مع التطور السنوي لصناعة مركبات الطاقة الجديدة، شهدت مبيعات وتصنيع المركبات الكهربائية نموًا هائلاً، مما أدى إلى تزايد الطلب على المحركات عالية الأداء والكفاءة. وقد أعلنت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات ولجنة التنمية والإصلاح عن خطط لـ... في عام 2025، سنحقق كثافة طاقة للسيارات الركاب تزيد عن 4 كيلوواط/كغ، مما يدفع بشكل أكبر نحو السعي لتحقيق كثافة طاقة أعلى للمحركات الكهربائية. إن التحسين في كفاءة أنظمة الدفع الكهربائي، وتخفيض وزنها، وتصغير حجمها، وخفض تكلفتها، هي اتجاهات مستقبلية؛ كما أن تكامل أنظمة الدفع الكهربائي وتحول المحركات إلى أسلاك مسطحة هما المسار التقني الرئيسي لتحقيق خفّة الوزن والحجم الصغير. وقد شهدت الملفات ذات الأسلاك المسطحة تطورًا سريعًا بفضل مزاياها الفريدة مقارنة بالملفات ذات الأسلاك الدائرية، لتصبح محورًا ساخنًا في أبحاث وتطوير محركات السيارات ذات الطاقة الجديدة. كما أصبحت محركات الأسلاك المسطحة متداولة على نطاق واسع داخل البلاد وخارجها، وترتفع نسبة انتشارها في طرازات السيارات ذات الطاقة الجديدة عامًا بعد عام. سيقدم هذا المقال شرحًا موجزًا لتقنية الملفات ذات الأسلاك المسطحة، مع إجراء تحليل مقارن يبيّن ويبرهن على مزايا محركات الأسلاك المسطحة. مقدمة تُلخّص عملية إنتاج وتصنيع محركات الدبابيس الشعرية التقنيات والعمليات الجديدة المستخدمة في محركات الأسلاك المسطحة خلال السنوات الأخيرة، بالإضافة إلى اتجاهات البحث المستقبلية لتحسين هذه المحركات، مما يوفر مرجعًا للدراسات المتعلقة بمحركات الأسلاك المسطحة.
1. مقدمة عن تقنية محركات الأسلاك المسطحة
محرك ذو لفائف شريطية ( المحرك ذو اللفائف المسطحة، يُعرف محليًا باسم محرك الأسلاك المسطحة. تشير تقنية المحركات ذات الأسلاك المسطحة إلى استخدام لفائف من أسلاك نحاسية مسطحة في عضو الجزء الثابت للمحرك بدلاً من اللفائف السابقة المصنوعة من أسلاك نحاسية دائرية. كما أن هذه التقنية تشمل بشكل عام تحسينات متكاملة في بنية العضو الثابت والعضو الدوار، وتحسينات في نظام التبريد، وتحسينات في نظام التحكم، وذلك استنادًا إلى البنية الخاصة للأسلاك المسطحة. يشير مصطلح «اللفائف النحاسية المسطحة» إلى تغيير في بنية فتحات الجزء الثابت للمحرك، حيث يتم استبدال الأسلاك الدائرية الكثيرة والرفيعة بأسلاك مستطيلة قليلة العدد وأكثر سماكة لتكون بمثابة اللفائف. تتمتع محركات الأسلاك المسطحة بمزايا عديدة، مثل الحجم الصغير، وارتفاع معدل امتلاء الفتحات، وكثافة طاقة عالية، وأداء جيد في مجال الضوضاء والاهتزاز والخشونة (NVH)، بالإضافة إلى أداء أفضل في التوصيل الحراري وتوزيع الحرارة. ولذلك، فقد حظيت هذه المحركات باستعمال واسع في قطاع السيارات ذات الطاقة الجديدة.
2. مقارنة بين محركات الأسلاك المسطحة ومحركات الأسلاك الدائرية

تتضمن خسائر الطاقة في المحرك بشكل رئيسي خسائر النحاس في المحرك، وفقدان الحديد في المحرك، والخسائر الناتجة عن الاحتكاك الهوائي، بالإضافة إلى الخسائر العشوائية. وتبلغ حصة خسائر النحاس في المحرك ما يقرب من سبعين بالمئة. إن تخفيض خسائر النحاس في المحرك يمكن أن يقلل بشكل كبير من خسائر الطاقة فيه ويعزز كثافة القدرة للمحرك. صيغة حساب خسائر النحاس في التيار المستمر موضحة بالمعادلة ( 1) كما هو موضح في الشكل، تتميز الملفات ذات الأسلاك المسطحة المصنوعة من أسلاك نحاسية مستطيلة بتنوع كبير في مساحة المقطع العرضي مقارنةً بالملفات المصنوعة من أسلاك نحاسية دائرية رفيعة ودقيقة، مما يساعد على خفض مقاومة الملف بشكل فعّال وبالتالي تقليل استهلاك النحاس. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع ملفات الأسلاك المستطيلة بمسافات أصغر بين الأسلاك مقارنةً بالملفات المصنوعة من الأسلاك الدائرية الرفيعة، مما يسمح بتركيب كمية أكبر من أسلاك النحاس في نفس حجم فتحة الجزء الثابت، وبالتالي تحقيق معدل تعبئة أعلى للفتحة. في المحركات ذات الأسلاك الدائرية، يبلغ معدل تعبئة الفتحة حوالي 40%، بينما يمكن أن يصل معدل التعبئة في المحركات ذات الأسلاك المسطحة إلى 70%. ومع ارتفاع معدل تعبئة الفتحة، فإن كمية أسلاك النحاس اللازمة لتشغيل محرك بنفس القدرة تكون أقل في المحركات ذات الأسلاك المسطحة، مما يتيح تخفيض أبعاد قلب الجزء الثابت وأطرافه، وبالتالي تصغير حجم المحرك وتوفير المواد مع زيادة كثافة الطاقة للمحرك بشكل إضافي.

تتميز محركات الأسلاك المسطحة بفتحات أصغر في الجزء الثابت مقارنةً بمحركات الأسلاك الدائرية، مما يساعد على تقليل عزم القوة السنخية بشكل فعّال وبالتالي خفض الضوضاء الكهرومغناطيسية. كما أن الأسلاك المستطيلة تتمتع بصلابة أكبر، مما يساهم في تقليل ضوضاء الجزء الدوار. وبالترافق مع تحسين تصميم الأقطاب المغناطيسية للدوار والهيكل العام، فإن ذلك يمنح المحرك أداءً أفضل بكثير. أداء الضوضاء والاهتزاز والخشونة [1].

تُلفّ أطراف الملفات في المحركات ذات الأسلاك المسطحة بأشكال خاصة، مثل الشكل المموج أو المثلثي أو المتدرج، كما هو موضح في الصورة. كما هو موضح في الشكل 2، تم تخفيض أبعاد أطراف الملفات بشكل فعّال، مما يسهم في تحقيق تصغير الحجم وتخفيض الوزن [2]. وفي الوقت نفسه، فإن استخدام الموصلات المستطيلة يقلل من الفراغات الداخلية، ويتيح مساحة أكبر للتلامس بين الموصلات بعضها البعض وبين الموصلات وأخاديد القلب الحديدي، مما يحسّن أداء التوصيل الحراري والتبريد. كما تُترك فجوات هوائية دقيقة بين موصلات أطراف الملفات، ما يسهّل عملية التبريد بشكل أكبر، وتُعزز هذه الفجوات مع تقنية الرش الزيتي لتبريد الأطراف، مما يرفع من كفاءة تبريد محركات الأسلاك المسطحة بشكل إضافي. وفي ظروف ارتفاع درجة الحرارة المنخفضة، تتمتع المركبة بأداء أفضل في التسارع، مما يحسّن بشكل فعّال قوة المركبة في الظروف الحرارية العالية.

تواجه محركات الأسلاك المسطحة أيضًا بعض النواقص، إذ تتأثر بشكل كبير بتأثير الجلد. يشير تأثير الجلد (التجميع) إلى أن التوزيع الحالي داخل الموصل لا يكون متساويًا عندما يتواجد في الجسم تيار متردد أو مجال مغناطيسي متغير؛ فكلما اقتربنا من سطح الموصل، زادت كثافة التيار. يؤدي هذا إلى تقليل المساحة الفعالة لأسلاك النحاس الموصلة، مما يزيد من المقاومة المكافئة للملف ويرفع خسائر التيار المتردد عالي التردد. تؤثر نسبة الطول إلى العرض للموصل، واتجاه وضعه، وتوزيع الملفات على تأثير الجلد؛ كما أن الملفات ذات التوصيلات المتماثلة في نفس الفتحة تعاني من تأثير جلدي أشد مقارنةً بالملفات ذات التوصيلات غير المتماثلة في نفس الفتحة. وفي ظروف نفس العمق والعرض للفتحة، فإن زيادة عدد طبقات الموصل تساعد على تقليل تأثير الجلد، مما يُحسّن أداء المحرك عن طريق تخفيض خسائر التيار المتردد عند السرعات العالية. ومن القيود الأخرى التي تحد من تطور محركات الأسلاك المسطحة هو ارتفاع أسعار خطوط الإنتاج الآلي الخاصة بها، مقارنةً بخطوط إنتاج الجزء الثابت ذات الأسلاك الدائرية الآلية. 2-3 أضعاف، استثمارات الشركات في المرحلة المبكرة ضخمة.
3. تصنيف محركات الأسلاك المسطحة
يمكن تصنيف محركات الأسلاك المسطحة حسب نوع المنتج إلى محركات أسلاك مسطحة ذات لفوفات مركزية، ومحركات أسلاك مسطحة ذات لفوفات موجية، و... محركات الأسلاك المسطحة ذات الدبابيس الشعرية، حيث تُعد تقنية محركات الأسلاك المسطحة ذات الدبابيس الشعرية تقنية سائدة تُستخدم على نطاق واسع.

تُصنَع الملفات المركزية باستخدام أسلاك نحاسية مسطحة لتشكيل ملفات ذات سن واحد، كما هو موضح في الرسم. كما هو موضح في الشكل 3(أ)، يتم تركيب ملف واحد لكل سنّ، ونظرًا لأن أطراف الملفات ذات المسافة القصيرة تسمح بتقليل حجم الأطراف بشكل فعّال، فإن هذه التقنية أبسط من تقنية المحركات ذات الأسلاك المسطحة «Hairpin». ومع ذلك، تتميز هذه البنية بعيوب تتمثل في ارتفاع ذبذبات العزم وتعقيد القوى الشعاعية بسبب كثرة التوافقيات الكسرية. ولتخفيض عزم السنّ والاهتزازات العزمية، يتطلب الأمر في عملية التجميع ضمان الاستدارة والتماثل المحوري والتوزيع الموحد بين الأسنان، مما يرفع متطلبات التجميع بشكل كبير. تُستخدم تقنية اللف المركّز بكثرة في مجال المحركات الصناعية، كما أن بعض الشركات المصنعة في قطاع محركات السيارات ذات الطاقة الجديدة تدرس تطبيقها أيضًا؛ على سبيل المثال، استخدمت شركة هوندا Honda تقنية اللف المركّز في طرازاتها الهجينة Acura، حيث حققت نتائج جيدة بفضل تصميمها الفريد لللف المركّز في الفتحات الكسرية، وهيكل الجزء الثابت المجزّأ، بالإضافة إلى تقنيات التحسين ذات الصلة. ويظهر في الشكل 3(ب) محرك PHEV-P2 من سلسلة سونغتشنغ 270 الذي يعتمد تقنية اللف المركّز، ويستفيد من مزاياها الفريدة في تطبيقات الحلول الهجينة.

تستخدم محركات الملفات المسطحة ذات التوصيل الموجي طريقة لفّ الملفات بشكل مستمر وتشكيلها ككل ثم إدخالها، أو لفّها جانبيًا أثناء إدخالها في فتحات الجزء الثابت، مما يُنشئ أطرافًا على شكل موجة، وهي تتميز مقارنةً بـ لا تحتوي محركات الأسلاك المسطحة من نوع Hairpin على لحامات، مما يسمح بتقليل ارتفاع أطراف اللفائف بشكل أكبر وتخفيض حجم المحرك. إلا أن هذا النوع من المجمعات الثابتة يتميز بفتحات أوسع، ما يؤدي إلى عزم دوران أكبر في الفتحات والأسنان، وارتفاع في ذبذبات العزم، وانخفاض في أداء الضوضاء والاهتزاز والخشونة (NVH)، مما يستدعي استخدام تصميم متعدد الأهداف للتحسين الكهرومغناطيسي واتخاذ تدابير أخرى لتحسين الأداء. وفي الوقت نفسه، تزيد تكلفة إنتاجها مقارنةً بمحركات Hair-pin. تُعرف لفائف Hair-pin (U-pin) أيضًا باسم لفائف «مشبك الشعر» لأن شكل اللفائف يشبه مشبك الشعر؛ إذ يتم تشكيل أحد طرفي سلك النحاس المطلي بالراتنج على شكل حرف U مسبقًا، ثم يُدسّ في فتحات قلب الثابت، بينما يُحوَّر الطرف الآخر ليأخذ شكل ساق الضفدع، ثم يُلحَم مع الطرف الأول ليكوّن لفافة ذات شكل متموج[3]. أما طريقة لفائف I-PIN، فتقوم بإدخال سلك نحاسي مستقيم مباشرةً في فتحات قلب الثابت، ثم يُلَفّ الطرفان معًا على شكل ساق الضفدع ويُلحما معًا، مما يغني عن عملية التشكيل المسبق المستخدمة في لفائف U-PIN. تنتمي لفائف U-PIN وI-PIN المسطحة إلى الجيل الثاني من اللفائف المحورية المدمجة، وكلاهما يتساويان تقريبًا من حيث الكفاءة القصوى وعزم الدوران الأقصى، لكن اللوحة الثانية تتمتع بمعدل ملء أعلى في الفتحات، وعزم دوران مستمر أعلى، وقدرة مستمرة أفضل من اللوحة الأولى. ونظرًا لأن اللوحة الثانية تحتوي على ضعف عدد نقاط اللحام، فإن أبعاد أطراف اللفائف تزداد قليلًا، كما أن خطر تعطل نقاط اللحام يكون أعلى. وتُعدّ طريقة لفائف Hair-pin هي الطريقة المعتمدة على نطاق واسع حاليًا داخل الصين وخارجها.
4. عملية لفّ خيوط إصدار البطاقات

تقنية لفّ الأسلاك هي تقنية لإنتاج الجزء الثابت بكميات كبيرة، ذات جودة عالية ودورة إنتاج قصيرة. وتتألف سلسلة العمليات الرئيسية لهذه التقنية من الخطوات الخمس التالية: التشكيل (تسوية الأسلاك النحاسية المطلية بالورنيش، وإزالة العزل، والقطع، والثني)، الإدخال (تركيب بطانة فتحات الجزء الثابت وتركيب ملفات الأسلاك الملفوفة)، لفّ الرأس، اللحام والعزل. [4]. توضيح خطوات العملية مبيّن في الشكل 4.

بالإضافة إلى العزل بواسطة طبقة الورنيش بين خيوط النحاس للفائف المغناطيسية، تُضاف أيضًا بطانات لأخاديد الجزء الثابت للفصل بين الموصلات، وذلك للقضاء على التلامس المباشر بين اللفات أو بين الموصلات وقلب الجزء الثابت من الحديد، مما يحسّن أداء العزل ويعزز حماية الدوائر القصيرة. لذلك، يلزم إدخال ورق عازل للأخاديد، ومن الأشكال الشائعة لأوراق الأخاديد: تُظهر الشكل 5 أنواع O وC وB وS، وغيرها. تُزيل بطانة الفتحة من النوع B الفجوات الموجودة في بطانة الفتحة من النوع S عند الزوايا، مما يعزز الحماية من أخطاء الدائرة القصيرة [5].

في عملية إدخال الورق، يتم إدخال ورق الفتحات العازلة مسبقًا في فتحات الجزء الثابت. ومع زيادة عدد طبقات الأسلاك المسطحة، تزداد صعوبة العملية بشكل كبير. تتضمن عملية تشكيل PIN التشكيل بالضغط، والتشكيل باستخدام آلات الزنبركات، والتشكيل الآلي بواسطة معدات CNC ذات التحكم الرقمي. تتميز الطريقة الأولى بسرعة التشكيل وانخفاض التكلفة، لكنها تلحق أضرارًا أكبر بأسلاك النحاس؛ أما الطريقة الثانية فتتمتع بمرونة عالية وتسبب أضرارًا أقل للأسلاك النحاسية، إلا أن تكلفة المعدات فيها أعلى. بعد تشكيل PIN، يتم إدخاله مسبقًا في أداة تشكيل تحاكي الشكل الأصلي. ومع زيادة عدد طبقات الأسلاك المسطحة، تزداد صعوبة الإدخال التلقائي للأسلاك عبر العوازل. بعد ذلك، يتم إدخال جميع PIN الموجودة في أداة التشكيل بشكل كامل إلى القلب الحديدي وفقًا للأبعاد المحددة تصميمًا، وتتطلب هذه العملية دقة عالية جدًا من المعدات. ثم تُجرى عمليات توسيع الفتحة، ولف الرأس، وتقليم الأطراف لجعل نهايات اللفات مستوية ومنسقة بشكل جيد لتسهيل اللحام. حاليًا، يُعتبر اللحام TIG واللحام بالليزر الأكثر شيوعًا في محركات الأسلاك المسطحة، كما تقوم شركات أخرى بتجربة طرق لحام أخرى مثل اللحام البارد CMT. بعد اكتمال اللحام، يجب أولاً إجراء اختبارات الأداء الكهربائي للملف، بما في ذلك قياس المقاومة بين الأطوار والمحاثة لكل طور وفحص توازنها، بالإضافة إلى اختبارات مقاومة الجهد والمقاومة الكهربائية. وبعد إتمام هذه الاختبارات، يتم الانتقال إلى عملية الطلاء. تنقسم عملية الطلاء حسب المادة المستخدمة إلى طلاء بالمساحيق وطلاء سائل، ويختلف ترتيب العمليتين: في طلاء المساحيق، يتم التطبيق أولاً ثم الغمر في الورنيش، بينما في الطلاء السائل، يتم الغمر في الورنيش أولاً ثم التطبيق. وتتنوع عمليات الغمر في الورنيش حسب المادة المستخدمة، حيث تشمل الغمر التقليدي، والغمر تحت الفراغ، والغمر تحت الضغط الفراغي، والغمر بالتنقيط، والغمر باستخدام تقنية EUV.
5. دراسة اتجاهات التطور
5.1 عدد طبقات الموصل يزداد تدريجيًا

كما في الصورة كما هو موضح في الشكل 6، فإن زيادة عدد طبقات الموصلات يمكن أن تقلل بشكل فعّال من استهلاك النحاس في التيار المتردد، وبالتالي تخفض الاستهلاك الكلي للنحاس في المحرك وتحسّن الأداء العام للمحرك. ول進一步降低 لتأثير الجلد الذي يسبب فقدانًا كبيرًا في التيار المتردد عالي السرعة، تم اعتماد أسلوب زيادة عدد طبقات الموصلات في محركات «الفراشة» لتحسين الأداء، حيث توسعت هذه الطريقة من الحلول المطبقة سابقًا ذات 4 طبقات و6 طبقات و8 طبقات إلى الحلول قيد الدراسة حاليًا ذات 12 طبقة و16 طبقة، مما يشير إلى اتجاه تصاعدي في عدد طبقات الموصلات. وتتمثّل الصعوبات البحثية الرئيسية في حدود المستوى التقني والتحكم في تكاليف التصنيع[6].

5.2 تحسين العزل

الورق العازل ذو الفتحات الأكثر تعقيدًا يجعل خطوات عملية التثبيت أكثر صعوبة، كما يرفع من متطلبات دقة معدات التثبيت ذات التحكم الرقمي. ولذلك، أصبح البحث عن طرق عزل أفضل اتجاهًا هامًا. شيفروليه بسّط محرك بولت بطانة الفتحات العازلة، واستخدم عازلًا للفتحات من قطعتين أبسط، لحماية الملفات من حدوث ماس كهربائي مع لُبّ الجزء الثابت. يظهر التصميم الجديد في الشكل 7(أ)، وهو يقضي على العزل بين الموصلات مقارنةً بالبطانة العازلة من النوع S أو النوع B، مما يزيد من معدل امتلاء الفتحات ويُبسط عملية تصنيع الجزء الثابت. وفي الوقت نفسه، وللتقليل إلى أدنى حد من جهد الفولتية بين الأسلاك داخل الفتحات، أجرت شركة جنرال إلكتريك تحسينات ذات صلة في تخطيط الملفات وغيرها. كما تمّ إضافة طبقة عازلة من البوليمرات عالية الجزيئات خارج الطبقة العازلة الأساسية للموصلات، كما هو موضح في الشكل 7(ب)، مما يغني عن استخدام بطانة الفتحات ويعالج مشكلة العزل بين دوارات الملفات، ويُبسط عملية الإنتاج [2].

5.3 اعتماد تقنية التبريد بالزيت على نطاق واسع يجب أن تمر حرارة الملف عبر طبقة العزل داخل الفتحة. - لا يُحمل الماء سوى عبر المسار الأطول في قلب الجزء الثابت والغلاف، مما يؤدي إلى تشكّل مقاومة حرارية كبيرة خلال هذه المسار، ما يجعل طريقة التبريد بالماء غير فعّالة. أما التبريد بالزيت، فهو يتيح الاتصال المباشر بمصدر الحرارة ولا يؤثر على الدائرة المغناطيسية للمحرك، ولذلك أصبحت تقنيات التبريد بالزيت ذات الكفاءة العالية محورًا رئيسيًا للبحث. تتركز معظم الحرارة في المحرك في أطراف الملفات، وتوفر تقنية التبريد بالرش الزيتي في الأطراف الخاصة بمحركات الأسلاك المسطحة تبريدًا أفضل بكثير. وقد حظيت تقنيات مثل التبريد بواسطة دوائر الزيت، والتبريد بالرش الزيتي، والتبريد بطرد الزيت من المحور، والتبريد الدوري المغلق للجزء الثابت باستخدام الزيت، باهتمام واسع في الأبحاث المتعلقة بمحركات الأسلاك المسطحة.
6. الخاتمة
إن التطور السريع لمركبات الطاقة الجديدة قد أدى إلى انتشار واسع النطاق لمحركات الأسلاك المسطحة بفضل مزاياها الفريدة، مع ارتفاع معدل انتشارها سنويًا. تتمتع محركات الأسلاك المسطحة بأهمية كبيرة في الأبحاث التطبيقية فيما يتعلق بتصغير حجم محركات مركبات الطاقة الجديدة، وتخفيف وزنها، وزيادة كثافة طاقتها. يقدّم هذا المقال تحليلاً موجزًا للمنافع التي تتمتع بها محركات الأسلاك المسطحة مقارنةً بمحركات الأسلاك الدائرية التقليدية، والعمليات الإنتاجية الرئيسية للفائف القابلة للتشكيل، بالإضافة إلى استعراض الاتجاهات الحالية والمستقبلية لأبحاث تقنيات محركات الأسلاك المسطحة، مما يوفر مرجعًا لتعزيز الفهم والبحث في هذه المحركات والتقنيات ذات الصلة. المصدر: كلية الهندسة الميكانيكية والكهربائية وهندسة المركبات بجامعة تشونغتشينغ للنقل لان بينغ يو