کدام موتور الکتریکی بهترین راندمان را در خودروهای برقی دارد؟

کدام موتور الکتریکی بهترین راندمان را در خودروهای برقی دارد؟

اگر قصد دارید به‌صورت عمیق وارد دنیای فناوری موتورهای احتراق داخلی شوید، باید آماده مواجهه با انبوهی از مفاهیم متنوع باشید؛ موتورهای تنفس طبیعی، توربوشارژ، تزریق مستقیم، تزریق غیرمستقیم یا ترکیبی از هر دو! بنزین، دیزل، CNG، LPG، چرخه اتکینسون، میلر، بوداک، چرخه دیزل و اتو (مانند موتور Skyactiv-X مزدا)، توربوی هندسه ثابت، هندسه متغیر، توئین‌اسکرول، زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها و… این فهرست همچنان ادامه دارد.
 
اما پرسشی که به‌صورت طبیعی مطرح می‌شود این است: چرا این‌همه طراحی و مفهوم مختلف برای موتورهای احتراق داخلی وجود دارد؟ پاسخ ساده است؛ زیرا هیچ‌کدام از نظر بهره‌وری (Efficiency) به حد ایده‌آل نرسیده‌اند. در طول تاریخ صنعت خودرو، مهندسان برای افزایش راندمان، طراحی‌های متعددی ارائه کرده‌اند.

آیا این تنوع در مورد موتورهای الکتریکی نیز وجود دارد؟ در حوزه حمل‌ونقل برقی (E-Mobility) چند نوع موتور داریم؟ پاسخ ساده‌تر از چیزی است که فکر می‌کنید: تنها سه نوع اصلی موتور الکتریکی در خودروهای برقی استفاده می‌شود. در ادامه این مطلب نیوزلن به نقل از Arenaev با آنها آشنا می‌شویم.
 

موتور القایی آسنکرون (Asynchronous Induction Motor)

تاریخچه‌ای کوتاه

موتور القایی آسنکرون فناوری جدیدی نیست. این موتور توسط دو پژوهشگر مستقل یعنی Nikola Tesla و Galileo Ferraris توسعه یافت. هرچند فراریس در سال 1885 آن را طراحی کرد، اما تسلا در سال 1888 نخستین ثبت اختراع را انجام داد.
اختراع موتور القایی یکی از بزرگ‌ترین دستاوردها در بهره‌گیری از برق برای زندگی مدرن به‌شمار می‌رود. امروزه بسیاری از تجهیزات الکتریکی و اغلب موتورهای صنعتی از نوع القایی آسنکرون هستند.

نحوه عملکرد موتور القایی آسنکرون

تمام موتورهای الکتریکی دو بخش اصلی دارند:

استاتور (Stator): بخش ثابت
روتور (Rotor): بخش چرخان

استاتور معمولاً یک سیلندر فولادی دارای شیار و سیم‌پیچ‌های مسی است که با هندسه خاصی پیچیده شده‌اند. این سیم‌پیچ‌ها با جریان متناوب سه‌فاز (که از تبدیل جریان DC باتری توسط الکترونیک قدرت حاصل می‌شود) تغذیه می‌شوند. این جریان، میدان مغناطیسی چرخانی ایجاد می‌کند که سرعت آن «سرعت سنکرون» نام دارد.
در این موتور:

•  ولتاژ AC به سیم‌پیچ‌ها اعمال می‌شود.
•  میدان مغناطیسی چرخان در استاتور ایجاد می‌شود.
•  این میدان در روتور ولتاژ القا می‌کند.
•  جریان ایجادشده در روتور، میدان مغناطیسی مخصوص به خود را تولید می‌کند.
•  اختلاف بین میدان‌های مغناطیسی باعث ایجاد نیروی لورنتس و در نتیجه چرخش روتور می‌شود.
•  حرکت روتور از طریق گیربکس کاهنده به چرخ‌ها منتقل می‌شود.

این موتور «آسنکرون» نام دارد زیرا میدان‌های مغناطیسی روتور و استاتور کاملاً هم‌زمان نیستند. اختلاف سرعت آن‌ها «اسلیپ» (Slip) نام دارد که معمولاً تا ۵٪ است.
بازده معمول موتور القایی سه‌فاز در صنعت خودرو حدود ۹۰٪ است. به دلیل سادگی، دوام بالا، عدم نیاز به مواد کمیاب و قابلیت تحمل اضافه‌بار، این موتور در بسیاری از خودروهای برقی به‌ویژه به‌عنوان موتور جلو در سیستم‌های AWD استفاده می‌شود.

مزایا

•  راندمان مناسب
•  هزینه تولید پایین
•  عدم نیاز به عناصر خاکی کمیاب
•  قابلیت اطمینان بسیار بالا

معایب

•  نیاز بیشتر به سیستم خنک‌کاری
•  چگالی توان کمتر
•  راندمان پایین‌تر نسبت به موتورهای جدیدتر

برخی خودروهای مجهز به این موتور:
•  Audi e-Tron
•  Mercedes-Benz EQC
•  Tesla Model S
•  Tesla Model 3
•  Tesla Model X
•  Tesla Model Y

موتور القایی مورد استفاده در مرسدس بنز EQC

موتور سنکرون با آهنربای دائم (Permanent Magnet Synchronous Motor)

تفاوت اصلی این موتور با نوع القایی در نحوه تولید میدان مغناطیسی است. در اینجا، میدان مغناطیسی روتور توسط آهنرباهای دائم ایجاد می‌شود. در نتیجه میدان‌های مغناطیسی روتور و استاتور کاملاً هم‌زمان (سنکرون) هستند و اسلیپ وجود ندارد.
استفاده از آهنرباهای دائم باعث:

•  افزایش چگالی توان
•  افزایش راندمان
•  کاهش نیاز به خنک‌کاری

می‌شود. راندمان این موتورها به ۹۴ تا ۹۵ درصد می‌رسد و در خودروهایی که تنها یک موتور دارند، اغلب از این نوع استفاده می‌شود.
نکته مهم این است که آهنرباهای دائم از عناصر خاکی کمیاب ساخته می‌شوند که عمدتاً تحت کنترل چین هستند و چالش‌های زیست‌محیطی و اخلاقی در استخراج آن‌ها مطرح است.

مزایا

•  راندمان بسیار بالا
•  نیاز کمتر به خنک‌کاری
•  چگالی توان بالا

معایب

•  هزینه تولید بیشتر
•  وابستگی به مواد خاکی کمیاب
•  خطر تئوریک کاهش مغناطیس

نمونه خودروها:
•  Hyundai Ioniq 5
•  Kia EV6
•  Jaguar I-Pace
•  Audi e-tron GT
•  Porsche Taycan

موتور سنکرون با تحریک الکتریکی (Electrically Excited Synchronous Motor)

این نوع موتور تلاش می‌کند مزایای راندمان بالای موتورهای آهنربای دائم را بدون استفاده از عناصر خاکی کمیاب ارائه دهد. برخی خودروسازان مانند:
•  BMW
•  Renault Group
•  Smart
از این فناوری استفاده می‌کنند.
در این موتورها به‌جای آهنربای دائم، از جاروبک و رینگ لغزان (Slip Ring) برای ایجاد میدان مغناطیسی در روتور استفاده می‌شود. طبق اعلام BMW، راندمان این موتور تا ۹۳٪ می‌رسد.

مزایا

•  راندمان بسیار بالا
•  هزینه کمتر نسبت به نوع آهنربای دائم
•  بدون خطر دمگنتیزه شدن
•  بدون نیاز به عناصر خاکی کمیاب

معایب

•  احتمال نیاز به تعویض جاروبک در بلندمدت

نمونه خودروها:
•  BMW iX3
•  BMW iX
•  BMW i4
•  Renault Megane E-TECH
•  Smart EQ

 
جمع‌بندی

برخلاف موتورهای احتراق داخلی که ده‌ها طراحی مختلف دارند، در خودروهای برقی تنها سه نوع اصلی موتور الکتریکی استفاده می‌شود:

•  موتور القایی آسنکرون
•  موتور سنکرون با آهنربای دائم
•  موتور سنکرون با تحریک الکتریکی

هرکدام مزایا و معایب خاص خود را دارند و خودروسازان بسته به استراتژی هزینه، راندمان و تأمین مواد اولیه از آن‌ها استفاده می‌کنند. با پیشرفت فناوری، احتمال بهبود راندمان و کاهش وابستگی به عناصر کمیاب در سال‌های آینده بسیار زیاد است.