بررسی موتورهای درون‌چرخ شار محوری EV

پایان میراث سنگین قرن بیستم؛ چرا موتورهای متمرکز و شفت‌های مکانیکی منسوخ شدند؟

حتی در مدرن‌ترین خودروهای الکتریکی نسل گذشته، طراحان همچنان از الگوی مهندسی سنتی پیروی می‌کردند: یک یا دو موتور بزرگ استوانه‌ای در مرکز اکسل جلو و عقب نصب می‌شد و گشتاور تولیدی از طریق جعبه‌دنده‌های کاهنده، میل‌گاردان و پلوس‌های ضخیم به چرخ‌ها می‌رسید. این معماری علاوه بر تحمیل صدها کیلوگرم وزن اضافی، موجب هدررفت انرژی به دلیل اصطکاک مکانیکی بیشمار چرخدنده‌ها و اشغال بخش عظیمی از فضای زیر کاپوت و صندوق می‌شد.

امروزه بلوغ موتورهای شار محوری (Axial Flux) ورق را به کلی برگرداند. این موتورها به جای فرم استوانه‌ای طویل موتورهای سنتی شار شعاعی (Radial Flux)، ظاهری تخت و شبیه به دیسک ترمز دارند و خطوط میدان مغناطیسی در آن‌ها موازی با محور چرخش امتداد می‌یابد. این جهش طراحی در هماهنگی مستقیم با پیشرفت‌های سیستم‌های هدایت با سیم Steer-by-Wire امکان حذف کامل ستون‌های مکانیکی از فرمان تا چرخ را مهیا ساخته است.

با ادغام این موتورهای دیسکی درون توپی چرخ (In-Wheel)، تمامی قطعات مکانیکی رابط میان موتور و تایر برای همیشه به تاریخ پیوستند.

فیزیک شار محوری؛ چگالی گشتاور ۴۰ نیوتن‌متر بر کیلوگرم با روتور دوگانه

تفاوت بنیادی موتورهای شار محوری در بهره‌گیری حداکثری از مساحت سطحی نهفته است. در ساختار استاتور بدون آهن (Ironless Stator) یا روتور دوگانه در دو سمت استاتور، سیم‌پیچ‌های مسی در معرض حداکثر شار مغناطیسی آهنرباهای نئودیمیومی با چیدمان هالباخ قرار می‌گیرند.

در حالی که برترین موتورهای الکتریکی شار شعاعی صنعتی به چگالی گشتاور نهایتاً ۱۰ تا ۱۲ نیوتن‌متر به ازای هر کیلوگرم وزن دست می‌یافتند، موتورهای شار محوری دوران معاصر رکوردهای شگفت‌انگیز بیش از ۴۰ نیوتن‌متر بر کیلوگرم را ثبت کرده‌اند! این یعنی یک موتور فوق‌باریک با وزن تنها ۱۸ کیلوگرم می‌تواند گشتاوری بالغ بر ۷۵۰ نیوتن‌متر تولید کند؛ عددی که برای به پرواز درآوردن هر سوپراسپرت سنگین‌وزنی کافی است.

علاوه بر این، مسیر کوتاه رسانش حرارتی و تلفیق آن با سیستم‌های خنک‌کاری پیشرفته نظیر آنچه در خنک‌کاری غوطه‌وری پیشرانه‌های برقی پیاده‌سازی شده، مانع از داغ شدن سیم‌پیچ‌ها در درگ‌های متوالی و شیب‌های تند جاده‌ای می‌شود.

بردار گشتاور میلی‌ثانیه‌ای و پایان کم‌فرمانی و بیش‌فرمانی در پیچ‌ها

شگفتی واقعی موتورهای درون‌چرخ در پویایی سواری و دینامیک رانندگی تجلی می‌یابد. در سیستم‌های کلاسیک، کنترل پایداری (ESP) از طریق اعمال ترمز بر روی چرخ متخلف عمل می‌کرد که حرکتی بازدارنده و همراه با اتلاف شتاب بود.

با داشتن ۴ موتور کاملاً مستقل روی چهار چرخ، کامپیوتر مرکزی خودرو قادر است در هر ۲ میلی‌ثانیه گشتاور هر تایر را به صورت انفرادی تنظیم کند. در سر یک پیچ تند با سرعت بالا، چرخ‌های بیرونی می‌توانند گشتاور مثبت و فزاینده دریافت کرده و چرخ‌های داخلی گشتاور منفی یا احیاکننده (Regenerative) ایجاد نمایند؛ پدیده‌ای که نوعی گشتاور چرخشی (Yaw Moment) جادویی به دور مرکز ثقل خودرو خلق می‌کند.

این کنترل میلی‌ثانیه‌ای هماهنگی خارق‌العاده‌ای با شبکه‌های اترنت خودرویی و معماری منطقه‌ای SDV دارد که تبادل بلادرنگ فرامین حرکتی بدون تاخیر را پشتیبانی می‌کنند. پایداری خودرو روی یخ و جاده‌های خیس با این متدولوژی به سطحی فراتر از قوانین درک‌شده سنتی رسیده است.

معماری شاسی اسکیت‌بوردی رادیکال و بازپس‌گیری ۴۰ درصد فضای داخلی

وقتی چهار موتور در داخل رینگ چرخ‌ها جای گیرند، ساختار پلتفرم خودرو به یک کفی کاملاً تخت و بدون کوچک‌ترین برجستگی (Skateboard Chassis) تبدیل می‌شود. دیگر نیازی به برآمدگی‌های محفظه موتور در جلو، تونل میل‌گاردان در وسط کابین و دیفرانسیل در صندوق عقب نیست.

این تحول انقلابی به طراحان اجازه داده تا فاصله محوری (Wheelbase) را بدون افزایش طول کلی خودرو به حداکثر برسانند. یک هاچ‌بک جمع‌وجور شهری اکنون می‌تواند فضای داخلی معادل یک لیموزین لوکس کلاس S ارائه دهد! این صرفه‌جویی فضایی همچنین بستر ایده‌آلی برای چینش بهینه‌تر بسته‌های باتری فراهم ساخته و ادغام با زیرساخت‌های شارژ مگاواتی ۹۰۰ ولتی را تسهیل نموده است.

همچنین با باز شدن زاویه چرخش چرخ‌ها به لطف حذف محورهای صلب، قابلیت چرخش درجا (Tank Turn) و پارک موازی با زاویه ۹۰ درجه برای تمام خودروهای مجهز به این فناوری امکان‌پذیر شده است.

پاسخ به چالش تاریخی جرم فنربندی‌نشده و آینده صنعت حمل‌ونقل برقی

منتقدان موتورهای درون‌چرخ همواره به مسئله «جرم فنربندی‌نشده» (Unsprung Mass) اشاره می‌کردند و معتقد بودند افزایش وزن در ناحیه چرخ باعث افت کیفیت جذب ضربات توسط سیستم تعلیق می‌شود. اما امروزه با ساخت دیسک‌های شار محوری از فیبر کربن کامپوزیت و آلیاژهای تیتانیوم-آلومینیوم و حذف دیسک‌های ترمز مکانیکی بزرگ (به دلیل ریکاوری ۹۹ درصدی ترمز ژنراتوری)، وزن کلی مجموعه چرخ حتی نسبت به چرخ‌های سنتی با کالیپرهای ۶ پیستونه سنگین کاهش یافته است!

موتورهای شار محوری درون‌چرخ امروزه تجسم واقعی پالایش مهندسی مکانیک هستند؛ سیستمی که پیوند مستقیم اراده راننده و الگوریتم‌های هوش مصنوعی با آسفالت زمین را رقم زده و نقطه عطفی در تاریخ تحول وسایل نقلیه به شمار می‌رود.