فهرست مطالب
گسترش تکنولوژی و تلاش برای دستیابی به مصرف سوخت کم و سطح آلاینده‌های پایین‌تر، صنعت خودروسازی را بیش از پیش به سوی استفاده از خودروهای برقی و هیبرید سوق داد. در نتیجه امروزه با خیل قابل توجهی از خودروهای نوین در بازار جهان و البته ایران مواجه هستیم که از انواع موتور خودروهای برقی و سیستم انتقال نیرو هیبرید یا تمام برقی (EV) بهره می‌گیرند.
اما قلب تپنده نسبتا پاک و بی‌صدای این خودروها از کدام نوع موتورهای الکتریکی است؟ چند مدل دارد و چگونه به چرخ‌ها متصل شده است؟ برای پاسخ به این پرسش‌ها و آشنایی با موتور خودروهای برقی، باید کمی به دنیای الکتریسیته و عالم بسیار پیچیده مهندسی الکترونیک و برق ورود کنیم. توجه داشته باشید که این مقاله به صورت کاملا سطحی و ساده به معرفی انواع موتور خودرو برقی پرداخته و به هیچ عنوان به موضوع طراحی پیچیده و نحوه دقیق عملکرد آنها ورود نمی‌کند.
سرآغاز موتورهای الکتریکی در خودروها
در دهه‌های اخیر صنعت خودروسازی ایران و مخصوصا جهان، شاهد حضور خودروهای متعددی از کلاس هیبرید و تمام برقی هستیم. شاید تصور کنیم که پیشرفت تکنولوژی در گذر قرن گذشته دستیابی ما به فرایند برقی کردن خودروها را ممکن کرده است. این حرف در حقیقت هم درست است و هم غلط.
بدون تردید پیشرفت تکنولوزی نقش خیره‌کننده‌ای در بهبود و افزایش بازده خودروهای برقی داشته است اما برقی شدن خودرو به هیچ عنوان پدیده جدیدی نیست. بسیاری از مخترعان از جمله رابرت اندرسن، مخترع اسکاتلندی، در سال ۱۸۳۲ میلادی به طراحی و ساخت اولین گاری برقی مشغول شد. این رویه در آغاز قرن بیستم و از سوی خودروسازان آلمانی و آمریکایی پیشرفت بیشتری یافت، اما به دلیل فقدان تکنولوژی مورد نیاز برای ساخت باتری‌های پربازده، این خودروها در خاک چرخ‌های خودروهای رایج و مطمئن بنزینی دفن شدند.
پیشرفت خیره‌کننده تکنولوژی صنعت باتری‌سازی امروزی تا اندازه‌ای رشد کرده است که شاهد تولید خودروهای برقی با برد مفید ۳۰۰ تا بیش از ۱۰۰۰ کیلومتر هستیم. پس حالا می‌توان برای اولین بار با خیالی آسوده‌تر روی خودروهای تمام الکتریکی حساب باز کرد. البته به شرطی که زیرساخت‌های مناسب استفاده از آنها در بازار کشور هدف وجود داشته باشد.
موتور الکتریکی خودرو برقی
خودروهای هیبرید و تمام الکتریکی، به صورت مقطعی یا کامل از نیروی الکتریسیته برای به حرکت در آوردن چرخ‌ها بهره می‌گیرند. نیروی الکتریسیته وارد یک موتور الکتریکی (Electric Motor) شده که جریان برق را به حرکت دورانی بدل کرده و سپس آن را به چرخ‌ها منتقل می‌کند. به عبارت ساده‌تر، خودروهای برقی درست همانند یک ماشین کنترلی اسباب‌بازی هستند که در مقیاس بسیار بزرگ‌تر و با ساختار بسیار پیچیده‌تر به تولید می‌رسند. اما موتور الکتریکی خودروهای برقی با وجود داشتن شباهت‌های ساختاری بسیار با آرمیچر بهکاررفته در ماشین کنترلی، به مراتب از سیستم‌های کنترلی، باتری و موتورهای پیچیده‌تر بهره‌مند است تا به بالاترین بازده ممکن دست یابند.
اینجا است که پای انواع موتورهای الکتریکی متفاوت با طراحی و اصول کاری متمایز به داستان باز می‌شود. موتورهایی که بر حسب فاکتورهای بسیار مهم تعیین‌کننده نظیر نیاز مشتری، کلاس تولیدی خودرو، برد مفید مورد انتظار، وزن نهایی، طول عمر مفید، میزان بازده، ابعاد و قیمت نهایی طراحی و تولید می‌شوند.
سری برق مستقیم (SDC)
شاید رایج‌ترین نوع موتورهایی باشد که افراد عادی با آن سر و کار داشته و دارند. این موتورها دارای براش (Brush/جاروبک یا همان ذغال) هستند که جریان برق را به سیم‌پیچ هسته روتور منتقل کرده و آن را به گردش در می‌آورند. این موتورها نه‌فقط در خودروها بلکه در بسیاری از تجهیزات برقی خانگی و صنعتی نظیر چرخ گوشت، مخلوط‌کن، سنگ فرز و جارو برقی به کار می‌روند. این موتورهای الکتریکی را با نام موتور برق مستقیم براش‌دار نیز می‌شناسند. از آن جایی که این موتورها با برق متناوب نیز کار می‌کنند، به آنها موتور یونیورسال (Universal) نیز می‌گویند.
مزیت
طراحی، ساختار، نگهداری و تعمیرات این موتورها بسیار ساده و ارزان‌قیمت است. در دورهای پایین بازده مناسب و گشتاور تولیدی قابل توجهی دارند.
معایب
گشتاور این موتورها با افزایش دور به شکل چشم‌گیری افت می‌کند. در نتیجه برای استفاده در دور بالا مناسب نبوده و برای ارائه بهترین بازده در عین سرعت مناسب، نیازمند استفاده از گیربکس هستند. دور موتور در آنها وابسته به فشار وارد بر شفت بسیار متغیر و ازاین‌رو کنترل دور آنها با دشواری همراه است. در مقایسه با موتورهای بدون جاروبک بازده پایین‌تر و طول عمر محدودی داشته و به هنگام کار با تولید صدا و افزایش قابل توجه دما همراه می‌شوند. در نتیجه نیاز به طراحی سیستم خنک‌کاری پربازده از مهم‌ترین معایب این موتورها در خودروسازی به حساب می‌آید.
برق مستقیم بدون براش (BLDC)
در این نسخه از موتورهای برقی، هیچ جاروبکی در اتصال به روتور (شفت دوران‌کننده) وجود ندارد و روتور صرفا با کمک نیروی مغناطیسی ایجادشده از سوی استاتور به گردش در می‌آید. در نتیجه این موتورها دارای اتلاف حرارتی و صدای کمتر هستند و بازده بالاتر و طول عمر مفید بیشتری ارائه می‌دهند. باید تاکید کرد که این نوع موتورها نیز همانند نمونه براش‌دار، در بسیاری از تجهیزات خانگی و صنعتی رده‌بالا (گران قیمت‌تر و باکیفیت بالاتر) نیز به کار می‌روند.
مزایا
این موتورها نیز دارای طراحی ساده‌ای هستند و به دلیل نبود مکانیزم براش، دارای ابعاد جمع و جور‌تر، صدای کمتر و طراحی ساده‌تر با قطعات درونی کمتر هستند و به هنگام کار دمای زیادی تولید نمی‌کنند، از دیدگاه بازده در دورهای بالاتر اتلاف انرژی کم‌تری دارند و طول عمر بیشتری به ارمغان می‌آورند.
معایب
با وجود داشتن طراحی ساده‌تر، از نظر طراحی و تولید به دلیل داشتن آهنرباهای خاص، موتورهای گران‌تری هستند و ضمن داشتن محدودیت در دور و گشتاور تولیدی، مدارهای کنترلی پیشرفته‌تر و پیچیده‌تری را طلب می‌کنند.
برق متناوب آهنربا دائم سینکرون (PMSM)
روتور این موتورها مجهز به آهنرباهای قدرتمند است. زمانی که جریان الکتریکی در سیم‌پیچ استاتور (بخش ثابت موتور) به گردش در می‌آید، وجود این آهنرباها به همراه جریان الکتریکی به دوران روتور کمک می‌کند. ازاین‌رو نیاز این نوع از موتور خودروهای برقی به انرژی الکتریسیته نسبت به سایر موتورها پایین‌تر و در نتیجه دارای بازده بالاتر است.
مزایا
این موتورها به دلیل داشتن قابلیت سینکرون، بازده بالایی دارند، بیشینه گشتاور را در دورهای مختلف ارائه می‌کنند و در تغییرات سرعت دوران دچار افت عملکرد و بازده نمی‌شوند و تحت بار و فشار، سرعت دورانی خود را حفظ می‌کنند. همچنین داشتن ابعاد فشرده، حرارت تولیدی بسیار کم و هزینه تولید معقول در مقایسه با میزان بازده و گشتاور تولیدی از مهم‌ترین مزایای آنها به حساب می‌آید.
معایب
وجود آهنرباهای مخصوص ساخته‌شده از متریال نادر نظیر نئودیمیوم و ساماریوم موجب افزایش قیمت تولید این موتورها می‌شود. همچنین این آهنرباها در گذر زمان دچار ضعف مغناطیسی شده و بروز گرما موجب افت توان مغناطیسی آنها می‌شود که به افت بازده در درازمدت می‌انجامد.
القایی متناوب سه فاز آسنکرون
این موتور دقیقا همان گروه موتورهای برقی است که در تجهیزات و ابزار آلات صنعتی سه فاز نظیر دستگاه تراش، فرز میلینگ، انواع کولر آبی سیستم‌های الکتروهیدرولیک و … به کار می‌رود. این دست موتورها با داشتن سه فاز متناوب و عملکرد القایی، بازده بسیار عالی، گشتاور بالا و کنترل پذیری عالی در میزان دقیق گشتاور تولیدی دارند.
مزایا
طراحی بسیار ساده، تولید و نگهداری کم‌هزینه و بازده بالای این موتورها به معنای مصرف انرژی کمتر برای تولید بیشترین میزان گشتاور است. همچنین قابلیت کنترل دقیق میزان گشتاور تولیدی در این موتورها از مهم‌ترین مزایای آن است.
معایب
با وجود قابلیت کنترل دقیق گشتاور تولیدی، کنترل دور این موتورها بسیار دشوارتر و چالش‌برانگیز‌تر است. همچنین از دیدگاه هزینه‌های تولید، در مقایسه با برخی دیگر از موتورهای رایج، هزینه بالاتری به همراه دارند.
رلوکتانس متغیر (SRM)
در این نوع موتورها، هسته روتور از جنس آهن است و گذر الکتریسیته از بالشتک‌ها در روتور خاصیت مغناطیسی متغیر به وجود آورده و موجب دوران روتور می‌شود.
مزایا
ساختار این موتورها بسیار ساده و تولید آنها نسبتا کم‌هزینه است. حرارت تولیدی آنها بسیار کم است و می‌توانند سرعت و توان بیشینه را در مدت زمان طولانی ارائه دهند. ساختار ساده آنها ضمن ارائه بازده مناسب با طول عمر طولانی‌تر همراه شده است.
معایب
گشتاور و توان تولیدی این موتور خودرو برقی بر اساس جریان قابل تحمل محدود است. گشتاور تولیدی آنها رفتاری ضربه‌گونه و ناهمگون دارد و ازاین‌رو به نسبت سایر موتورها پر سر و صدا به حساب می‌آید. همچنین عملکرد صحیح آن منوط به وجود سنسور قرار گرفته بر روی شفت روتور است.
موتور PMSRM
طبیعتا تنوع موتورهای الکتریکی بهکاررفته در صنعت خودروسازی به همین پنج مورد محدود نمی‌شود، اما این گروه در زمره محبوب‌ترین انواع موتور خودروهای برقی و هیبرید هستند. در میان این پنج نمونه، دو مدل برق مستقیم بدون براش (BLDC) و برق متناوب آهنربا دائم سینکرون (PMSM) بیشتریم میزان استفاده در صنعت خودروسازی امروزی را به خود اختصاص داده‌اند. با این حال مدل‌های ترکیبی جدیدی چون موتورهای PMSRM (آهنربا دائم سینکرون رلوکتانس متغیر/PMa-synRM) حاصل ترکیب طراحی فنی دو موتور آهنربا دائم سینکرون (PMSM) با رلوکتانس متغیر (SRM) در خودروهایی چون تسلا به کار گرفته شده است که از مزایای هر دو نوع موتور به منظور افزایش بازده و برد مفید در سناریو‌های مختلف رانندگی بهره بهره می‌گیرد.
محل قرارگیری موتور در ماشین برقی
تعیین تعداد موتور الکتریکی مورد نیاز برای یک خودرو برقی، محل و شیوه نصب آن کاملا منحصر به کلاس تولیدی آن خودرو مورد نظر و نوع کاربری آن دارد. در نتیجه یک ماشین برقی ممکن است تنها با یک موتور قرارگرفته روی محور جلو و در اتصال به دیفرانسیل روانه بازار شود یا این که دارای ۴ موتور مجزا قرارگرفته بر روی هر چرخ به صورت اتصال مستقیم تولید شود.
اما به صورت کلی نحوه قرارگیری موتور برقی روی خودروهای برقی و هیبرید به شرح زیر است.
نصب در جلوی گیربکس
این شیوه نصب موتور خودروهای برقی در میان خودروسازان تولید انبوه چندان رایج نیست و بیشتر در میان خودروهای برقی شخصی‌سازی‌شده و تولید محدود رواج دارد. به این ترتیب که تمامی سیستم انتقال نیرو خودرو نظیر گیربکس، گاردان، پلوس و دیفرانسیل حفظ شده و صرفا پیشرانه بنزینی با موتور برقی جایگزین می‌شود.
نصب بر روی محور
بدون تردید پرکاربرد‌ترین روش نصب موتور در خودروهای برقی، نصب آن به صورت مستقیم بر روی محور و اتصال آن به دیفرانسیل خودرو است. در این روش خودروهای رایج، دارای یک یا دو موتور در حالت‌های تک محور یا دو محور (دو دیفرانسیل) خواهند بود. این روش نصب نیز در میان خودروهای هیبرید بسیار رایج است.
نصب بر چرخ ها
برخی از خودروهای تمام الکتریکی، معمولا از خانواده خودروهای اسپرت به ازای هر چرخ یک موتور الکتریکی در نظر گرفته می‌شود که شفت خروجی آن مستقیما به تایرها متصل است. این روش ضمن ارائه حالت رانندگی دو دیفرانسیل با کنترل بسیار دقیق و توان نهایی خیره‌کننده، بسیار گران‌قیمت است. این نوع نصب را Hub Drive خطاب می‌کنند.
نصب ترکیبی
ترکیبی از حالت‌های بیان‌شده در خودروهای هیبرید و تمام برقی نیز ممکن است. به عنوان مثال امکان دارد یک موتور بر محور جلو و دو موتور بر روی چرخ‌های عقب نصب شود.
اتصال مستقیم موتور خودروهای برقی
اگر توجه کرده باشید، تقریبا تمامی خودروهای برقی فاقد گیربکس هستند. شفت موتور آنها یا به دیفرانسیل خودرو به عنوان ضریب دنده کاهنده دور متصل است یا مستقیم به چرخ‌ها وصل می‌شود. در حقیقت بیشتر موتورهای برقی به دلیل قابلیت ارائه ماکزیمم گشتاور از دور صفر (از ابتدای حرکت)، ارائه گشتاور ثابت خطی در دور موتورهای مختلف و همچنین داشتن دور موتور بالا (تا ۲۰ هزار دور در دقیقه)، بر خلاف خودروهای بنزینی، برای شتاب‌گیری و دستیابی به سرعت ماکزیمم، هیچ نیازی به استفاده از گیربکس ندارند.
اگر در برخورد با مشخصات فنی خودروهای برقی با کلمه‌ای نظیر «گیربکس تک سرعت» مواجه شدید باید بدانید که این گیربکس یک نمونه تک دنده ضریب ثابت سنگین (کاهنده دور و افزاینده گشتاور) است که گشتاور حرکتی و سرعت دورانی مورد نیاز خودرو از حالت سکون تا بیشینه سرعت ممکن را فراهم می‌کند. این حالت اتصال را در اصطلاح تخصصی تحت عنوان اتصال مستقیم (Direct Drive) می‌شناسند. توجه داشته باشید که موتورهای Hub Drive در حقیقت نوعی از اتصال مستقیم فاقد گیربکس (Direct Drive) است.
نویسنده: شهاب انیسی
