مکانیسم‌های فناوری موتور خودروهای برقی: مقایسه معماری‌های آهنربای دائم، القایی و رلوکتانسی سوئیچ‌شده

صنعت خودروهای برقی درگیر یک تنش اساسی بین فیزیک و زنجیره تأمین است: کارآمدترین روش برای تبدیل الکترون‌ها به حرکت رو به جلو نیازمند موادی است که از نظر جغرافیایی متمرکز، گران‌قیمت و استخراج آن‌ها از نظر زیست‌محیطی پرهزینه است. سال‌ها، تلاش برای کسب حداکثر امتیاز برد مسافتی EPA، خودروسازان را به سمت یک راه‌حل واحد و بسیار بهینه سوق داد، که آسیب‌پذیری‌های زیربنایی سخت‌افزار را پنهان می‌کرد.[1][9]

حل این تنش مستلزم فراتر رفتن از بسته باتری و تمرکز بر خود موتور کششی است. خودروسازان فعالانه سه معماری الکترومغناطیسی متمایز – موتورهای سنکرون آهنربای دائم (PMSM)، موتورهای القایی (IM) و موتورهای رلوکتانسی سوئیچ‌شده (SRM) – را بررسی می‌کنند که هر کدام مصالحه‌ای متفاوت بین کارایی، هزینه تولید و استقلال مواد ارائه می‌دهند. انتخاب معماری موتور در کل طراحی خودرو تأثیر آبشاری دارد و بر حلقه‌های مدیریت حرارتی، مشخصات اینورتر و وزن کلی خودرو اثر می‌گذارد.[1][5]

موتور کششی یک جزء مجزا نیست؛ بلکه یک گره در یک سیستم پیشرانه بزرگتر است. موتورهای سنکرون آهنربای دائم در حال حاضر بر بازار خودروهای برقی سواری غالب هستند و در اکثریت قریب به اتفاق خودروهای برقی مدرن یافت می‌شوند. این موتورها با جاسازی آهنرباهای خاکی کمیاب – معمولاً نئودیمیم-آهن-بور – مستقیماً در روتور، یک میدان مغناطیسی ثابت تولید می‌کنند بدون اینکه نیازی به جریان الکتریکی برای القای آن باشد.[3][4]

این پایه مغناطیسی منجر به چگالی توان حجمی استثنایی و اوج کارایی‌هایی می‌شود که به طور معمول از ۹۳٪ فراتر می‌رود. از آنجا که روتور برای ایجاد میدان مغناطیسی خود نیازی به کشیدن جریان ندارد، تلفات حرارتی به حداقل می‌رسد. این امر به موتور اجازه می‌دهد تا فشرده و سبک باقی بماند و در عین حال گشتاور فوری و با چگالی بالا را از حالت سکون ارائه دهد، ویژگی‌ای که تجربه رانندگی مدرن با خودروی برقی را تعریف می‌کند.[1][4]

با این حال، اتکا به فلزات خاکی کمیاب آسیب‌پذیری‌های جدی در زنجیره تأمین ایجاد می‌کند. نئودیمیم و دیسپروزیم در معرض نوسانات شدید قیمت و کنترل‌های صادراتی ژئوپلیتیکی قرار دارند. علاوه بر این، این آهنرباها به شدت به گرما حساس هستند؛ در دماهای عملیاتی بالا، خطر مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر وجود دارد، که مستلزم سیستم‌های خنک‌کننده مایع قوی و سنگین است که بخشی از مزایای وزن اولیه موتور را در طول عملیات طولانی‌مدت با بار بالا خنثی می‌کند.[1][9]

موتورهای القایی، که به طور مشهور توسط مدل‌های اولیه تسلا رایج شدند، رویکردی اساساً متفاوت به سیستم پیشرانه ارائه می‌دهند. به جای آهنرباهای دائم، یک موتور القایی از جریان متناوب در استاتور استفاده می‌کند تا یک میدان مغناطیسی را در یک روتور ساده و مستحکم – که معمولاً از میله‌های مسی یا آلومینیومی ساخته شده است – القا کند. این معماری به طور کامل نیاز به مواد خاکی کمیاب را از بین می‌برد.[4][6]

از آنجا که موتورهای القایی فاقد هرگونه فلز خاکی کمیاب هستند، خودروسازان را در برابر شوک‌های زنجیره تأمین مصون می‌سازند و هزینه‌های مواد اولیه را به شدت کاهش می‌دهند. آن‌ها همچنین در رانندگی با سرعت بالا عالی عمل می‌کنند، جایی که میدان مغناطیسی می‌تواند به صورت پویا تضعیف شود تا کشش الکترومغناطیسی هنگام حرکت آزاد موتور کاهش یابد. مصالحه اصلی، کارایی در سرعت‌های پایین‌تر و بارهای حرارتی بالاتر است؛ القای میدان مغناطیسی روتور گرما تولید می‌کند، که نیازمند مدیریت حرارتی دقیق است و منجر به موتوری حجیم‌تر و سنگین‌تر برای همان توان خروجی می‌شود.[4][6]

موتورهای رلوکتانسی سوئیچ‌شده ساده‌ترین معماری موجود برای مهندسان پیشرانه را نشان می‌دهند. روتور نه شامل آهنربا است و نه سیم‌پیچ مسی؛ بلکه صرفاً یک قطعه فولاد ورقه‌ورقه و شکل‌داده شده است. موتور با انرژی‌دهی متوالی به سیم‌پیچ‌های استاتور کار می‌کند و روتور فولادی را از طریق اصل رلوکتانس مغناطیسی به سمت هم‌ترازی با میدان مغناطیسی می‌کشد.[5][8]

این سادگی ساختاری باعث می‌شود موتورهای SRM فوق‌العاده ارزان تولید شوند، عملاً تخریب‌ناپذیر باشند و کاملاً عاری از مواد خاکی کمیاب باشند. آن‌ها می‌توانند در دماهای شدید و سرعت‌های بالا بدون خطر مغناطیس‌زدایی یا ذوب شدن روتور کار کنند، که آن‌ها را برای کاربردهای تجاری سنگین و محیط‌هایی که دوام بر فشردگی حجمی ارجحیت دارد، بسیار جذاب می‌سازد.[2][8]

مانع تاریخی برای پذیرش SRM در خودروهای سواری، نوسان گشتاور (torque ripple) و نویز صوتی بوده است. ماهیت پالسی جذب مغناطیسی ارتعاشاتی ایجاد می‌کند که می‌تواند به طور ناخوشایندی در شاسی خودرو طنین‌انداز شود. در حالی که الکترونیک قدرت پیشرفته و الگوریتم‌های سوئیچینگ با فرکانس بالا در حال کاهش این مسائل هستند، SRMها همچنان از نظر چگالی توان حجمی از PMSMها عقب‌تر هستند و برای دستیابی به همان خروجی گشتاور، به فضای فیزیکی بزرگتری نیاز دارند.[5][7]

صنعت به طور فزاینده‌ای به سمت رویکردهای پیشرانه هیبریدی حرکت می‌کند تا این مصالحه‌ها را متعادل سازد. بسیاری از خودروهای تمام چرخ محرک اکنون از یک موتور PMSM بسیار کارآمد در محور اصلی برای کارایی در سرعت پایین و یک موتور القایی ارزان‌تر و بدون کشش در محور ثانویه استفاده می‌کنند که تنها زمانی درگیر می‌شود که حداکثر شتاب یا کشش مورد نیاز باشد.[2][6]

با افزایش قدرت محاسباتی در کنترل‌کننده‌های موتور، نرم‌افزار شروع به جبران کاستی‌های سخت‌افزاری معماری‌های بدون آهنربا کرده است. الگوریتم‌های سوئیچینگ پیشرفته در حال هموارسازی نوسان گشتاور SRMها و بهینه‌سازی کارایی حرارتی موتورهای القایی هستند و به آرامی گذار خودروهای برقی را از زنجیره تأمین عناصر خاکی کمیاب جدا می‌کنند و مزیت رقابتی را از استخراج مواد به سمت سیلیکون و کدنویسی سوق می‌دهند.[5][8]