بررسی آینده موتورهای الکتریکی در صنعت خودروسازی؛ از نیکولا تسلا تا خودروهای مدرن

به‌روزترین‌ها| در خودروهای مجهز به موتور احتراق داخلی فناوری و مفاهیم متعددی مانند موتور تنفس طبیعی، توربو شارژر، پاشش مستقیم سوخت، پاشش غیر مستقیم سوخت وجود دارد. در این خودروها علاوه بر سوخت بنزین و گازوئیل، سوخت های مانند ال پی جی، سی ان جی نیز وجود دارد.‌

در این موتورها چرخه های ترمودینامیک مانند آتکینسون، میلر، بوداک، دیزل و اتو نیز وجود دارد. موتوری که مجهز به توربو شارژر می شود با دسته های مختلف توربو دوقلو یا متغییر نیز استفاده می شود.

سوالی که مطرح می شود این هست که چرا طراحی و فناوری های مختلف وجود دارد؟ مهندسان همواره در جست و جو بهبود کارایی بودند، این مساله سبب خلق فناوری های جدید شد. باتوجه به رشد خودروهای برقی این تنوع طراحی برای موتورهای برقی نیز وجود دارد؟ در صنایع خودروسازی چند موتور برقی برقی وجود دارد؟ به طور کلی موتور های برقی در وسایل نقلیه به ۳ دسته تقسیم می شود.

موتور القایی ناهمزمان

موتور القایی ناهمزمان توسط دو مهندس؛ نیکولا تسلا و گالیله فراریس  اختراع شده است. هر چند عده ای معتقد هستند که مخترع این موتور ایتالیایی ها در سال ۱۸۵۵ میلادی بودند.

اختراع موتور القایی بدون شک یکی از بزرگترین دستاوردها در استفاده از برق برای تأمین انرژی زندگی ما است. پذیرش این نوع موتور امروزه به قدری گسترده است که تصور زندگی روزمره بدون آن بسیار دشوار است. بسیاری از دستگاه‌های الکتریکی از این موتورها استفاده و اکثریت قریب به اتفاق موتورهای صنعتی از نوع القایی ناهمزمان هستند.

موتور القایی ناهمزمان چگونه کار می‌کند؟

تمام موتورهای الکتریکی دو بخش اصلی دارند؛ یک بخش ثابت به نام استاتور و یک بخش متحرک به نام روتور است. استاتور معمولاً یک سیلندر فولادی با شکاف‌ها و سیم‌پیچ‌های مسی است که با هندسه خاصی کلاف پیچ شده‌ است. این سیم‌ پیچ‌ها با جریان متناوب سه فاز تغذیه می‌شوند که از جریان مستقیم (تأمین شده توسط باتری) در الکترونیک قدرت تبدیل شده است. این جریان یک میدان مغناطیسی چرخان در استاتور ایجاد می‌کند و سرعت این میدان مغناطیسی چرخان به عنوان سرعت همزمان شناخته می‌شود.

در اصل، این نوع موتور به این صورت کار می‌کند؛ ولتاژ متناوب به سیم‌پیچ‌های مسی (یا سیم‌پیچ‌ها) القا می‌شود و در نتیجه یک میدان مغناطیسی چرخان ایجاد می‌شود، این میدان ولتاژ را در روتور القا می‌کند که به نوبه خود باعث جریان می‌شود.

این جریان میدان مغناطیسی چرخان خود را در روتور تولید می‌کند که از میدان مغناطیسی استاتور عقب می‌ماند. نیروی بین دو میدان مغناطیسی که در نهایت روتور را حرکت می‌دهد، نیروی لورنتز نامیده می‌شود. حرکت روتور سپس از طریق کاهش مناسب به چرخ‌های خودرو منتقل می‌شود.

این موتور به دلیل عدم هماهنگی میدان‌های مغناطیسی چرخان روتور و استاتور، ناهمزمان نامیده می‌شود. بخش القایی از میدان مغناطیسی چرخان، ولتاژ و جریان القا شده توسط استاتور می‌آید. وقتی پدال گاز را فشار می‌دهیم، میدان مغناطیسی روتور کمی از استاتور عقب می‌ماند. وقتی کاهش سرعت می‌دهیم و موتور به عنوان ژنراتور کار می‌کند (ترمز احیاکننده)، میدان مغناطیسی چرخان روتور از استاتور جلوتر است. این تفاوت در میدان‌های مغناطیسی چرخان «لغزش» نامیده می‌شود.

کارایی معمولی یک موتور القایی ناهمزمان سه فاز مورد استفاده در صنعت خودروسازی حدود ۹۰٪ است. به دلیل استحکام، سادگی، طول عمر و عدم نیاز به مواد عجیب و غریب، این موتور تقریباً به طور انحصاری در فرآیندهای صنعتی استفاده می‌شود.

همچنین، ویژگی‌های خوب اضافه‌بار آن را به یک موتور ایده‌آل برای استفاده در خودروهای برقی با سیستم چهار چرخ متحرک تبدیل کرده است.
از مهم ترین مزایا این موتور می توان به کارایی، هزینه تولید پایین، عدم نیاز به مواد نادر، قابلیت اطمینان اشاره کرد.

از مهمترین معایب این موتور می توان به نیازمندی به خنک سازی، توان پایین، کارایی کمتر نسبت به سایر موتورها اشاره کرد. خودروهای مانند آئودی ای ترون، تسلا مدل اس و ۳، مرسدس بنز ای کیو سی، فولکس واگن استفاده شده است.

موتور سنکرون با آهنربای دائمی

تفاوت اساسی بین موتورهای القایی ناهمزمان و موتورهای سنکرون با آهنربای دائمی در نحوه تولید و تعامل میدان‌های مغناطیسی چرخان در روتور و استاتور است. در موتورهای سنکرون با آهنربای دائمی، یک میدان مغناطیسی چرخان ذاتی وجود دارد که توسط آهنرباهای دائمی (به همین دلیل نام موتور) در روتور ایجاد می‌شود. میدان‌های مغناطیسی چرخان روتور و استاتور در این موتورها قفل شده‌اند و هیچ لغزشی وجود ندارد.

آهنرباهای دائمی در روتور یکی از عناصر کلیدی است که  توان را افزایش داده و کارایی موتور را بهبود می‌بخشد. افزایش توان به معنای توان بالا در حجم کم است، به همین دلیل موتورهای آهنربای دائمی به طور انحصاری در خودروهای هیبریدی پلاگین استفاده می‌شوند. موتور الکتریکی در این خودروها در جعبه‌دنده قرار دارد و محدودیت‌های فضایی وجود دارد.

آهنرباهای دائمی از مواد نادر زمین ساخته شده‌اند و چین کنترل زنجیره تامین و تولید آن‌ها را در دست دارد. سوالاتی در مورد چگونگی فرآیند استخراج این مواد وجود دارد و به همین دلیل بسیاری از تولیدکنندگان سعی می‌کنند استفاده از این مواد را در موتورها کاهش دهند.

با این حال، موتور سنکرون با آهنربای دائمی پادشاه کارایی است – می‌تواند به ۹۵ درصد برسد و وقتی تنها یک موتور در خودرو وجود دارد، این نوع موتور استفاده می‌شود. از مهم ترین مزایای این موتور می توان به کارایی بالا، نیاز به خنک سازی کم و توان بالا اشاره کرد. از معایب ان نیز می توان به هزینه تولید، دسترسی سخت به مواد اولیه و خطر خاصیت مغناطیسی اشاره کرد.

از این موتور در خودروهای هیوندای آیونیک، کیا ای وی ۶ ، تسلا مدل اس، ۳ و ایکس، پورشه تایکان و جگوار آی پیس اشاره کرد.

موتور سنکرون با تحریک الکتریکی

موتورهای سنکرون با آهنربای دائمی بهترین کارایی را ارائه می‌دهند، اما مواد نادر زمین مورد نیاز برای ساخت آن‌ها مشکلاتی را به همراه دارند. برای مقابله با این مسائل، برخی از تولیدکنندگان، از جمله ب ام و، گروه رنو و اسمارت استفاده می کنند.

عملکرد این موتورها چگونه است؟ در این موتورها به جای استفاده از آهنرباهای دائمی در روتور برای ایجاد جریان، این موتورها از برس‌ها و حلقه‌های لغزشی استفاده می‌کنند. به گفته ب ام و، این نوع موتور کارایی تا ۹۳٪ را ارائه می‌دهد که بسیار نزدیک به کارایی موتورهای آهنربای دائمی است.

اگرچه این نوع موتور بسیار امیدوارکننده به نظر می‌رسد، اما استفاده از برس های مسی به این معناست که در برخی مواقع نیاز به تعویض این قطعات خواهد بود. امیدواریم که تولیدکنندگانی که این نوع موتور را توسعه می‌دهند، از برس‌هایی با عمر مفید کافی استفاده کنند.

از مهم ترین مزایایی این موتور می توان به کارایی بالا، هزینه تولید پایین نسبت به موتور سنکرون با آهنربای دائمی، عدم خطر میدان مغناطیسی و عدم چالش نواوداولیه اشاره کرد. معایب این موتور فقدان  قابلیت اطمینان بلندمدت برس های مسی است.

هرسه موتور برقی نامبرده در این گزارش کمترین استهلاک را نسبت به موتورهای احتراقی دارند.