منذ ظهور السيارات الكهربائية لأول مرة في منتصف القرن التاسع عشر ، كان أداء المحرك الكهربائي (eMotor) ، ولا سيما تسليم عزم الدوران ، مثار إعجاب الأخوة في السيارات.
في الواقع ، احتفظت مركبة كهربائية (EV) بسجل السرعة الأرضية للسيارات حتى حوالي عام 1900.
يستمر هذا الاتجاه اليوم. يحتفظ Tesla Model S P100D ، في وضع Ludicrous ، بسجل أسرع لسيارات الركاب ذات الإنتاج الضخم ، بينما شرارة، وهي شركة هندسية يابانية ، حطمت الرقم القياسي في الآونة الأخيرة بواسطة Hyl hypercar لأسرع سيارة تسير على الإطلاق ، بوقت يتراوح بين 0 و 60 ميلاً في الساعة قدره 1.69 ثانية.
على الرغم من أن الكثيرين يعتبرون Tesla معيارًا لأداء EV ، فإنه لم يعد لديه هذا القطاع بنفسه. في عام 2018 قدمت كل من مرسيدس-بنز وجاكوار وأودي جميعها منافسين من تسلا ، وصل عدد أكبر في عام 2019 ، وستواصل القيام بذلك على المدى القريب.
في نوفمبر 2019 ، تم تحقيق الخطوة التالية في ثورة eMobility عندما بدأت فولكس واجن في إنتاج سلسلة من سياراتها الجديدة EV ، ID3.
ماذا يحدث في المستقبل حيث لم تعد EVs الأخبار؟
نظرًا لتجاوز EVs من منافذ الفخامة والأداء الباهظة الثمن إلى القطاعات ذات الحجم الكبير والحساسة للتكاليف ، فإن حقيقة أن السيارة مزودة بمحرك كهربائي لن يكون خبرًا بحد ذاته.
سيتحول الحوار إلى ثلاثة مفاضلين رئيسيين:
- معمار
- الأداء
- التكلفة
بمجرد أن ينتقل التركيز من التحديات التي تواجه EV إلى تمايز المنتجات ، سيتمكن المصنعون من التركيز على مجموعات القوة الهندسية التي تلبي توقعات المستهلكين ، وتميز العلامات التجارية.
ما هي بنية eMotor التي سيختارها المصنِّعون لتشغيل EVs الخاصة بهم في المستقبل؟
النوعان الأساسيان لمحركات جر التيار المتردد (AC)، المغناطيس الدائم والاستقراء ، ولكل منها مزايا والقيود في تطبيقات السيارات.
ومع ذلك ، نظرًا لأن محركات المغناطيس الدائم أكثر كفاءة بطبيعتها ، فقد اختار معظم صناع السيارات والموردين هذه التقنية. باستخدام مغناطيس البورون الحديد النيوديميوم (NdFeB) ، يمكن لهذه المحركات أن تحقق كفاءة أعلى بنسبة تصل إلى 15 في المائة من المحركات الحثية المماثلة الحجم.
وفقا لشركة الأبحاث أداماس إنتليجنس، 93 في المئة من جميع EVs الركاب المباعة في عام 2018 تستخدم محركات الجر المغناطيس الدائم (PM).
على الرغم من وجود فواتير مواد أعلى من محركات الاستقراء عمومًا ، لا يزال بإمكان صانعي السيارات توفير التكاليف على مجموعة الحركة لأن الكفاءة الأعلى تمكن المصنعين من تقليل سعة البطارية المكلفة دون المساس بمدى السيارة.
على سبيل المثال ، يمكن أن تزيد تكلفة زيادة سعة حزمة بطارية 60 كيلو واط في الساعة بنسبة 300 في المائة فقط لتعويض استخدام المحرك الإلكتروني التعريفي من تكاليف توليد القوة بما يزيد عن 100 دولار (بافتراض متفائل تكلفة إضافية قدرها XNUMX دولار فقط لكل كيلو وات ساعة).
غالبًا ما يتم تفضيل المحركات الحثية للتيار المتردد من قبل الشركات المصنعة ، مثل Tesla ، لتطبيقات خرج الطاقة العالية ، على الرغم من أنها أقل كفاءة. ولكن في حين تستخدم الشركة محركات التعريفي في سياراتها الأكبر والأكثر توجهاً نحو الأداء من طراز S و Model X ، إلا أنها اختارت محرك PM إلكترونيًا للطراز 3.
زيادة الأداء وخفض تكلفة محرك الجر المغناطيس الدائم
في سعينا لزيادة تحسين كثافة الطاقة للمحرك المغناطيس الدائم للطراز 3 ، تحولت تسلا إلى تكوين PM مصمم للاستفادة من تأثير Halbach.
صفيف Halbach هو ترتيب للمغناطيس الدائم الذي يخلق مجالًا أقوى على جانب واحد مع تقليل الحقل على الجانب الآخر إلى ما يقرب من الصفر. يتم ذلك عن طريق توجيه المغناطيس بحيث تكون أقطابها خارج المرحلة ، عادةً بمقدار 90 درجة. هذا الاتجاه يقوي أساسًا المجال المغناطيسي لسطح العمل مع تقليل مجال السطح غير العامل إلى الصفر تقريبًا.
بالرغم من أن المحركات الكهربائية القائمة على مجموعة Halbach لا تزال غير سائدة حتى الآن ، فإنها تقدم مزايا عديدة مقارنة بالتصاميم التقليدية ، بما في ذلك كثافة الطاقة العالية والكفاءة العالية.
في محرك الممانعة بتبديل المغناطيس الدائم ذي المكوّنات ثلاثية الأطوار بستة مراحل من النموذج 3 ، يتم ربط أربعة مغانط صغيرة تعارض بعضها البعض لإنتاج PM يستغل تأثير Halbach. هناك العديد من هذه المغناطيسات داخل المحرك. يساهم هذا التعديل الذي تم إدخاله على PM في المساهمة بشكل كبير في مجموعة الطراز 3 الرائعة.
على الرغم من مزاياها العديدة ، إلا أن الشركات المصنعة ذات الحجم الكبير كانت حذرة من المحركات المغناطيسية الدائمة بسبب اعتمادها التقليدي على العناصر الأرضية النادرة الثقيلة. تأتي معظم هذه المواد حاليًا من الصين ، التي تمتلك أيضًا ما يتراوح بين 35 إلى 40 في المائة من الاحتياطيات العالمية من العناصر الأرضية النادرة مثل النيوديميوم والديسبروسيوم.
لتقليل الاعتماد على هذه المعادن الاستراتيجية والمكلفة ، فإن معظم الشركات المصنعة تدرس مواد وعمليات بديلة.
في عام 2018 ، أعلنت شركة تويوتا أنها طورت مغنطيسًا جديدًا مقاومًا للحرارة يقلل من النيوديميوم ، والذي يستخدم نيوديميوم أقل بكثير ، بينما لا يزال أداءه جيدًا في درجات الحرارة العالية.
من خلال استبدال جزء من النيوديميوم باللانثانوم والسيريوم ، وهي عناصر أرضية نادرة منخفضة التكلفة ، تمكنت الشركة من تقليل كمية النيوديميوم المستخدمة في المغناطيس.
كما يتيح استخدام اللانثانوم والسيريوم مقاومة عالية للحرارة ويقلل من فقد الإكراه. علاوة على ذلك ، فإن المغناطيسات الجديدة لا تحتاج إلى أي تيربيوم أو ديسبروسيوم عادة ما يكون مطلوبًا لمغناطيس نيوديميوم شديد المقاومة للحرارة.
في الآونة الأخيرة ، في فبراير 2019 ، أعلن الباحثون في مختبرات أرجون الوطنية أنهم طوروا محركًا أخف وأرخص وأكثر كفاءة ، يسمى HyMag ، عن طريق إضافة طبقات معززة إلى بنية المواد التي تتكون منها المغناطيس الدائم لتحسين كثافة التدفق المغناطيسي.
يقول العلماء إن المادة الجديدة تعمل على تحسين كثافة التدفق بنسبة تتراوح بين 10 و 30 في المائة مقارنة بمحركات المغناطيس الدائم التقليدية ، مما يوفر نطاقات EV أكبر دون بطاريات أكبر. اعتمادًا على التطبيق ، تتطلب محركات HyMag عددًا أقل من 90٪ من المواد الأرضية النادرة ، مما يقلل التكاليف بشكل كبير.
وفقًا لقائد مجموعة Argonne للمواد النانوية والأجهزة والأنظمة ، Kaizhong Gao: "يجب أن يكون لديك كثافة تدفق أعلى من أجل الحصول على مزيد من الكفاءة" ، مضيفًا أن الكفاءة الإضافية تترجم إما إلى المزيد من الطاقة المنتجة ، أو خسائر أقل.
أكبر كفاءة يمكن أن يكون لها فوائد مركبة. بالإضافة إلى عدد أقل من المواد ، يمكن للمحركات أن تكون أخف وزناً لنفس كمية الطاقة ، مما يقلل من المواد والتكلفة.
هل تتميز أجهزة eMotors من الجيل التالي بأنها فعالة من حيث التكلفة وأخف وزنا وأسرع وأكثر قوة؟
نظرًا لكون مغناطيس الأرض النادر موردًا محدودًا ومساهمًا كبيرًا في تكاليف المواد في الآلات المغناطيسية الدائمة ، قامت شركة AVL لاستشارات السيارات التي تتخذ من النمسا مقراً لها بدراسة جدوى إنتاج محرك إلكتروني من الجيل التالي دون أي مغناطيس أرضي نادر.
قدمت النتائج في ندوة 2018 CTI Automotive Drivetrain في برلين ، وخلصت الشركة إلى أن وجود بنية متزامنة المغناطيس الدائم مع انخفاض تركيز المواد الأرضية النادرة الثقيلة كان من الممكن بالفعل.
استند هذا القرار إلى ذروة إنتاج الطاقة البالغة حوالي 300 كيلو واط لسيارة دفع خلفي بوزن 2500 طن في قطاعي سيارات الركاب من الدرجة المتوسطة العليا والمتميزة. في هذا السيناريو ، يبلغ عزم الدوران الواقعي لكل عجلة حوالي 5000 نيوتن متر ، أو XNUMX نيوتن متر للمحور المدفوع.
كما قررت الشركة على 800 فولت لتقليل وزن المواد الموصلة وكذلك تقليل مساحة رقاقة أشباه الموصلات في العاكس ، وكلاهما لديه القدرة على خفض تكاليف العاكس والأسلاك. في نفس الوقت يمكن زيادة قوة الشحن ، السماح للشحن السريع.
في قرار آخر ، بناءً على تحسين التكلفة ، تم تقليل حجم المحرك وبالتالي تقليل استخدام العديد من المواد باهظة الثمن ، مثل صفائح دينامو والمغناطيس والنحاس.
ومع ذلك ، فقد أدى تخفيض حجم المحرك أيضًا إلى تقليل عزم الدوران الذي يتطلب بدوره زيادة في سرعة الدوران لاستعادة القدرة المفقودة ، كما يمكن تفسيره من الصيغة P = T.T ، حيث تشير P إلى Power ، speed إلى سرعة الدوران و T في عزم الدوران - كل ما في وحدات SI.
العلاقة بين السرعة والوزن / الحجم / التكلفة مبينة في الرسم البياني أدناه:
كان من المهم العثور على الحد الأقصى للسرعة ، وعند هذه النقطة فإن استخدام المحامل الخاصة ، ومواد التصفيح ، واللفات وما إلى ذلك من شأنه تصعيد التكاليف.
قبل تحديد السرعة الدورانية للمحرك ، كان من المهم إصلاحها متطلبات الإرسال. لتحسين الكفاءة ، يجب أن يكون عدد النسب منخفضًا قدر الإمكان. وبالتالي ، بالنسبة إلى هذا المحور الإلكتروني فائق السرعة ، كان عدد النسب مقصوراً على اثنين ، مما أدى إلى انتشار حوالي 16.
مع نسبة النقل هذه ، فإن السرعة القصوى التي تصل إلى 240 كيلومتر في الساعة مع حجم الإطارات 245/45 R19 سوف تتطلب eMotor للتدوير بسرعة قصوى تصل إلى حوالي 30,000،XNUMX دورة في الدقيقة.
بدون استخدام تقنية باهظة الثمن مثل شرائح الكوبالت ، فإن هذه السرعة الدورانية العالية قد وفّرت لفريق التصميم العديد من التحديات ، بما في ذلك:
- للتعامل مع قوى الطرد المركزي العالية بسبب السرعة الدورانية العالية ، كانت المواد وصيانة التفاوتات في التصميم الهندسي ذات أهمية قصوى
- تتطلب السرعة الدورانية العالية للعمود محامل من شأنها أن لا تتعامل مع الأحمال العالية فحسب ، بل تحتفظ أيضًا بكامل أبعادها
- يتطلب تأثير القرب ، حيث يتم استبدال التيار الموجود في السلك بسبب التدفق المتدفق وبالتالي زيادة الخسائر ، وضعًا دقيقًا لللفات في الفتحة بالإضافة إلى فتحة الجزء الثابت المغلقة
- نظرًا لأن السرعة تزيد من مجال الضعف وتؤدي الخسائر المتزايدة إلى فقد الطاقة بشكل متزايد. ومع ذلك ، من خلال تحسين عدد اللفات في كل مرحلة إلى جانب الجهد المخطط والتحكم الحالي العاكس ، يمكن أن يقتصر انخفاض الطاقة إلى 20 في المئة
من خلال تطبيق مبادئ التصميم الموضحة بإيجاز أعلاه ، تدعي الشركة أن الزيادة ، بعامل اثنين ، في سرعة المحرك تؤدي إلى تقليل مادة المحرك الفعالة بعامل يعادل اثنين.
شريطة أن يمكن تجنب التقنيات الخاصة أو باهظة الثمن في تصميم المحرك وناقل الحركة ، هناك وفورات كبيرة في التكاليف التي يتعين تحقيقها في زيادة سرعة الدوران للمحرك. يمكن تقليل وزن وحجم المحرك وفقًا لذلك مما له تأثير إيجابي على ديناميكيات السيارة وتكلفتها.
مع توقع توفر أكثر من 300 موديل EV في أوروبا بحلول عام 2025 ، يحتاج المصنعون والموردون إلى مواكبة آخر التطورات في كهربة الكهرباء ، وليس أقلها جميع الاتجاهات التي تؤثر على BEVs و eMotors التي ستدفعها في السنوات القادمة.
بصفتها شركة تركز على صناعة السيارات ، تنظم Automotive IQ الأحداث التالية المتعلقة بـ eMobility و eMotor:
