آهنربای دائم در برابر القایی: سبک‌سنگین کردن موتورهای خودروی الکتریکی از نظر بازدهی و هزینه

وقتی تسلا در سال ۲۰۱۷ محور عقب مدل ۳ را به موتور سنکرون آهنربای دائم تغییر داد، بی‌سروصدا به دوران موتورهای القایی جریان متناوب (AC) که نام شرکت از آن گرفته شده بود، پایان داد. این تصمیم کاملاً حساب‌شده و ریاضی بود: آهنرباهای دائم بازدهی در نقطه اوج بالاتری داشتند و به خودرو اجازه می‌دادند تا از یک باتری کوچک‌تر و سبک‌تر، مسافت پیمایش بیشتری بیرون بکشد. امروزه، در شرایطی که خودروسازان با محدودیت‌های صادراتی سخت‌گیرانه‌تری برای عناصر خاکی کمیابِ مورد نیاز این آهنرباها روبه‌رو هستند، صنعت خودرو در حال ارزیابی مجدد مزایا و معایب این دو معماری غالب موتور است. برای کسی که قصد خرید یک خودروی الکتریکی را دارد یا سازمان حمل‌ونقلی که می‌خواهد ناوگانی از اتوبوس‌های برقی بخرد، انتخاب موتور نه تنها بازدهی خودرو، بلکه آسیب‌پذیری بلندمدت زنجیره تامین آن را نیز تعیین می‌کند.[2]

شرکت Power Electric در ارزیابی فنی خود از توپولوژی‌های موتور خاطرنشان می‌کند: «موتورهای AC آهنربای دائم و القایی AC اکثریت موتورهای الکتریکی فروخته‌شده در سراسر جهان را تشکیل می‌دهند و در سال ۲۰۲۰ بیش از ۷۰ درصد از فروش موتورهای الکتریکی را به خود اختصاص داده‌اند.» در بخش خودرو، این تسلط تقریباً مطلق است. تفاوت مکانیکی بین این دو سیستم به نحوه تولید میدان مغناطیسی برای چرخاندن روتور برمی‌گردد؛ تفاوتی که پروفایل عملکرد و هزینه‌های تولید آن‌ها را از اساس تغییر می‌دهد.[1]

در یک موتور القایی AC، جریان متناوبی که به سیم‌پیچ‌های استاتور اعمال می‌شود، یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می‌کند که به نوبه خود جریان الکتریکی را در روتور القا می‌کند. این جریان القایی یک میدان مغناطیسی ثانویه می‌سازد و تعامل بین این دو، گشتاور تولید می‌کند. از آنجا که روتور باید کمی کندتر از میدان استاتور بچرخد - تفاوتی که به عنوان لغزش (slip) شناخته می‌شود - موتور ذاتاً بخشی از انرژی خود را به دلیل گرما و مقاومت الکتریکی از دست می‌دهد.[1]

موتورهای سنکرون آهنربای دائم (PMSM) این هدررفت القایی را از بین می‌برند. در این موتورها به جای تکیه بر جریان القایی، آهنرباهای ثابتی در روتور تعبیه شده است - که معمولاً از آلیاژ نئودیمیوم، آهن و بور ساخته می‌شوند و مقادیری دیسپروزیوم برای جلوگیری از از دست رفتن خاصیت مغناطیسی در دماهای بالا دارند. از آنجا که میدان مغناطیسی روتور دائمی است و در هماهنگی کامل با استاتور می‌چرخد، موتور به طور کامل از تلفات هسته روتور جلوگیری می‌کند.[1]

نتیجه این امر، یک مزیت قابل اندازه‌گیری در چگالی توان و حفظ انرژی است. موتورهای آهنربای دائم به طور معمول به بازدهی اوج ۹۴ تا ۹۷ درصد می‌رسند، در حالی که این رقم برای یک موتور القایی معمولاً ۸۵ تا ۹۱ درصد است. این شکاف بازدهی، اقتصاد کل خودرو را دیکته می‌کند. موتوری که ۶ درصد بازدهی کمتری دارد، برای رسیدن به همان مسافت پیمایش، به یک بسته باتری نیاز دارد که ۶ درصد بزرگتر باشد.[3]

با قیمت‌های فعلی سلول‌های لیتیوم-یون، اضافه کردن چند کیلووات-ساعت ظرفیت باتری، هزینه بسیار بیشتری نسبت به آهنرباهای خاکی کمیاب داخل یک موتور PMSM دارد که معمولاً بین ۱٫۰ تا ۲٫۰ کیلوگرم در هر موتور وزن دارند. برای خودروسازانی که به دنبال بهینه‌سازی مسافت پیمایش و هزینه هستند، موتور آهنربای دائم همچنان استاندارد بی‌چون‌وچرای پیشرانه اصلی است و به آن‌ها اجازه می‌دهد قدرت بیشتری را در پکیجی کوچک‌تر و سبک‌تر ارائه دهند.[1][3]

با این حال، اتکا به آهنرباهای دائم یک آسیب‌پذیری شدید در زنجیره تامین ایجاد می‌کند. چین تقریباً ۹۰ درصد از تولید جهانی آهنربای دائم و بخش اعظم ظرفیت پالایش عناصر خاکی کمیاب را در کنترل خود دارد. در سال‌های اخیر، پکن با اعمال کنترل‌های صادراتی بر عناصر خاکی کمیاب سنگین، از این تسلط بهره‌برداری کرده و خودروسازان غربی را مجبور کرده تا برای یافتن منابع جایگزین دست‌وپا بزنند و طرح‌های بازیافت داخلی را سرعت ببخشند.[3]

این قرار گرفتن در معرض خطرات ژئوپلیتیکی، باعث علاقه دوباره به موتورهای القایی شده است، به ویژه برای محورهای ثانویه در خودروهای تمام‌چرخ محرک. از آنجا که موتور القایی فاقد آهنربای ثابت است، زمانی که برقی دریافت نمی‌کند، می‌تواند بدون هیچ‌گونه کشش مغناطیسی هرزگردی کند. خودروسازان اغلب یک موتور آهنربای دائم با بازدهی بالا را در محور اصلی با یک موتور القایی در محور ثانویه جفت می‌کنند و دومی را تنها زمانی درگیر می‌کنند که به حداکثر شتاب یا کشش نیاز باشد.[1][3]

برای سازمان‌های حمل‌ونقل عمومی و اپراتورهای ناوگان تجاری، این محاسبات کمی متفاوت است. اتوبوس‌های برقی در چرخه‌های کاری قابل پیش‌بینی و سنگین کار می‌کنند، جایی که بازدهی مستقیماً به معنای کاهش هزینه‌های شارژ در طول یک عمر ۱۲ ساله است. اگرچه موتورهای آهنربای دائم بالاترین بازدهی را ارائه می‌دهند، اما آهنرباهای خاکی کمیاب آن‌ها در زیر بارهای سنگین مداوم و دماهای بالا مستعد افت کیفیت هستند. در نتیجه، برخی از کاربردهای سنگین همچنان از موتورهای القایی پیشرفته استفاده می‌کنند و دوام بالا و استقلال زنجیره تامین را بر بازدهی مطلق در نقطه اوج ترجیح می‌دهند.[3]

اکنون صنعت در حال رقابت برای توسعه راه سومی است: موتورهایی که بدون اتکا به عناصر خاکی کمیاب، با بازدهی موتورهای PMSM برابری کنند. استارتاپ‌ها و تامین‌کنندگان معتبر رده اول در حال آزمایش موتورهای سنکرون با تحریک خارجی هستند که از یک ترانسفورماتور دوار برای تامین نیروی الکترومغناطیسی روتور استفاده می‌کنند، و همچنین میدان‌های مغناطیسی پیشرفته مبتنی بر نرم‌افزار. تا زمانی که این فناوری‌ها به تولید انبوه برسند، خودروسازان در یک بازی حفظ تعادل گرفتارند: یا خطرات زنجیره تامین آهنرباهای خاکی کمیاب را بپذیرند، یا به جریمه بزرگ‌تر شدن اندازه باتری در موتورهای القایی تن دهند.[3]