Web
	Analytics
السيارة الكهربائية غوكارت

السيارة الكهربائية غوكارت

هذه التجربة ستوضح لك كيفية تصميم وبناء سيارة كهربائية تدعى go-kart. المبادئ والطرق التي استعملتها يمكنك تطبيقها على السيارات المماثلة.


تقديم

بدأت فكرة السيارة الكهربائية Eli-kart عندما رغبت في بناء سيارة كهربائية موثوقة وبسيطة وتكون عملية في مضمار السباق باستخدام محرك كهربائي وتشغيل كل شيء عن طريق البطاريات. وبالتالي، فيمكن القول بأن السيارة الكهربائية Eli-kart صديقة للبيئة.

 

على خلاف السيارة Eli-kart، فإن السيارات من نوع Go-kart ذات ثلاث عجلات فقط: عجلتان في المقدمة والثالثة في المؤخرة. طبعاً ذلك سيخفض من السرعة مقارنة بالسيارة Eli-kart والتي كانت تستوعب أكثر، سواء أكان الراكب أشخاصاً آخرين أو حمولة إضافية.

كان هذا المشروع أطروحة في فصلي الدراسي الأخير، وقد استعملتُ في تصميمي وتحليلي أدوات حسابية لمساعدة حساباتي. هذه الأدوات سمحت لي بالمحاكاة الواقعية في مختلف الظروف، استعملت هذه المحاكاة في دراسة الأعمدة shaft yielding، والديناميكا الهوائية، وعزم الفتل للمحرك، والتدفق المغناطيسي للمحرك.


استعراض

هذين مقطعين فيديو لتشغيل السيارة الكهربائية:

 

 

 


الخطوة 1: الرسم الهندسي CAD

 

تصميم الهيكل

الشكل 2 منظور السيارة go-kart

لقد قمت بتصميم السيارة Eli-kart عن طريق الحاسوب وعلى برنامج الرسم الهندسي Solidworks، وبقي هذا المشروع فترة طويلة على حاسبي قبل إن أقوم بتنفيذه على الواقع.

 

أخذ مني تصميم السيارة الكثير من الوقت في عمليات التعديل والتغيير على الحاسب، واكتشفت أن الوقت الذي تأخذه السيارة في التصميم على الحاسب أكثر من الوقت الذي تأخذه عند تنفيذها على الواقع.

الشكل 3 منظور آخر للسيارة

 

تصميم المحرك الكهربائي

قد تلاحظ أن المحرك الذي استخدمته في عملياتي على الحاسب يختلف عن المحرك الذي استخدمته في الواقع، وذلك لأنني صممت السيارة Eli-kart أساساً لأستعمل فيه محرك تيار مستمر من الـنوع اللامفروش (يعرف بـ Brushless)، وهو متوفر تجاريا.

الشكل 4 المحرك الكهربائي

الشكل 5 منظور آخر للمحرك الكهربائي

ما هو المحرك اللامفروش؟

لنفهم الفرق بين المحرك الكهربائي العادي والمحرك اللامفروش سنقوم بمقارنة بينهما فيما يلي.

 

المحرك اللامفروش هو محرك كهربائي يشبه المحرك الكهربائي العادي الذي يحتوي على قطع الفحم، لكن الفرق بينهما هو من هيكلة الداخل. حيث أنه في المحرك العادي (الشكل 6) يوجد مغناطيس دائم على الغلاف الخارجي للمحرك، والأسلاك التي يمر التيار بها موجودة على الجزء الدوار.

الشكل 6 محرك التيار المستمر العادي

وعندما يأتي التيار من البطارية ويصل إلى الأسلاك عن طريق الفحمات يكوّن مجالا مغناطيسيا، وحسب قاعدة الأصابع الثلاث لليد اليسرى (اتجاه القوة، اتجاه التيار، اتجاه خطوط الحقل المغناطيسي، كما هو موضح في الشكل 7) تعمل القوة على تدوير الجزء الدوّار وبالتالي تدوير المحرك.

 

ومشكلة المحرك العادي أنه يولد حرارة بسبب الاحتكاك بين الجزء الدوار والفحمات، بينما في المحرك اللامفروش (الشكل 8) فإن الاسلاك التي يمر بها التيار موجودة على الغلاف الخارجي للمحرك من الداخل، والجزء الدوار هو المغناطيس الدائم.

 

ومعنى كلمة لامفروش أنه بدون فحمات، مما يعني أنه لا يوجد احتكاك داخل المحرك. وبمعنى آخر، أنه لا داعي لوجود وسيط يقوم بتمرير التيار الكهربائي من البطارية إلى وشيعات (ملفات) الأسلاك، والوسيط هنا هو الفحمات. فالأسلاك ثابتة وليست موجودة على القلب الدوار الذي يكون دائماً في حالة حركة. هذا التعديل يرفع من فعالية المحرك لأكثر من 90% مقارنة بالمحركات العادية التي تحتوي على فحمات والتي تصل فعاليتها في أفضل الحالات إلى 40 %.

الشكل 7 قاعدة الأصابع الثلاث في توليد القوة المغناطيسية

الشكل 8 محرك التيار المستمر(لامفروش)

من أجل معلومات أكثر عن أنواع المحركات الكهربائية، هناك أربع أنواع أساسية من المحركات الكهربائية والتي تجدها على الرابط التالي إذا كان عندك متسع من الوقت للاطلاع أكثر:

http://www.evworks.com.au/tech/?section=motors

بالنسبة لتصميم المحرك في هذا المقال، فقد حصلت على معلومات كثيرة تتعلق بتصميمه عن طريق الشبكة العنكبوتية (الإنترنت)، والتي سأشرحها لاحقاً. كما وقد أرفقت بعض الصور التي تتعلق بتصميمه على برنامج الرسم الهندسي Solidworks ضمن هذه المقال أيضا.

 


الخطوة 2: إطار السيارة الكهربائية إليكارت

لقد أردت أن يكون إطار السيارة Eli-kart قوي بشكل كاف لحمل 1102.3 كيلوغرام بشكل آمن وبالتالي القدرة على حمل شخصين أيضا بدون مشاكل. ولقد تعلمت من مشاريعي السابقة كيفية التعامل مع تصميم الإطارات، والتي من المفترض أن تكون ذات إطارات قوية ومناسبة للتطبيقات الهيكلية.

الشكل 9 إطار السيارة

لقد اخترت معدن الفولاذ لأنه أقسى وأسهل في عمليات اللحام مقارنة بالمواد الأخرى كمعدن الألمنيوم مثلا. وكما تلاحظ من الشكل 9، فإنني قد قمت بتركيب أربعة أعصاب داخلية ملحومة بالإطار الأساسي لحمل المكونات الأخرى. وقد قمت بتركيب لوح كبير من مادة الأكريليكالشفافة بسماكة 1.5 إنش على الإطار بواسطة البراغي. وذلك لأسباب كثيرة منها، كما هو واضح أن:

  • يظهر المكونات في الأسفل.

  • يسمح بسهولة للتركيب المباشر للمقاعد ودواليب القيادة.

 

ملاحظة: الأكريليك (acrylic) يصنع من صمغ صناعي يشبه البلاستيك، فهو يجف حالما يتبخر منه الماء، وعندما يجف يصبح صلباً وغير قابل للذوبان في الماء والزيت.

 

أما أبعاد السيارة فقد اخترتها لتكون ملائمة للمرور في الممرات الصغيرة، كالأبواب وممرات الدراجات الهوائية. وأردت أن تكون السيارة طويلة بحيث تكفي لجلوس شخصين يكون فيها الثاني خلف الأول. كما وقد وجدت أن اللوح الأكريليكي ذو الأبعاد 24×48 إنش مناسب تماماً لهذه العملية حيث شكّل مستطيلا أبعاده بنسبة 1:2 أي 24×48 إنش.

 


الخطوة 3: نظام قيادة السيارة إليكارت

إن عملية القيادة تعتبر سمة ميكانيكية مهمة جداً لأي سيارة، وقد قررت أن أستعمل نفس نظام القيادة المستعمل في السيارة الكهربائية الموجودة على الرابط التالي: colleague's go-kart.

 

يعمل النظام عن طريق ربط كل عجلة بقضيب القيادة، ثم توصيل القضيبين بجزء على نهاية مقود القيادة. عندما يقوم الشخص بتدوير المقود، يتم تدوير الجزء الموجود على نهاية دولاب القيادة، والذي يقوم بدوره بدفع أحد قضبان القيادة بعيداً وبنفس الوقت يقوم بتقريب القضيب الآخر.

 

لقيادة عجلتين، فالأفضل استخدام طريقة أكيرمان Ackermann في عملية القيادة (الشكل 13)، والتي تحسب مختلف أنصاف قطر التدوير لكل عجلة.

الشكل 13 نظام أكيرمان في قيادة السيارات

إن القصد من طريقة أكيرمان هي منع انزلاق العجلات عندما تمر السيارة في طريق منحني كما هو مبين في الشكل 14.

 

والحل الهندسي لهذه المشكلة هو أن تكون محاور العجلات عبارة عن أنصاف أقطار لدائرة مع نقطة مركزية مشتركة، كما هو مبين في الشكل 15.

 

وبما أن العجلات الخلفية ثابتة، فإن هذه النقطة المركزية يجب أن تقع على امتداد الخط الواصل بين العجلتين الخلفيتين كما في الشكل 15.

الشكل 14 القيادة على طريق منحني

الشكل 15 النقطة المشتركة المركزية

ولمعلومات أكثر عن نظام قيادة أكيرمان يرجى زيارة موقع ويكيبيديا على الرابط:

http://en.wikipedia.org/wiki/Ackermann_steering_geometry

مقطع الفيديو الموجود على الرابط التالي يشرح طريقة أكيرمان في نظام القيادة:

 

 

لقد قمت بمحاكاة عملية القيادة هذه على برنامج Solidworks. وبتعديل الزاوية للعجلة الخلفية وتغيير المسافة بين العجلات الأمامية، كنت قادراً على تطبيق طريقة أكيرمان بدقة، وقد حصلت تقريباً على كيفية عملية القيادة لهذه السيارة.

 

أستطيع أيضاً استخدام الأبعاد من النموذج الثلاثي الأبعاد الذي صممته على برنامج الرسم الهندسي لتصنيع الأجزاء.

الشكل 10 المقود

لقد قمت بصنع المقود مما يلي (كما في الشكل 10): صفيحة ألمنيوم بسماكة 0.25 إنش، وأنبوبين من الألمنيوم من أجل الصمام الخانق، والكوابح.

وعندما قمت بتجميع القطع، ظهر لدي أكثر من مشكلة في عملية القيادة. ففي البداية كانت القيادة سهلة لأن السيارة لم تكن محمّلة، وعندما ركبتُ السيارة، بدأ الـمحمل الفلنجي flange bearing الذي يثبت عمود المقود في مكانه بالتحرك، لأنه قابل للضبط. ولتصحيح ذلك، قمت بصنع بطانة معدنية لتركب في أسفل السيارة go-kart للمساعدة في دعم عمود المقود. ثم استعملت حلقة بلاستيكية والتي تكون ذات احتكال قليل وملائمة لعمود المقود.

الشكل 12 نقاط اتصال القضيبين بمقود القيادة

ملاحظة: البطانة المعدنية هي أداة ميكانيكية تستعمل لتخفيض الاهتزازات.

الشكل 11 قضيب القيادة


الخطوة 4: نظام نقل الحركة

إن نظام نقل الحركة هو مشكلة هندسية أساسية لكل أنواع السيارات، ويتألف من المحرك ومجموعة نقل الحركة ودواليب قيادة. ومكونات نظام نقل الحركة يجب أن تركّب بدقة لكي تكون آمنة وفعالة.

 

بالنسبة للسيارة Eli-kart، فقد صممتُ الإطار بحيث يركّب المحرك بسهولة على الأنبوب الفولاذي، وكان لدي صفيحة منفردة وكافية لتأمين مكان المحرك اللامفروش. ومباشرة بعد تثبيت صفيحة ألمنيوم بسماكة 0.25 إنش بالإطار (الشكل 16)، قمت بحفر ثقوب تثبيت متوافقة مع وضع المحرك، وقمت بعمل شقوق في الصفيحة من أجل عمليات الضبط لحزام نقل الحركة.

الشكل 16 نقاط تثبيت المحرك مع بكرة القيادة

وللتبسيط، فإنه سيكون هناك سرعة واحدة أو مسنن واحد (بكرة قائدة)، وقد قررت استعمال حزام نقل حركة من نوع 15-5 HTD (هذه الأحزمة تسمى أحزمة التوقيت Timing belts، حيث تستخدم كثيراً في محركات السيارات من أجل التحكم في توقيت فتح وإغلاق الصمامات) لنقل الحركة من عمود المحرك إلى دولاب القيادة (البكرة القائدة). واخترت هذا النوع من الحزام (الشكل 17) لأن كفاءته أكثر بقليل وأهدأ من غيرها كالسلاسل (الجنزير) مثلاً.

الشكل 17 الترس القائد والترس المقاد مع الحزام

أردت أن تكون السرعة القصوى حوالي 20 ميلا في الساعة (أو 9 أمتار في الثانية)، لذا حسبت نسبة الترس (نسبة الأسنان) واحتجت أن أقوم بضرب هذه السرعة بحيث تحقق حد أقصى لعزم الفتل، كما في المعادلة التالية:

نسبة الأسنان = π × D × RPM \ 60 × السرعة

حيث أن:

  • D: تمثل قطر الدولاب

  • RPM: تمثل سرعة المحرك.

 

هذه المعادلة مناسبة لأي وحدة قياس للمسافة بحيث يفترض أن تكون السرعة لكل ثانية. فـعلى سبيل المثال، يمكنك أن تستعمل سرعة 9 أمتار في الثانية، كما فعلت أنا و0.2 مترا لدولاب قطره 8 إنش (أي 8 إنش = 0.2 متر).

 

وبدلاً من ذلك، إذا عرفت نسبة الأسنان المناسبة ستكون قادراً على حساب سرعتك القصوى. ولقد حسبت ذلك، فقد كنت بحاجة إلى نسبة أسنان مساوية لـ 12 من أجل محرك عدد دوراته 10000دورة في الدقيقة (RPM). وبالتالي فقد حصلت على نسبة أسنان مساوية تقريباً 12 بعد تعويض القيم السابقة والتي هي:

  • سرعة دوران المحرك = 10000 دورة في الدقيقة،

  • قطر البكرة = 0.2 متر،

  • سرعة = 9 أمتار في الثانية.

 

أعطاني هذا بأن الدولاب الذي استخدمته والذي بكرته تتألف من 72 سنا، هذا يعني استعمال بكرة بـ 6 أسنان. على أية حال، فإن أصغر بكرة يمكن أن تتواجد في المحال الصناعية مكونة من 12 سنا، والتي يمكنها من مضاعفة السرعة القصوى مع تخفيض عزم الدوران للنصف.

 

عندما حصلت على محركي، كان عدد دوراته القصوى هو 1740 دورة في الدقيقة، لذا فإن نسبة الأسنان كانت 2 بشكل مثالي لسرعة قصوى مساوية 20 ميلا في الساعة.

 

تذكر بأنني أدعو هذه السرعة بالسرعة القصوى بسبب أنه عند السرعة العليا سيكون هناك حمل مفاجئ على المحرك، لذا فلن يدور بسرعته المثالية.

 

لهذا السبب فمن المهم أن تكون لديك فكرة واقعية عن حدود المحرك الذي تستعمله. فإذا كان عزم الفتل ضعيفاً، لن تحصل على السرعة المطلوبة، وبالتالي لن يكون محركك فعالاً عند التشغيل. لذا فعزم الفتل من النقاط المهمة في المحرك.

 

يجب أن لا تنس الكوابح أيضاً، فلقد استعملت كوابح قرصية كما هو موضح في الشكل 18. وأنصح بذلك للسيارات الكبيرة أيضاً مثل سيارة Eli-kart.

 

يوضح الفيديو التالي طريقة عمل الكابح القرصي:

الشكل 18 الكابح القرصي

 

 

الكوابح الاسطوانية أو الطبلية (والتي تعتمد مبدأ الاحتكاك) ارخص وأسهل في التركيب، لكن ليس لها نفس قوة الإيقاف، ولا تنس أن تترك مكاناً لمجموعة الكبح بالقرب من الدواليب التي ستقوم بكبحها.

 

يوضح الشكل 19 مبدأ عمل الكابح الأسطواني.

الشكل 19 مبدأ عمل الكابح الأسطواني


الخطوة 5: القطع الإلكترونية

 

جهاز التحكم بالمحرك

أهم القطع الإلكترونية المستخدمة في السيارة هو جهاز التحكم بالمحرك (الشكل 20). لقد استعملت للسيارة Eli-kart جهاز تحكم من نوع Kelly الذي يتوفرعلى الرابط التالي: KBS48121 مع خيار السرعة العالية. هذا جعله غال شيئا ما، لكنه مناسب للمحركات الكهربائية ذات السرعة العالية.

بالنسبة لي، فإن المحرك كان بطيئاً نوعاً ما، لذا إذا كان محركك بطيئا فلا داعي لشراء جهاز تحكم بخيار السرعة العالية، وتكون بذلك قد وفرت عليك المال. وعلى أي حال، تملك أجهزة التحكم من نوع Kelly تقريباً كافة المقابس المطلوبة، مثل عكس الدوران، والكبح المولد (استعمال عملية الكبح في شحن البطارية)، حتى أجهزة إضاءة الكبح، وصوت التنبيه.

 

هناك ميزة سيئة واحدة لأجهزة التحكم هذه: وهي أنه يجب أن يكون لديك حساسات على المحرك للسماح لجهاز التحكم باكتشاف المواقع (سترى شرح هذا في الخطوة القادمة).

الشكل 20 جهاز التحكم بالمحرك

لذا ستحتاج أن تضع الحساسات على المحرك.

 

البديل عن هذه العملية هو أن تستعمل جهاز تحكم لا يحتاج لـحساسات، وهو رخيص ويمكن استعماله وستجده متوفرا على مواقع كموقع Ebay مثلا، وأنا أنصح باستعمالها.

 

البطاريات

لقد حصلت على مجموعة بطاريات حسب الطلب على الرابط التالي

http://www.a123systems.com/lithium-ion-cells-26650-cylindrical-cell.htm

حيث قمت بتجميع خلايا البطارية بحيث كانت 12 على التوالي و3 على التوازي، فـحصلت على 39.6 فولط و7.5 أمبير في الساعة (Ah).

 

وإن لم يكن لديك بطاريات فيجب أن تشتريها، وستجدها متوفرة على المواقع التالية:

All-Battery

Amazon

HobbyKing

الشكل 21 البطاريات

بالنسبة لي، فإني أحاول تجنب بطاريات الرصاص الحامضية لأنها قصيرة العمر، وبطيئة الشحن. انظر الرابط lead-acid batteries.

 

شاحن البطارية

ستحتاج أيضاً إلى شاحن للبطاريات. بالنسبة لي فإني أملك شاحن 0 إلى 40 فولط،

أنظر الرابط 0-40V charger (الشكل 22)،

وستحتاج لمزود طاقة كهربائية عام generic power supply (الشكل 23).

وبكل الأحوال فإن اختيار الشاحن يعود إليك حسب سرعة الشحن التي تريدها وكذلك نوع البطاريات الموجودة عندك.

 

ستحتاج أيضاً إلى سلك لحام لإجراء عملية اللحام لنقاط الاتصال، وأسلاك سميكةمن أجل كابلات الطاقة الرئيسية، وأسلاك رقيقة من أجل الكابلات الفرعية.

 

أنت حر في اختيار ألوان الأسلاك، لكن تستطيع أن تضع علامات على الأسلاك لتفادي أي خطأ في توصيل الكابلات.

الشكل 23 مزود طاقة عام

الشكل 22 شاحن بطارية

 

الموصلات (connectors)

لا تنس الموصلات أيضاً، وجميع الأصناف المطلوبة:

الموصلات من نوع Nylon T حيث تجد تفاصيلها على الرابط التالي: T-style "deans" connectors

والشكل 24 يوضح هذا النوع من الموصلات.

الشكل 24 الموصلات من نوع Nylon T

الموصلات الذهبية من نوع bullet: وتكون على شكل طلقة، حيث تجد تفاصيلها على الرابط التالي: bullet connectors

والشكل 25 يوضح هذا النوع من الموصلات

الشكل 25 الموصلات الذهبية

الموصلات من نوع Nylon XT60 وتجدها على الرابط التالي:
XT-60 connectors

والشكل 26 يوضح هذا النوع من الموصلات.

 

إن موقع Digikey أيضاً يستطيع أن يوفر لك الكثير من القطع الإلكترونية المطلوبة.

الشكل 26: الموصلات من نوع Nylon XT60


الخطوة 6: عند اختيار المحرك

إن عملية بناء محركك الخاص ليس بالعملية السهلة، فهي معقدة ومتعددة المشاكل. المحرك الذي صنعته للسيارة Eli-kart أخذ مني وقتاً وجهداً أكثر من المتوقع، لذا الأفضل أن تختار محرك جاهز إن كان ذلك ممكناً، لكن بكل الأحوال تستطيع أن تصنع محرك خاص بك.

 

هناك عدة علاقات رياضية تحدد خصائص المحرك المطلوب، والمتغير الأكثر أهمية في هذه المعادلات هو القيمة الثابتة K، وهي تمثل ثابت المحرك.

الشكل 27: الجزء الداخلي للمحرك الكهربائي

تحدد القيمة K إنطلاقا من خصائص المكونات التالية:

  1. عدد اللفات (windings).

  2. الحقل المغناطيسي.

  3. حجم الجزء الثابت (stator) للمحرك.

 

كان يجب أن أبقي هذا الأمر في ذهني لبناء محركي الخاص، وللتأكد من عمله بشكل جيد. إن عزم الفتل τ وسرعة الدوران ω للمحرك كلاهما يتعلقان بالقيمة الثابتة K حسب العلاقة التالية:

K = N×B×L×D

ω = 2 × V / K

τ = 2 × K × i

حيث أن:

  • الحرف K يمثل قيمة ثابتة تتعلق بالسرعة وعزم الفتل أيضاً.

  • الحرف N يمثل عدد لفات السلك على كل سن للجزء الثابت.

  • الحرف B يمثل التدفق الباقي للحقل المغناطيسي.

  • الحرف L يمثل طول أو سمك الجزء الثابت.

  • الحرف D يمثل قطر الجزء الثابت.

  • الحرف V يمثل فرق الكمون.

  • الحرف i يمثل شدة التيار المار خلال اللفات.

 

الأفضل دائماً زيادة هذه القيم، وأي شيء آخر تريد معرفته عن المحركات الكهربائية من النوع اللامفروش يمكن أن تضغط على الرابط التالي: James Mevey's M.S. thesis. وهو كتاب إلكتروني.

 


الخطوة 7: المحرك – قيود التصميم

عند اختيار المكونات الخاصة بالمحرك الخاص بي، الأولوية بالنسبة لي كانت تكلفة المحرك. والجزء الأكثر تكلفة في المحرك الذي قمت ببنائه كان الجزء الثابت. يتكون هذا الأخير من عدة صفائح من الفولاذ. هذه الصفائح تملك نفس المقطع العرضي، ومجمعة بحيث تكون بنفس السماكة.

 

لتخفيض التكلفة قمت بالبحث في الإنترنت للحصول على سعر أرخص، ولحسن الحظ، حصلت على أربعة قطع من الجزء الثابت وكانت ستستعمل في مولد تيار كهربائي. وبدمج هذه الأجزاء في جزء واحد أعطاني محركا كبيرا نسبياً لتشغيل السيارة الكهربائية.

 

المغانط أيضاً مهمة لكل محرك، وغالباً ما تكون غالية السعر. وتذكر أنه كلما كان المغناطيس أقوى كان المحرك أكثر قوة وفعالية. قوة المغناطيس تتعلق بالقيمة الثابتة K، وعندما يكون المغناطيس قوياً هذا يعني أن الحقل المغناطيسي B سيكون أقوى.

 

إيجاد المغانط الجيدة هو تحد آخر في بناء المحرك الخاص، وبما أن الجزء الثابت عندي كان له 18 سن، احتجتُ أيضاً أن يكون عدد المغانط 18 مغناطيس، لأن الاختلاف في العدد سيؤدي إلى منع الحقل المغناطيسي المحرك من الدوران.

 

بعد بعض الحسابات، وجدتُ بأنه يمكن أن ألأئم 16 مغناطيس (بالأبعاد التالية: عرض = 0.75 إنش وسماكة 0.25 إنش) حول الجزء الثابت وبفراغ أقل ما يمكن بينهم.

 

بعد التكلفة، أردت أن أقوم بعملية تناسب بين المحرك وجهاز التحكم. جهاز التحكم من نوع Kelly والذي يكون مناسباً للسيارات الصغيرة، يسمح فقط بسرعة تصل إلى 70000 ERPM مع خيار السرعة العالية، وERPM سرعة دوران المحرك الميكانيكية مضروبة بعدد أزواج القطب المغناطيسي (كل مغناطيسين في المحرك يكونان قطبان مغناطيسيان متعاكسان يولدان حقلاً مغناطيسياً)، أعطى ذلك بأنه إذا كان عدد أسنان الجزء الثابت هي 18، فإن المحرك لديه 8 أو 10 أزواج من القطب المغناطيسي، محدد بذلك أن تكون سرعة الدوران القصوى أقل من 10000 دورة في الدقيقة حتى عند تطبيق أقصى فرق كمون.

 

وباستخدام المعادلات الرياضية من الخطوة السابقة، وإيجاد قيمة عزم الفتل باستخدام طريقة العناصر المنتهية (finite element analysis)، استطعت عكس هندسة دوران المحرك، محققاً بذلك أن تكون السرعة أقل من الحدود التي يسمح بها جهاز التحكم.

الشكل 28-أ

الشكل 28-ب


الخطوة 8: المحرك – الرسم الهندسي ودراسة الإجهادات بطريقة العناصر المنتهية 

عندما تنتهي من الجزء الثابت في المحرك والمغانط والغلاف الخارجي، تستطيع أن تقوم بعملية قياس بواسطة أداة القياس البياكوليس (Calipers) (الشكل 29).

ملاحظة: طريقة العناصر المنتهية باللغة الإنجليزية هي: Finite Element Method واختصارا هي FEM.

الشكل 29 أداة القياس اليياكوليس Calipers

ثم تقوم برسم مخطط ثنائي البعد على برنامج الرسم الهندسي، كما ترى الصور التي رسمتها في الأشكال المرفقة وذلك على برنامج Solidworks، وطريق الرسم سهلة حيث تستطيع أن تقوم بسهولة برسم سن واحد من الجزء الثابت للمحرك، ثم توزعها كمصفوفة على حول المحور، وعندما تقوم برسم المخطط الأولي تستطيع أن تحدد مثالياً كم عدد لفات السلك حول كل سن، لقد عرفت عن طريق الرسم بأنني بحاجة إلى الكثير من الأسلاك لهذا المحرك الكبير، لذا قررت الاعتماد في حساباتي على السلك من نوع 18 AWG والذي لا يتجاوز قطره 1 مم، وبالانتهاء من لف السلك وجدت أنني أستطيع أن ألف حوالي 68 لفة حول كل سن للجزء الثابت، هذا لم يبدو واقعياً، لكن حسب بعض الحسابات وجدت أنني أستطيع أن ألأئم 45 لفة عملياً حول كل سن بدون مشاكل.

 

بالإضافة إلى ذلك أردت أن أدير المحرك عند أعلى تيار بشكل مستمر. إن السلك من نوع 18 AWG يستطيع تحمل تيار مقداره 16 أمبير (اتبع الرابط التالي للمزيد من المعلومات، حيث ستجد جدول بكافة المعطيات عن الأسلاك وأقطارها وقدرة تحملها للتيار الكهربائي about 16 amps)، لذا ولجعله يتحمل تيارا مقداره 120 أمبير وهو الحد الأقصى لجهاز التحكم، قررت أن أستعمل 9 أسلاك على التوازي وتكون النتيجة 144 أمبير. وهذا يعني أنني سأحتاج إلى 5 لفات من 9 أسلاك على التوازي بدون شد اللفات كثيراً. تذكر أنه كلما كان عدد اللفات أكثر كلما كان عزم الفتل أقوى، لكن في مقابل ذلك ستكون السرعة أقل وشدة التيار المار أقل كذلك. لذا، عليك أن تقوم بموازنة الأسلاك فيما إذا كانت على التوالي أو على التوازي حسب قيود التصميم الخاصة بك.

 

طريقة العناصر المنتهية المغناطيسية Finite Element Method Magnetics (أو FEMM) هو عبارة عن برنامج تحليلي FEA يسمح لك بمحاكاة أداء المحرك الكهربائي.

 

باستيراد ملف المقطع العرضي للمحرك إلى داخل البرنامج وتحديد كل من المادة والخصائص المغناطيسية، يستطيع البرنامج أن يزودك بمختلف المعلومات حول حالات التشغيل. وتستطيع أن ترى ما قام به البرنامج مع المحرك الخاص بي كصورة تخطيطية عن التدفق المغناطيسي في المحرك في الشكل 32.

 

لقد قام البرنامج FEMM بحساب عزم الفتل وكان مقداره 21.96 نيوتن متر، عند 100 أمبير. وبالتالي، فإن قيمة ثابتة المحرك K تساوي 0.11Nm/A (حسب المعادلة = 2 × K × i τ). وحالما عرفت قيمة K، وجدت أن النسبة RPM/Volt للمحرك هي 43.5 حيث سرعة الدوران هي 1740 دورة في الدقيقة عند فرق جهد مقداره 40 فولط. ومع استعمال 16 مغناطيسا كزوج أقطاب مغناطيسية، هذا يعني أن السرعة ستكون أقل بكثير من 8750 دورة في الدقيقة وهي حدود جهاز التحكم بالمحرك.

 

ملاحظة: AWG أو American wire gauge: تعني معيار اختيار السلك أمريكياً

الشكل 30 أبعاد القطعة المغناطيسية

الشكل 31

الشكل 32 المقطع العرضي للمحرك


الخطوة 9: المحرك – الميكانيكية والتجميع

الشكل 33 النموذج الثلاثي البعد للمحرك وهو مفكوك

بعد أن استوعبت الجانب الكهربائي للمحرك، كان لا بد أن أصمم الجانب الميكانيكي، قررت العمل على الجزء الثابت أولاً، الجزء الثابت الذي اخترته للمحرك كان مجهزاً بالأسلاك المغناطيسية من قبل، وجاهزاً للاستعمال. ولأنني أردت أن يكون لي ترتيبي الخاص بالمحرك والأسلاك وحتى تركيب الجزء الثابت، فقد قمت بفك الأسلاك باستعمال أدوات عادية.

 

ولجعل الجزء الثابت كوحدة منفردة، صممت قطعة كي تنزلق عليه، ثم قمت بإنجاز تجويف في الجزء الثابت عن طريق المخرطة، لكي أكون قادراً على وضع المحامل فيه، كي يكون الجزء الثابت قادراً على الدوران حول محور المحرك.

 

ثم قمت بتصميم صفيحة لتوصيل الجزء الثابت مع كتلة المحرك (hup) حاملاً جميع القطع معاً كما هو موضح في الشكل 36، لجعل مجموعة الجزء الثابت ثابتة بتلك الوضعية، استعلمت الثقوب الموجودة من قبل في الغلاف الخارجي (الشكل 36).

 

اخترت أن يكون الغلاف الخارجي للمحرك علبة من الفولاذ بسماكة 1/8 إنش، لاحتواء الحقل المغناطيسي من المغانط، ولقد صممت العلبة الخارجية بقطر بحيث يكون الفراغ بين المغانط والجزء الثابت حوالي 1 مم.

 

قمت بتثبيت المغانط داخل العلبة الخارجية بواسطة قطعة تم إنشاءها بطباعة ثلاثية البعد (على آلة CNC)، ثم استعملت مادة الإيبوكسي اللزجة لملء الفراغات بين المغانط (الشكل 35).

 

ملاحظة: الإيبوكسي هو مادة كيميائية تعتبر أحد أنواع اللدائن الصلبة بالحرارة. تحتوي على مركبين: أساس (resin) ومصلب (hardener) وهي شديدة الالتصاق ومقاوم للاحتكاك والمواد الكيميائية سواء كانت أحماض أو قواعد أو مذيبات.

 

قررت استعمال قطعة سميكة من متعدد الكربونات (Polycarbonate) لتملئ الفراغ بين المحمل الكبير والعلبة الفولاذية، مع عمل ثقوب في متعدد الكربونات لتوصيله مع العلبة.

 

ومن أجل النهاية الأخرى للعلبة الخارجية أيضاً استعملت متعدد الكربونات من أجل مجموعة الجزء الثابت.

لربط عمود التدوير للمحرك بالعلبة الخارجية، قمت بتلحيم صفيحة فولاذية بنهاية العمود. ثم قمت بإنجاز ثقوب في الصفيحة كي تثبت بقطعة متعدد الكربونات، أيضاً قمت بإنجاز فراغ في متعدد الكربونات لتثبيت الصفيحة. ثم قمت بتشغيل آلة اللحام، وجمعت القطع معاً وقمت بلحامها كي تكون قادرة على نقل العزم المطلوب.

 

ملاحظة: متعدد الكربونات هو أحد أنواع البلاستيك الحرارية الأكثر متانة، يصنع من البوليمير المعالج بالكربون مما يعطيه مزيج من المتانة والمرونة.

الشكل 34

الشكل 35 ثبيت المغانط داخل العلبة الخارجية

الشكل 36 الجزء الثابت مركب داخل الغلاف

الشكل 37 طريقة dLRK في لف الاسلاك

قررت استعمال طريقة dLRK في لف الأسلاك حول الجزء الثابت (انظر الشكل 37). هذه الطريقة أكثر فاعلية من غيرها بالنسبة للجزء الثابت الذي عندي، وهي تعطي كفاءة أكبر بقليل من الطريقة LRK (انظر الشكل 38).

الشكل 38 طريقة LRK في لف الأسلاك

الطريقة dLRK تتبع المبدأ AabBCca (الحروف الكبيرة تشير إلى الخط الحامي للمحرك (فاز phase المحرك) بينما الحروف الصغيرة تشير إلى اتجاه التشغيل سواء كانت في اتجاه عقارب الساعة أو عكسها).

 

وبالنسبة للجزء الثابت الذي عندي فقد كان يملك 18 سنا، لذا استعملت الترتيب التالي:

AabBCcaABbcCAabBCc

 

بعد لف السلك من نوع 18 AWG حول كل سن، وجدت أن الجزء الثابت قد انحصر داخل العلبة الخارجية لذا اضطررت إلى ضبط مكانه. ولمعلومات أكثر عن طريقة اللف يرجى الضغط على الرابط التالي:

http://www.aerodesign.de/peter/2001/LRK350/index_eng.html

 

على أية حال لإنهاء المحرك سأضطر إلى إدخال حساسات من نوع hall-effect sensors (الشكل 39)، وبذلك سأستطيع أن أتحكم بالمحرك عن طريق جهاز التحكم. وتستعمل هذه الحساسات لتحديد وضع الجزء الدوار من المحرك خلال الحقل المغناطيسي، وتزويد التيار الكهربائي للمحرك اعتماداً على ما تخبرنا به الحساسات. لمعلومات أكثر عن هذه الحساسات واستعمالها مع محركات اللامفروش يرجى الضغط على الروابط التالية:

http://www.powersystemsdesign.com/hall-effect-sensors-deliver-higher-efficiency-in-brushless-dc-motors

http://www.ecnmag.com/articles/2012/10/selecting-hall-effect-sensors-brushless-dc-motors

الشكل 39 مثال عن حساسات hall-effect sensors

لإدخال الحساسات في المكان الصحيح، يجب أن توضع بحيث تحقق 120 درجة كهربائية كي تتوافق مع جهاز التحكم الخاص بي والذي هو من نوع Kelly كما ذكرت سابقاً، ولحساب ذلك يجب أولاً أن نتصور كم هي الدرجات الكهربائية بين كل سن في الجزء الثابت، والمعادلة التي تحسب الدرجات الكهربائية هي:

E°/ tooth=360*(pole pairs)/(stator teeth)

 

بالنسبة لمحركي، كل سن له 160 درجة كهربائية على حدة (حيث عدد أزواج الأقطاب المغناطيسية Pole Pairs هي 8 كما ذكرت سابقاً وعدد الأسنان (stator teethهي 18 سن)،

الشكل 40 مثال عن وضع الحساسات داخل المحرك

وبالتالي سيتم وضع كل حساس بحيث تكون المسافة بين كل حساسين هي ثلاثة شقوق.

 

ملاحظة: لمعلومات أكثر عن كيفية بناء محرك الكهرباء وطريقة اللف أضغط على الرابط التالي:

http://www.instructables.com/id/Make-Your-Own-Miniature-Electric-Hub-Motor/?ALLSTEPS

وهي مقالة على موقع Instructables عن كيفية بناء محرك كهربائي.

 


استعراض

لقد تعلمت الكثير عند عملي على هذه السيارة، وأتمنى أن تكون قد استفدت من الخطوات لتصميم السيارة الخاصة بك، وبكل الأحوال الأمر يعود إليك في تصميم عربتك وتعديلها وتطويرها.


مصطلحات المقال

العربية

الإنجليزية

الفرنسية

محرك كهربائي

DC Motor

Moteur DC

محرك كهربائي لامفروش

Brushless DC Motor

Moteur brushless

الجزء الثابت في المحرك

Stator

Stator

الجزء الدوار في المحرك

Rotor

Rotor

مغناطيس دائم

Permanent magnet

Aimant permanent

القيادة

Steering

Pilotage

الإطار (الهيكل)

Frame

Cadre

الأكريليك (صمغ صناعي يشبه البلاستيك)

Acrylic

Acrylique

المقود

Steering wheel

Volant

الصمام الخانق

Throttle

Étrangler

الكوابح

Brakes

Freins

محمل

Bearing

Roulement

حزام (سير) نقل الحركة

Belt

Ceinture

حزام التوقيت

Timing belt

Courroie de distribution

كابح قرصي

Disc brake

Frein à disque

كابح اسطواني

Band brake

Frein à bande

كابح طبلي

Drum brake

Frein à tambour

جهاز التحكم بالمحرك

Motor controller

Contrôleur de moteur

بطارية

Battery

Batterie

شاحن بطارية

Battery charger

Chargeur de batterie

مزود طاقة

Power supply

Source de courant

أدوات توصيل

Connectors

Connecteurs

البياكوليس (أداة قياس)

Calipers

Étriers

حساس

Sensor

Capteur

 


تأليف

 

تأليفelidavis

ترجمة بتصرف: المهندس إبراهيم حسين أحمد (دمشق – سوريا)

البريد الإلكتروني للمترجم: عنوان البريد الإلكتروني هذا محمي من روبوتات السبام. يجب عليك تفعيل الجافاسكربت لرؤيته. 


المراجع

 

http://www.instructables.com/id/How-to-Build-a-Custom-Electric-Go-Kart-and-Brushle/?ALLSTEPS


 

التعليقات   

 
Anaso
0 # Anaso 2016-06-11 00:16
very good
رد | رد مع اقتباس | اقتباس | تقرير إلى المدير
 
 
احمد111
+1 # احمد111 2014-08-29 18:23
للأسف لم تبين مخطط رسم توضع المحرك
وايضا توضع الأجزاء بالتفصيل.
رد | رد مع اقتباس | اقتباس | تقرير إلى المدير
 

أضف تعليق


كود امني
تحديث

المزيد في هذه الفئة :


Go to top