موتورهای درون چرخ در خودروهای برقی؛ بازدهی بیشتر و فضای بزرگ‌تر
امروزه موتورهای الکتریکی شار محوری با چگالی گشتاور خیره‌کننده و ضخامت دیسکی باریک، با استقرار درون چرخ‌های خودروهای برقی، دیفرانسیل‌های سنگین مکانیکی را بازنشسته کرده و دینامیک حرکتی را متحول ساخته‌اند.
- بررسی عمیق ساختار فنی موتورهای شار محوری (Axial Flux PMSM) و ادغام مستقیم آنها در چرخ‌ها (In-Wheel) امروزه تحلیل خنک‌کاری روغنی مستقیم استاتور، حذف گیربکس و دیفرانسیل مکانیکی، کنترل برداری مستقل گشتاور (Torque Vectoring) در میلی‌ثانیه‌ها و ارزیابی بهره‌وری انرژی.
- بررسی جامع ابعاد فنی و کاربردی توسط تحریریه ماگ بیت.
- پیش‌بینی اثرات کوتاه‌مدت و بلندمدت بر اکوسیستم فناوری.
پایان سلطه موتورهای استوانه‌ای شار شعاعی و ظهور دیسک‌های پرقدرت
صنعت خودروهای الکتریکی در طول دو دهه ابتدایی رشد خود، وابستگی عمیقی به موتورهای مغناطیس دائم شار شعاعی (Radial Flux Motors) داشت؛ ماشین‌های الکتریکی استوانه‌ای‌شکلی که خطوط میدان مغناطیسی در آنها عمود بر محور چرخش شفت سیر می‌کرد. اگرچه این موتورها به بازدهی فراتر از ۹۳ درصد دست یافتند، اما از نظر چگالی گشتاور حجمی و وزنی به سقف فیزیکی خود رسیده‌اند. با افزایش نیاز ابرخودروها و هاچ‌بک‌های مدرن به توان شتاب‌گیری آنی و فضای کابین بهینه‌تر، مهندسان پیشرانه امروزه نگاه خود را به فناوری «شار محوری» (Axial Flux) معطوف ساخته‌اند.
در موتورهای شار محوری، خطوط میدان مغناطیسی موازی با محور دوران شفت حرکت می‌کنند. این تغییر هندسی سبب می‌شود موتور به جای یک استوانه طویل، به شکل یک دیسک باریک شبیه به دیسک ترمز درآید. به دلیل قرارگیری آهنرباهای نئودیمیوم در شعاع دورتر از مرکز، گشتاور اهرمی بسیار قدرتمندتری پدید می‌آید. در نتیجه، یک موتور شار محوری مدرن دوران معاصر با وزنی معادل تنها ۲۴ کیلوگرم می‌تواند گشتاوری فراتر از ۸۰۰ نیوتن‌متر تولید کند؛ عددی که پیش از این مستلزم موتوری شار شعاعی با وزن بیش از ۸۰ کیلوگرم بود.
این جهش وزنی و ابعادی، مهندسان را قادر ساخته تا موتور را مستقیماً به داخل رینگ چرخ خودرو (In-Wheel Motor) منتقل کنند. در کنار دستاوردهای معماری‌های ولتاژ ۱۲۰۰ ولتی SiC و خنک‌کاری غوطه‌وری مستقیم در خودروهای برقی، انتقال توان با بالاترین ولتاژ و بدون تلفات حرارتی در کابل‌های قطور محقق شده و راندمان کلی پلتفرم را به اوج رسانده است.
کالبدشناسی سیستم‌های درون چرخ؛ غلبه بر چالش جرم فنربندی‌نشده
بزرگ‌ترین مانع تاریخی در استقرار موتورها درون چرخ‌ها، پدیده «جرم فنربندی‌نشده» (Unsprung Mass) بود. هر کیلوگرم وزن اضافی اضافه شده به مجموعه چرخ و سیستم تعلیق، می‌تواند ضربات جاده به بدنه را تشدید کرده و چسبندگی لاستیک به سطح آسفالت را در پیچ‌های تند به مخاطره بیندازد. در پلتفرم‌های پرچمدار دوران کنونی این چالش با سه نوآوری بنیادین مهار گردیده است.
نخست، استفاده از سیم‌پیچ‌های استاتور مس فشرده با فناوری پرینت سه‌بعدی و هسته‌های کامپوزیت پودر مغناطیسی نرم (SMC) است که وزن استاتور را تا ۴۵ درصد کاهش داده است. دوم، ادغام دیسک ترمز مکانیکی سرامیک-کربن با روتور موتور است، به طوری که روتور موتور در نقش دیسک ترمز نیز عمل کرده و ترمزگیری احیاکننده (Regenerative Braking) تا شتاب منفی ۰.۶G را بدون نیاز به لنت‌های سنتی انجام می‌دهد. سوم، به‌کارگیری سیستم تعلیق فعال الکترومغناطیسی با نرخ تازه‌سازی ۱۰۰۰ هرتز است که ارتعاشات جرم اضافی را به طور کامل خنثی می‌سازد.
علاوه بر این، جریان برق فشارقوی از طریق اتصالات انعطاف‌پذیر مجهز به غلاف‌های شیلدینگ الکترومغناطیسی به چرخ‌ها هدایت می‌شود. این سیستم برای تأمین جریان‌های ناگهانی در شتاب‌گیری‌های انفجاری با سامانه‌های ذخیره‌سازی هیبریدی باتری و ابرخازن گرافنی در خودروهای برقی کوپل شده است تا از افت ولتاژ سلول‌های باتری اصلی در لحظات تیک‌آف جلوگیری به عمل آید.
دینامیک حرکتی بی‌همتا و هوشمندی نرم‌افزاری در میلی‌ثانیه‌ها
وجود چهار موتور شار محوری مستقل در چهار چرخ خودرو، مفهوم انتقال قدرت سنتی را منسوخ ساخته است. در این خودروها، هیچ‌گونه میل‌گاردان مرکزی، جعبه‌دنده کاهنده سنگین، میل‌پلوس یا دیفرانسیل لغزش محدود (LSD) وجود ندارد. این امر نه تنها کف اتاق خودرو را کاملاً تخت و جادار کرده، بلکه اتلاف انرژی اصطکاکی ناشی از چرخش چرخ‌دنده‌ها را به صفر رسانده است.
از نظر دینامیک رانندگی، الگوریتم‌های کنترل برداری پیشرفته (True Torque Vectoring) قادرند در هر یک میلی‌ثانیه، گشتاور متفاوتی را به هر یک از چرخ‌ها تزریق یا از آنها استخراج کنند. به عنوان مثال، در هنگام ورود به یک پیچ راست‌گرد با سرعت ۲۰۰ کیلومتر بر ساعت، چرخ‌های بیرونی سمت چپ گشتاور مثبت قدرتمندی دریافت می‌کنند در حالی که چرخ‌های سمت راست گشتاور منفی معکوس اعمال می‌نمایند تا بدنه خودرو با نیروی اینرسی به سمت داخل پیچ چرخانده شود.
این فرآیند به صورت یکپارچه تحت نظارت مغز متفکر نرم‌افزاری خودرو مدیریت می‌شود که در هماهنگی مستقیم با اصول خودروهای تعریف‌شده با نرم‌افزار (SDV) و معماری منطقه‌ای است؛ جایی که کنترل‌کننده‌های زونال چرخ، داده‌های گشتاور و اصطکاک سطح یخ‌زده یا خیس جاده را با پروتکل زمان‌واقعی به کامپیوتر مرکزی ارسال می‌دارند تا از انحراف یا واژگونی جلوگیری شود.
جعبه‌ابزار مهندسان پیشرانه و شبیه‌سازی خودرو امروزه
طراحی و صحه‌گذاری موتورهای شار محوری نسل جدید مستلزم تلفیق شبیه‌سازی‌های کوپل الکترومغناطیسی-حرارتی و سیستم‌های تحلیل دینامیک است که امروزه توسط ابزارهای زیر رهبری می‌شوند:
۱. پکیج شبیه‌سازی Ansys Maxwell Axial-Flux Suite نوین: ابزار استاندارد صنعت برای تحلیل المان محدود سه‌بعدی هارمونیک‌های مغناطیسی، پیش‌بینی پدیده اشباع شار در روتورهای دوطرفه و شبیه‌سازی کانال‌های خنک‌کاری روغن مستقیم در مجاورت سیم‌پیچ‌های استاتور.
۲. سیستم‌عامل درایور YASA-Bespoke Inverter OS: فرم‌ورک بلادرنگ مبتنی بر ماژول‌های اینورتر سیلیکون کارباید که فرکانس سوئیچینگ فراتر از ۴۰ کیلوهرتز را مدیریت کرده و کنترل جریان سه‌فاز FOC را با خطای فازی کمتر از ۰.۱ درجه ممکن می‌سازد.
۳. جعبه‌ابزار عیب‌یابی Vector CANalyzer EV-Drive Edition: مجموعه نرم‌افزاری استاندارد تست و عیب‌یابی شبکه CAN XL و Ethernet صنعتی خودرو که تله‌متری چرخش چرخ‌ها، دمای سیم‌پیچ‌ها و پاسخ گشتاور را با دقت میکروثانیه‌ای لاگ و اعتبارسنجی می‌کند.
چشم‌انداز صنعتی؛ از پیست‌های مسابقه تا خودروهای خانوادگی اقتصادی
گرچه فناوری موتورهای شار محوری و سامانه‌های درون چرخ امروزه نخست در ابرخودروهای لیمیتد-ادیشن و خودروهای مسابقه‌ای فرمول E به نمایش درآمده‌اند، اما مزایای اقتصادی تولید آنها به سرعت در حال تغییر موازنه بازار است. با ساده‌سازی خط تولید و حذف بیش از ۳۰۰ قطعه مکانیکی متحرک مرتبط با سیستم انتقال قدرت، هزینه ساخت بدنه و شاسی خودروهای الکتریکی روند کاهشی به خود گرفته است.
پیش‌بینی شرکت‌های ارشد تحلیلی امروزه نشان می‌دهد که تا سال ۲۰۲۸، پلتفرم‌های هاچ‌بک شهری و کراس‌اوورهای سایز متوسط نیز به طور گسترده به دو موتور شار محوری در اکسل عقب مجهز خواهند شد. این گذار انقلابی، خودروها را پاک‌تر، چابک‌تر، جادارتر و بادوام‌تر از هر دوره‌ای در تاریخ حمل‌ونقل بشر خواهد ساخت.
بیشتر از خودرو
