موتور ماشین برقی چیست و چگونه کار می‌کند؟

موتور ماشین برقی (Electric Motor)، قلب سیستم محرکه خودروهای برقی است و وظیفه دارد انرژی ذخیره‌شده در باتری را برای حرکت خودرو به نیروی مکانیکی تبدیل کند. در خودروهای تمام‌برقی، این موتور جای موتور احتراق داخلی به‌کار می‌رود و به‌طور مستقیم نیروی لازم برای چرخ‌ها را تأمین می‌کند.

در این مطلب به بررسی کامل موتور ماشین برقی می‌پردازیم.

موتور برقی در مقابل موتورهای دیزلی و بنزینی

موتورهای الکتریکی برخلاف موتورهای دیزلی و بنزینی، برای تولید نیرو به احتراق سوخت نیاز ندارند. جریان برق با ایجاد میدان مغناطیسی باعث چرخش روتور می‌شود و این چرخش از طریق سیستم انتقال قدرت به چرخ‌ها می‌رسد.

در یک ماشین برقی، مسیر کلی انرژی به این شکل است:

باتری ← اینورتر و سیستم کنترل ← موتور الکتریکی ← انتقال قدرت ← چرخ‌ها

موتور خودرو برقی علاوه بر تأمین نیروی حرکت می‌تواند در زمان کاهش سرعت مانند یک ژنراتور عمل کند و بخشی از انرژی حاصل از ترمزگیری را به باتری منتقل کند. به این فرایند «ترمز احیاکننده» گفته می‌شود.

امروزه خودروسازانی مانند  ایکس‌پنگ از فناوری‌های پیشرفته موتور الکتریکی برای بهبود عملکرد و راندمان ماشین‌های برقی خود بهره می‌برند.

موتور ماشین برقی چگونه کار می‌کند؟

موتور ماشین برقی، انرژی الکتریکی باتری را به نیروی مکانیکی تبدیل می‌کند و خودرو را به حرکت درمی‌آورد. نیروی تولیدشده نیز به کمک سیستم انتقال قدرت به چرخ‌ها منتقل می‌شود.

نقش اینورتر در عملکرد موتور

باتری خودرو برق را به‌شکل جریان مستقیم (DC) ذخیره می‌کند. اما موتورهای مورد استفاده در بسیاری از ماشین‌های برقی برای عملکرد خود به جریان کنترل‌شده نیاز دارند. اینورتر جریان برق را متناسب با نیاز موتور تبدیل و کنترل می‌کند. سیستم کنترل برای مدیریت سرعت و گشتاور موتور، به تنظیم این جریان می‌پردازد.

• بیشتر بخوانید: عمر باتری خودرو برقی چقدر است؟

اجزای موتور ماشین برقی چیست؟

موتور خودرو برقی از چند بخش اصلی تشکیل شده است. این بخش‌ها در کنار هم انرژی الکتریکی را به نیروی محرکه تبدیل می‌کنند. مهم‌ترین اجزای موتور خودرو برقی، استاتور و روتور هستند. در کنار آن‌ها نیز قطعاتی مانند محور، سیم‌پیچ‌ها و سیستم خنک‌کاری در عملکرد موتور نقش دارند.

استاتور؛ بخش ثابت موتور

استاتور بخش ثابت موتور است و معمولاً سیم‌پیچ‌ها در آن قرار دارند. عبور جریان الکتریکی از سیم‌پیچ‌ها، میدان مغناطیسی مورد نیاز برای چرخش روتور را فراهم می‌کند.

سیم‌پیچ‌ها

سیم‌پیچ‌های موتور وظیفه ایجاد میدان مغناطیسی را برعهده دارند. نحوه قرارگیری و کنترل جریان در این سیم‌پیچ‌ها، در گشتاور، ‌راندمان و توان موتور اثر مستقیم دارد.

محور و سیستم انتقال قدرت

چرخش روتور به محور منتقل می‌شود. سپس مجموعه انتقال قدرت، این نیرو را به چرخ‌ها می‌رساند. در خودروهای برقی، این مجموعه اغلب ساده‌تر از سیستم انتقال قدرت خودروهای دارای احتراق داخلی است.

سیستم خنک‌کاری

این سیستم وظیفه دارد دمای مناسب قطعه‌ها را حفظ کند. موتور، اینورتر و سایر اجزای سیستم محرکه هنگام کار گرما تولید می‌کنند. سیستم خنک‌کاری برای حفظ عملکرد و دوام سیستم، ‌دمای این قطعات را در محدوده مناسب نگه می‌دارد.

• بیشتر بخوانید: فرق خودرو برقی با هیبریدی

انواع موتور خودرو برقی

موتور ماشین برقی برخلاف تصور رایج، فناوری واحد ندارد. خودروسازان با توجه به هدف خود برای هر خودرو از موتور مناسب آن بهره می‌برند. عواملی مثل راندمان، ‌چگالی، توان،‌ وزن، هزینه ساخت، ‌دمای کاری و قابلیت کنترل در انتخاب موتور اثرگذارند.

در ادامه به بررسی انواع موتور خودرو برقی می‌پردازیم.

1. موتور سنکرون آهنربای دائم (PMSM)

این موتور یکی از مهم‌ترین انواع مورد استفاده در خودروهای برقی است. در این موتور، آهنرباهای دائمی روی روتور، میدان مغناطیسی مورد نیاز را فراهم می‌کنند و سیم‌پیچ‌های استاتور با جریان کنترل‌شده،‌ میدان مغناطیسی دوار به وجود می‌آورند.

برهم‌کنش یا تعامل این دو میدان باعث تولید گشتاور و چرخش روتور می‌شود. ازآنجاکه سرعت چرخش روتور و میدان در حالت سنکرون باهم مرتبط هستند، این موتورها را در دسته سنکرون قرار می‌دهند.

مزایا

مزیت مهم موتور PMSM، راندمان بالا و چگالی توان مناسب است. به همین علت، این فناوری برای خودرویی جذاب است که باید از انرژی باتری و فضای محدود، استفاده حداکثری ببرد. وزارت انرژی آمریکا نیز راندمان بالا و چگالی توان زیاد را از جمله ویژگی‌های مهم موتورهای آهن‌ربای دائم در خودروهای برقی می‌داند.

معایب

البته استفاده از این نوع موتور خودرو برقی، بدون هزینه نیست. بسیاری از این موتورها به آهن‌رباهایی از جنس مواد کمیاب مانند نئودیمیوم وابسته‌اند. همین موضوع می‌تواند هزینه، زنجیره تأمین و وابستگی به مواد اولیه را تحت تأثیر قرار دهد.

IEA نیز وابستگی موتورهای آهنربای دائم به عناصر نادر خاکی را یکی از مسائل مهم و مربوط این فناوری می‌داند.

• بیشتر بخوانید: شارژ خودرو برقی و نکاتی که شاید ندانید

موتور IPM چیست؟

یکی از مهم‌ترین انواع PMSM، موتور آهن‌ربای دائم داخلی است. در موتور IPM، آهن‌رباها داخل روتور قرار می‌گیرند و مثل SPM روی سطح بیرونی نصب نشده‌اند. این تفاوت در محل قرارگیری در رفتار مغناطیسی، استحکام مکانیکی روتور و قابلیت کار در سرعت‌های بالا اثر می‌گذارد.

2. موتور آهنربای دائم سطحی (SPM)

این نوع موتور ماشین برقی یکی دیگر از معماری‌های موتورهای آهن‌ربای دائم است. در اینجا، آهن‌رباها روی سطح روتور قرار می‌گیرند. ساختار SPM در مقایسه با IPM ساده‌تر به نظر می‌رسد. اما تفاوت اصلی در مواردی مانند سرعت بالا، تولید گشتاور و استحکام روتور است.

به همین علت نمی‌توان گفت دقیقاً SPM  یا IPM بهتر است. انتخاب میان هرکدام به توان موردنیاز، محدوده سرعت و استراتژی کنترل بستگی دارد.

3. موتور القایی (Induction Motor)

این نوع موتور خودرو برقی، یکی از شناخته‌شده‌ترین و قدیمی‌ترین فناوری‌های موتور AC محسوب می‌شود. تفاوت اصلی آن با موتور آهن‌ربای دائم این است که روتور برای ایجاد میدان مغناطیسی به آهن‌ربای دائم متکی نیست. میدان مغناطیسی استاتور، جریان القایی را در روتور ایجاد می‌کند و تعامل میدان‌ها گشتاور می‌سازد.

مزایا

یکی از مزیت‌های مهم موتور القایی، حذف آهن‌ربای دائم است. درنتیجه، موتور به آهن‌ربای دائمی دارای عناصر نادر خاکی وابسته نیست. این امر می‌تواند از نظر زنجیره تأمین مواد اولیه و هزینه مزیت به شمار رود.

همچنین،‌ موتورهای القایی ساختاری نسبتاً شناخته‌شده و بالغی دارند و از قابلیت اطمینان خوبی بهره‌مند هستند.

4. موتور رلوکتانس متغیر (SRM)

این موتور از نظر ساختار با موتورهای آهن‌ربای دائم متفاوت است. درحقیقت، این موتور خودرو برقی برای تولید گشتاور به آهن‌ربای دائم روی روتور وابسته نیست و عملکرد آن بر طبق تمایل مدار مغناطیسی به حرکت به سمت مسیری با رلوکتانس کمتر شکل می‌گیرد.

مزایا

یکی از جذابیت‌های SRM، ساختار ساده و مقاوم روتور است. همچنین، هزینه تولید کمتری دارند. حرارت بسیار کمی هم تولید می‌کنند و می‌توانند توان و سرعت بیشینه را در زمانی طولانی ارائه دهند. ساختار نسبتاً ساده این نوع موتور در کنار بازدهی مناسب باعث افزایش طول عمر آن شده است.

معایب

توان تولیدی و گشتاور این موتور ماشین برقی بر طبق جریان قابل تحمل با محدودیت همراه است. گشتاور آن‌ها نیز رفتاری ناهمگون و ضربه‌گونه دارد. ازاین‌رو در مقایسه با سایر موتورها پر سر و صدا به‌نظر می‌رسند. همچنین، عملکرد صحیح آن‌ها به وجود سنسور روی شفت موتور بستگی دارد.

5. برق مستقیم بدون براش (BLDC)

این نوع موتور ماشین برقی، به معنای موتور DC بدون جاروبک است. در این موتور خبری از جاروبک‌های مکانیکی معمول در موتورهای  DC سنتی نیست و عمل کوتاسیون به‌صورت الکتریکی انجام می‌گیرد. موتور BLDC و PMSM از نظر ساختار شباهت زیادی دارند و هر دو می‌توانند از آهنربا دائم روی روتور استفاده کنند.

باوجوداین، در شکل نیروی محرکه الکتریکی، روش کوتاسیون و نحوه کنترل تفاوت‌هایی دارند. موتورهای BLDC در بسیاری از صنایع رده‌بالا و تجهیزات خانگی (باکیفیت بیشتر و گران‌‌قیمت‌تر)‌ نیز استفاده می‌شوند. صدای کمتر و عمر مفید و بازدهی بیشتری دارند.

مزایا

این نوع موتور از طراحی ساده‌تری برخوردار است و به علت نبود مکانیزم براش، جمع‌وجورتر و با قطعات درونی کمتری عرضه می‌شود. هنگام کار کردن گرمای زیادی ایجاد نمی‌کند و در دورهای بالاتر هم اتلاف انرژی کمتری دارد و طول عمر آن بیشتر است.

معایب

اگرچه طراحی ساده‌ای دارند، ازآنجاکه از آهن‌رباهای خاص برخوردارند، موتورهای گران‌تری محسوب می‌شوند و درنتیجه داشتن محدودیت در گشتاور و دور تولیدی، به مدارهای پیچیده‌تر و پیشرفته‌تری نیاز دارند.

مقایسه انواع موتور خودرو برقی

برای بررسی بهتر تفاوت موتورها می‌توان آن‌ها را به شکل زیر مقایسه کرد:

محل قرارگیری موتور خودرو برقی

محل نصب و تعداد موتورهای الکتریکی به کلاس خودرو، معماری سیستم انتقال قدرت و نوع کاربری بستگی دارد؛ بنابراین، یک خودرو برقی می‌تواند فقط یک موتور روی محور جلو یا عقب داشته باشد یا در نمونه‌های پیشرفته‌تر از دو یا حتی 4 موتور مستقل بهره ببرد.

درکل، رایج‌ترین شیوه‌های نصب موتور در خودروهای هیبریدی و برقی شامل موارد زیر می‌شوند:

نصب موتور برقی در جلوی گیربکس

این روش اغلب در خودروهای برقی تبدیل‌شده یا پروژه‌های تولید محدود مشاهده می‌شود. در این حالت،‌ موتور الکتریکی به جای موتور بنزینی به کار می‌رود و قسمت زیادی از سیستم انتقال قدرت مانند گاردان، گیربکس و دیفرانسیل حفظ می‌شود.

نصب موتور الکتریکی روی محور

رایج‌ترین معماری در خودروهای برقی امروزی، نصب موتور روی محور و اتصال آن به دیفرانسیل و کاهنده است. خودرو می‌تواند یک موتور روی محور جلو یا عقب داشته باشد یا با کمک دو موتور،‌هر دو محور را به‌طور مستقل به حرکت درآورد. این آرایش در خودروهای هیبریدی هم کاربرد گسترده دارد.

نصب موتور برقی روی چرخ‌ها

در این معماری، ‌برای هر چرخ یک موتور مستقل در نظر گرفته می‌شود و نیروی موتور به‌طور مستقیم به چرخ انتقال پیدا می‌کند. کنترل مستقل گشتاور هر چرخ،‌ آزادی عمل زیادی برای مدیریت کشش و پایداری خودرو به همراه دارد.

باوجوداین،‌ وزن اجرای متحرک و پیچیدگی سیستم باعث شده است این روش هنوز فراگیر نباشد. این معماری اغلب با عنوان موتور درون‌چرخ شناخته می‌شود.

نصب ترکیبی موتورهای برقی

در برخی از خودروها،‌ ترکیبی از این معماری‌ها به ‌کار می‌رود؛‌ برای مثال،‌یک موتور می‌تواند روی محور جلو و دو موتور مستقل روی چرخ‌های عقب قرار بگیرند. چنین ترکیبی امکان کنترل دقیق‌تر نیرو و دستیابی به سیستم چهار چرخ محرک را فراهم می‌کند.

اتصال مستقیم موتور خودروهای برقی

اگر به مشخصات فنی خودروهای برقی نگاهی بیندازید، ‌متوجه می‌شوید بیشتر آن‌ها به گیربکس‌های چند سرعته رایج در ماشین‌های بنزینی مجهز نیستند.

موتور الکتریکی معمولاً ‌از طریق یک مجموعه کاهنده و دیفرانسیل به چرخ‌ها متصل می‌شود یا در برخی از معماری‌ها به‌طور مستقیم نیروی خود را به چرخ منتقل می‌کند. دلیل اصلی این امر، ویژگی‌های موتور الکتریکی است.

این موتورها می‌توانند از همان لحظه شروع حرکت گشتاور بالایی تولید کنند و در محدوده‌ای وسیع از دور موتور، ‌عملکردی مناسب داشته باشند. همچنین،‌ دور کاری بالای آن‌ها به تعویض مکرر دنده ندارد.

بنابراین،‌ اگر در مشخصات خودروی برقی با عبارت «گیربکس تک‌سرعته» روبه‌رو شدید،‌ منظور یک مجموعه انتقال قدرت با نسبت ثابت است که ضمن کاهش دور موتور،‌ گشتاور را افزایش می‌دهد و نیروی مورد نیاز خودرو را در محدوده سرعت کاری آن تأمین می‌کند.

در برخی از خودروها هم موتور بدون استفاده از مجموعه کاهنده به‌طور مستقیم (Direct Drive) به چرخ متصل می‌شود که در موتورهای درون‌چرخ (Hub Drive) نیز مشاهده می‌شود.

• بیشتر بخوانید:‌ مقایسه خودرو و بررسی ماشین‌های برقی ایکس‌پنگ

کلام پایانی

موتور ماشین برقی، ‌قلب سیستم انتقال قدرت خودروهای الکتریکی است. این بخش انرژی باتری را به نیروی محرک چرخ‌ها تبدیل می‌کند. برخلاف موتورهای بنزینی، موتورهای برقی گشتاور را از همان ابتدای حرکت در اختیار خودرو قرار می‌دهند.

به همین علت معمولاً به گیربکس‌های چند سرعته نیاز ندارند. موتورهای PMSM، القایی، SRM و انواع دیگر، هرکدام مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند و بسته به نوع خودرو و کاربری آن انتخاب می‌شوند.

از یک موتور روی یک محور گرفته تا دو موتور برای تأمین نیروی چهار چرخ محرک و حتی موتورهای مستقل روی هر چرخ،‌معماری‌های گوناگونی برای انتقال قدرت برقی وجود دارد.

درنهایت،‌انتخاب موتور ماشین برقی به عواملی مانند وزن، راندمان،‌ گشتاور،‌ هزینه و چگونگی استفاده از خودرو بستگی دارد.

سؤالات متداول