مقایسه موتورهای آهنربای دائم، القایی و رلوکتانس سوئیچ‌شونده: توازن بین راندمان، هزینه و وابستگی به خاک‌های کمیاب

انتخاب معماری موتور الکتریکی اساساً در بخش روتور تعیین می‌شود. چه یک تولیدکننده در حال ساخت سیستم محرکه خودروی الکتریکی باشد، چه کمپرسور صنعتی یا پمپ پرسرعت، ترکیب فیزیکی هسته چرخان است که حداکثر راندمان سیستم، هزینه تولید و میزان آسیب‌پذیری آن در برابر شوک‌های زنجیره تامین جهانی را مشخص می‌کند. موتورهای آهنربای دائم (PM) فلزات خاکی کمیاب را مستقیماً در روتور جای می‌دهند تا یک میدان مغناطیسی ثابت ایجاد کنند. موتورهای القایی AC این آهنرباها را با میله‌های رسانایی جایگزین می‌کنند که بر پایه لغزش الکترومغناطیسی کار می‌کنند. موتورهای رلوکتانس سوئیچ‌شونده (SR) روتور را به فولاد لایه‌لایه خالص تقلیل داده و آهنرباها و سیم‌پیچ‌ها را به طور کامل حذف می‌کنند.[1][4]

برای دهه‌ها، اجماع مهندسی، موتور سنکرون آهنربای دائم را به عنوان سقف بلامنازع راندمان در نظر می‌گرفت. موتورهای PM با حفظ یک شار مغناطیسی ثابت بدون کشیدن جریان برای القای آن، تلفات حرارتی ثانویه روتور را از بین می‌برند. همان‌طور که فرانسیس ریچاردز در تحلیل سال ۲۰۱۳ برای Machine Design اشاره کرد: «در شرایط برابر، فناوری روتور PM به سادگی کارآمدتر از فناوری القایی است.» این مزیت معماری به آن‌ها اجازه می‌دهد تا به حداکثر راندمان تبدیل الکترومکانیکی ۹۳ تا ۹۷ درصد دست یابند. با این حال، هزینه این مزیت در بخش مواد اولیه است: این روتورها به مقادیر قابل‌توجهی نئودیمیوم و دیسپروزیوم نیاز دارند. این عناصر خاکی کمیاب گران‌قیمت هستند، تحت کنترل‌های شدید صادراتی ژئوپلیتیکی قرار دارند و در برابر نوسانات شدید قیمتی آسیب‌پذیرند.[1][2][3][4]

از آنجا که امنیت زنجیره تامین به اندازه بهره‌وری انرژی حیاتی شده است، موتورهای القایی AC یک راه فرار اثبات‌شده از بازار خاک‌های کمیاب ارائه می‌دهند. به جای آهنرباهای دائم، میدان مغناطیسی دوار استاتور جریانی را در سیم‌پیچ‌های قفس‌سنجابی روتور القا می‌کند. از آنجا که روتور باید کمی کندتر از میدان مغناطیسی بچرخد (پدیده‌ای که به عنوان لغزش شناخته می‌شود)، موتورهای القایی ذاتاً گرمای بیشتری تولید کرده و بخشی از راندمان را فدا می‌کنند که معمولاً حداکثر آن بین ۹۰ تا ۹۵ درصد است.[3][5]

با وجود این افت جزئی ۲ تا ۴ درصدی در راندمان، تولید موتورهای القایی هزینه بسیار کمتری دارد و به هیچ ماده خاص و کمیابی نیاز ندارند. آن‌ها همچنین می‌توانند جهش‌های بارگذاری عظیم را بدون خطر غیرمغناطیسی شدن آهنربای دائم تحمل کنند، که این امر آن‌ها را به انتخاب پیش‌فرض برای کاربردهای سنگین صنعتی و تعداد فزاینده‌ای از خودروهای الکتریکی تولید انبوه تبدیل کرده است. عدم وجود آهنرباهای دائم به این معنی است که موتور می‌تواند بدون تولید نیروی محرکه الکتریکی برگشتی آزادانه بچرخد، که یک مزیت متمایز در سیستم‌های خودرویی دو موتوره است.[1][3][4][5]

موتورهای رلوکتانس سوئیچ‌شونده رادیکال‌ترین انحراف از طراحی سنتی را نشان می‌دهند و پیچیدگی را از سخت‌افزار فیزیکی به نرم‌افزار منتقل می‌کنند. روتور SR هیچ آهنربا، میله مسی و اتصال الکتریکی از هیچ نوعی ندارد؛ بلکه صرفاً یک بلوک شکل‌دار از آهن لایه‌لایه با قطب‌های برجسته است. گشتاور صرفاً توسط مقاومت مغناطیسی تولید می‌شود، به این صورت که آهنرباهای الکتریکی استاتور قطب‌های آهنی را در یک راستا می‌کشند، درست مانند آهنربایی که یک گیره کاغذ را جذب می‌کند.[1][4][6]

از آنجا که روتور SR هیچ رسانایی ندارد، تلفات حرارتی روتور تقریباً صفر است. علاوه بر این، ساختار تمام‌آهنی، جرم روتور را در مقایسه با موتور القایی ۵۰ تا ۶۰ درصد کاهش می‌دهد و امکان شتاب‌گیری سریع، عملکرد در سرعت بالا و تحمل دمای شدید را فراهم می‌کند. اگر یک موتور SR متوقف شود، هیچ آهنربایی برای از دست دادن خاصیت مغناطیسی و هیچ سیم‌پیچی در روتور برای ذوب شدن وجود ندارد، که این امر آن را در محیط‌های خشن تقریباً غیرقابل تخریب می‌سازد.[4][6]

بهای سادگی فیزیکی موتور SR، پیچیدگی شدید در کنترل آن است. از آنجا که گشتاور در پالس‌های مجزا همزمان با هم‌راستا شدن قطب‌ها تولید می‌شود، موتورهای SR به طور طبیعی ریپل گشتاور و نویز صوتی تولید می‌کنند. آن‌ها به قطعات الکترونیکی سوئیچینگ پیچیده و فرکانس بالا برای هموارسازی انتقال توان و حفظ چرخش نیاز دارند. در نتیجه، راندمان آن‌ها در سطح سیستم معمولاً بین ۸۵ تا ۹۳ درصد قرار می‌گیرد که به دلیل تلفات سوئیچینگ در اینورتر، کمی پایین‌تر از طراحی‌های PM و القایی است.[4][6]

با این حال، با ارزان‌تر و سریع‌تر شدن پردازش سیگنال دیجیتال، توانایی کنترل دقیق موتورهای SR به سرعت در حال بهبود است. الگوریتم‌های پیشرفته اکنون می‌توانند بخش زیادی از ریپل گشتاور را که از نظر تاریخی موتورهای SR را به نقش‌های صنعتی خاص محدود می‌کرد، کاهش دهند. محققان در ABB نشان داده‌اند که استراتژی‌های کنترل بهینه‌شده می‌توانند راندمان‌های فوق‌العاده بالایی به همراه داشته باشند که با طراحی‌های سنتی رقابت می‌کند. با حذف ۱۰۰ درصد فلزات خاکی کمیاب مورد نیاز در طراحی‌های PM و کنار گذاشتن سیم‌پیچ‌های مسی سنگین موتورهای القایی، معماری رلوکتانس سوئیچ‌شونده توازن مهندسی مدرن را به تصویر می‌کشد: جایگزینی هزینه‌های مواد فیزیکی با پیچیدگی محاسباتی.[1][2][6]