موتورهای شار محوری در برابر شار شعاعی: انتخاب‌هایی که عملکرد نسل آینده خودروهای برقی را تعیین می‌کنند

مدیران ارشد فناوری در صنعت خودروسازی که در حال نهایی کردن معماری سیستم انتقال قدرت برای پلتفرم‌های سال‌های ۲۰۲۸ تا ۲۰۳۰ هستند، با یک انتخاب دوگانه روبه‌رو شده‌اند که ابعاد، وزن و هزینه نسل بعدی خودروهای برقی آن‌ها را دیکته می‌کند. آن‌ها باید تصمیم بگیرند که آیا موتورهای باسابقه شار شعاعی (یک محصول شناخته‌شده و بسیار مقیاس‌پذیر) را حفظ کنند، یا به سمت توپولوژی نوظهور شار محوری بروند که نویدبخش کاهش چشمگیر جرم و حجم است. با تثبیت زنجیره‌های تامین در ۱۸ ماه آینده، تیم‌های مهندسی در حال ارزیابی دقیق مقیاس‌پذیری مکعبی گشتاور در طراحی‌های محوری در برابر مزیت ۲۵ تا ۴۰ درصدی هزینه تولید در واحدهای سنتی شعاعی هستند.[1][5]

تفاوت بنیادین میان این دو معماری، تماماً به مسیر میدان مغناطیسی برمی‌گردد. در یک موتور سنتی شار شعاعی، روتور درون یک استاتور استوانه‌ای قرار می‌گیرد و شار مغناطیسی به صورت عمودی و به سمت بیرون از محور چرخش حرکت می‌کند. این هندسه، نیروی محرکه همه‌چیز را از پمپ‌های آب صنعتی گرفته تا اکثریت قریب‌به‌اتفاق خودروهای برقی مدرن امروزی تامین کرده است. اما در یک موتور شار محوری، روتور و استاتور در کنار یکدیگر به شکل دیسک‌های تخت و پنکیک‌مانند قرار می‌گیرند و شار مغناطیسی به موازات شفت مرکزی جریان می‌یابد.[1][6]

این تغییر هندسی، فیزیک پایه در تولید گشتاور را دگرگون می‌کند. در یک ماشین شعاعی، گشتاور به نسبت مربع قطر موتور افزایش می‌یابد. اما در یک ماشین محوری، گشتاور با مکعب قطر مقیاس‌بندی می‌شود، زیرا ماده فعال مغناطیسی در شعاع متوسط بزرگ‌تری قرار دارد و اهرم مکانیکی بسیار بالاتری را فراهم می‌کند. این واقعیت ریاضی به موتورهای شار محوری اجازه می‌دهد تا سه تا چهار برابر چگالی گشتاور بیشتری نسبت به همتایان شعاعی خود تولید کنند و به طور بنیادین میزان فضای فیزیکی مورد نیاز برای سیستم انتقال قدرت در شاسی خودرو را تغییر دهند.[3][6]

کاهش جرمی که از طریق این معماری به دست می‌آید، بسیار چشمگیر است. یک موتور برتر شار شعاعی معمولاً در بهترین حالت به چگالی توان ۳ تا ۵ کیلووات بر کیلوگرم می‌رسد. در مقابل، واحدهای پیشرفته شار محوری این مرزها را به شکلی تصاعدی جابه‌جا کرده‌اند. نسخه سال ۲۰۲۵ یک موتور شار محوری که توسط شرکت بریتانیایی یاسا (YASA) توسعه یافته، تنها ۱۲٫۷ کیلوگرم وزن دارد و در عین حال ۷۵۰ کیلووات توان در نقطه اوج تولید می‌کند. تیم وولمر (Tim Woolmer)، بنیان‌گذار یاسا، درباره ریشه‌های این معماری می‌گوید: «پنج هفته از شروع دوره دکترای من در دانشگاه آکسفورد (Oxford University) گذشته بود که ناگهان متوجه شدم راه بسیار بهتری برای ساخت یک ماشین الکتریکی وجود دارد. بینش من این بود که با حذف یوغ استاتور موتور و تقسیم آن به بخش‌های مجزا، می‌توانیم وزن موتور را کاهش دهیم و هم‌زمان گشتاور، چگالی توان، راندمان و قابلیت تولید آن را بهبود ببخشیم.»[2][3]

در ژوئن ۲۰۲۶، پژوهشگران شرکت پانگو پاور (Pangoo Power) و آکادمی علوم چین یک موتور شار محوری را به نمایش گذاشتند که با استفاده از یک ماده مغناطیسی دائم نوین، به چگالی توان ۲۵٫۷۳ کیلووات بر کیلوگرم در سرعت ۱۸,۰۰۰ دور بر دقیقه دست یافت. با پایدارسازی این معماری دیسک‌شکل در سرعت‌های چرخشی بالا (که از نظر تاریخی یک نقطه ضعف برای این توپولوژی محسوب می‌شد)، تیم مهندسی نشان داد که موتورهای محوری می‌توانند وزن کلی سیستم انتقال قدرت و طول محوری را در مقایسه با موتورهای شعاعی با عملکرد مشابه، حدود ۵۰ درصد کاهش دهند.[4]

دستاوردهای مرتبط با راندمان، مزایای ابعاد فیزیکی را در طول عمر خودرو دوچندان می‌کند. یک موتور برقی ممتاز شار شعاعی معمولاً در سرعت و بار بهینه خود با راندمان ۹۲ تا ۹۴ درصد کار می‌کند. موتورهای شار محوری با بهره‌گیری از مسیرهای کوتاه‌تر و یک‌بعدی شار مغناطیسی، به طور معمول به راندمان ۹۵ تا ۹۷ درصد می‌رسند. اگرچه اختلاف دو تا سه درصدی روی کاغذ ناچیز به نظر می‌رسد، اما تلفات راندمان در کاربردهایی که موتورها به طور پیوسته کار می‌کنند، به صورت تصاعدی انباشته می‌شود. علاوه بر این، موتورهای شار محوری راندمان نزدیک به اوج خود را در بازه بسیار وسیع‌تری از سرعت‌های چرخشی حفظ می‌کنند، که این امر برای چرخه‌های بار بسیار متغیر خودروهای سواری در ترافیک‌های شهری و توقف‌وحکت‌های مداوم، حیاتی است.[1]

با این حال، گذار به سمت موتورهای شار محوری به شدت با محدودیت‌های بلوغ تولید و هزینه‌های سرمایه‌ای مواجه است. موتورهای شار شعاعی از بیش از یک قرن اصلاح و تکامل صنعتی بهره می‌برند؛ تجهیزات تولید آن‌ها در هر قطب بزرگ صنعتی در سراسر جهان وجود دارد و زنجیره‌های تامین برای ورق‌های فولاد الکتریکی و سیم‌پیچ‌های مسی بسیار رقابتی هستند. در نتیجه، تولید یک موتور شار شعاعی با مشخصات معین، ۲۵ تا ۴۰ درصد ارزان‌تر از یک واحد محوری معادل تمام می‌شود. برای خودروسازانی که با حاشیه‌های سود بسیار ناچیز در بخش خودروهای برقی اقتصادی فعالیت می‌کنند، این اختلاف هزینه بر هرگونه مزیت ابعاد فیزیکی غلبه می‌کند.[1][5]

طراحی‌های شار محوری تلورانس‌های مکانیکی سخت‌گیرانه‌ای را تحمیل می‌کنند که مونتاژ انبوه را پیچیده می‌سازد. استاتورهای دوطرفه نیازمند هم‌ترازی بسیار دقیقی هستند و شکاف‌های هوایی میان دیسک‌های چرخان اغلب کمتر از یک میلی‌متر اندازه‌گیری می‌شوند. جاذبه مغناطیسی میان روتور و استاتور بسیار عظیم و نامتوازن است، که نیازمند محفظه‌های ساختاری صلب و سنگینی است که می‌تواند بخشی از مزایای ذاتی وزن موتور را خنثی کند. تا همین اواخر، تولید استاتورها نیازمند مونتاژ دستی پیچیده‌ای بود، هرچند پیشرفت‌های اخیر در تولید سیم‌پیچ‌های پیوسته که به عنوان لایه‌های مجزا عمل می‌کنند، مسیر تولید اقتصادی در مقیاس انبوه را هموار کرده است.[1][5]

ادغام این موتورهای جمع‌وجور، زنجیره‌ای از تغییرات طراحی پایین‌دستی را در سراسر پلتفرم خودرو به همراه دارد. از آنجا که این موتور سبک‌تر و تخت‌تر است، می‌تواند مستقیماً درون توپی چرخ‌ها جای گیرد یا در محورهای برقی فوق‌فشرده ادغام شود و فضای حجمی میان چرخ‌ها را آزاد کند. این امر جرم مورد نیاز برای اجزای ساختاری پشتیبان، از جمله ریل‌های شاسی، اتصالات سیستم تعلیق و ترمزهای اصطکاکی را کاهش می‌دهد. این کاهش وزن مرکب به این معناست که یک بسته باتری کوچک‌تر و سبک‌تر می‌تواند به همان برد آیرودینامیکی دست یابد و در نتیجه، جرم کل خودرو و هزینه مواد اولیه را بیش از پیش کاهش دهد.[2][4]

عامل تعیین‌کننده برای چرخه تولید سال ۲۰۳۰، به بازده تولید استاتورها بستگی دارد. در حالی که موتورهای شار شعاعی به لطف مقیاس‌پذیری عظیم خود، تسلطشان را بر بازار انبوه حفظ خواهند کرد، تجاری‌سازی استاتورهای محوری با سیم‌پیچ پیوسته در حال از میان برداشتن این سد هزینه‌ای است. اگر تلورانس‌های تولید برای شکاف‌های هوایی زیر یک میلی‌متر بتواند در حجم بالا خودکارسازی شود، کاهش ۵۰ درصدی در جرم سیستم انتقال قدرت، حتی خودروسازان اقتصادی را نیز مجبور خواهد کرد تا در نقشه‌های شاسی خود تجدید نظر کنند.[1][7]