موتورهای شار محوری خودروهای برقی

پایان دوران موتورهای استوانه‌ای سنگین؛ چرا موتورهای شار شعاعی به سقف بازدهی رسیدند؟

بیش از یک قرن است که قریب به اتفاق موتورهای الکتریکی جهان بر پایه اصل «شار شعاعی» (Radial Flux) ساخته می‌شوند. در این موتورها، روتور استوانه‌ای شکل درون یک استاتور توخالی می‌چرخد و خطوط میدان مغناطیسی عمود بر محور چرخش شفت و در امتداد شعاع دایره حرکت می‌کنند. تسلا مدل S، پورشه تایکان و تمام خودروهای برقی شاخص دهه گذشته با این هندسه به تولید انبوه رسیدند.

اما موتورهای شار شعاعی با محدودیت‌های فیزیکی گریزناپذیری مواجه شده‌اند: وزن بالای مس و آهن در سیم‌پیچ‌های انتهایی (End-Windings) که هیچ سهمی در تولید گشتاور ندارند، تجمع گرمای شدید در هسته استوانه و نیاز به فضای حجیم در محور میانی چرخ‌ها که آزادی عمل طراحان شاسی را به شدت محدود می‌سازد.

امروزه صنعت خودرو با پذیرش تجاری «موتورهای شار محوری» (Axial Flux) در حال تجربه بزرگ‌ترین جهش راندمان خود از زمان اختراع خودروهای الکتریکی است. این دستاورد فنی گامی مکمل در مسیری است که پیش‌تر در کالبدشکافی رنسانس خودروهای برقی برد-افزا EREV و ژنراتورهای کم‌حجم تشریح کردیم؛ جایی که فشردگی اجزای محرکه اولویت اول طراحی بود.

کالبدشکافی فیزیکی و هندسی موتورهای دیسکی؛ خطوط میدان مغناطیسی موازی با محور

تفاوت بنیادین در موتورهای شار محوری، هدایت خطوط میدان مغناطیسی به موازات محور چرخش است. به جای یک استوانه بلند و قطور، موتور شبیه به یک دیسک باریک ساندویچی (Pancake Motor) طراحی می‌شود که در آن روتورها و استاتورها روبه‌روی یکدیگر قرار می‌گیرند. در پیشرفته‌ترین معماری‌ها (مانند ساختار Yokeless and Segmented Armature شرکت YASA که توسط مرسدس بنز خریداری شد)، آهن پس‌زمینه استاتور به طور کامل حذف شده است.

این شاهکار متالورژی باعث می‌شود که تقریباً ۱۰۰ درصد طول سیم‌های مسی درون شیارها در تماس مستقیم با شار مغناطیسی قرار گرفته و هیچ مس بی‌استفاده‌ای در انتهای سیم‌پیچ باقی نماند. حذف آهن اضافه نه تنها وزن موتور را بیش از ۵۰ درصد کاهش می‌دهد، بلکه تلفات ناشی از جریان‌های گردابی (Eddy Currents) و پسماند مغناطیسی را به حداقل می‌رساند.

نتیجه این هندسه، رسیدن به چگالی گشتاور خیره‌کننده ۳۵ تا ۴۵ نیوتن‌متر به ازای هر کیلوگرم وزن موتور است؛ در حالی که بهترین موتورهای شار شعاعی مدرن به زحمت به عدد ۱۰ الی ۱۲ نیوتن‌متر بر کیلوگرم دست می‌یابند.

خنک‌کاری مستقیم روغنی و مقاومت در برابر پدیده تضعیف میدان مغناطیسی

یکی از چالش‌های تاریخی ساخت موتورهای شار محوری در مقیاس صنعتی، نیروهای جاذبه مغناطیسی محوری عظیم میان دیسک‌ها و دشواری خنک‌کاری آن‌ها در سرعت‌های چرخش بالا بود. مهندسان امروزه با توسعه سیستم خنک‌کاری مستقیم با غوطه‌وری روغن دی‌الکتریک (Direct Oil-Immersion Cooling) این مانع را برطرف کرده‌اند.

روغن خنک‌کننده به صورت تحت فشار از میان سیم‌پیچ‌های نواری استاتور عبور کرده و حرارت را مستقیماً از مبدا تولید دفع می‌کند. این قابلیت دفع حرارتی بی‌نظیر مانع از پدیده داغ‌شدن آهنرباهای نئودیمیومی (Demagnetization) شده و به موتور اجازه می‌دهد توان بیشینه (Peak Power) خود را نه فقط برای چند ثانیه لانچ اولیه، بلکه برای دقایق طولانی در پیست‌های سرعت بدون افت راندمان حفظ کند.

این ثبات حرارتی، هماهنگی ایده‌آلی با پلتفرم‌های شارژ سریع و معماری ولتاژ بالای ۹۰۰ ولتی دارد و تخلیه و پر شدن مداوم انرژی را با کمترین تنش میسر می‌سازد.

انقلاب در پکیجینگ خودرو؛ هاب‌موتورهای درون چرخ و شاسی‌های تخت ماژولار

ضخامت یک موتور شار محوری پیشرفته امروزه با توان خروجی ۳۰۰ اسب بخار، تنها کمتر از ۸ الی ۱۰ سانتی‌متر است! این ابعاد دیسکی مینیاتوری ساختار پلتفرم‌های خودرو را از نو تعریف کرده است. دیگر نیازی به تعبیه یک برآمدگی بزرگ میان چرخ‌های عقب یا اشغال فضای زیر کاپوت نیست.

خودروسازان اکنون می‌توانند دو موتور مجزا را مستقیماً روی هر چرخ نصب کنند و سیستم توزیع گشتاور برداری واقعی (True Torque Vectoring) را با دقت میلی‌ثانیه‌ای پیاده سازند. خودرو در پیچ‌های تند بدون استفاده از ترمز فیزیکی، با اعمال گشتاور مثبت روی چرخ بیرونی و گشتاور منفی معکوس روی چرخ داخلی، پیچ را با پایداری ماورایی دور می‌زند.

این انعطاف‌پذیری فوق‌العاده در کنترل حرکت، پیوندی مستقیم با سامانه‌های سیستم تعلیق فعال هوشمند و شاسی‌های پیش‌بین مجهز به هوش مصنوعی دارد که پایداری دینامیکی خودرو را به کمال رسانده‌اند.

از سوپراسپرت‌های AMG و مک‌لارن تا خودروهای برقی خانوادگی اقتصادی

نخستین خودروهایی که از این فناوری بهره‌مند شدند، هایپرکارهای چند میلیون دلاری نظیر مک‌لارن W1 و نسل نوین مدل‌های الکتریکی AMG مرسدس بنز بودند. اما در نیمه دوم، خطوط تولید خودکار سیم‌پیچی رباتیک در بریتانیا و آلمان هزینه تولید این موتورها را بیش از ۴۰ درصد کاهش داده‌اند.

تولیدکنندگان مطرح در حال ورود به بازار سدان‌ها و شاسی‌بلندهای میان‌رده هستند. کاهش وزن ۵۰ کیلوگرمی موتور برقی به این معنی است که خودروساز می‌تواند یا باتری بزرگ‌تری در کف خودرو بگنجاند تا پیمایش ۲۰۰ کیلومتر بیشتر شود، یا با سبک‌تر کردن کل سازه، مصرف انرژی به ازای هر ۱۰۰ کیلومتر را کاهش دهد.

علاوه بر این، در خودروهای هیبریدی با عملکرد بالا، موتور شار محوری به سادگی میان موتور احتراقی و گیربکس به عنوان یک واشر نازک جا می‌گیرد و بدون اشغال فضای اضافی، بوست فوری چند صد نیوتن‌متری را فراهم می‌کند.

نتیجه‌گیری و چشم‌انداز تحریریه ماگ بیت: چرخ‌های قدرت در آغاز قرنی نوین

موتورهای شار محوری نمونه‌ای درخشان از پیروزی تفکر مجدد بر مهندسی ارتدوکس و قدیمی هستند. برای بیش از صد سال همه تصور می‌کردند موتور برقی باید یک لوله استوانه‌ای سنگین باشد، تا آنکه شجاعت تغییر جهت یک بردار مغناطیسی، صنعتی چندصد میلیارد دلاری را تکان داد.

با گسترش خطوط تولید این موتورها در سال‌های و ۲۰۲۷، پیشرانه‌های برقی سبک‌تر، کارآمدتر و خنک‌تر از همیشه خواهند شد و رویای دستیابی به خودروهایی سبک‌بال با عملکردی فراتر از قوانین تصور را به واقعیتی روزمره بدل خواهند کرد.