الكفاءة، يمكن لمحرك SPM تحقيق كفاءة عالية عند السرعات المنخفضة والمستقرة بفضل تصميم الدائرة المغناطيسية البسيط، في حين يمكن لمحرك IPM الحفاظ على كفاءة عالية عبر نطاق سرعات أوسع. لذلك، تكون كفاءة IPM أعلى عند السرعات العالية. ويمكن الحفاظ على كفاءة عالية عبر نطاق سرعات واسع في IPM عن طريق ضبط حالة مغنطة الدائرة المغناطيسية. يتم تغليف المغناطيسات داخل الدوار ولن تنفصل بفعل قوة الطرد المركزي. وبالتالي، تتحسن الموثوقية الميكانيكية بفضل المتانة العالية لهيكل الدوار ككل. يمكن لمحركات IPM توفير حوالي 30% من استهلاك الطاقة مقارنةً بالتصميمات التقليدية عند نفس مستوى خرج الطاقة، وهو ما يمثل ميزة جذابة لصناعة السيارات الكهربائية التي تركز على مدى القيادة وكفاءة الطاقة.

يمكن أن يؤدي استخدام تقنية إضعاف المجال المغناطيسي في المحركات IPM أثناء السير بسرعات عالية إلى إضعاف المجال المغناطيسي الفعال للدوار بعد تجاوز السرعة الأساسية، مما يتيح للمحرك الحفاظ على خرج طاقة ثابت عبر نطاق سرعات واسع. ونتيجة لذلك، يمكن الحفاظ على الكفاءة العالية للمركبات الكهربائية، سواء عند الصعود بسرعات منخفضة أو القيادة بسرعات عالية، وهذا هو السبب وراء شعبية محركات IPM في قطاع مركبات الطاقة الجديدة.

كيف تختار؟

بالنسبة للتطبيقات التي لا تتطلب نطاق سرعة واسعًا، أو التي يُعد الميزانية فيها عاملاً أساسيًّا، ينبغي اختيار نظام SPM نظرًا لبساطة هيكله وتكلفته المنخفضة.

إذا كانت هناك حاجة إلى كفاءة عالية عبر نطاق واسع من السرعات، لا سيما في التطبيقات التي تتطلب التشغيل بسرعات عالية وعزم دوران قوي، مثل محركات الدفع في السيارات الكهربائية أو تطبيقات الطاقة الجديدة، فيجب النظر في استخدام محركات IPM نظرًا لأدائها العالي عند السرعات العالية، وكثافة عزم الدوران الأعلى، والموثوقية الميكانيكية الأفضل.

يتم توفير درجة معينة من تبديد الحرارة في IPM بفضل هيكل تغليف القلب، الذي يحافظ على المغناطيس عند درجات حرارة منخفضة ويمنع تدهور الأداء المغناطيسي بسبب ارتفاع درجات الحرارة. في المقابل، يكون تبديد الحرارة ضعيفًا في محركات SPM بسبب التعرض المباشر للمغناطيسات. وهذا هو السبب أيضًا في تفضيل محركات IPM في التطبيقات ذات كثافة الطاقة العالية.

في الختام، بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب معايير منخفضة فيما يتعلق بنطاق السرعة وثبات عزم الدوران، مثل الأجهزة المنزلية ومضخات المياه منخفضة السرعة، يُفضل استخدام محركات SPM نظرًا لميزتها من حيث التكلفة. أما بالنسبة لمحركات الجر أو أنظمة الدفع الصناعية التي تعمل على نطاق واسع من السرعات، فعلى الرغم من ارتفاع التكلفة الأولية لاستخدام تقنية IPM، إلا أنه يمكن تعويضها من خلال مكاسب الكفاءة على المدى الطويل وتقليل استخدام المواد المغناطيسية.

قبل اتخاذ القرار، يُوصى بالتواصل مع مورد المواد المغناطيسية بشأن الاحتياجات التشغيلية، مثل السرعة المستهدفة وحدود الميزانية. فهذا يضمن اختيار الخيار الأنسب دون الحاجة إلى إعادة التصميم في المستقبل بسبب عدم توافق المواصفات.

يشارك: